CN104737436B - 静电致动器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电致动器及其制造方法，其中，所述静电致动器包括：一个弹性的带状物；以及，多个电极板对，其中，所述多个电极板对的每一个电极板对把所述弹性的带状物夹在中间，其中，通过所述弹性的带状物的折叠，所述多个电极板对被堆积成多层结构。相比现有技术，本发明的静电致动器能够容易制造。

Description

静电致动器及其制造方法

技术领域

本发明涉及致动器，尤其涉及静电致动器及其制造方法。

背景技术

静电致动器是一种其移动部件按照库仑定律被静电力驱动的设备。如图1所示，静电致动器的典型结构包括两个平行的电极板A。当电压电势被施加在该两个平行的电极板之间时，移动的电极板将向固定的电极板移动。在移除了被施加到该两个平行的电极板的电压电势之后，该移动的电极板通过例如来自支撑弯曲部分的回复力回到它的初始位置。静电致动器由于低功率消耗和快速响应广泛地用在许多应用中，例如加速度计、可变形的光学装置、中继器和阀。

在图1所示的静电致动器中所产生的吸引力F能够按照以下等式(1)计算。

其中，V是所施加的电压，d是在两个平行的电极板之间的间隙距离，ε是在两个电极板之间的介质的介电常数，以及，A是电极板的面积。按照以上等式(1)，该吸引力是该间隙距离的平方的倒数。因此，在移动的电极板和固定的电极板之间的初始间隙距离不能是大的，否则该吸引力将会很小。另一方面，在移动过程中，随着该间隙距离减少，该吸引力将比弹力增大得更快。众所周知，当两个电极板之间的间隙距离小于该初始间隙距离的2/3，或者该移动的电极板的移动距离大于该初始间隙距离的1/3时，来自支撑弯曲部分的回复弹力不能抵消该静电力，从而发生吸合失稳(Pull-in Instability)。在某些情况下，该吸合失稳能够毁坏静电致动器，因为它此后不可能再分开电极板。因此，常规的静电致动器的平稳移动距离通常被限制为初始间隙距离的1/3。虽然增大在电极板之间的初始间隙距离是用于增大平稳移动距离的最简单的方案，但是该方案导致低的输出力或者高的驱动电压，这在许多应用中是不合需要的。

日本研究人员Y.Hata、K.Okuda和K.Saneyoshi提出了一种堆栈型静电致动器(请参阅Y.Hata,K.Okuda,K.Saneyoshi,Development of Fish Robot Using Stacked-TypeElectrostatic Actuators,the 17th International Conference on ElectricalMachines,2006)。通过交替地在相互周围折叠两个带状电极而形成该堆栈型静电致动器，其中，这两个带状电极的每一个由夹在两个薄塑料薄膜之间的薄金属导线形成。通过施加电压到该两个带状电极的其中一个以及将该两个带状电极的另一个接地，每一个电极层被充电，从而产生吸引的静电力。因为静电力垂直于电极，所以该堆栈型静电致动器没有失去任何驱动力，并且因为许多电极部件垂直堆积在一起，所以它能取得大的位移。因此，该堆栈型静电致动器相比其它静电致动器可以输出高静电力和取得大的平稳移动距离。

然而，因为该两个带状电极需要被交替折叠以形成多层结构，因此该堆栈型静电致动器的制造很复杂。当为了获得每单元面积的大静电力的目的而小型化该静电致动器，例如每一个带状电极仅几毫米宽和0.1毫米厚时，该折叠处理将更加困难。

发明内容

本发明实施例提供一种静电致动器及其制造方法，通过该静电致动器及其制造方法，静电致动器能够容易制造。

按照本发明实施例的一种静电致动器，包括：一个弹性的带状物；以及，多个电极板对，其中，所述多个电极板对的每一个电极板对把所述弹性的带状物夹在中间，其中，通过所述弹性的带状物的折叠，所述多个电极板对被堆积成多层结构。

在一种具体实现中，所述多个电极板对的任意两个相邻的电极板对之间的间隙距离是相同的。

在一种具体实现中，所述弹性的带状物是绝缘的。

在一种具体实现中，所述多个电极板对的电极板具有相同的形状和大小。

在一种具体实现中，所述多个电极板对是相互平行的。

在一种具体实现中，所述弹性的带状物包括多个活性聚合体部分和多个非活性聚合体部分，所述多个活性聚合体部分和所述多个非活性聚合体部分交替连接，其中，所述弹性的带状物在所述多个活性聚合体部分处被折叠，以及所述多个电极板对中的每一个电极板对在所述多个非活性聚合体部分的其中一个上把所述弹性的带状物夹在中间。

