CN113285012A - 致动器以及致动器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开致动器以及致动器的制造方法。致动器具备基极电极、与基极电极对置的对置电极、与基极电极连接的第1端子以及与对置电极连接的第2端子。基极电极具备：非金属基材；导电薄膜，配置于非金属基材的与对置电极对置的侧面；以及绝缘层，配置于导电薄膜之上。第1端子连接于导电薄膜。对置电极包括具有在电压被施加到第1端子和第2端子时由于作用于基极电极与对置电极之间的库伦力而能够变形的可挠性的导电体。
Description
技术领域
本发明涉及致动器以及致动器的制造方法。
背景技术
在日本专利5714200中，公开了在两个电极间夹持有聚合物的发电机以及换能器(transducer)。在该公报中公开的发电机以及换能器中，因通过对两个电极施加电压而产生的电极间的积蓄电荷的库伦力而电极被吸引，聚合物发生变形，在电极间产生位移。
在日本特开2012-161957中，公开了在低耐热性的基材上转印实施了高温处理的陶瓷膜的方法。在该公报中，例如，在支承体上形成聚酰亚胺膜。当在聚酰亚胺膜之上涂敷金属醇盐、金属氯化物盐等金属盐的溶液之后，加热到500℃以上，并进行烧结。由此，在聚酰亚胺膜上形成氧化钛、氧化铟锡等陶瓷膜。然后，陶瓷膜被转印到塑料等低耐热性的基材上。
发明内容
在日本专利5714200所公开的结构中，由致动器得到的位移伴随聚合物的压缩变形。在该变形中，作为致动器，难以得到更大的位移。另外，根据用途，有时要求使致动器轻量化。
然而，关于作为致动器取出的工作量，产生的力和位移量的大小可能成为重要的性能。根据本发明人的知识，在用一对电极夹持电介弹性体的致动器中，产生的力与位移量的大小之间存在相反的关系。产生的力F通过F＝QE＝(CV)×(V/d)来表示。在此，Q：积蓄电荷，E：电场强度，C：电介弹性体的静电电容，d：电极间距离，V：施加电压。也就是说，电极间距离d是根据电介弹性体的厚度来确定的。为了得到大的位移量，需要增大电介弹性体的厚度(≈电极间距离d)。但是，当增大电介弹性体的厚度(≈电极间距离d)时，产生的力F变小。因此，在单纯地用一对电极夹持电介弹性体的致动器中，难以得到大的位移量。另外，作为能够用作电介弹性体的电介弹性材料，缺乏呈现高的介电常数的材料，难以得到足够的性能。本发明人根据该观点而提出致动器的新构造。
在此公开的致动器具备基极电极、与基极电极对置的对置电极、与基极电极连接的第1端子以及与对置电极连接的第2端子。基极电极具备：非金属基材；导电薄膜，配置于非金属基材的与对置电极对置的侧面；以及绝缘层，配置于导电薄膜之上。第1端子连接于导电薄膜。对置电极包括具有在电压被施加到第1端子和第2端子时由于作用于基极电极与对置电极之间的库伦力而能够变形的可挠性的导电体。根据该致动器，基极电极包括非金属基材，所以能够实现轻量化。另外，致动器的驱动不伴随绝缘层的大的压缩变形，所以相对于产生的库伦力，能够得到大的位移量。
多个基极电极也可以排列成依次以相向的方式配置。对置电极也可以配置于基极电极之间。
另外，在基极电极中，非金属基材也可以在与对置电极对置的侧面具有凹凸形状，导电薄膜也可以覆盖凹凸形状，绝缘层也可以覆盖导电薄膜。
绝缘层也可以为陶瓷的薄膜。绝缘层也可以具有钙钛矿构造。绝缘层也可以为无纺布。也可以在导电薄膜与绝缘层之间配置有导电膏或者导电胶。也可以在导电薄膜与绝缘层之间配置有硬化后的导电材料。导电薄膜也可以为金属薄膜。对置电极也可以包括含有导电材料的弹性材料。
致动器也可以还具备：电源，对导电薄膜和对置电极施加电压；以及第1开关，切换导电薄膜以及对置电极与电源的连接和切断。另外，致动器也可以还具备对第1开关进行操作的控制装置。另外，致动器也可以还具备：连接布线，不经由电源而将导电薄膜与对置电极电连接；以及第2开关，设置于连接布线，切换利用连接布线将导电薄膜与对置电极电连接的状态和切断连接布线的状态。另外，致动器也可以还具备控制装置，该控制装置构成为在第1开关被连接时第2开关被切断，且在第1开关被切断时第2开关被连接。
作为其它方式，致动器也可以还具备：第1接地线，使导电薄膜接地；第2接地线，使对置电极接地；第3开关，设置于第1接地线，切换第1接地线的连接和切断；以及第4开关，设置于第2接地线，切换第2接地线的连接和切断。该致动器也可以还具备控制装置，该控制装置构成为在第1开关被连接时第3开关和第4开关分别被切断，且在第1开关被切断时第3开关和第4开关分别被连接。
致动器的制造方法包括：准备以预先决定的形状成形的非金属基材的工序；在非金属基材的预先决定的区域的表面配置导电薄膜的工序；以及在导电薄膜之上配置绝缘层的工序。根据该致动器的制造方法，能够实现致动器的轻量化。
在此，也可以用陶瓷的薄膜准备绝缘层。在该情况下，也可以在将绝缘层配置于导电薄膜之上的工序中，陶瓷的薄膜配置于导电薄膜之上。另外，陶瓷的薄膜也可以为无纺布。也可以在导电薄膜或者陶瓷的薄膜中的至少一方涂敷导电膏或者导电胶。而且，该陶瓷的薄膜也可以配置于该导电薄膜之上。进而也可以具有使导电膏或者导电胶硬化的工序。
附图说明
下面将参照附图说明本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业上的意义，其中相同的符号表示相同的元件，其中：
图1是致动器10的示意图。
图2是致动器10的示意图。
图3是示意地示出致动器10的立体图。
图4是示意地示出致动器10的立体图。
图5是示出其它方式的致动器10A的示意图。
图6是示出其它方式的致动器10A的示意图。
