JP7549356B2 - マルチレイヤー構造を有する静電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、マルチレイヤー構造を有する静電アクチュエータに関する。

使いやすい構造の誘電エラストマーアクチュエータおよびその駆動システムの提供を課題として、誘電エラストマーアクチュエータが、伸縮可能な一対の電極間にエラストマーを挟んだ構造の駆動要素Ａと、伸縮可能な一対の電極間にエラストマーを挟んだ構造の駆動要素Ｂと、駆動要素Ａと駆動要素Ｂとを直列に接続する接続部とを備え、駆動要素Ａおよび駆動要素Ｂが有する一対の電極間に電圧を印加したときに、一対の電極間に生じる電場により一対の電極が電場と平行な方向に変位してエラストマーが電場と垂直な方向に伸長し、エラストマーの伸長が接続部を介して互いに作用し合う、誘電エラストマーアクチュエータおよびその駆動システムに関する公報開示の技術が存在する（特許文献１）。

特開２０１８－３３２９３号公報

従来の静電アクチュエータは、導体層間に弾性材料である誘電エラストマーを挟んだ構造を有しており、対向する導体層間に電圧が印加されて発生する静電引力で導体層間を収縮させる構成であった。誘電エラストマーは導体層間の絶縁材料としての機能も果たしていた。ここで、静電アクチュエータに長時間電圧を印加して静電引力によって誘電エラストマーに圧縮力を長時間印加するとき、誘電エラストマーが柔らかいと誘電エラストマーは導体と共に横方向に広がり、クリープ現象により誘電エラストマーの層（弾性層）を構成する材料の分子が移動して層が崩れ絶縁破壊が生じる懸念があった。これが理由で、従来の静電アクチュエータは長期間使用することができず、実用化が困難であった。一方、硬い弾性性能を有する誘電エラストマーを採用すれば、収縮率が低下して十分なストロークを確保できないという課題があった。

本発明は、弾性層がクリープ現象により変形しても導体層間の絶縁性能が維持された積層型静電アクチュエータの提供を目的とする。また、十分なストロークの確保が容易な積層型静電アクチュエータの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の積層型静電アクチュエータは、
複数の電極フィルムが積層結合した構造を有し、
各電極フィルムは、弾性層、絶縁層、導体層、絶縁層、弾性層の５層構造を有し、
弾性層を構成する材料のヤング率は、絶縁層を構成する材料のヤング率よりも小さい。

上記課題を解決するために、請求項２に記載の積層型静電アクチュエータは、
複数の電極フィルムが積層結合した構造を有し、
各電極フィルムは、弾性層、絶縁層、導体層、絶縁層、弾性層の５層構造を有し、
弾性層を構成する材料のばね定数は、電極フィルムが積層方向に伸長するのに伴い増加する。

請求項３に記載の積層型静電アクチュエータは、
請求項１又は２に記載の静電アクチュエータにおいて、
隣り合う２つの電極フィルムは、電極フィルムの弾性層間が接着或いは共有結合又は弾性体粘着力により接続されている。

上記課題を解決するために、請求項４に記載の積層型静電アクチュエータは、
導体層の両面に絶縁層が配された電極層が弾性層を介して積層結合した構造を有し、
弾性層を構成する材料のヤング率は、絶縁層を構成する材料のヤング率よりも小さい、或いは、
弾性層を構成する材料のばね定数は、静電アクチュエータが積層方向に伸長するのに伴い増加する。

請求項５に記載の積層型静電アクチュエータは、
請求項４に記載の静電アクチュエータにおいて、
弾性層は、電極層の面方向に互いに離間した複数の柱を有する構造体である。

本発明によれば、電極間に電圧が印加されるとき、弾性層は柔らかく変形するが、導体層は絶縁層で保護される。長期間の電圧印加で弾性層がクリープ現象により変形しても導体層は絶縁層によって絶縁が維持されることが可能となった。その結果、柔らかい弾性性能を有する弾性材料の採用が可能となり、十分なストロークと信頼性の両立が可能となった。

第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータを構成する電極フィルム一層の断面図である。 図１に示す電極フィルムが積層結合した構造を有する積層型静電アクチュエータ全体の断面図である。 ２つの端部材の間に積層を離そうとする向きの外力が印加されて電極フィルムの間隔が伸長した状態を示す図である。 電圧が印加されて電極フィルムの間隔が収縮した状態を示す図である。 第２実施形態に係る積層型静電アクチュエータの断面図である。 図５に示す積層型静電アクチュエータの変形例である。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態を図面を用いて以下に説明する。図１は、第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１を構成する電極フィルム１０一層の断面図である。図２は、図１に示す電極フィルム１０が積層結合した構造を有する積層型静電アクチュエータ１全体の断面図である。

