Ein derartiges Betätigungselement ist aus US 5 977 685 bekannt.

Derartige Betätigungselemente werden auch kurz als "künstliche Muskeln"bezeichnet, weil ihr Verhalten un- ter gewissen Bedingungen dem von menschlichen Muskeln entspricht.

Die Funktionsweise ist relativ einfach. Wenn eine Span- nungsdifferenz an die beiden Elektrode angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld durch den Körper hin- durch, wobei das elektrische Feld mechanische Anzie- hungskräfte zwischen den Elektroden 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 Eigenschaften hat.

Da das Material aber ein im wesentlichen konstantes Vo-

lumen hat, führt das Zusammendrücken, also das Vermin- dern der Dicke, zu einer Vergrößerung der Abmessungen des Körpers in den anderen beiden Richtungen, d. h. pa- rallel zu den Elektroden.

Wenn man nun die Dehnbarkeit des Körpers auf eine Rich- tung beschränkt, dann wird die Dickenänderung vollstän- dig in eine Längenänderung in die andere Richtung umge- setzt. Für die nachfolgende Erläuterung wird die Rich- tung, in der die Längenveränderung erfolgen soll, als "Längsrichtung"bezeichnet. Die Richtung, in der eine Längenänderung nicht erfolgen soll, wird als"Quer- richtung"bezeichnet. Im bekannten Fall weist die Elektrode eine leitende Schicht mit einer relativ nie- drigen Leitfähigkeit auf, auf die in Querrichtung ver- laufende Streifen aus einem nicht nachgiebigen Material aufgetragen sind, wobei die Streifen in Längsrichtung einen Abstand zueinander aufweisen. Die leitfähige Schicht soll für eine möglichst gleichförmige Vertei- lung des elektrischen Feldes sorgen, während die Strei- fen, vorzugsweise aus einem Metall, die Ausbreitung des Körpers in Querrichtung verhindern sollen. Allerdings ergibt sich hierbei aufgrund der schlechten Leitfähig- keit der elektrisch leitenden Schicht eine gewisse Be- grenzung bei der Dynamik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechani- sche Dehnbarkeit eines Betätigungselements zu verbes- sern.

Diese Aufgabe wird bei einem Betätigungselement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mindestens eine Begrenzungsfläche mindestens einen gewellten Be- reich mit parallel zur Querrichtung verlaufenden Höhen und Tiefen als Extreme aufweist, der von einer Elektro- de bedeckt ist, die zumindest einen Teil der Extreme vollflächig abdeckt und im übrigen über den gewellten Bereich zusammenhängt.

Mit dieser Ausgestaltung erreicht man mehrere Vorteile : Da die Elektrode in Querrichtung durchgehend ausgebil- det ist, begrenzt sie die Dehnbarkeit des Körpers in diese Querrichtung."Durchgehend"soll hierbei bedeu- ten, daß die Elektrode eine Form hat, die nicht noch gestreckt werden kann, beispielsweise eine gerade Li- nie. Die gesamte Verformung, die sich bei einer Verrin- gerung der Dicke des Körpers ergibt, wird in eine Ände- rung der Ausdehnung in Längsrichtung umgesetzt. Natür- lich wird sich in der Praxis aufgrund von realen Mate- rialien auch eine kleine Änderung in Querrichtung erge- ben. Diese ist jedoch verglichen mit der Änderung der Ausdehnung in Längsrichtung vernachläßigbar. Da sich die Elektrode zusammenhängend über den gesamten gewell- ten Bereich erstreckt, wird sichergestellt, daß die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode groß genug ist, so daß der Aufbau des elektrischen Feldes, das zur Ver- ringerung der Dicke des Körpers erforderlich ist, schnell erfolgen kann. Man kann daher mit dem Betäti- gungselement durchaus hohe Frequenzen realisieren. Da die Oberfläche des Körpers zumindest in einem vorgege- benen Bereich gewellt ist und die Wellung parallel zur

Querrichtung verläuft, steht in Längsrichtung eine Oberfläche zur Verfügung, die zumindest im Ruhezustand des Betätigungselements wesentlich größer als die Längserstreckung des Betätigungselements ist. Wenn man daher die Längserstreckung des Betätigungselements ver- größert, dann wird lediglich die Wellung abgeflacht, d. h. der Unterschied zwischen den Extremen, mit anderen Worten den Spitzen der Höhen und den Tälern der Tiefen, werden kleiner. Einer Elektrode, die auf diese Oberflä- che aufgebracht ist, kann dementsprechend einer Stre- ckung problemlos folgen, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Elektrode von der Oberfläche abgelöst wird.