图7是示出其它方式的致动器10B的示意图。
图8是示出其它方式的致动器10C的示意图。
图9是致动器10的示意图。
图10是致动器10的示意图。
图11是示意地示出其它实施方式的致动器10D的剖视图。
图12是示意地示出其它实施方式的致动器10D的剖视图。
图13是示意地示出其它实施方式的致动器10E的剖视图。
图14是示意地示出其它实施方式的致动器10E的剖视图。
具体实施方式
以下，说明在此公开的致动器的一个实施方式。在此说明的实施方式当然不意图特别限定本发明。本发明只要不特别提及，就不限定于在此说明的实施方式。
<致动器10>
图1以及图2是致动器10的示意图。图3以及图4是示意地示出致动器10的立体图。此外，在图3和图4中，分别省略了电源50、开关52以及控制装置60等的图示。在图1以及图3中，分别示出了开关52为关断(OFF)的状态。在图2以及图4中，分别示出了开关52为接通(ON)的状态。如图1以及图2所示，致动器10具备基极电极11、对置电极12、与基极电极11连接的第1端子31以及与对置电极12连接的第2端子32。在图1以及图2所示的方式中，基极电极11中的至少与对置电极12对置的面具有凹凸形状。进而，基极电极11中的至少与对置电极12对置的面由绝缘层11c覆盖。对置电极12以与基极电极11对置的方式配置。对置电极12由具有能够由于当在基极电极11与对置电极12之间施加电压时产生的库伦力而变形的可挠性的导电体构成。在图1以及图2所示的方式中，对置电极12由具有可挠性的板状的导电体构成。
<基极电极11>
基极电极11如图1以及图2所示具备非金属基材11a、导电薄膜11b以及绝缘层11c。
<非金属基材11a>
非金属基材11a例如也可以用陶瓷、塑料准备。在用陶瓷准备的情况下，也可以用烧结的陶瓷准备。另外，在用塑料准备的情况下，具备所需的刚性即可。在此，作为非金属基材11a，关于用作陶瓷、塑料的材料选择确保作为基极电极11的所需的机械强度的材料即可。作为这样的陶瓷材料，例如可举出硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)等。另外，作为用作非金属基材11a的塑料材料，可以使用酚醛树脂、环氧树脂等热硬化性树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂、聚乙烯树脂等热可塑性树脂。另外，作为非金属基材11a而使用的塑料材料也可以为包含玻璃纤维、碳纤维等的纤维强化塑料。
<导电薄膜11b>
导电薄膜11b配置于非金属基材11a的与对置电极12对置的侧面。导电薄膜11b例如为由导电性良好的金属材料构成的金属薄膜即可。作为用于金属薄膜的材料，例如可举出铜、铝等。另外，也可以在金属薄膜中，作为不易氧化的材料使用铂、金。作为这样的导电薄膜11b，金属薄膜例如通过溅射、CVD法(化学气相法)等成膜方法形成于非金属基材11a的与对置电极12对置的侧面即可。第1端子31以电导通的方式连接于该导电薄膜11b即可。此外，作为导电薄膜11b，在此例示出金属薄膜，但导电薄膜11b不限定于金属薄膜。导电薄膜11b也可以为具有导电性的片材状的材料。由具有导电性的片材状的材料构成的导电薄膜11b也可以用后述导电胶来制作。
<绝缘层11c>
绝缘层11c配置于导电薄膜11b之上。绝缘层11c例如由高电介质陶瓷薄膜形成即可。基极电极11与对置电极12之间的绝缘性由该绝缘层11c可靠地确保即可。另外，由绝缘层11c可靠地维持积存于基极电极11的电荷即可。在这样的观点下，作为绝缘层11c，可以使用由陶瓷构成的强电介质。由陶瓷构成的强电介质例如也可以具有钙钛矿构造。
作为具有钙钛矿构造的强电介质，例如可举出钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(Pb(Zr、Ti)O3)、锆钛酸镧铅((Pb、La)(Zr、Ti)O3)、钛酸锶(SrTiO3)、钛酸钡锶((Ba、Sr)TiO3)、铌酸钾钠((NaK)NbO3)等。此外，用于绝缘层11c的材料不限定于在此例示的材料。在如上所述的基极电极11的导电薄膜11b与对置电极12之间得到大的库伦力这样的观点下，能够采用适合的材料。另外，也可以为包含适当的添加剂的复合材料。例如，钛酸钡也可以固溶有CaZrO3、BaSnO3等物质。
钛酸钡为介电常数高到1000～10000前后的强电介质的代表性的材料。锆钛酸铅的介电常数为500～5000，钛酸锶的介电常数为200～500。作为绝缘层11c，能够采用介电常数这样高的材料。此外，虽然例示出了介电常数，但即使是相同的材料，也可能因为厚度、晶体构造、晶体构造的致密度、测定条件(例如，温度)、测定装置等而介电常数变动。绝缘层11c与致动器10的预先决定的使用环境相应地具有所需的性能即可。此外，在此，作为用于绝缘层11c的材料的优选的例子，例示出具有钙钛矿构造的强电介质。用于绝缘层11c的材料只要没有特别提及，就不限定于具有钙钛矿构造的强电介质。在该实施方式中，绝缘层11c由钛酸钡构成。在此，以绝缘层11c为例而进行了说明。关于其它方式的绝缘层，也适当地使用在此例示的材料。
绝缘层11c具有所需的介电常数即可。由于该绝缘层11c，在基极电极11与对置电极12之间施加电压时，在基极电极11与对置电极12之间产生所需的库伦力。关于绝缘层11c的介电常数，例如通过采用陶瓷、例如精细陶瓷，能够将绝缘层11c的介电常数设为1000以上。在此例示的介电常数的测定中，例如可以使用Radiant Technologies公司(美国)的强电介质测定装置即精密LCII。另外，绝缘层11c的介电常数存在依赖于温度、测定用的电流的频率、形成绝缘层的材料的晶体构造等的趋势。绝缘层11c的介电常数例如在23℃左右的常温下、在预先决定为100Hz～1000Hz的频率下测定即可。绝缘层11c使用根据致动器10的预先决定的使用环境来发挥所需的介电常数的绝缘层即可。