（構成）
積層型静電アクチュエータ１は、２つの端部材（図示省略）に挟まれた、多数の電極フィルム１０ａ，１０ｂが積層結合されて構成される（図２、後述）。各電極フィルム１０ａ，１０ｂは、図１に示すように、第１弾性層１１ａ、第１絶縁層１２ａ、導体層１３ａ、第２絶縁層１４ａ、第２弾性層１５ａからなる５層構造を有して構成される。以下の説明では、第１絶縁層１２ａと導体層１３ａと第２絶縁層１４ａとを電極層１６ａと称することがある。

第１弾性層１１，１１ａ及び第２弾性層１５，１５ａは、例えばゲルやアクリル系またはシリコン系樹脂等の柔軟材料が採用される。導体層１３，１３ａは、例えば銅等の金属膜や導電性高分子、または導電性の炭素同素体（または炭素を主体とした導電性の混合体）等の良電気伝導性の膜で構成される。導体層１３，１３ａの両面には塗布、接着又は蒸着等により絶縁層（第１絶縁層１２，１２ａ、第２絶縁層１４，１４ａ）を形成し、導体層１３，１３ａを第１絶縁層１２，１２ａ及び第２絶縁層１４，１４ａが挟んで電極層１６，１６ａを構成する。第１及び第２の絶縁層１２，１４；１２ａ，１４ａの材料には、例えばパリレン（登録商標）等の絶縁性の高分子材料を使用してもよく、耐電圧特性の良いセラミックやガラス材料などを使用してもよい。電極層１６，１６ａの厚さは、例えば数マイクロメートルである。

ここで、第１弾性層１１，１１ａ及び第２弾性層１５，１５ａを構成する材料として、第１絶縁層１２，１２ａ及び第２絶縁層１４，１４ａを構成する材料のヤング率よりも小さいヤング率を有する材料を採用してもよい。あるいは、第１弾性層１１，１１ａ及び第２弾性層１５，１５ａを構成する材料として、積層型静電アクチュエータ１が積層方向に伸長するのに伴いばね定数が増加する性質を有する材料を採用してもよい。

以上の構成を有する電極フィルム１０ａ，１０ｂが、積層結合されて積層型静電アクチュエータ１が構成される。積層結合は、例えば、弾性層間の共有結合や弾性体粘着力により実行される。尚、弾性層間が結合された構造を説明したが、導体層の両面に絶縁層が配された電極層が弾性層を介して積層結合されて静電アクチュエータを構成してもよい。

（動作）
図３は、２つの端部材（図示省略）の間に積層を離そうとする向きの外力が印加されて電極フィルム１０ａ，１０ｂの間隔が伸長した状態を示す図であり、図４は、電圧が印加されて電極フィルム１０ａ，１０ｂの間隔が収縮した状態を示す図である。

各電極フィルム１０を離そうとする向きの外力を受けると、第１の電極フィルム１０ａと第２の電極フィルム１０ｂとの間の弾性層１５ａ，１１ｂは積層方向に伸長すると同時に積層方向に垂直で電極フィルム間の内方向に凹む（図３）。第１及び第２の電極フィルム１０ａ，１０ｂの導体層１３ａ，１３ｂの間に電圧が印加されると、第１及び第２の電極フィルム１０ａ，１０ｂは互いに引き合い、弾性層１５ａ，１１ｂは積層方向に収縮すると同時に積層方向に垂直で電極フィルム１０ａ，１０ｂ間の外方向に膨らむ（図４）。

電圧が印加されるとき、弾性層１５ａ，１１ｂは変形するが、導体層１３ａ，１３ｂは絶縁層１４ａ，１２ｂで保護される。このため、長時間の電圧印加で弾性層１５ａ，１１ｂにクリープが生じても、導体層１３ａ，１３ｂと弾性層１５ａ，１１ｂとの間に絶縁層１４ａ，１２ｂが存在することにより絶縁破壊は発生せず、導体層１３ａ，１３ｂの絶縁性能は確保される。これにより、弾性層１５ａ，１１ｂに柔らかい材料を採用することが可能となり、静電アクチュエータとして十分なストロークの確保と絶縁性能に対する信頼性とを両立させることが可能となる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１０１の断面図である。図６は、図５に示す積層型静電アクチュエータ１０１の変形例である。第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１との同一又は類似の要素については、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。図５に示すように、積層型静電アクチュエータ１０１は、導体層１１３の両面に絶縁層１１２，１１４が配された電極層１１６が弾性層１１５を介して積層結合されて構成される。弾性層１１５は、内部に空隙１２０ａ，１２０ｂを設けた電極層１１６の面方向に互いに離間した複数の柱１２１ａ，１２１ｂを有する。

