WO2009095170A2 - Electromagnetic membrane-microactuator - Google Patents

Abstract

The invention relates to an electromagnetic microactuator (1) that is incorporated onto a bearing body (2) and comprises at least coil (3) and one membrane (4) that, when said coil (3) is supplied with a current, can be deflected. Said membrane (4) consists of a dielectric elastomer actuator that can be supplied with current and comprises an elastomer film (5) having a electrode coating (6, 7) on both sides.

Description

Translated fromGerman

Elektromagnetischer Membran-Mikroaktor Electromagnetic membrane microactuator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Mikroaktor, der auf einem Trägerkörper aufgebaut ist und wenigstens eine Spule und eine Membran aufweist, die durch Bestromung der Spule auslenkbar ist.The present invention relates to an electromagnetic microactuator which is constructed on a carrier body and has at least one coil and a membrane which can be deflected by energizing the coil.

Elektromagnetische Mikroaktoren sind bekannt im Einsatzbereich von Mikropum- pen, miniaturisierten Stellgliedern oder finden Anwendung im Bereich der aktiven Strömungsbeeinflussung der Luftströmung an Luftfahrzeug-Tragflächen. Die Mikroaktoren sind nach dem Prinzip eines elektromagnetischen Stellgliedes aufgebaut, das eine Spule aufweist, die bei Bestromung eine Membran auslenken kann. An der Membran kann ein metallischer Körper angeordnet sein, auf den das elektromagnetische Feld, das durch die Bestromung der Spule erzeugt wird, einwirkt. Je stärker die Spule bestromt wird, desto größer wird die Auslenkung der Membran. Wird an die Spule eine Wechselspannung angelegt, so kann die Membran mit der Wechselspannungsfrequenz in Schwingung versetzt werden. Der einfachste Aufbau, den der Stand der Technik zeigt, kann in einem Lautsprecher ge- sehen werden, wobei gewöhnlich die Spule den bewegten Teil der Lautsprecheranordnung bildet. Folglich besteht auch bei elektromagnetischen Mikroaktoren die Möglichkeit, die Spule auf die auszulenkende Membran aufzubringen, um die dynamisch bewegte Masse zu reduzieren. Ferner sind elektromagnetische Mikroaktoren bekannt, welche sowohl auf dem Trägerkörper als auch auf der Membran eine jeweilige Spule aufweisen, so dass sich eine gegenseitige elektromagnetische Beeinflussung bilden kann, um auch auf diese Weise bei Anlegen einer Wechselspannung an die Spulen eine Schwingung in der Membran zu erzeugen, ohne einen metallischen Körper als Kern zu benötigen.Electromagnetic microactuators are known in the field of use of micropumps, miniaturized actuators or find application in the field of active flow control of the air flow on aircraft wings. The microactuators are constructed on the principle of an electromagnetic actuator having a coil which can deflect a membrane when energized. On the membrane, a metallic body can be arranged, on which the electromagnetic field, which is generated by the energization of the coil, acts. The stronger the coil is energized, the greater the deflection of the membrane. If an alternating voltage is applied to the coil, then the membrane can be set in oscillation with the alternating voltage frequency. The simplest construction shown in the prior art can be seen in a loudspeaker, usually the coil forming the moving part of the loudspeaker arrangement. Consequently, it is also possible with electromagnetic microactuators to apply the coil to the diaphragm to be deflected in order to reduce the dynamically moved mass. Furthermore, electromagnetic microactuators are known which have a respective coil both on the carrier body and on the membrane, so that a mutual electromagnetic influence can form, in order in this way to generate an oscillation in the membrane when an alternating voltage is applied to the coils without needing a metallic body as a core.

