KR20220016106A - 적층형 정전 액추에이터 - Google Patents

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KR20220016106A
KR20220016106A KR1020217041142A KR20217041142A KR20220016106A KR 20220016106 A KR20220016106 A KR 20220016106A KR 1020217041142 A KR1020217041142 A KR 1020217041142A KR 20217041142 A KR20217041142 A KR 20217041142A KR 20220016106 A KR20220016106 A KR 20220016106A
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electrode film
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insulating layer
electrostatic actuator
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KR1020217041142A
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게이지 사네요시
마코토 이토
히카루 이즈미타니
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스토로브 가부시키가이샤
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Abstract

큰 외력으로 인장되었을 때에도 충분한 수축력을 발휘하고, 또한, 경부하 시에도 수축률이 저하되지 않는 적층형 정전 액추에이터를 제공한다. 제1 절연층과 도체층과 제2 절연층의 3층 구조를 갖는 복수의 전극 필름으로 이루어지는 적층형 정전 액추에이터이며, 각 전극 필름은, 전극 필름의 제1 절연층 상에 다른 전극 필름과 접합할 수 있도록 표면 가공한 접합 영역 P와, 다른 전극 필름과 접합하지 않는 비접합 영역 Q를 갖고, 접합 영역 P와 비접합 영역 Q의 경계 C는 적어도 하나 이상의 유한한 값의 곡률 반경을 사용하여 정의할 수 있는 물결 형상 패턴을 갖고, 제1 전극 필름의 접합 영역 P와, 제1 전극 필름의 바로 아래에 있는 제2 전극 필름의 접합 영역 P가 적층 방향으로 서로 겹치지 않도록, 또한, 제1 전극 필름의 경계 C의 물결 형상 패턴과 제2 전극 필름의 경계 C의 물결 형상 패턴은 축선이 평행해지도록 적층 배치되고, 제1 전극 필름과 제2 전극 필름이 제2 전극 필름의 제1 절연층의 접합 영역 P에 있어서 접합되고, 이에 의해 복수의 전극 필름은 적층 방향에서 보아, 2개의 전극 필름이 접합된 전극부와, 접합되어 있지 않은 힌지부를 갖고, 외력에 의해 적층 방향으로 인장될 때, 힌지부가 탄성 변형되고 전극부끼리가 이격되어 적층 방향으로 신장되고, 복수의 전극 필름의 도체층 사이에 전압이 인가될 때, 이격된 전극부끼리가 정전력에 의해 수축하여 적층 방향으로 수축하도록 구성된다.