Durch die gewellte Oberfläche erzielt man also eine hervorragende Steifigkeit in der Querrichtung, eine gu- te Nachgiebigkeit in der Längsrichtung und eine einfach zu realisierende Möglichkeit, die elektrische Span- nungsversorgung zum Aufbau des elektrischen Feldes gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Körpers verteilen zu lassen. Der Ausdruck"gewellt"muß nicht heißen, daß es sich hier um bogenförmige oder sinusför- mige Konturen handelt. Im Grunde genommen ist hierbei jede Struktur denkbar und zulässig, bei der sich"Ber- ge"mit"Tälern"abwechseln, wobei sich die Berge und die Täler in Querrichtung erstrecken, d. h. in eine Richtung, die unter einem rechten Winkel zur Ausdeh- nungsrichtung verläuft. Im Querschnitt kann es sich al- so um eine Sinuswelle, eine Dreieckswelle, eine Säge- zahnwelle, eine Trapezwelle oder eine Rechteckwelle handeln. Die Dehnbarkeit wird verbessert, ohne die Dy- namik des Betätigungselements zu beeinträchtigen.

Vorzugsweise deckt die Elektrode den gewellten Bereich vollflächig ab. Man verwendet also eine Flächenelektro- de, so daß sich die elektrischen Ladungen an jeden Punkt der Begrenzungsfläche des Körpers begeben können, so daß der Aufbau des elektrischen Feldes vergleichmä- ßigt wird. Gleichzeitig läßt sich die Steifigkeit in Querrichtung weiter verbessern, weil nicht nur die Ex- treme, also die Kuppen der Berge und die Sohlen der Tä- ler, mit der durchgehenden Elektrode abgedeckt sind, sondern auch die Flanken zwischen den Bergen und Tä- lern. An der Beweglichkeit in Längsrichtung ändert sich allerdings nichts. Wenn sich der Körper in Längsrich- tung ausdehnt, dann werden die Konturen flacher, ohne daß sich zwischen der Zuordnung der Elektrode und dem Körper etwas ändern muß.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Elektrode un- mittelbar mit dem Körper verbunden ist. Eine zusätzli- che leitfähige Schicht ist ohnehin nicht erforderlich, weil die Elektrode die elektrische Leitung für die ge- samte Begrenzungsfläche übernimmt. Wenn die Elektrode unmittelbar mit dem Körper verbunden ist, ist die Einflußnahme der Elektrode auf den Körper besser, was sich insbesondere in einer verbesserten Steifigkeit oder Nicht-Dehnbarkeit in Querrichtung äußert.

Vorzugsweise weisen die Extreme Amplituden auf, die nicht größer sind als 20% der Dicke des Körpers zwi- schen den Begrenzungsflächen. Mit dieser Bemessungsan- gabe erreicht man eine gleichförmige Verteilung des elektrischen Feldes über die Länge des Betätigungsele-

ments, d. h. die Kräfte wirken gleichmäßig auf den Kör- per, ohne daß sie sich in besonders ausgeprägten Strei- fen konzentrieren. Unter Amplitude wird hierbei die Hälfte des Unterschieds zwischen benachbarten Extremen verstanden, d. h. die Hälfte des Abstandes zwischen ei- ner Höhe und einer Tiefe.

Vorzugsweise weist die Elektrode eine Stärke auf, die maximal 10% der Amplitude beträgt. Der Dehnbarkeitsfak- tor (Compliance factor) Q eines Betätigungselements ist direkt proportional zum Verhältnis zwischen Amplitude und Stärke der Elektrode. Je größer dieses Verhältnis ist, desto größer ist der Dehnbarkeitsfaktor.

Vorzugsweise liegt das Verhältnis zwischen Amplitude und Periodenlänge im Bereich von 0,08 bis 0,25. Das Verhältnis zwischen Amplitude und Periodenlänge hat ei- ne Auswirkung auf die Länge der Oberfläche einer Perio- de. Je größer die Länge der Oberfläche ist, desto größer ist im Grunde die Dehnbarkeit. Theoretisch könn- te man den Körper dehnen, bis die Oberfläche glatt ist, ohne daß die Elektrode dieser Oberfläche darunter lei- tet. In der Praxis wird die Dehnbarkeit natürlich noch durch andere Parameter begrenzt.

Vorzugsweise weist der gewellte Bereich ein Rechteck- profil auf. Man hat beobachtet, daß sich ein Rechteck- profil am besten in Längsrichtung dehnen läßt. Man führt dies darauf zurück, daß die Elektrode der Ober- fläche eine gewisse Steifigkeit auch in Längsrichtung verleiht. Beispielsweise kann man sich bei einem Recht-

eck vorstellen, daß die parallel zur Längserstreckung liegenden Teile des Rechteckprofils auf den Höhen und in den Tiefen selbst nicht gedehnt werden können. Die Dehnung des Körpers findet also praktisch ausschließ- lich über die Vergrößerung der Neigung der Flanken und die damit verbundene Verringerung der Amplitude statt.