In den letzten Jahren werden zunehmend miniaturisierte Aktoren gefordert, bei denen jedoch die Frequenz sowie die erzielbaren Amplituden der Membranauslenkung begrenzt sind. Im statischen Betrieb der Mikroaktoren können zwar Aus- lenkungen von bis zu 200μm erzielt werden, jedoch können geforderte Frequenzbereiche im kHz-Bereich bei den Auslenkungen nicht umgesetzt werden. Zur Miniaturisierung der Aktoren sind zwar pianare Spuien bekannt, welche flächig auf dem Trägerkörper oder auf der Innenseite der Membran aufgebracht werden, je- doch können große Auslenkungen bei höheren Frequenzen durch derartige Anordnungen aufgrund der begrenzten Leistungsdichte nicht erzielt werden. Folglich sind stark miniaturisierte pianare Spulen mit Dimensionen von weniger als 2qmm zwar bekannt, jedoch sind die erzielbaren Auslenkungen der Membran nicht umsetzbar.In recent years, increasingly miniaturized actuators are required, but in which the frequency and the recoverable amplitudes of the membrane deflection are limited. In the static operation of the microactuators, although can be achieved steering of up to 200μm, but required frequency ranges in the kHz range in the deflections can not be implemented. Although miniaturization of the actuators is known to have planar coils which are applied flat on the carrier body or on the inside of the diaphragm, however, large deflections at higher frequencies can not be achieved by such arrangements due to the limited power density. Consequently, although highly miniaturized pianolar coils with dimensions of less than 2qmm are known, the achievable deflections of the membrane are not feasible.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromagnetischen Mikroaktor bereit zu stellen, welcher auch bei hohen Frequenzen im kHz-Bereich große Auslenkungen ermöglicht.It is therefore the object of the present invention to provide an electromagnetic microactuator which enables large deflections even at high frequencies in the kHz range.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem elektromagnetischen Mikroaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Ferner wird ein Verfahren gemäß des Anspruchs 11 vorgeschlagen, dass auf den Betrieb eines elektromagnetischen Mikroaktors gemäß des Anspruchs 1 gerichtet ist, und die Schaffung einer großen Amplitude der Membranauslenkung bei hohen Frequenzen ermöglicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved on the basis of an electromagnetic microactuator according to the preamble of claim 1 in conjunction with the characterizing features. Further, a method according to claim 11 is proposed, which is directed to the operation of an electromagnetic microactuator according to claim 1, and enables the creation of a large amplitude of the diaphragm displacement at high frequencies. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Membran aus einem bestrombaren dielektrischen Elastomeraktor gebildet ist, der einen Elastomerfilm mit einer beidseitigen Elektrodenbeschichtung aufweist.The invention includes the technical teaching that the membrane is formed from a currentable dielectric elastomer actuator having an elastomeric film with a double-sided electrode coating.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, einen vorzugsweise elektromagnetischen Mikroaktor bekannter Bauart mit einer Membran auszuführen, welche in ihren elastischen Eigenschaften mittels einer Bestromung beeinflussbar ist. Hierzu ist vorgesehen, die Membran als dielektrischen Elastomeraktor auszuführen, der aus einem Elastomerfilm besteht, der an seinen beiden Grenzflächen jeweilige Elektrodenbeschichtungen aufweist. Dielektrische Elastomeraktoren sind adaptive Materialsysteme, welche hohe Dehnungen bis zu 300% erreichen können. Sie gehören zur Gruppe der elektroaktiven Polymere, welche auf dem Funktionsprinzip beruhen, die elektrische Energie, die durch die Kontaktierung der Elektroden- beschichtungen in das Materialsystem eingebracht wird, direkt in mechanische Arbeit umzuwandeln. Werden die Elektrodenbeschichtungen in einen elektrischen Schaltkreis integriert, so stellt sich ein elektrostatischer Druck im Elastomerfilm ein, so dass sich die Dicke des Elastomerfilms verringern kann. Durch den Effekt der Querkontraktion dehnt sich bei Dicken red uktion der Elastomerfilm in seiner Erstreckungsebene aus. Die Folge ist, dass sich die Auslenkung der Membran durch Bestromung der Elektrodenbeschichtungen vergrößert, so dass der Effekt der elektromagnetischen Beeinflussung durch die Bestromung der Spule mit dem Effekt der planaren Ausdehnung des Elastomerfilms überlagert. Auf diese Weise können elektromagnetische Mikroaktoren in ihrem Leistungsspektrum erheblich erweitert werden, wobei die erfindungsgemäße Anordnung einer weiteren Miniatu- risierung der elektromagnetischen Aktoren nicht entgegensteht. Die erfindungsgemäße elektrisch aktivierbare Membran kann beispielsweise auch mit piezoelektrischen, elektrostatischen, magnetischen oder magnetostrikitven Aktoren verwendet werden.The invention is based on the idea of carrying out a preferably electromagnetic microactuator of known design with a membrane which can be influenced in its elastic properties by means of a current supply. For this purpose, it is provided to carry out the membrane as a dielectric Elastomeraktor consisting of an elastomeric film having at its two interfaces respective electrode coatings. Dielectric elastomer actuators are adaptive Material systems that can achieve high strains up to 300%. They belong to the group of electroactive polymers which are based on the functional principle of converting the electrical energy, which is introduced into the material system by contacting the electrode coatings, directly into mechanical work. When the electrode coatings are integrated into an electrical circuit, an electrostatic pressure is established in the elastomeric film, so that the thickness of the elastomeric film may decrease. Due to the effect of the transverse contraction, the thickness of the elastomer film in its plane of extent is extended when the thickness is reduced. The consequence is that the deflection of the membrane is increased by energizing the electrode coatings, so that the effect of the electromagnetic influence by the energization of the coil with the effect of the planar expansion of the elastomer film superimposed. In this way, electromagnetic microactuators can be considerably expanded in their power spectrum, wherein the arrangement according to the invention does not preclude further miniaturization of the electromagnetic actuators. The electrically activatable membrane according to the invention can also be used, for example, with piezoelectric, electrostatic, magnetic or magnetostrictive actuators.