在一种具体实现中，所述多个聚合体部分是在预定温度收缩的聚酰亚胺铰链或者利用电阻加热致动的形状记忆聚合体元件。

在一种具体实现中，所述多个电极板对中的每一个电极板的表面被涂有绝缘材料。

按照本发明实施例的一种用于制造静电致动器的方法，包括：以预定间隔将多个电极板对安装在一个弹性的带状物上，其中，所述多个电极板对中的每一个电极板对把所述弹性的带状物夹在中间；以及，折叠所述弹性的带状物以将所述多个电极板对堆积成多层结构。

在一种具体实现中，所述弹性的带状物包括多个活性聚合体部分和多个非活性聚合体部分，所述多个活性聚合体部分和所述多个非活性聚合体部分交替连接，所述安装步骤进一步包括：将所述多个电极板对中的每一个电极板对安装在所述多个非活性聚合体部分的其中一个上，以及，所述折叠步骤进一步包括：将黑墨水涂在所述多个活性聚合体部分的每一个活性聚合体部分的其中一个表面上，以使得所述多个活性聚合体部分中的任意两个相邻的活性聚合体部分的具有黑墨水的表面是相对表面；以及，加热所述多个活性聚合体部分以在所述多个活性聚合体部分处折叠所述弹性的带状物。

在一种具体实现中，在所述多层结构中所述多个电极板对的任意两个相邻的电极板对之间的间隙距离是相同的。

在一种具体实现中，所述弹性的带状物是绝缘的。

在一种具体实现中，所述多个电极板对的电极板具有相同的形状和大小。

在一种具体实现中，在所述多层结构中所述多个电极板对是相互平行的。

在一种具体实现中，所述多个电极板对中的每一个电极板的表面被涂有绝缘材料。

如上所述，本发明实施例通过折叠单个弹性的带状物制造来静电致动器，因此相比现有技术，本发明实施例的静电致动器能够容易地制造。

附图描述

本发明的这些和其它特征和优点通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。

图1示出了现有的静电致动器的示意图。

图2示出了按照本发明一个实施例的静电致动器的示意图。

图3示出了按照本发明一个实施例的用于制造静电致动器的方法的流程图。

图4示出了按照本发明一个实施例的在活性聚合体部分涂上黑墨水的示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的各个实施例，其中，相同的标号用于指示相同的部件。在以下的描述中，为了解释的目的，列出了众多的具体细节以提供对一个或多个实施例的彻底理解。然而，显然这些实施例在没有这些具体细节的情况下也能实现。在其它方面，公知的结构和设备以方框图形式示出以便于描述实施例。

图2示出了按照本发明一个实施例的静电致动器的示意图。如图2所示，静电致动器20可以包括绝缘的弹性的带状物200和四个电极板对210-240。

绝缘的弹性的带状物200可以包括三个活性聚合体部分204和四个非活性(passive)聚合体部分208，这三个活性聚合体部分204和四个非活性聚合体部分208交替连接。这三个活性聚合体部分204可以是在预定温度收缩的聚酰亚胺铰链或者利用电阻加热致动的形状记忆聚合体元件，从而当这三个活性聚合体部分204被加热时，绝缘的弹性的带状物200能够在这三个活性聚合体部分204处被折叠。

电极板对210可以包括两个电极板212和214，电极板对220可以包括两个电极板222和224，电极板对230可以包括两个电极板232和234，以及电极板对240可以包括两个电极板242和244。电极板212、214、222、224、232、234、242和244可以是正方形的并且可以具有相同的大小L*L。这四个电极板对210-240的每一个电极板对在这四个非活性聚合体部分208的其中一个上将绝缘的弹性的带状物200夹在中间。

通过在这三个活性聚合体部分204处折叠绝缘的弹性的带状物200，这四个电极板对210-240被堆积成多层结构。在该多层结构中，这四个电极板对210-240相互平行。

在该多层结构中，在任意两个相邻的电极板对之间，即在电极板对210和电极板对220之间、在电极板对220和电极板对230之间和在电极板对230和电极板对240之间，具有相同的间隙距离d。换言之，在该多层结构中这四个电极板对210-240的任意两个相邻的电极板对之间的间隙距离d是相同的。为了使得静电致动器20输出高静电力，静电致动器20可以被设计为：当静电致动器20放松而处于其初始状态时，这四个电极板对210-240的相邻的电极板对之间的间隙距离d是小的。