在此，基极电极11以非金属基材11a为基材。作为绝缘层11c，采用了陶瓷薄膜。陶瓷薄膜需要烧结，此时，在高温下进行处理。在作为非金属基材11a而使用了具有为了将作为绝缘层11c的陶瓷薄膜进行烧结而所需的耐热性能的材料的情况下，也可以在非金属基材11a之上形成导电薄膜11b，在其之上载置作为绝缘层11c的陶瓷薄膜的原材料粒子并进行烧结。但是，在非金属基材11a不具有所需的耐热性的情况下，无法采用该方法。
在非金属基材11a不具有所需的耐热性的情况下，在非金属基材11a之上形成导电薄膜11b。关于绝缘层11c，也可以准备与非金属基材11a分体地形成的绝缘层，并配置于导电薄膜11b之上。作为分体地准备作为绝缘层11c的陶瓷薄膜的方法，能够采用如在日本特开2012-161957中公开那样在低耐热性基材之上转印实施了高温处理的陶瓷膜的方法。例如，在支承体上形成聚酰亚胺膜。在聚酰亚胺膜之上，作为强电介质而准备代表性的钛酸钡(BaTiO3)的金属盐的胶溶液，涂敷到形成于支承体之上的聚酰亚胺膜。之后，将支承体上的聚酰亚胺膜加热到500℃以上，并进行烧结。由此，在聚酰亚胺膜之上形成钛酸钡(BaTiO3)的陶瓷膜。然后，该钛酸钡的陶瓷膜被转印到在非金属基材11a之上形成的导电薄膜11b之上即可。在此，钛酸钡的烧结温度大致为550℃。在制作钛酸钡的陶瓷膜时使用的聚酰亚胺具有针对钛酸钡的烧结温度所需的耐热性即可。在制作钛酸钡的陶瓷膜时使用的聚酰亚胺例如具有大致600℃左右的耐热性即可。
该绝缘层11c具有所需的致密度即可，另外，越薄，则基极电极11的导电薄膜11b与对置电极12的电极间距离越近。绝缘层11c越薄，则在电压被施加到基极电极11和对置电极12时产生越高的库伦力。另外，关于绝缘层11c，在电压被施加到基极电极11和对置电极12时，积存于基极电极11的电荷的泄漏越小越好。在基极电极11与对置电极12之间得到大的库伦力这样的观点下，绝缘层11c的漏电流(换言之，电荷的泄漏)少，绝缘损坏强度高，且将基极电极11的导电薄膜11b覆盖得薄为好。在该观点下，绝缘层11c例如也可以在如聚酰亚胺膜那样的具有耐热性的膜之上作为陶瓷的薄膜而形成，在被烧结之后，被转印到导电薄膜11b之上。此外，绝缘层11c的形成方法不限定于上述方法。作为绝缘层11c的形成方法，能够根据用于绝缘层11c的材料，以使漏电流(换言之，电荷的泄漏)变少、且使绝缘损坏强度变高的方式适当地采用适合的薄膜形成方法。
<对置电极12>
对置电极12与基极电极11对置，且由柔软的(具有可挠性的)导电体构成。详细而言，在该实施方式中，对置电极12如图1所示以隔着绝缘层11c的状态与基极电极11对置。如图2所示，在电压被施加到基极电极11与对置电极12之间的状态下，由于在与基极电极11之间作用的库伦力，对置电极12以与基极电极11紧挨在一起的方式变形。如图1所示，在电压未被施加到基极电极11与对置电极12之间的状态下，库伦力不作用。因此，对置电极12的形状恢复。对置电极12具备所需的弹性力为好，以使得在库伦力不作用的状态下形状恢复。
根据该观点，对置电极12例如能够由导电橡胶、导电胶等形成。在该实施方式中，作为对置电极12，采用了导电橡胶。对置电极12所采用的导电橡胶为混合导电材料而成形的弹性材料为好。在此，作为导电材料，可举出通过溅射等将金属涂覆于碳黑、乙炔黑、碳纳米管的微粉末、银、铜的金属微粉末、氧化硅、氧化铝等绝缘体的核壳构造的导电体微粉末。作为导电胶，例如，能够采用在3维聚合物基质之中保持有水、保湿剂等溶剂、电解质、添加剂等的功能性胶材料。作为这样的胶材料，例如能够采用积水化成品工业股份公司的Technogel(日文：テクノゲル(注册商标))。
另外，对置电极12也可以由能够沿着基极电极11弹性变形的板簧构成。例如，也可以为片材状的薄的板簧。在该情况下，对置电极12也可以由金属构成。这样，对置电极12也可以采用具有适度的可挠性的构件。另外，对置电极12也可以为粘弹性体、弹塑性体。在该情况下，对置电极12例如在能够视为弹性区域的范围使用即可。在此，以对置电极12为例而进行了说明。关于其它方式的对置电极，也适当地使用在此例示的材料。
这样，致动器10的基极电极11具备非金属基材11a、配置于非金属基材11a的与对置电极12对置的侧面的导电薄膜11b以及配置于导电薄膜11b之上的绝缘层11c。在该致动器10中，基极电极11的基材由非金属材料构成。因此，相比于基材整体由金属构成的情况，基极电极11被制作成轻量。与电源50连接的第1端子31连接于基极电极11的导电薄膜11b。第2端子32连接于对置电极12。第1端子31和第2端子32经由布线51连接于电源50。布线51设置有开关52。作为开关52，例如使用开关元件。
在开关52为关断的状态下，如图1以及图3所示，对置电极12作为整体未与基极电极11的对置的面紧挨在一起。如图2以及图4所示，在开关52为接通的状态下，由于作用于基极电极11与对置电极12之间的库伦力，对置电极12被吸引到基极电极11，与基极电极11的对置的面相匹配地变形，并且与基极电极11紧挨在一起。在开关52为关断的状态下，库伦力消失，对置电极12的形状恢复，对置电极12离开基极电极11。这样，在图1以及图2所示的致动器10中，在开关52为接通的状态和开关52为关断的状态的各个状态下，对置电极12的形状变化，根据该变化进行驱动。开关52的接通、关断由控制装置60切换即可。