Ein Anwendungsgebiet elektromagnetischer Mikroaktoren betrifft eine aktive Beeinflussung der Strömungsausbildung an der Tragfläche eines Luftfahrzeugs. Ein beträchtlicher Anteil des Widerstands eines Luftfahrzeugs wird durch den Reibungswiderstand der Luftströmung bestimmt. Verschiedene Beeinflussungskonzepte wirken auf eine Verschiebung der laminar-turbulenten Transition in Richtung der Tragflächenhinterkante hin, wobei der Umschlagpunkt zwischen der laminaren und der turbulenten Strömung durch die adaptive Beeinflussung der Strömung in Richtung zur Tragflächenhinterkante hin verlagert wird. Daraus folgt eine Reduktion des Reibungswiderstandes der Luftströmung, da die laminare Laufstrecke der Strömung über der Tragfläche vergrößert wird. Ein aktiver Ansatz zur Verlänge- rung der laminaren Lauflänge besteht darin, die transitionsverursachenden instabilen Tollmien-Schlichting (TS)-Wellen durch Überlagerung mit künstlichen Gegenströmungen zu minimieren. Hierzu werden an geeigneter stelle auf der Tragfläche Arrays von Mikroaktoren aufgebracht, die eine Dämpfung der TS-Wellen und somit eine Verzögerung der Transition ermöglichen. Derartige Arrays von Mikroaktoren können jedoch auch in änderen Fiuggeräten, beispieisweise Hubschraubern und Flugkörpern zur Strömungsbeeinflussung angewendet werden. Aufgrund der häufig gekrümmten Oberflächen Tragflächen kann es vorgesehen sein, den Trägerkörper des elektromagnetischen Mikroaktors flexibel auszuführen, um das Ar- ray der elektromagnetischen Mikroaktoren der Krümmung der Tragflächen anzupassen.One field of application of electromagnetic microactuators relates to actively influencing the flow formation on the wing of an aircraft. A significant proportion of the resistance of an aircraft is determined by the frictional resistance of the airflow. Various influencing concepts act on a shift of the laminar-turbulent transition in the direction of the trailing trailing edge, wherein the transition point between the laminar and the turbulent flow is displaced by the adaptive influencing of the flow in the direction of the trailing trailing edge. This results in a reduction of the frictional resistance of the air flow as the laminar travel distance of the flow over the airfoil is increased. An active approach to extending the laminar run length is to minimize the transient-causing unstable Tollmien Schlichting (TS) waves by overlaying with artificial countercurrents. This will be done at the appropriate place on the wing Arrays of microactuators applied, which allow an attenuation of the TS waves and thus a delay of the transition. However, such arrays of microactuators can also be used in other flying devices, for example helicopters and missiles for influencing the flow. Due to the frequently curved surfaces of the support surfaces, provision may be made for the support of the electromagnetic microactuator to be flexible in order to adapt the array of electromagnetic microactuators to the curvature of the airfoils.

Weitere Einsatzmöglichkeiten zur Strömungsbeeinflussung in anderen technischen Gebieten fluidischer Systeme wie beispielsweise in der Medizintechnik oder in der μ-Anlagentechnik sind möglich. Ferner können taktile Displays mit den erfindungsgemäßen elektromagnetischen Mikroaktoren ausgeführt werden, wobei hohe Amplituden und hohe Frequenzen bei höchster räumlicher Auflösung benö- tigt werden. Die einzelnen Mikroaktoren können auf wenige Quadratmillimeter o- der Sub-Quadratmillimeter größenreduziert werden.Further possible applications for influencing the flow in other technical fields of fluidic systems, such as in medical technology or in μ-plant technology are possible. Furthermore, tactile displays can be carried out with the electromagnetic microactuators according to the invention, where high amplitudes and high frequencies are required at the highest spatial resolution. The individual microactuators can be reduced in size to a few square millimeters or sub-square millimeters.

Vorteilhafterweise ist die Bestromung der Spule mit der Bestromung des dielektrischen Elastomeraktors synchronisierbar. Wenn die Spule bei einer Eigenfrequenz der Membran betrieben wird, dann kann eine besonders große Amplitude der Membran erwartet werden. Mit Hilfe der an die Membran angelegten Spannung, kann die Steifigkeit der Membran eingestellt werden. Hierdurch kann der Bereich, in dem große Amplituden erzeugt werden können, d.h. die Frequenzbreite, in der der elektromagnetische Aktor in Resonanz betrieben werden kann, erweitert wer- den. Die Synchronisation erfolgt gemäß eines Verfahrens zum Betrieb des elektromagnetischen Mikroaktors, wobei der die Membran bildende dielektrische E- lastomeraktor nur innerhalb des Zeitbereiches bestromt wird, in dem auch die Membran durch Bestromung der Spule aus der NulHage ausgelenkt wird. Durch die Bestromung des dielektrischen Elastomeraktors dehnt sich dieser bei gleich- zeitiger Dickenreduktion des Elastomerfilms in Richtung der Erstreckungsebene des Elastomerfilms aus. Dabei wird sowohl die Steifigkeit der Membran reduziert als auch eine aktive Unterstützung der Auslenkung erzeugt. Durch die Verringe- rung der Dicke des Elastomerfilms wird die Steifigkeit verringert, wobei die Ausdehnung des Elastomerfilms aus einer Ebene der Nulllage in eine kalottenartige Woibung uoergent, da die Membran randseitig eingespannt bzw. aufgenommen ist. Folglich überlagert sich die Auslenkung durch die Bestromung der Spule mit der Auslenkung durch die Ausdehnung des Elastomerfilms. In Ergebnis ist eine größere Amplitude der Auslenkung umsetzbar, die auch bei höheren Frequenzen im kHz-Bereich beibehalten werden kann.Advantageously, the energization of the coil can be synchronized with the energization of the dielectric elastomer actuator. If the coil is operated at a natural frequency of the membrane, then a particularly large amplitude of the membrane can be expected. With the help of the voltage applied to the membrane, the rigidity of the membrane can be adjusted. As a result, the range in which large amplitudes can be generated, ie the frequency width in which the electromagnetic actuator can be operated in resonance, can be expanded. The synchronization takes place according to a method for operating the electromagnetic microactuator, wherein the membrane forming the dielectric E- lastomeraktor is energized only within the time range in which the membrane is deflected by energizing the coil from the NulHage. By energizing the dielectric elastomer actuator, it expands in the direction of the plane of extent of the elastomer film while reducing the thickness of the elastomer film. Both the stiffness of the membrane is reduced as well as an active support of the deflection generated. Due to the As the thickness of the elastomeric film is reduced, the stiffness is reduced, whereby the expansion of the elastomeric film from a plane of the zero position into a dome-shaped embossment is nullified, since the membrane is clamped on the edge. Consequently, the deflection is superimposed by the energization of the coil with the deflection by the expansion of the elastomeric film. As a result, a larger amplitude of the deflection can be implemented, which can be maintained even at higher frequencies in the kHz range.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des elektromagnetischen Mikroaktors ist die Spule als Mikrospule ausgeführt und mittels einer Dünnfilmtechnik auf dem Trägerkörper und/oder auf der Oberfläche der Membran aufgebracht. Im nicht bestromten Zustand der Spule sowie des Elastomeraktors können die Membran sowie die planare Spule jeweils parallel zueinander auf dem Trägerkörper aufgebaut sein. Lediglich durch Bestromung der Spule und des Elastome- raktors wird eine kalottenartige Auswölbung der Membran erzeugt, so dass sich der Abstand zwischen der Membran und dem Trägerkörper vergrößert. Die Miniaturisierung des Mikroaktors kann beispielsweise mittels der LIGA-Technik umgesetzt werden, die ein Verfahren mit den Schritten der Lithographie, Galvanik und Abformung beschreibt. Mittels dieser Technik sind Bauteile mit hohen Aspektver- hältnissen auf einem als Substrat ausgeführten Trägerkörper erzeugbar, wodurch eine starke Miniaturisierung sowohl der Spule als auch der Membran möglich ist. Dadurch, dass in dieser Technologie besonders hohe Kerne hergestellt werden können, kann das elektromagnetische Potenzial erheblich gesteigert werden.According to a further advantageous embodiment of the electromagnetic microactuator, the coil is designed as a microcoil and applied by means of a thin-film technique on the carrier body and / or on the surface of the membrane. In the non-energized state of the coil and of the elastomer actuator, the membrane and the planar coil can each be constructed parallel to one another on the carrier body. Only by energizing the coil and the elastomer actuator a dome-like bulge of the membrane is generated, so that increases the distance between the membrane and the support body. The miniaturization of the microactuator can be implemented, for example, by means of the LIGA technique, which describes a method with the steps of lithography, electroplating and impression taking. By means of this technique, components with high aspect ratios can be produced on a carrier body designed as a substrate, whereby a high degree of miniaturization of both the coil and the membrane is possible. The fact that particularly high cores can be produced in this technology, the electromagnetic potential can be significantly increased.