Vorzugsweise weist das Rechteckprofil Zähne und Zahnlü- cken auf, die in Längsrichtung gleich lang sind. Dies ermöglicht, daß sich das elektrische Feld möglichst gleichmäßig ausbildet. Gleichzeitig erleichtert diese Gestaltung die Fertigung.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge- nannten Art dadurch gelöst, daß ein Elastomer in einer Form mit einem gewellten Oberflächenprofil zu einem Film gepreßt wird, den man so kurz aushärten läßt, daß er noch formbar bleibt, dann eine weitere Form mit ei- ner gewellten Oberfläche gegen die andere Seite des Filmes preßt und nach Ausbilden der Oberflächenformen eine leitende Schicht auf die Oberfläche aufträgt.

Eine derartige Herstellung ist relativ einfach. Eine Elektrodenbearbeitung kann im Grunde entfallen. Es ist lediglich erforderlich, die gewünschte Oberflächen- struktur zu erzeugen. Eine derartige Oberflächenstruk- tur wird durch das Formpressen erzeugt. Hierzu ist es lediglich erforderlich, Formen mit entsprechenden Strukturen bereit zu stellen. Derartige Formen lassen sich durch bekannte photolithopraphische Prozesse er-

zielen, wie sie beispielsweise von der Herstellung von Kompaktdiscs (CD's) bekannt ist.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die leitende Schicht aufgedampft wird. Eine aufgedampfte Schicht läßt sich mit der gewünschten kleinen Dicke realisie- ren. Man kann darüber hinaus sicher stellen, daß der Dampf auch in enge Täler eindringen und dort eine Elektrode bilden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug- ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich- nung näher beschrieben. Hierin zeigen : Fig. 1 eine schematische Ansicht mit verschiedenen Verfahrensschritten zum Herstellen eines Be- tätigungselements, Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine Periode, Fig. 3 eine Kurve zur Verdeutlichung von Verhältnis- sen bei einem Sinusprofil und Fig. 4 die gleiche Kurve zur Verdeutlichung von Ver- hältnissen bei einem Rechteckprofil.

Fig. 1 zeigt verschiedene Schritte zum Herstellen eines Betätigungselements 1 mit einem Körper 2, der zwei Be- grenzungsflächen 3,4 aufweist, die einander gegenüber- liegen. Auf beiden Begrenzungsflächen 3,4 ist jeweils eine Elektrode 5,6 angebracht. Die Elektrode 5,6 ist

unmittelbar mit dem Körper 2 verbunden. Der Körper ist aus einem Elastomermaterial, beispielsweise einem Sili- konelastomer, gebildet und hat vorzugsweise dielektri- sche Eigenschaften. Das Material des Körpers 2 ist zwar verformbar. Es weist aber eine Volumenkonstanz auf, d. h. wenn man es in Richtung der Dicke d des Körpers 2 zusammendrückt, dann erfolgt eine Vergrößerung der Aus- dehnung des Körpers 2 in die beiden anderen Richtungen.

Wenn man nun die Ausdehnung des Körpers 2 in eine Rich- tung begrenzt, dann führt eine Verminderung der Dicke d ausschließlich zu einer Vergrößerung der Ausdehnung des Körpers 2 in die andere Richtung. Bei dem Ausführungs- beispiel der Fig. 1 soll die Ausdehnungsmöglichkeit senkrecht zur Zeichenebene (Querrichtung) beschränkt sein oder sogar ganz unterbunden werden können. In der Richtung von links nach rechts (bezogen auf Fig. 1), d. h. der Längsrichtung soll hingegen eine Ausdehnung mög- lich sein. Dieses anisotrope Verhalten wird dadurch er- reicht, daß die beiden Begrenzungsflächen 3,4 des Kör- pers 2 eine gewellte Struktur aufweisen. In Fig. 1 ist diese gewellte Struktur als Rechteckprofil dargestellt.

Es ist aber auch möglich, daß die gewellte Struktur durch ein Sinusprofil, ein Dreiecksprofil, ein Säge- zahnprofil oder ein Trapezprofil gebildet wird.

Es liegt ohne weiteres auf der Hand, daß eine undehnba- re Elektrode 5,6, die unmittelbar und damit fest mit dem Körper 2 verbunden ist, eine Ausdehnung des Körpers 2 senkrecht zur Zeichenebene verhindert, wenn der Kör- per 2 in Richtung seiner Dicke d zusammengedrückt wird.