为了使能静电致动器20，启动充电过程以将相反的电荷施加到这四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板。在充电过程期间，相反的电压被施加到这四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板，即相邻的电极板对210和220中的相对电极板214和222、相邻的电极板对220和230中的相对电极板224和232、相邻的电极板对230和240中的相对电极板234和242，从而正电荷和负电荷开始分别在这四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板上累积。由于在相对电极板上累积的正电荷和负电荷，在这四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板之间将产生吸引的静电力，并且随着越来越多的电荷累积在相对电极板上，静电力变得越来越大。由于所产生的吸引的静电力，在这四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板之间的间隙距离减少，从而静电致动器20收缩。

当静电致动器20收缩到预定程度时，该充电过程结束并且该相反的电压被移除。在这种情况下，由于累积在这四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板上的正电荷和负电荷，在这四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板之间仍然产生吸引的静电力，从而静电致动器20保持收缩。

当累积在这四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板上的正电荷和负电荷被移除以停用静电致动器20时，在这四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板不产生吸引的静电力，在这四个电极板对210-240的相邻的电极板对之间的间隙距离由于弹性的带状物200的弹性力被扩大，从而静电致动器20放松而回复到其初始状态。

图3示出了按照本发明一个实施例的用于制造静电致动器的方法的流程图。如图3所示，在步骤S310，以四个电极板对210-240中的每一个电极板对在绝缘的弹性的带状物200的四个非活性聚合体部分208的其中一个上将绝缘的弹性的带状物200夹在中间的方式，将四个电极板对210-240安装在绝缘的弹性的带状物200上。

在步骤S320，将黑墨水涂在绝缘的弹性的带状物200的三个活性聚合体部分204的每一个的其中一个表面上，以便三个活性聚合体部分204的任何两个相邻的活性聚合体部分中具有黑墨水的表面是相对表面，如图4所示。

在步骤S330，例如通过将绝缘的弹性的带状物200放置在红外光下，来加热绝缘的弹性的带状物200的三个活性聚合体部分204。相比于这三个活性聚合体部分204的未具有黑墨水的表面，这三个活性聚合体部分204的具有黑墨水的表面由于黑墨水的有效的光吸收将加热更快，因此绝缘的弹性的带状物200在这三个活性聚合体部分204处被折叠以将这四个电极板对210-240堆积为多层结构。

从以上的描述可以看出，由于静电致动器20仅通过单个绝缘的弹性的带状物200的折叠来制造，因此能够容易地制造静电致动器20。而且，静电致动器20仅在充电过程期间消耗功率，但该充电过程很快，例如其持续大约200微秒，因此静电致动器20工作时仅消耗很少的功率。

其它变型

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，在多层结构中在四个电极板对210-240的任意两个相邻的电极板对中的相对电极板之间的间隙距离是相同的，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，在四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板之间的间隙距离也可以不相同。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，电极板212、214、222、224、232、234、242和244是正方形的，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，电极板212、214、222、224、232、234、242和244也可以是其它形状。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，通过将绝缘的弹性的带状物200放置在红外光下来加热绝缘的弹性的带状物200的三个活性聚合体部分204，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，也可以通过仅将绝缘的弹性的带状物200的三个活性聚合体部分204放置在红外光下来加热绝缘的弹性的带状物200的三个活性聚合体部分204。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，绝缘的弹性的带状物200包括交替连接的三个活性聚合体部分204和四个非活性聚合体部分208，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，绝缘的弹性的带状物200也可以全部由活性部件制成，四个电极板对210-240以预定间隔安装在绝缘的弹性的带状物200上，并且当制造静电致动器20时仅加热绝缘的弹性的带状物200中在四个电极板对210-240的任意两个相邻的电极板对之间的那些部分以折叠绝缘的弹性的带状物200。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，绝缘的弹性的带状物200由其被加热以折叠绝缘的弹性的带状物200的聚合体部分制成，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，绝缘的弹性的带状物200也可以由其被机器操纵以折叠绝缘的弹性的带状物200的部件制成。

本领域技术人员应当理解，两个铜线可以嵌入在绝缘的弹性的带状物200中以将电压施加到电极板212、214、222、224、232、234、242和244，其中，这两个铜线的其中一个连接到电极板212、222、232和242，以及这两个铜线的另一个连接到电极板214、224、234和244。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，电极板212、214、222、224、232、234、242和244具有相同的大小，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，电极板212、214、222、224、232、234、242和244也可以各自具有不同的大小。