Die Ankerkörper können als Permanentmagnet oder als weichmagnetischer oder dimagnetischer Körper ausgeführt sein, welcher beispielsweise an der Membran angeordnet ist, wobei der Ankerkörper mit dem Magnetfeld der Spule zur Erzeugung der Auslenkung der Membran zusammenwirkt. Das Magnetfeld wird dabei durch die auf dem Trägerkörper aufgebrachte Spule erzeugt. Alternativ ist mög- lieh, dass die Spule auf der Membran angeordnet ist, und der Ankerkörper einen Kern auf dem Trägerkörper bildet, der fest auf diesem aufgebracht ist. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Spule auf einem Spulenkern aufgebaut, wobei dieser als geschichteter Spulenkern mit einer hohen Magnetisierbarkeit ausgebiidet ist. Dadurch kann der eiektromagnetische Fiuss durch die Bestromung der Spule weiter erhöht werden, so dass auch die Leis- tungsdichte des elektromagnetischen Mikroaktors weiter erhöht wird. Auch der Aufbau der Spule sowie des Spulenkerns kann mittels der LIGA-Technik erfolgen.The anchor body may be designed as a permanent magnet or as a soft magnetic or dimagnetic body, which is arranged for example on the membrane, wherein the anchor body cooperates with the magnetic field of the coil for generating the deflection of the membrane. The magnetic field is generated by the coil applied to the carrier body. Alternatively, it is possible that the coil is arranged on the membrane, and the anchor body forms a core on the carrier body, which is firmly applied thereto. According to a further advantageous embodiment, the coil is constructed on a coil core, wherein this is ausgebiidet as a layered coil core with a high magnetizability. As a result, the electromagnetic flux can be further increased by the current supply to the coil, so that the power density of the electromagnetic microactuator is further increased. The structure of the coil and the coil core can also be done by means of the LIGA technique.

Vorteilhafterweise sind vier Spulen vorgesehen, die auf dem Trägerkörper in einer jeweils um 90° zueinander versetzten Anordnung auf diesen aufgebracht sind. Die Spulen sind als planare Spulen ausgebildet, wobei die Anordnung der Spulen je nach Anwendungsfall auch als Dipol, Quadrupol und so weiter erfolgen kann. Dadurch kann bei Aufbau eines Arrays aus einer Vielzahl von Mikroaktoren die gegenseitige Beeinflussung durch die entstehenden elektromagnetischen Felder minimiert werden, in dem die Anordnung der planaren Spulen derart vorgesehen wird, dass das magnetische Feld auf den Raum des einzelnen Mikroaktors begrenzt bleibt.Advantageously, four coils are provided, which are applied to the carrier body in an offset by 90 ° to each other arrangement on this. The coils are designed as planar coils, the arrangement of the coils depending on the application can also be done as a dipole, quadrupole and so on. As a result, in the construction of an array of a plurality of microactuators, the mutual influence of the resulting electromagnetic fields can be minimized by providing the arrangement of the planar coils in such a way that the magnetic field remains limited to the space of the individual microactuator.

Zur Bestromung der Spulen sind Leiterbahnen auf dem Trägerkörper aufgebracht, welche randseitig am Trägerkörper in Kontaktpads enden. Bei Aufbau eines Ar- rays durch eine Vielzahl von Mikroaktoren können die einzelnen Aktoren untereinander verschaltet sein, um eine jeweils separate Kontaktierung der Mikroaktoren an eine Peripherie zu vermeiden. Die Kontaktierung des dielektrischen Elastomeraktors kann ebenfalls durch Leiterbahnen sowie entsprechende Kontaktpads vorgesehen werden, welche im Bereich der Aufnahme der Membran angeordnet sind.For energizing the coils strip conductors are applied to the carrier body, which ends at the edge of the carrier body in contact pads. When an array is constructed by a multiplicity of microactuators, the individual actuators can be interconnected to avoid a separate contacting of the microactuators with a periphery. The contacting of the dielectric Elastomeraktors can also be provided by printed conductors and corresponding contact pads, which are arranged in the region of the recording of the membrane.