根据该致动器10，在电压被施加到第1端子31和第2端子32时，由于作用于基极电极11与对置电极12之间的库伦力而对置电极12发生变形。致动器10与对置电极12的变形相伴地驱动。致动器10的驱动不伴随绝缘层11c的大的压缩变形，所以相对于产生的库伦力，能够得到大的位移量。
作为致动器10的绝缘层11c，使用了陶瓷的薄膜。当在金属的基材之上形成陶瓷的薄膜的情况下，起因于烧结时的热膨胀率之差，有时陶瓷的薄膜产生龟裂。在该实施方式中，致动器10的绝缘层11c与基材11a以及导电薄膜11b分体地制作出。因此，绝缘层11c不易产生龟裂。另外，基材11a、导电薄膜11b不受到将绝缘层11c进行烧结时的热处理的影响。因此，在选定用于基材11a、导电薄膜11b的材料时，能够得到自由度。例如，作为基材11a，能够使用在比绝缘层11c的烧结温度低的温度下熔融的材料，例如塑料。
图5以及图6是示出其它方式的致动器10A的示意图。在图5中，示出了致动器10A的开关52为关断的状态。在图6中，示出了致动器10A的开关52为接通的状态。在致动器10A中，如图5以及图6所示，多个基极电极11依次以相向的方式排列。在多个基极电极11中的邻接的基极电极11之间，分别配置有对置电极12。在该情况下，基极电极11的基材11a中的与对置电极12对置的面由导电薄膜11b覆盖，进而由绝缘层11c覆盖为好。而且，也可以具有将多个基极电极11并联地连接的第1布线31a。另外，也可以具有将多个对置电极12并联地连接的第2布线32a。
如图6所示，在以开关52为接通的状态在基极电极11与对置电极12之间施加有电压的状态下，由于在与基极电极11之间作用的库伦力，对置电极12以与基极电极11紧挨在一起的方式变形。如图5所示，在以开关52为关断的状态在基极电极11与对置电极12之间未施加电压的状态下，库伦力不作用。因此，对置电极12的形状恢复，基极电极11的间隔变宽。
在该实施方式中，基极电极11的非金属基材11a在与对置电极12对置的侧面分别具有凹凸形状。导电薄膜11b覆盖非金属基材11a的凹凸形状。绝缘层11c进而覆盖导电薄膜11b。对置电极12在开关52为接通的状态下沿着基极电极11的凹凸形状变形，与基极电极11紧挨在一起。在此，相向的基极电极11的凹凸形状具有相互嵌合的形状。因此，如果在开关52为接通的状态下沿着基极电极11的凹凸形状而对置电极12发生变形，与基极电极11紧挨在一起，则相向的基极电极11的凹凸形状嵌合，基极电极11的间隔变窄。另外，在以开关52为关断的状态在基极电极11与对置电极12之间未施加电压的状态下，库伦力不作用。因此，对置电极12的形状恢复，相向的基极电极11的间隔变宽。在此，作为致动器10的位移量而能够得到相向的基极电极11的位移。
图7是示出其它方式的致动器10B的示意图。图8是示出其它方式的致动器10C的示意图。如图7所示，对置电极12也可以为波纹板形状。另外，如图8所示，致动器10C的对置电极12也可以为板簧。在这些情况下，如图7以及图8所示，基极电极11也可以是与对置电极12对置的面平坦。这样，基极电极11、对置电极12的形状能够进行各种变更。
例如，在对置电极12为波纹板形状的情况下，如图7所示，此时，当开关52成为关断时，库伦力消失，对置电极12的形状复原为波纹板形状。对置电极12的形状复原，从而一对基极电极11的间隔变宽。当开关52成为接通时，省略图示，但库伦力作用于基极电极11与对置电极12之间。此时，对置电极12发生变形，对置电极12与基极电极11紧挨在一起。因此，基极电极11的间隔变窄。
另外，如图8所示，对置电极12也可以为板簧。在该情况下，对置电极12也可以如图8所示具有反弹部位12a。反弹部位12a利用狭缝12b在对置电极12中分离，能够容纳于由狭缝12b形成的孔12c。在该情况下，当开关52成为关断时，库伦力消失，对置电极12的形状复原，由于反弹部位12a而夹持对置电极12的基极电极11的间隔变宽。相对于此，当开关52成为接通时，省略图示，但库伦力作用于基极电极11与对置电极12之间。此时，对置电极12发生变形，对置电极12与基极电极11紧挨在一起。因此，基极电极11的间隔变窄。此时，反弹部位12a容纳于由狭缝12b形成的孔12c。由于该对置电极12的变形，夹持对置电极12的基极电极11的间隔变窄。另外，当开关52成为关断时，库伦力消失，对置电极12复原。当对置电极12复原时，如图8所示，反弹部位12a反弹，夹持对置电极12的基极电极11的间隔变宽。
这样，对置电极12以及基极电极11的形状能够进行各种变更。在任意的情况下，致动器10都能够将基极电极11间的距离的变化作为位移量而输出。致动器10不易受到绝缘层11c的压缩变形所致的限制，能够得到大的位移量。在该情况下，基极电极11也具备非金属基材11a、配置于非金属基材11a的与对置电极12对置的侧面的导电薄膜11b以及配置于导电薄膜11b之上的绝缘层11c为好。
接下来，关于基极电极11的构造，进一步说明其它方式。
在此，图9以及图10是致动器10的示意图。在图9以及图10中，致动器10被更加简化地图示出。在图9中，示出了致动器10的开关52为关断的状态。在图10中，示出了致动器10的开关52为接通的状态。此外，图9以及图10是致动器10的示意图，未必示出实际的致动器。以下，参照图9以及图10，特别说明致动器10的基极电极11的其它方式。