Eine Ausdehnung senkrecht zur Zeichenebene würde vor-

aussetzen, daß auch die Elektroden 5,6 in diese Rich- tung dehnbar sind, was definitionsgemäß nicht der Fall ist. Das Zusammendrücken des Körpers erfolgt dadurch, daß die Elektroden 5,6 mit einer Spannungsdifferenz beaufschlagt werden, so daß sich ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden 5,6 ausbildet, das wie- derum Kräfte ausübt, die dazu führen, daß die beiden Elektroden 5,6 aneinander angezogen werden. Mit eine Voraussetzung hierbei ist, daß der Körper 2 nicht zu dick ist. Vorzugsweise bewegt sich die Dicke d des Kör- pers 2 im Bereich von wenigen bis einigen 10 Am.

Die untenstehende Tabelle zeigt typische Werte für Elektrodenschichten und Elastomere sowie typische Werte der Aktivierungsspannung eines Betätigungselements. Elastomer Elastomer Elektrode Aktivierungs- DieElasto-Elastizitäts-Elektroden-Elastizitäts-Elektroden- Elektroden-spannung Konstante mer-Modul Dicke Modul Fläche Widerstand Dicke [-][um] [MPa] [A] [GPa] [cm] KOhm] [V] 2-6 10-100 0, 3-10 100-5000 1-80 1-10000 0,05-1000 100-5000 Im folgenden betrachten wir einen 20 Am 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 Am so- wie einen Elastizitätsmodul von 80000 MPa. Die Kapazi- tät eines solchen Betätigungselements beträgt 0,1 nF/cm2, und die Sprungantwort liegt in der Größen- ordnung von Mikrosekunden für das nichtbelastete Betä- tigungselement. 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. ei- ner Elektrode mit einem Dehnbarkeitsfaktor von 1. Mit anderen Worten macht es die Erfindung möglich, die Ak- tivierungsspannung zu senken.

Das Herstellen eines derartigen Körpers 2 ist relativ einfach. Eine Form 7 mit einer entsprechenden negativen gewellten Struktur, hier eine Rechteckstruktur, wird mit einer Elastomerlösung beschichtet, um einen dünnen Film von typischer Weise 20 bis 30 Am Dicke zu bilden.

Der Film 9 wird dann für eine kurze Zeit gehärtet, so daß er eine relativ weiche Schicht bildet, die immer noch geformt werden kann. Daraufhin wird eine zweite Form 10 mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur 11 auf die andere Seite des elastomeren Films 9 gepreßt, wobei beide Pressvorgänge unter Vakuum erfolgen, um das Einschließen von Luft an den Berührungsflächen zwischen Form und Film zu verhindern. Die gesamte Sandwichanord- nung aus Film 9 und Formen 7,10 wird dann komplett ausgehärtet. Wenn die Formen 7,10 mechanisch entfernt werden, hat der Film 9 die dargestellten gewellten Be- grenzungsflächen 3,4. Abschließend kann praktisch jede leitfähige Schicht auf die gewellten Begrenzungsflächen 3, 4 aufgetragen werden. Beispielsweise kann eine Me- tallschicht aus Gold, Silber oder Kupfer aufgedampft werden.

Die Auswirkung der gewellten Oberflächenstruktur ergibt sich aus der schematischen Darstellung der Fig. 2. Mit gestrichelten Linien dargestellt ist ein Rechteckprofil in der Ruhestellung, d. h. ohne Anlegen einer elektri- schen Spannung an die Elektroden 5,6. Das Rechteckpro- fil weist eine Amplitude a und eine Periodenlänge L auf. Die Stärke der leitfähigen Schicht 5 beträgt h.

Als Amplitude wird hierbei die Hälfte des Unterschieds zwischen einer Höhe 13 und einer Tiefe 14 angesehen, die man auch als"Berg"und"Tal"bezeichnen kann. Zu- sammengefaßt werden beide Begriffe als"Extreme"be- zeichnet. Wie aus Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, haben die Höhe 13 und die Tiefe 14 in Längsrichtung 12 die gleiche Ausdehnung. Die Längsrichtung 12 verläuft in der Fig. 2 von links nach rechts.

Mit durchgezogenen Linien dargestellt ist die Form des Rechteckprofils, wenn sich der Körper in Längsrichtung 12 vergrößert hat. Da das Material des Körpers 2 ein konstantes Volumen besitzt, bedeutet eine Ausdehnung in Längsrichtung 12 gleichzeitig, daß sich das Profil in Dickenrichtung abflacht, wobei die Dickenverminderung zur Verdeutlichkeit übertrieben groß dargestellt ist.