Vorteilhafterweise ist der Ankerkörper zwischen den vier Spulen an der Seite der Membran zentrisch angeordnet, wobei die Seite der Anordnung des Ankerkörpers auf der Membran in Richtung der Spulen weist. Vorzugsweise äst der Ankerkörper entweder mit einer runden oder einer quadratischen Querschnittsgeometrie aus- geführt, wobei eine quadratische Querschnittsgeometrie bei vierfach vorgesehenen planaren Spulen mit einem jeweiligen Versatz von 90° zueinander eine vorteilhafte Ausführungsform bildet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Spule kann diese eine toroidartige Form aufweisen, wobei sich der Ankerkörper in einen in der toroidartigen Spule eingebrachten Spalt hinein erstreckt. Gemäß diesem Aufbau kann eine sehr hohe Flussdichte des Magnetfeldes innerhalb des Ankerkörpers erzeugt werden, wodurch das Leistungspotenzial des Mikroaktors weiter erhöht wird.Advantageously, the anchor body is arranged centrally between the four coils on the side of the diaphragm, the side of the arrangement of the anchor body facing the diaphragm in the direction of the coils. Preferably, the anchor body is designed either with a round or a square cross-sectional geometry, with a quadratic cross-sectional geometry forming an advantageous embodiment with quadrilateral planar coils with a respective offset of 90 ° to one another. According to a further embodiment of the coil, this may have a toroidal shape, wherein the anchor body extends into a gap introduced in the toroidal coil. According to this structure, a very high flux density of the magnetic field can be generated within the armature body, thereby further increasing the performance potential of the microactuator.

Schließlich sieht noch eine vorteilhafte Ausführungsform vor, dass die Spule als planare Spule ausgebildet ist. Dabei kann die Spulengeometrie beispielsweise rund sein oder die Form eines regelmäßigen Vielecks aufweisen.Finally, an advantageous embodiment provides that the coil is designed as a planar coil. The coil geometry may be, for example, round or have the shape of a regular polygon.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Further, measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of preferred embodiments of the invention with reference to FIGS.

Es zeigt:It shows:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines Querschnitts eines elektromagnetischen Mikroaktors;Figure 1 is a schematic view of a cross section of an electromagnetic microactuator;

Figur 2 eine schematische Darstellung eines dielektrischen Elastomeraktors sowohl im nicht bestromten als auch im bestromten Zustand;Figure 2 is a schematic representation of a dielectric Elastomeraktors both in the non-energized and in the energized state;

Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetischen Mikroaktors mit vier planaren Spulen, welche gleich verteilt um einen Permanentmagneten angeordnet sind und wobei die Spulen durch Leiterbahnen kontaktiert sind;Figure 3 is a perspective view of an electromagnetic microactuator with four planar coils, which are distributed equally distributed around a permanent magnet and wherein the coils are contacted by conductor tracks;

Figur 4 eine Querschnittsansicht des elektromagnetischen Mikroaktors ge- maß der Figur 3; Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetischen Mikroaktors gemäß der Figur 3 mit einem quadratisch ausgeführten Permanentmagneten, weicher an einer Membran angeordnet ist, die als dielektrischer Elastomeraktor ausgeführt ist undFIG. 4 is a cross-sectional view of the electromagnetic microactuator of FIG. 3; 5 shows a perspective view of an electromagnetic microactuator according to FIG. 3 with a square-shaped permanent magnet, which is arranged on a membrane, which is designed as a dielectric elastomer actuator, and FIG

Figur 6 eine perspektivische Ansicht einer Spule mit einer toroidartigen Form und einem Spalt, in dem sich der Permanentmagnet hinein erstreckt, wobei der Permanentmagnet an einer als dielektrischer Elastomerkörper ausgeführte Membran angeordnet ist.FIG. 6 shows a perspective view of a coil with a toroidal shape and a gap in which the permanent magnet extends, the permanent magnet being arranged on a membrane designed as a dielectric elastomer body.

Der elektromagnetische Mikroaktor in Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der schematisch dargestellte Mikroaktor 1 umfasst einen Trägerkörper 2, auf dem die einzelnen Komponenten des Mikroaktors 1 mittels einer Dünnschichttechnik aufeinander aufgebaut sind. Angrenzend an den Trägerkörper 2 befinden sich zwei Spulen 3, die einen Spulenkern 9 umfassen. Aufbauend auf die Spulen 3 folgt ein Abstandshalter 12, welcher einteilig ausgeführt ist und gemäß der Darstellung im Querschnitt sowohl linksseitig als auch rechtsseitig oberhalb der Spulen 3 dargestellt ist. Auf dem Abstandshalter 12 ist eine Membran 4 aufgebracht, welche in einer ausgelenkten Stellung dargestellt ist. Die Nulllage der Membran 4 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Zentrisch unter der Membran 4 ist als Ankerkörper ein Permanentmagnet 8 angeordnet, welcher durch das Magnetfeld, dass durch eine Bestromung der Spulen 3 erzeugt wird, aus der Nulllage ausgelenkt wird. Durch die Auslenkung des Permanentmagneten 8 erfolgt gleichfalls die Auslenkung der Membran 4. Erfindungsgemäß ist die Membran 4 als dielektrischer Elastomeraktor ausgebildet, wobei der Aufbau der Membran 4 in Figur 2 beschrieben ist.The electromagnetic microactuator in Figure 1 is designated by the reference numeral 1. The schematically illustrated microactuator 1 comprises a carrier body 2, on which the individual components of the microactuator 1 are constructed on one another by means of a thin-film technique. Adjacent to the carrier body 2 are two coils 3, which comprise a coil core 9. Building on the coils 3 is followed by a spacer 12, which is designed in one piece and, as shown in cross-section, both on the left side and on the right side above the coil 3 is shown. On the spacer 12, a membrane 4 is applied, which is shown in a deflected position. The zero position of the membrane 4 is shown by a dashed line. Centrally under the diaphragm 4 is arranged as an anchor body, a permanent magnet 8, which is deflected by the magnetic field, which is generated by energizing the coils 3, from the zero position. The deflection of the permanent magnet 8 likewise results in the deflection of the membrane 4. According to the invention, the membrane 4 is designed as a dielectric elastomer actuator, the structure of the membrane 4 being described in FIG.