例如，作为致动器10的基极电极11的基材11a，也可以使用金属且具有导通性的材料。在该情况下，也可以不设置导电薄膜11b，而在基材11a之上配置绝缘层11c。但是，当在这样的金属的基材11a之上将作为绝缘层11c的陶瓷的薄膜进行烧结时，有时绝缘层11c产生龟裂。用于基材11a的金属和用于绝缘层11c的陶瓷的热膨胀率存在大的差异。例如，钛酸钡的热膨胀率大致为5×10-6/K。铜的热膨胀率大致为16.8×10-6/K。铝的热膨胀率大致为23×10-6/K。不锈钢(SUS410)的热膨胀率大致为10.4×10-6/K。在此举出的热膨胀率为线热膨胀率。由金属构成的基材11a和由陶瓷构成的绝缘层11c的热膨胀率大幅不同。由于该热膨胀率的差异，由热膨胀率小且用薄膜形成的陶瓷的薄膜构成的绝缘层11c在烧结时无法追随于金属的基材11a的膨胀。因此，有时由陶瓷的薄膜构成的绝缘层11c产生龟裂。
为了抑制这样的龟裂，基极电极11的基材11a例如也可以使用具有与用于绝缘层11c的陶瓷相同程度的热膨胀率的材料。例如，也可以用将烧结前的陶瓷的原料粉末成形而得到的成形体准备基极电极11的基材11a。在其之上使作为导电薄膜11b的金属薄膜成膜。接下来，在作为导电薄膜11b的金属薄膜之上，作为绝缘层11c的高电介质陶瓷的粉末按照预定的厚度铺满。作为绝缘层11c的高电介质陶瓷也可以以胶形态按照预定的厚度涂敷于作为导电薄膜11b的金属薄膜之上。在此，作为基材11a和绝缘层11c，也可以使用相同程度的热膨胀率的材料。当基材11a和绝缘层11c使用相同程度的热膨胀率的材料时，在绝缘层11c被烧结时，起因于被烧结时的热处理而绝缘层11c不易产生龟裂。
例如，在作为绝缘层11c使用钛酸钡的情况下，作为基材11a，使用硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)等为好。在此，钛酸钡的热膨胀率大致为5×10-6/K。硅(Si)的热膨胀率大致为3.9×10-6/K。碳化硅(SiC)的热膨胀率大致为4.4×10-6/K。氮化铝(AlN)的热膨胀率大致为4.6×10-6/K。这些相比作为基材11a使用金属的情况，能够将与钛酸钡的热膨胀率的差抑制得小。这样，在作为绝缘层11c使用钛酸钡的情况下，作为基材11a，也可以选定硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)等。这样，在作为绝缘层11c使用钛酸钡的情况下，作为基材11a，选定具有优选为3×10-6/K以上、更优选为3.5×10-6/K以上、另外优选为7×10-6/K以下、更优选为6.5×10-6/K以下的线热膨胀率的材料为好。
这样，作为基材11a，也可以使用陶瓷材料。在该情况下，与用于绝缘层11c的陶瓷材料的热膨胀率的差越小越好。另外，作为配置于基材11a之上的导电薄膜11b，采用金属薄膜为好。特别是，选定在烧结时的热处理中不易氧化的材料为好。在该观点下，作为导电薄膜11b，使用铂、金为好。铂、金不易氧化，所以在烧结时，不易从作为绝缘层11c使用的钛酸钡夺取氧原子。因此，在烧结时不易使钛酸钡的晶体构造劣化。
根据本发明人的知识，例如，在硅(Si)的基材之上，作为导电薄膜以150nm～200nm的厚度使铂的薄膜成膜。接下来，以150nm～200nm的厚度使钛酸钡的绝缘层成膜，并进行烧结，其结果在由钛酸钡构成的绝缘层中未确认龟裂、剥离等。将该构造应用于致动器10的基极电极11为好。
另外，绝缘层11c也可以用陶瓷的无纺布准备，并进行烧结。例如，作为绝缘层11c的陶瓷的薄膜也可以形成于金属基材11a之上。也就是说，也可以不配置导电薄膜11b，而在金属基材11a之上，作为绝缘层11c配置以无纺布的形态准备的陶瓷的无纺布，并进行烧结。在该情况下，以无纺布的形态准备，所以为纤维形态，能够稍微移动。因此，起因于被烧结时的热处理，绝缘层11c不易产生龟裂。此外，陶瓷的无纺布作为绝缘层11c具有所需的致密度为好，另外，越薄越好。作为得到该陶瓷的无纺布的方法，可举出电解纺丝法。根据电解纺丝法，能够得到由细的陶瓷原材料的纤维构成的薄且致密的无纺布的片材。
进而，作为基极电极11的其它方式，作为绝缘层11c的陶瓷的薄膜也可以与基材11a、导电薄膜11b分体地制作，且被烧结，配置于基材11a、导电薄膜11b之上。在该情况下，绝缘层11c与基材11a、导电薄膜11b分体地制作，所以在将绝缘层11c进行烧结时的热处理中，绝缘层11c不易产生龟裂。例如，作为绝缘层11c的陶瓷的薄膜也可以在被烧结之后配置于金属基材11a之上。也就是说，也可以不配置导电薄膜11b，而在金属基材11a之上配置被烧结的陶瓷的薄膜作为绝缘层11c。
另外，作为绝缘层11c的陶瓷的薄膜与基材11a、导电薄膜11b分体地制作，从而作为基材11a，能够使用如塑料那样的非金属基材11a。在该情况下，如果是相同形状，则相比于作为基材11a使用金属材料的情况，能够实现轻量化。在该情况下，基极电极11的绝缘层11c也可以由被烧结的陶瓷的无纺布构成。
陶瓷的无纺布例如在具有相对钛酸钡的烧结温度所需的耐热性的聚酰亚胺之上制作为好。然后，在聚酰亚胺之上制作陶瓷的无纺布，直接在聚酰亚胺之上进行烧结为好。另外，制作陶瓷的无纺布的聚酰亚胺的形状与配置绝缘层11c的基材11a、导电薄膜11b的形状预先匹配为好。由此，与配置绝缘层11c的基材11a、导电薄膜11b的形状相匹配的陶瓷的无纺布能够在被烧结的状态下得到。
也可以将这样被烧结的陶瓷的薄膜作为绝缘层11c，与基材11a、导电薄膜11b分体地设置。被烧结的陶瓷的薄膜作为绝缘层11c而配置于基材11a、导电薄膜11b之上。此时，在基材11a、导电薄膜11b与作为绝缘层11c的被烧结的陶瓷的薄膜之间产生微细的间隙。不论陶瓷的薄膜是否为无纺布的形态，都能够产生间隙。空气进入到该间隙，所以使基材11a、导电薄膜11b与对置电极12之间的介电常数下降。