Dieses Profil ist nun mit durchgezogenen Linien darge- stellt.

Es ist zu erkennen, daß sich das Profil im Bereich der Höhe 13 und der Tiefe 14 praktisch nicht verlängert hat. Eine Verlängerung des Körpers 2 ist daher nur an den Flanken 15,16 möglich und zwar ohne, daß sich die Elektroden, die dort befestigt sind, irgendwie dehnen müssen.

Man kann nun verschiedene Relationen festlegen, die be- sonders vorteilhafte Eigenschaften aufweisen.

So bestimmt das Verhältnis zwischen der Amplitude a des Profils und der Dicke h der leitenden Beschichtung, die die Elektrode 5,6 bildet, die Dehnbarkeit der gewell- ten Elektrode und damit die Ausdehnbarkeit des Körpers 2. Für gewellte Profile ist ein Dehnbarkeitsfaktor Q direkt proportional zu dem Quadrat dieses Verhältnis- ses. Durch die Optimierung dieses Verhältnisses ist es theoretisch möglich, die Dehnbarkeit um einen Faktor 10.000 und darüber hinaus zu steigern. Wenn man bei- spielsweise eine Beschichtungsdicke von 0,02 Am und ei- ne Amplitude von 2 Am hat, ist das Verhältnis 100 und der Dehnbarkeitsfaktor ist 10.000.

Für ein Rechteckprofil, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, läßt sich der Dehnbarkeitsfaktor Q leicht aus der Biegestabtheorie berechnen.

Für sinus-oder dreieckförmige Profile gilt im Grunde das gleiche, wobei der konstante Faktor (16 für das Rechteckprofil) für die Sinus-oder Dreieckprofile kleiner ist. Weiterhin muß man das Verhältnis zwischen der Gesamtlänge s einer Periode des Profiles und der Länge L der Periode selbst in Betracht ziehen. Die Län-

ge s ergibt sich, wenn man das Profil"gerade zieht".

Im Fall eines Rechteckprofils ergibt sich die Länge s = L + 4a. Wenn das Verhältnis s/L dicht an 1 ist, dann wird sich das Betätigungselement nicht sehr stark bewe- gen, selbst wenn die Elektrode sehr nachgiebig ist.

In den Fig. 3 und 4 sind nach rechts das Verhältnis zwischen der Amplitude a und der Periodenlänge L und nach oben das Verhältnis 100% x (s-L)/L aufgetragen und zwar in Fig. 3 für ein Sinusprofil und in Fig. 4 für ein Rechteckprofil. In der Praxis benötigt man eine ma- ximale Verlängerung von 20% bis 50%, damit sich ein "künstlicher Muskel"um 10% bis 25% bewegt. Das bedeu- tet, daß sich das Verhältnis v = a/L im Bereich von 0,1 bis 0,2 bewegen sollte, wenn man ein Rechteckprofil verwendet.

Theoretisch könnte man mit einem Sinusprofil eine Ver- lagerung von ca. 32% und mit einem Rechteckprofil von ungefähr 80% erreichen. In der Praxis wird dies aller- dings nicht der Fall sein, weil beispielsweise das Rechteckprofil aus vertikalen und horizontalen Ab- schnitten besteht, wobei lediglich erstere zur Nachgie- bigkeit oder Dehnbarkeit beitragen. Die horizontalen Abschnitte der Elektrode selbst werden nicht gedehnt.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel stellt man ei- ne Form 7 mit Hilfe von Photolithopraphie her, indem man einen positiven Photoresist belichtet und entwi- ckelt. In diesem Fall ist die zum Belichten verwendete Maske relativ einfach. Sie besteht aus parallelen

Rechtecken mit einer Breite von 5 Am und einer Länge, die durch die Größe des Substrats bestimmt ist. Die Rechtecke sind gleichförmig um 5 Am beabstandet und werden in Ausdehnungsrichtung vervielfacht. Die Höhe des Profils, d. h. die Amplitude, wird definiert als die Hälfte der Dicke der Photoresistschicht, die auf dem Substrat niedergeschlagen wird. Auch diese Höhe kann zu ungefähr 5 Am gewählt werden.

Für ein gleichförmiges elektrisches Feld ist es aller- dings vorteilhaft, wenn die Amplitude mindestens 10 mal kleiner ist, als die Dicke d des Körpers 2. Für einen Elastomerfilm mit einer Dicke von 20 Am wählt man zweck- mäßigerweise eine Amplitudenhöhe von maximal 2 ym.