Figur 2 zeigt eine Membran 4, die erfindungsgemäß als dielektrischer Elastomeraktor ausgebildet ist. Als Elastomermaterialien werden häufig Silikone oder Acryle verwendet. Derartige Materialien zeichnen sich durch einen sehr niedrigen Elastizitätsmodul aus und weisen zugleich eine hohe Dielektrizitätskonstante sowie eine hohe Durchschlagfestigkeit gegen elektrische Potenziale auf. Die Bestromung des dielektrischen Elastomeraktors kann mit abnehmender Dicke des Elastomerfilms 5 verringert werden, um die Gefahr von Spannungsdurchschlägen zu verringern. An den Grenzflächen des Elaεtcrnerfürris 5 ist gemäß der Darsieiiung unterhalb des Elastomerfilms 5 eine erste Elektrodenbeschichtung 6 und oberhalb eine zweite Elektrodenbeschichtung 7 aufgebracht. In der linksseitigen Darstellung der Figur 2 befindet sich die Anordnung aus Elastomerfilm 5 und den Elektrodenbeschichtun- gen 6 und 7 in einem nicht bestromten Zustand. In der rechtsseitigen Anordnung, angedeutet durch eine Erdung sowie einem Spannungsanschluss (V), ist der E- lastomerfiim 5 über die Elektrodenbeschichtungen 6 und 7 bestromt. Die orthogo- nal auf die Erstreckungsebene des Elastomerfilms 5 weisenden Pfeile deuten eine Verringerung der Dicke an, wobei die Pfeile in Erstreckungsrichtung des Elastomerfilms 5 die Ausdehnungsrichtungen des Elastomerfilms 5 darstellen. Im Vergleich zur rechtsseitigen Darstellung des Elastomerfilms 5 ist dieser dünner, wobei die lateralen Abmessungen zunehmen. Das Material des Elastomerfilms 5 weist Volumenkonstanz auf, da vorzugsweise ein inkompressibles Material gewählt wird. Aufgrund der Volumenkonstanz nimmt die laterale Erstreckung linear zur Verringerung der Dicke zu. Durch diese Anordnung eines Elastomerfilms 5 mit den beidseitigen Elektrodenbeschichtungen 6 und 7 wird auf einfache Weise ein Aktor bereitgestellt, welcher erfindungsgemäß als Membran eines Mikroaktors gemäß der Darstellung in Figur 1 eingesetzt wird.Figure 2 shows a membrane 4, which is formed according to the invention as a dielectric elastomer actuator. As elastomeric materials often silicones or acrylics are used. Such materials are characterized by a very low modulus of elasticity and at the same time have a high dielectric constant and a high dielectric strength against electrical potentials. The energization of the Dielectric Elastomeraktors can be reduced with decreasing thickness of the elastomeric film 5 in order to reduce the risk of voltage breakdowns. A first electrode coating 6 and above a second electrode coating 7 are applied at the boundary surfaces of the elastomer conductor 5 below the elastomer film 5. In the left-hand representation of FIG. 2, the arrangement of elastomer film 5 and the electrode coatings 6 and 7 is in a non-energized state. In the right-hand arrangement, indicated by a grounding and a voltage connection (V), the E lastlastimfiim 5 via the electrode coatings 6 and 7 is energized. The arrows pointing orthogonal to the plane of extent of the elastomeric film 5 indicate a reduction in the thickness, the arrows in the direction of extension of the elastomeric film 5 representing the directions of expansion of the elastomeric film 5. Compared to the right side representation of the elastomeric film 5, this is thinner, the lateral dimensions increase. The material of the elastomeric film 5 has a volume constancy, since an incompressible material is preferably selected. Due to the volume constancy, the lateral extent increases linearly to reduce the thickness. By means of this arrangement of an elastomer film 5 with the electrode coatings 6 and 7 on both sides, an actuator is provided in a simple manner, which according to the invention is used as a membrane of a microactuator according to the illustration in FIG.