第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１では、弾性層の外方向に膨らんだ外周面付近の変形量が大きくなり、積層型静電アクチュエータ１の外周面近傍の弾性層１１，１５、特に弾性層１１，１５と絶縁層１２，１４との接続部に大きな応力が発生する（図４参照）。これに対して、図５に示すように、弾性層１１５を柱状に分割することで、個々の柱１２１ａ，１２１ｂは独立に変形するため個々の柱１２１ａ，１２１ｂの変形量が小さくなり、弾性層１１５に発生する応力を低減させることができる。これにより、積層型静電アクチュエータとして十分なストロークの確保と絶縁性能に対する信頼性とを両立させることが可能となる。また、引っ張りに対してすべての柱１２１ａ，１２１ｂで支え合うため、強度が高まる。尚、柱１２１は端部で繋がっていてもよいし（図６（ａ））、個々で独立に絶縁層１１４ａ，１１２ｂに繋がっていても良い（図６（ｂ））。また、柱の本数や断面形状、位置は、電極層の面の大きさや積層型静電アクチュエータに加わる力の大きさ、要求される応答性能等により適宜設定される。
〔態様１〕
複数の電極フィルムが積層結合した構造を有する静電アクチュエータであって、
各電極フィルムは、弾性層、絶縁層、導体層、絶縁層、弾性層の５層構造を有し、
前記弾性層を構成する材料のヤング率は、前記絶縁層を構成する材料のヤング率よりも小さい、静電アクチュエータ。
〔態様２〕
複数の電極フィルムが積層結合した構造を有する静電アクチュエータであって、
各電極フィルムは、弾性層、絶縁層、導体層、絶縁層、弾性層の５層構造を有し、
前記弾性層を構成する材料のばね定数は、前記電極フィルムが積層方向に伸長するのに伴い増加する、静電アクチュエータ。
〔態様３〕
態様１又は２に記載の静電アクチュエータにおいて、
隣り合う２つの前記電極フィルムは、当該電極フィルムの前記弾性層間が接着或いは共有結合又は弾性体粘着力により接続されている、静電アクチュエータ。
〔態様４〕
導体層の両面に絶縁層が配された電極層が弾性層を介して積層結合した構造を有する静電アクチュエータであって、
前記弾性層を構成する材料のヤング率は、前記絶縁層を構成する材料のヤング率よりも小さい、或いは、
前記弾性層を構成する材料のばね定数は、前記静電アクチュエータが積層方向に伸長するのに伴い増加する、静電アクチュエータ。
〔態様５〕
態様４に記載の静電アクチュエータにおいて、
前記弾性層は、前記電極層の面方向に互いに離間した複数の柱を有する構造体である、静電アクチュエータ。

１：積層型静電アクチュエータ、１０，１０ａ，１０ｂ：電極フィルム、１１，１１ａ，１１ｂ：第１弾性層、１２，１２ａ，１２ｂ：第１絶縁層、１３，１３ａ，１３ｂ：導体層、１４，１４ａ：第２絶縁層、１５，１５ａ：第２弾性層、１６，１６ａ：電極層
１０１：積層型静電アクチュエータ、１１２，１１４，１１４ａ，１１２ｂ：絶縁層、１１３：導体層、１１５：弾性層、１１６：電極層、１２０ａ，１２０ｂ：空隙、１２１ａ，１２１ｂ：柱

Claims (5)

1. 複数の電極フィルムが積層結合した構造を有する静電アクチュエータであって、
   各電極フィルムは、弾性層、絶縁層、導体層、絶縁層、弾性層の５層構造を有し、
   各電極フィルムにおいて、前記弾性層は前記絶縁層の全面に亘って形成され、
   前記弾性層を構成する材料のヤング率は、前記絶縁層を構成する材料のヤング率よりも小さい、静電アクチュエータ。
2. 複数の電極フィルムが積層結合した構造を有する静電アクチュエータであって、
   各電極フィルムは、弾性層、絶縁層、導体層、絶縁層、弾性層の５層構造を有し、
   各電極フィルムにおいて、前記弾性層は前記絶縁層の全面に亘って形成され、
   前記弾性層を構成する材料のばね定数は、前記電極フィルムが積層方向に伸長するのに伴い増加する、静電アクチュエータ。
3. 請求項１又は２に記載の静電アクチュエータにおいて、
   隣り合う２つの前記電極フィルムは、当該電極フィルムの前記弾性層間が接着或いは共有結合又は弾性体粘着力により接続されている、静電アクチュエータ。
4. 導体層の両面に絶縁層が配された電極層が弾性層を介して積層結合した構造を有する静電アクチュエータであって、
   各電極フィルムにおいて、前記弾性層は前記絶縁層の全面に亘って形成され、
   前記弾性層を構成する材料のヤング率は、前記絶縁層を構成する材料のヤング率よりも小さい、或いは、
   前記弾性層を構成する材料のばね定数は、前記静電アクチュエータが積層方向に伸長するのに伴い増加する、静電アクチュエータ。
5. 請求項４に記載の静電アクチュエータにおいて、
   前記弾性層は、前記電極層の面方向に互いに離間した複数の柱を有する構造体である、静電アクチュエータ。