本领域技术人员应当理解，绝缘材料可以涂在电极板212、214、222、224、232、234、242和244的每一个的表面上，这样即使四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板接触，也能防止在四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板上的相反电荷被抵消。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，将相反的电压施加到这四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板上以使能静电致动器20，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，也可以将相同的电压施加到这四个电极板对210-240的电极板上以使能静电致动器20。当将相同的电压施加到这四个电极板对210-240的电极板上时，在这四个电极板对210-240的相邻的电极板对中的相对电极板之间产生排斥的静电力，在这四个电极板对210-240的相邻的电极板对之间的间隙距离由于该产生的排斥的静电力而被扩大，从而静电致动器20膨胀。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，通过堆积四个电极板对210-240在一起来形成静电致动器20，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，也可以通过堆积两个、三个或多于四个电极板对在一起来形成静电致动器20。显然，用于形成静电致动器20的电极板对的数目越多，静电致动器20所取得的平稳移动距离就越大。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，带状物200是绝缘的，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，带状物200也可以不是绝缘的。当带状物200不是绝缘的时，在带状物200和电极板对中的电极板之间放置绝缘材料，以使得电极板对中的电极板不直接接触带状物200。

本领域技术人员应当理解，上面的各个实施例可以在没有偏离发明实质的情况下做出各种变形和修改，因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。

Claims (15)

1.一种静电致动器，包括：

一个弹性的带状物；以及

多个电极板对，其中，所述多个电极板对的每一个电极板对把所述弹性的带状物夹在中间，

其中，通过所述弹性的带状物的折叠，所述多个电极板对被堆积成多层结构，

并且，相邻的所述电极板对中的相对电极板上的电荷极性相异。

2.如权利要求1所述的静电致动器，其中所述多个电极板对的任意两个相邻的电极板对之间的间隙距离是相同的。

3.如权利要求1所述的静电致动器，其中所述弹性的带状物是绝缘的。

4.如权利要求1所述的静电致动器，其中所述多个电极板对的电极板具有相同的形状和大小。

5.如权利要求1所述的静电致动器，其中所述多个电极板对是相互平行的。

6.如权利要求1所述的静电致动器，其中所述弹性的带状物包括多个活性聚合体部分和多个非活性聚合体部分，所述多个活性聚合体部分和所述多个非活性聚合体部分交替连接，其中，所述弹性的带状物在所述多个活性聚合体部分处被折叠，以及所述多个电极板对中的每一个电极板对在所述多个非活性聚合体部分的其中一个上把所述弹性的带状物夹在中间。

7.如权利要求6所述的静电致动器，其中所述多个聚合体部分是在预定温度收缩的聚酰亚胺铰链或者利用电阻加热致动的形状记忆聚合体元件。

8.如权利要求1所述的静电致动器，其中所述多个电极板对中的每一个电极板的表面被涂有绝缘材料。

9.一种用于制造静电致动器的方法，包括：

以预定间隔将多个电极板对安装在一个弹性的带状物上，其中，所述多个电极板对中的每一个电极板对把所述弹性的带状物夹在中间；以及

折叠所述弹性的带状物以将所述多个电极板对堆积成多层结构。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述弹性的带状物包括多个活性聚合体部分和多个非活性聚合体部分，所述多个活性聚合体部分和所述多个非活性聚合体部分交替连接，

所述安装步骤进一步包括：将所述多个电极板对中的每一个电极板对安装在所述多个非活性聚合体部分的其中一个上，以及

所述折叠步骤进一步包括：将黑墨水涂在所述多个活性聚合体部分的每一个活性聚合体部分的其中一个表面上，以使得所述多个活性聚合体部分中的任意两个相邻的活性聚合体部分的具有黑墨水的表面是相对表面；以及，加热所述多个活性聚合体部分以在所述多个活性聚合体部分处折叠所述弹性的带状物。

11.如权利要求9或10所述的方法，其中，在所述多层结构中所述多个电极板对的任意两个相邻的电极板对之间的间隙距离是相同的。

12.如权利要求9或10所述的方法，其中，所述弹性的带状物是绝缘的。

13.如权利要求9或10所述的方法，其中，所述多个电极板对的电极板具有相同的形状和大小。

14.如权利要求9或10所述的方法，其中，在所述多层结构中所述多个电极板对是相互平行的。

15.如权利要求9或10所述的方法，其中，所述多个电极板对中的每一个电极板的表面被涂有绝缘材料。