Figur 3 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines elektromagnetischen Mikroaktors 1 mit einem Trägerkörper 2, auf dem vier 90° zueinander angeordnete planare Spulen 3 aufgebracht sind. Auf einem auf dem Trägerkörper 2 aufgebrachten Ab- Standshalter 12 ist eine Membran 4 aufgebracht, welche einen zentrisch angeordneten als Permanentmagneten 8 ausgebildeten Ankerkörper aufweist. Die Spulen 3 sind jeweils mittels Leiterbahnen 10 kontaktiert, wobei die Leiterbahnen 10 rand- seitig des Trägerkörpers 2 in Kontaktpads 11 enden. Damit bildet gemäß der Darstellung und den Abmessungen des Trägerkörpers 2 die Anordnung einen einzel- nen Mikroaktor 1 , welcher bei in einer Ebene jeweils benachbarten Anordnung einer Vielzahl von Mikroaktoren 1 einen Array bilden kann. Folglich bietet sich eine rechteckige Form des Trägerkörpers 2 an, um jeweils randseitig benachbart einen weiteren Mikroaktor 1 anzuordnen.FIG. 3 shows an exemplary construction of an electromagnetic microactuator 1 with a carrier body 2, on which four planar coils 3 arranged at 90 ° to one another are applied. On a mounted on the support body 2 Ab- support holder 12, a membrane 4 is applied, which has a centrally arranged as a permanent magnet 8 formed anchor body. The coils 3 are in each case contacted by conductor tracks 10, the conductor tracks 10 terminating on the edge side of the carrier body 2 in contact pads 11. Thus, according to the illustration and the dimensions of the carrier body 2, the arrangement forms a single microactuator 1, which can form an array in the case of a respective adjacent arrangement of a multiplicity of microactuators 1. Consequently, there is a rectangular shape of the support body 2, to each edge adjacent to arrange another microactuator 1.

Figur 4 zeigt eine Querschnittsdarstellung des Mikroaktors 1 gemäß der Figur 3. Erkennbar sind hierin sowohl linksseitig als auch rechtsseitig eine Spule 3 im Querschnitt, wobei mittig eine weitere Spule 3 in der Seitenansicht im nicht geschnittenen Zustand dargestellt ist. Unterseitig unter der Membran 4 ist die Anordnung des Permanentmagneten 8 erkennbar, welche durch eine Bestromung der Spulen 3 in vertikaler Richtung auslenkbar ist.FIG. 4 shows a cross-sectional view of the microactuator 1 according to FIG. 3. A coil 3 in cross-section can be seen here both on the left side and on the right side, wherein a further coil 3 is shown centrally in the side view in the uncut state. On the underside of the membrane 4, the arrangement of the permanent magnet 8 can be seen, which is deflected by energizing the coil 3 in the vertical direction.

Figur 5 zeigt eine weitere Darstellung eines elektromagnetischen Mikroaktors 1 mit einem Trägerkörper 2, auf dem vier 90° zueinander versetzt angeordnete Spulen 3 aufgebracht sind. Die Spulen sind jeweils über Leiterbahnen 10 kontaktiert, welche in Kontaktpads 11 enden. Die planare Ausbildung sowohl der Spulen 3 als auch der Leiterbahnen 10 und der Kontaktpads 11 wird durch eine Dünnschichttechnik ermöglicht, mittels der der Aufbau des Mikroaktors 1 auf dem Trägerkörper 2 erzeugt wird. Auf dem planaren Aufbau der Spulen 3 sowie der Leiterbahnen 10 ist ein Abstandshalter 12 aus einem weiteren Kunststoffmaterial aufgebaut, welcher ebenfalls mittels Dünnschichttechnik aufgebracht werden kann. Der Bereich der Kontaktpads 11 bleibt frei, um eine externe Kontaktierung zu schaffen, so dass der Abstandshalter 12 nicht über die Kontaktpads 11 hinausragt. Mittig zwischen den Spulen 3 ist als Ankerkörper ein Permanentmagnet 8 dargestellt, welcher einen quadratischen Querschnitt aufweist. Der Permanentmagnet 8 ist unterseitig an einer Membran 4 angebracht, so dass durch Bestromung der Spulen 3 der Per- manentmagnet 8 und damit die Membran 4 auslenkbar ist.FIG. 5 shows a further illustration of an electromagnetic microactuator 1 with a carrier body 2, on which four coils 3 arranged offset from one another by 90 ° are applied. The coils are each contacted via conductor tracks 10, which terminate in contact pads 11. The planar design of both the coils 3 and the conductor tracks 10 and the contact pads 11 is made possible by a thin-film technique, by means of which the structure of the microactuator 1 is generated on the carrier body 2. On the planar structure of the coils 3 and the conductor tracks 10, a spacer 12 is constructed of a further plastic material which can also be applied by means of thin-film technology. The area of the contact pads 11 remains free to provide an external contact, so that the spacer 12 does not protrude beyond the contact pads 11. Centered between the coils 3, a permanent magnet 8 is shown as the anchor body, which has a square cross-section. The permanent magnet 8 is attached on the underside to a membrane 4, so that by energizing the coils 3, the permanent magnet 8 and thus the membrane 4 can be deflected.

Figur 6 zeigt eine toroidartige Ausbildung einer Spule 3, welche für einen elektromagnetischen Mikroaktor 1 gemäß der Figur 1 Anwendung finden kann. Die Spule 3 ist ringförmig mit einem Spalt ausgebildet, in dem sich der Permanentmagnet 8 hinein erstreckt. Der Permanentmagnet 8 ist auf gleiche Weise mit der Membran 4 verbunden, so dass die Auslenkung bei Bestromung der Spule erfolgen kann. Dadurch, dass sich der Permanentmagnet 8 in den Spalt der toroidartigen Spule 3 hinein erstreckt, besteht die Möglichkeit, den Permanentmagneten 8 einem starken elektromagnetischen Fluss auszusetzen. Dadurch kann die Leistungsdichte eines fvlikroaktors weiter erhöht werden.FIG. 6 shows a toroidal design of a coil 3 which can be used for an electromagnetic microactuator 1 according to FIG. The coil 3 is annularly formed with a gap in which the permanent magnet 8 extends. The permanent magnet 8 is connected in the same way with the membrane 4, so that the deflection can take place when the coil is energized. Characterized in that the permanent magnet 8 in the gap of the toroidal coil. 3 extends, it is possible to expose the permanent magnet 8 a strong electromagnetic flux. As a result, the power density of a fvlikroaktors can be further increased.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Trägerkörpersupport body