因而，也可以在配置绝缘层11c的基材11a、导电薄膜11b与绝缘层11c之间，配置具有导电性的膏、胶。在该情况下，配置绝缘层11c的基材11a、导电薄膜11b与绝缘层11c的间隙由具有导电性的膏、胶填充。因此，空气进入不到该间隙。因此，防止基极电极11与对置电极12之间的介电常数显著下降，致动器10能够得到稳定的性能。
具有导电性的膏、胶为能够填充配置绝缘层11c的基材11a、导电薄膜11b与绝缘层11c的间隙的方式为好。作为具有导电性的膏、胶的导电材料，可举出通过溅射等将金属涂覆于碳黑、乙炔黑、碳纳米管的微粉末、银、铜的金属微粉末、氧化硅、氧化铝等绝缘体的核壳构造的导电体微粉末。关于导电性膏，使导电材料的粒子分散到聚合物等粘结剂树脂的溶液而准备为好。作为膏溶剂，能够采用具有所需的粘性的适合的溶剂。作为导电胶，例如能够采用在3维聚合物基质之中保持有水、保湿剂等溶剂、电解质、添加剂等的功能性胶材料。作为这样的胶材料，例如能够采用积水化成品工业股份公司的Technogel(テクノゲル(注册商标))。
此外，具有导电性的膏、胶以预先决定的厚度涂敷于配置绝缘层11c的基材11a、导电薄膜11b之上为好。然后，由被烧结的陶瓷的薄膜构成的绝缘层11c被转印到该具有导电性的膏、胶之上为好。也可以在对配置绝缘层11c的基材11a、导电薄膜11b与绝缘层11c的间隙进行填充的状态下硬化。也就是说，也可以在基材11a、导电薄膜11b与绝缘层11c之间，配置硬化后的导电材料。在此，作为绝缘层11c使用的被烧结的陶瓷的薄膜也可以如上所述成形于聚酰亚胺的膜之上。由此，空气不易进入到配置绝缘层11c的基材11a、导电薄膜11b与绝缘层11c之间，防止基极电极11与对置电极12之间的介电常数显著下降，致动器10能够得到稳定的性能。
另外，在此提出的致动器10的制造方法中，例如包括：准备如上所述以预先决定的形状成形的非金属基材11a的工序、在非金属基材11a的预先决定的区域的表面配置导电薄膜11b的工序以及在导电薄膜11b之上配置绝缘层11c的工序(参照图9)。
绝缘层11c也可以用陶瓷的薄膜准备。在该情况下，也可以在将绝缘层11c配置于导电薄膜11b之上的工序中，陶瓷的薄膜配置于导电薄膜11b之上。另外，构成绝缘层11c的陶瓷的薄膜也可以为无纺布。另外，也可以在导电膏或者导电胶涂敷于构成导电薄膜11b或者绝缘层11c的陶瓷的薄膜中的至少一方的状态下，在导电薄膜11b之上配置陶瓷的薄膜。而且，该致动器10的制造方法也可以具有使该导电膏或者导电胶硬化的工序。此外，在陶瓷的薄膜为无纺布的形态的情况下，以与对置电极12不导通的程度薄地涂敷导电膏或者导电胶为好。另外，导电膏或者导电胶以不过度含浸于无纺布的形态的陶瓷的薄膜的程度具备所需的粘性为好。
然而，在此公开的致动器如上所述在开关52为接通的状态下，经由绝缘层11c而库伦力作用于基极电极11的导电薄膜11b与对置电极12之间。通过该库伦力，对置电极12被吸引到基极电极11的导电薄膜11b，与基极电极11相匹配地变形，并且与基极电极11紧挨在一起(参照图2)。当在开关52为关断的状态下库伦力消失时，对置电极12的形状恢复，对置电极12离开基极电极11(参照图1)。在开关52从接通的状态成为关断的状态时，如果库伦力快速地消失，则对置电极12的形状快速地恢复，对置电极12快速地离开基极电极11，响应速度提高。
<致动器10D>
在提高响应速度这样的观点下，在开关52从接通的状态成为关断的状态时，最好库伦力快速地消失。此外，在此，以图1以及图2所示的方式为例，说明进一步的变形例。在该变形例中示出的致动器的方式不限定于在图1以及图2中示出的方式，能够应用于各种方式。图11以及图12是示意地示出其它实施方式的致动器10D的剖视图。在图11以及图12所示的致动器10D中，对起到与图1所示的致动器10相同的作用的构件及部位附加有相同的符号，适当地省略重复的说明。图11示出了致动器10D的第1开关52为接通的状态、换言之基极电极11与对置电极12紧挨在一起的状态。图12示出了致动器10D的第1开关52为关断的状态、换言之基极电极11与对置电极12分离的状态。
图11以及图12所示的致动器10D具备基极电极11、对置电极12、电源50、第1开关52、连接布线55、第2开关56、第1控制装置60以及第2控制装置62。
电源50为对基极电极11的导电薄膜11b和对置电极12施加电压的装置。第1开关52为切换导电薄膜11b以及对置电极12与电源50的连接和切断的开关。在该实施方式中，电源50和第1开关52分别设置于布线51。布线51为用于将与基极电极11的导电薄膜11b连接的第1端子31以及与对置电极12连接的第2端子32连接于电源50的布线。第1控制装置60为对第1开关52的连接和切断进行操作的控制装置。
连接布线55为不经由电源50而将基极电极11与对置电极12电连接的布线。在该实施方式中，连接布线55如图11以及图12所示被设置成从将与导电薄膜11b连接的第1端子31以及与对置电极12连接的第2端子32连接于电源50的布线51分支，对电源50进行旁通。此外，连接布线55也可以被设置成与布线51分开地将与导电薄膜11b连接的第1端子31和与对置电极12连接的第2端子32连接。另外，连接布线55也可以被设置成不经由第1端子31和第2端子32中的任意一方或者两方而将导电薄膜11b与对置电极12连接。