SpuleKitchen sink

Membranmembrane

Elastomerfilmelastomer film

Elektrodenbeschichtungelectrode coating

Elektrodenbeschichtungelectrode coating

Ankerkörper (Permanentmagnet)Anchor body (permanent magnet)

SpulenkernPlunger

Leiterbahnconductor path

Kontaktpadcontact pad

Abstandshalterspacer

Claims

Translated fromGerman

Patentansprüche claimsi . Eiektromag netischer Mikroaktor (1 ), der auf einem Trägerkörper (2) aufgebaut ist und wenigstens eine Spule (3) und eine Membran (4) aufweist, die durch Bestromung der Spule (3) auslenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) aus einem bestrombaren dielektrischen Elastomeraktor gebildet ist, der einen Elastomerfilm (5) mit einer beidseitigen Elektrodenbeschichtung (6, 7) aufweist.i. Eiektromag netic microactuator (1) which is constructed on a support body (2) and at least one coil (3) and a membrane (4), which is deflected by energizing the coil (3), characterized in that the membrane (4 ) is formed from a energizable dielectric elastomer actuator having an elastomeric film (5) with a double-sided electrode coating (6, 7).2. Elektromagnetischer Mikroaktor (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der Spule (3) mit der Bestromung des dielektrischen Elastomeraktors synchronisierbar ist.2. Electromagnetic microactuator (1) according to claim 1, characterized in that the energization of the coil (3) with the energization of the dielectric Elastomeraktors is synchronized.3. Elektromagnetischer Mikroaktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (3) als Mikrospule ausgeführt und mittels einer Dünnfilmtechnik auf dem Trägerkörper (2) und/oder auf der Oberfläche der Membran (4) aufgebracht ist.3. Electromagnetic microactuator (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the coil (3) designed as a microcoil and applied by means of a thin-film technique on the carrier body (2) and / or on the surface of the membrane (4).4. Elektromagnetischer Mikroaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Membran (4) wenigstens ein Ankerkörper (8) angeordnet ist, mit dem das Magnetfeld der Spule (3) zur Erzeugung einer Auslenkung der Membran (4) zusammenwirkt, wobei das Magnetfeld durch die auf dem Trägerkörper (2) aufgebrachte Spule (3) erzeugbar ist.4. Electromagnetic microactuator (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that on the membrane (4) at least one anchor body (8) is arranged, with which the magnetic field of the coil (3) for generating a deflection of the membrane ( 4) cooperates, wherein the magnetic field by the on the carrier body (2) applied coil (3) can be generated.5. Elektromagnetischer Mikroaktor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (3) auf einem Spulenkern (9) aufgebaut ist, wobei dieser als geschichteter Spulenkern (9) mit einer hohen Magnetisierbarkeit ausgebildet ist.5. Electromagnetic microactuator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the coil (3) is constructed on a coil core (9), wherein this is formed as a layered coil core (9) with a high magnetizability.6. Elektromagnetischer Mikroaktor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier Spulen (3) vorgesehen sind, die auf dem Trägerkörper (2) in einer jeweils um 90° zueinander versetzten Anordnung auf diesem ctufyθbiciuhi. sind.6. An electromagnetic microactuator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that four coils (3) are provided on the carrier body (2) in a mutually offset by 90 ° arrangement on this ctufyθbiciuhi. are.7. Elektromagnetischer Mikroaktor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestromung der Spulen (3) Leiterbahnen (10) auf dem Trägerkörper (2) aufgebracht sind, welche randseitig am Trägerkörper (2) in Kontaktpads (11) enden.7. Electromagnetic microactuator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that for energizing the coils (3) conductor tracks (10) on the carrier body (2) are applied, which ends on the carrier body (2) in contact pads (11) ,8. Elektromagnetischer Mikroaktor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerkörper (8) zentrisch zwischen den vier Spulen (3) an der Seite der Membran (4) angeordnet ist, welche in Richtung der Spulen (3) weist und eine runde oder eine quadratische Querschnittsgeometrie aufweist.8. Electromagnetic microactuator (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the anchor body (8) is arranged centrally between the four coils (3) on the side of the membrane (4) which points in the direction of the coils (3) and has a round or square cross-sectional geometry.9. Elektromagnetischer Mikroaktor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (3) eine toroidartige Form aufweist, wobei sich der Ankerkörper (8) in einen in der Spule (3) eingebrachten Spalt hinein erstrecht.9. Electromagnetic microactuator (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the coil (3) has a toroidal shape, wherein the anchor body (8) erstrecht in one in the coil (3) introduced gap.10. Elektromagnetischer Mikroaktor (1) nach einem der vorgenannten Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (3) als planare Spule ausgebildet ist.10. Electromagnetic microactuator (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the coil (3) is designed as a planar coil.11. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Mikroaktors (1), der nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der die Membran (4) bildende dielektrische E- lastomeraktor innerhalb des Zeitbereiches bestromt wird, in dem auch die Membran (4) durch Bestromung der Spule (3) aus der Nulllage ausgelenkt wird.11. A method for operating an electromagnetic microactuator (1), which is designed according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane (4) forming the dielectric E lastomeraktor is energized within the time range in which the membrane (4) is energized by energizing the coil (3) from the zero position.