第2开关56设置于连接布线55。第2开关56为切换由连接布线55将导电薄膜11b与对置电极12电连接的状态和切断连接布线55的状态的开关。第2控制装置62为对第2开关56的连接和切断进行操作的控制装置。
第1控制装置60和第2控制装置62如图11所示构成为在第1开关52被连接时切断第2开关56为好。进而，第1控制装置60和第2控制装置62如图12所示构成为在第1开关52被切断时连接第2开关56为好。
当第1开关52被连接时，该致动器10D对导电薄膜11b以及对置电极12施加电压，基极电极11与对置电极12紧挨在一起。当第1开关52被切断时，被施加到导电薄膜11b以及对置电极12的电压消失，进而当库伦力被消除时，基极电极11与对置电极12分离。
在该致动器10D中，在第1开关52为接通的状态下，如图11所示，导电薄膜11b和对置电极12分别带电，在导电薄膜11b和对置电极12产生库伦力。然后，在第1开关52从连接的状态(接通的状态)成为切断的状态(关断的状态)时，如图12所示，第2开关56被连接而导电薄膜11b与对置电极12电连接为好。当导电薄膜11b与对置电极12电连接时，导电薄膜11b的带电和对置电极12的带电分别快速地被消除。因此，作用于导电薄膜11b与对置电极12之间的库伦力快速地被消除，对置电极12的形状快速地恢复，对置电极12快速地离开基极电极11。这样，通过设置第2开关56，从而在第1开关52从连接的状态(接通的状态)成为切断的状态(关断的状态)时，基极电极11与对置电极12分离时的响应速度变快。
致动器10D具备控制装置60、62，该控制装置60、62构成为在第1开关52被连接时切断第2开关56，且在第1开关52被切断时连接第2开关56。在图11以及图12所示的方式中，致动器10D构成为由第1控制装置60对第1开关52进行电操作。另外，构成为通过第2控制装置62对第2开关56进行电操作。因此，第1开关52和第2开关56迅速地被电操作，进而定时一致。在此，第1控制装置60和第2控制装置62既可以分别由各自的控制装置实现，也可以由1个控制装置实现。第1控制装置60和第2控制装置62例如能够由1个微计算机实现。
在此，控制装置可以为进行包括该致动器的装置的各种电处理的装置。控制装置能够由按照预先决定的程序驱动的计算机具体化。具体而言，控制装置的各功能由构成控制装置的各计算机的运算装置(还被称为处理器、CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)、MPU(Micro－processing unit，微型处理单元))、存储装置(存储器、硬盘等)处理。例如，控制装置的各结构能够被具体化为以预先决定的形式存储由计算机具体化的数据的数据库、数据构造、依照预先决定的程序进行预定的运算处理的处理模块等、或者它们的一部分。另外，虽然省略图示，但控制装置也可以是多个控制装置协作的情形。例如，控制装置也可以经由LAN缆线、无线线路、因特网等而与其它计算机能够进行数据通信地连接。控制装置的处理也可以与这样的其它计算机协作地进行。例如，既可以是外部的计算机将存储于控制装置的信息或者一部分的信息进行存储，也可以是外部的计算机执行控制装置执行的处理或者处理的一部分。
<致动器10E>
图13以及图14是示意地示出其它实施方式的致动器10E的剖视图。在图13以及图14所示的致动器10E中，对起到与图1所示的致动器10相同的作用的构件及部位附加有相同的符号，适当地省略重复的说明。图13示出了致动器10E的开关为接通的状态。图14示出了致动器10E的开关为关断的状态。
图13以及图14所示的致动器10E具备第3控制装置63、第4控制装置64、第1接地线71、第2接地线72、第3开关73以及第4开关74。另外，致动器10E具备上述第1开关52和第1控制装置60。
第1接地线71为使导电薄膜11b接地的电气布线。第3开关73设置于第1接地线71，是切换第1接地线71的连接和切断的开关。第3控制装置63是对第3开关73进行操作并控制导电薄膜11b的接地的装置。
第2接地线72为使对置电极12接地的电气布线。第4开关74设置于第2接地线72，是切换第2接地线72的连接和切断的开关。第4控制装置64是对第4开关74进行操作并控制对置电极12的接地的装置。
第1控制装置60、第3控制装置63以及第4控制装置64构成为在第1开关52被连接时分别切断第3开关73和第4开关74。进而，第1控制装置60、第3控制装置63以及第4控制装置64构成为在第1开关52被切断时分别连接第3开关73和第4开关74。
该致动器10E如图13所示，当第1开关52被连接时，对导电薄膜11b以及对置电极12施加电压，基极电极11与对置电极12紧挨在一起。在该致动器10E中，在第1开关52为接通的状态下，导电薄膜11b和对置电极12分别带电，经由绝缘层11c而在导电薄膜11b和对置电极12产生库伦力。当第1开关52被切断时，被施加到导电薄膜11b以及对置电极12的电压消失，进而当库伦力被消除时，基极电极11与对置电极12分离。
在致动器10E中，在第1开关52从连接的状态(接通的状态)成为被切断的状态(关断的状态)时，如图14所示，第3开关73与第4开关74连接而导电薄膜11b和对置电极12分别接地。当导电薄膜11b和对置电极12分别接地时，导电薄膜11b的带电和对置电极12的带电分别快速地被消除。因此，作用于导电薄膜11b与对置电极12之间的库伦力快速地被消除，对置电极12的形状快速地恢复，对置电极12快速地离开基极电极11。这样，通过设置第3开关73和第4开关74，从而在第1开关52从连接的状态(接通的状态)成为被切断的状态(关断的状态)时，基极电极11与对置电极12分离时的响应速度变快。
这样，致动器10E具备控制装置60、63、64，该控制装置60、63、64构成为在第1开关52被连接时分别切断第3开关73和第4开关74，且在第1开关52被切断时分别连接第3开关73和第4开关74。在图13以及图14所示的方式中，致动器10E构成为由第1控制装置60对第1开关52进行电操作。另外，构成为由第3控制装置63对第3开关73进行电操作。进而，构成为由第4控制装置64对第4开关74进行电操作。因此，第1开关52、第3开关73以及第4开关74迅速地被电操作，进而各开关的动作定时被适当地调整。在此，第1控制装置60、第3控制装置63以及第4控制装置64既可以分别由各自的控制装置实现，也可以由1个或者两个控制装置实现。第1控制装置60、第3控制装置63以及第4控制装置64例如能够由1个或者两个微计算机实现。致动器可以如在此例示那样还具备复杂的构造。致动器根据预先决定的程序由控制装置进行操作，从而能够进行更复杂的动作。
以上，对在此公开的致动器以及致动器的制造方法进行了各种说明。只要不特别提及，在此举出的致动器以及致动器的制造方法的实施方式等不限定本发明。
Claims (21)
1.一种致动器，具备：
基极电极、与所述基极电极对置的对置电极、与所述基极电极连接的第1端子以及与所述对置电极连接的第2端子，
所述基极电极具备：
非金属基材；
导电薄膜，配置于所述非金属基材的与所述对置电极对置的侧面；以及
绝缘层，配置于所述导电薄膜之上，
所述第1端子连接于所述导电薄膜，
所述对置电极包括具有在电压被施加到所述第1端子和所述第2端子时由于作用于所述基极电极与所述对置电极之间的库伦力而能够变形的可挠性的导电体。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中，
多个所述基极电极排列成依次以相向的方式配置，所述对置电极配置于所述基极电极之间。
3.根据权利要求2所述的致动器，其中，
在所述基极电极中，所述非金属基材在与所述对置电极对置的侧面具有凹凸形状，所述导电薄膜覆盖所述凹凸形状，所述绝缘层覆盖所述导电薄膜。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的致动器，其中，
所述绝缘层为陶瓷的薄膜。
5.根据权利要求4所述的致动器，其中，
所述绝缘层具有钙钛矿构造。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的致动器，其中，
所述绝缘层为无纺布。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的致动器，其中，
在所述导电薄膜与所述绝缘层之间配置有导电膏或者导电胶。
8.根据权利要求1至6中的任意一项所述的致动器，其中，
在所述导电薄膜与所述绝缘层之间配置有硬化后的导电材料。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的致动器，其中，
所述导电薄膜为金属薄膜。
10.根据权利要求1至9中的任意一项所述的致动器，其中，
所述对置电极由含有导电材料的弹性材料构成。
11.根据权利要求1至10中的任意一项所述的致动器，其中，还具备：
电源，对所述导电薄膜和所述对置电极施加电压；以及
第1开关，切换所述导电薄膜以及所述对置电极与所述电源的连接和切断。
12.根据权利要求11所述的致动器，其中，
所述致动器还具备对所述第1开关进行操作的控制装置。
13.根据权利要求11所述的致动器，其中，还具备：
连接布线，不经由所述电源而将所述导电薄膜与所述对置电极电连接；以及
第2开关，设置于所述连接布线，切换利用所述连接布线将所述导电薄膜与所述对置电极电连接的状态以及切断所述连接布线的状态。
14.根据权利要求13所述的致动器，其中，
所述致动器还具备控制装置，该控制装置构成为在所述第1开关被连接时所述第2开关被切断，且在所述第1开关被切断时所述第2开关被连接。
15.根据权利要求11所述的致动器，其中，还具备：
第1接地线，使所述导电薄膜接地；
第2接地线，使所述对置电极接地；
第3开关，设置于所述第1接地线，切换所述第1接地线的连接和切断；以及
第4开关，设置于所述第2接地线，切换所述第2接地线的连接和切断。
16.根据权利要求15所述的致动器，其中，
所述致动器还具备控制装置，该控制装置构成为在所述第1开关被连接时所述第3开关和所述第4开关分别被切断，且在所述第1开关被切断时所述第3开关和所述第4开关分别被连接。
17.一种致动器的制造方法，包括：
准备以预先决定的形状成形的非金属基材的工序；
在所述非金属基材的预先决定的区域的表面配置导电薄膜的工序；以及
在所述导电薄膜之上配置绝缘层的工序。
18.根据权利要求17所述的致动器的制造方法，其中，
用陶瓷的薄膜准备所述绝缘层，
在将绝缘层配置于所述导电薄膜之上的工序中，所述陶瓷的薄膜配置于所述导电薄膜之上。
19.根据权利要求18所述的致动器的制造方法，其中，
所述陶瓷的薄膜为无纺布。
20.根据权利要求19所述的致动器的制造方法，其中，
在所述导电薄膜或者所述陶瓷的薄膜中的至少一方涂敷导电膏或者导电胶，且所述陶瓷的薄膜配置于所述导电薄膜之上。
21.根据权利要求20所述的致动器的制造方法，其中，
所述致动器的制造方法具有使所述导电膏或者导电胶硬化的工序。
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