Description

적층형 정전 액추에이터
본 발명은, 적층형 정전 액추에이터에 관한 것이다.
제1 패턴으로 접착제가 한쪽 면에 도포된 복수의 제1 전극판과, 제1 패턴과 다른 제2 패턴으로 접착제가 한쪽 면에 도포된 복수의 제2 전극판을 구비하고, 제1 전극판과 제2 전극판은, 접착제가 도포된 면을 대향시키지 않고 교대로 적층되는 구성을 갖는 적층형 정전 액추에이터에 관한 공보 개시의 기술이 존재한다(특허문헌 1).
일본 특허 공개 제2017-22926호 공보
종래의 적층형 정전 액추에이터는, 큰 외력으로 인장되었을 때에 전극 간격이 지나치게 개방되어 충분한 정전 인력, 즉, 수축력이 얻어지지 않는다고 하는 과제가 있었다. 이러한 과제에 대해, 딱딱한 탄성 재료를 채용하여 전극 간격이 지나치게 개방되는 것을 억제하는 구조에서는 경부하 시에 전극 간격이 확장되지 않고 액추에이터의 수축률이 저하된다고 하는 과제가 있었다. 액추에이터는 매우 얇은 전극판으로 구성되어 있고, 전극 간격의 확장을 물리적으로 억제하는 것은 곤란하였다.
발명자는, 전극 간격이 지나치게 개방되는 것을 물리적으로 억제하는 대신에 힌지부의 형상을 연구하여, 접시 스프링의 스프링 효과와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다. 본 발명은 큰 외력으로 인장되었을 때에도 충분한 수축력을 발휘하고, 또한, 경부하 시에도 수축률이 저하되지 않는 적층형 정전 액추에이터의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1에 기재된 적층형 정전 액추에이터는,
제1 절연층과 도체층과 제2 절연층의 3층 구조를 갖는 복수의 전극 필름으로 이루어지는 적층형 정전 액추에이터이며,
각 전극 필름은, 전극 필름의 제1 절연층 상에 다른 전극 필름과 접합할 수 있도록 표면 가공한 접합 영역 P와, 다른 전극 필름과 접합하지 않는 비접합 영역 Q를 갖고, 접합 영역 P와 비접합 영역 Q의 경계 C는 적어도 하나 이상의 유한한 값의 곡률 반경을 사용하여 정의할 수 있는 물결 형상 패턴을 갖고,
제1 전극 필름의 접합 영역 P와, 제1 전극 필름의 바로 아래에 있는 제2 전극 필름의 접합 영역 P가 적층 방향으로 서로 겹치지 않도록, 또한, 제1 전극 필름의 경계 C의 물결 형상 패턴과 제2 전극 필름의 경계 C의 물결 형상 패턴은 축선이 평행해지도록 적층 배치되고, 제1 전극 필름과 제2 전극 필름이 제2 전극 필름의 제1 절연층의 접합 영역 P에 있어서 접합되고,
이에 의해 복수의 전극 필름은, 적층 방향에서 보아, 2개의 전극 필름이 접합된 전극부와, 접합되어 있지 않은 힌지부를 갖고,
외력에 의해 적층 방향으로 인장될 때, 힌지부가 탄성 변형되어 전극부끼리가 이격되어 적층 방향으로 신장되고,
복수의 전극 필름의 도체층 사이에 전압이 인가될 때, 이격된 전극부끼리가 정전력에 의해 수축하여 적층 방향으로 수축하도록 구성된다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 2에 기재된 적층형 정전 액추에이터는,
제1 절연층과 도체층과 제2 절연층의 3층 구조를 갖는 복수의 전극 필름으로 이루어지는 적층형 정전 액추에이터이며,
각 전극 필름은, 전극 필름의 제1 절연층 상에 다른 전극 필름과 접합할 수 있도록 표면 가공한 접합 영역 P와, 다른 전극 필름과 접합하지 않는 비접합 영역 Q를 갖고, 접합 영역 P는 제1 절연층 상에서 서로 이격한 분동 이음 문양 형상으로 형성되고,
제1 전극 필름의 제1 절연층 상의 분동 문양과, 제1 전극 필름의 바로 아래에 있는 제2 전극 필름의 제1 절연층 상의 분동 문양이 적층 방향으로 서로 겹치지 않도록, 또한, 분동 문양이 서로 90도 회전한 방향으로 적층 배치되고, 제1 전극 필름과 제2 전극 필름이 제2 전극 필름의 제1 절연층의 접합 영역 P에 있어서 접합되고,
이에 의해 복수의 전극 필름은, 적층 방향에서 보아, 2개의 전극 필름이 접합된 전극부와, 접합되어 있지 않은 힌지부를 갖고,
외력에 의해 적층 방향으로 인장될 때, 상기 힌지부가 탄성 변형되어 전극부끼리가 이격되어 적층 방향으로 신장되고,
복수의 전극 필름의 도체층 사이에 전압이 인가될 때, 이격된 전극부끼리가 정전력에 의해 수축하여 적층 방향으로 수축하도록 구성된다.
청구항 3에 기재된 적층형 정전 액추에이터는, 청구항 1 또는 2에 기재된 적층형 정전 액추에이터에 있어서,
각 전극 필름의 힌지부는, 외주의 곡률 반경 Re, 내주의 곡률 반경 Ri의 원호상 영역으로서 형성되고,
원호상 영역은, 원호상 영역의 개방각 θOA마다 볼록의 방향을 변경하여 이어진 형상을 갖는다.
청구항 4에 기재된 적층형 정전 액추에이터는, 청구항 1에 기재된 적층형 정전 액추에이터에 있어서,
각 전극 필름의 힌지부는, 외주의 곡률 반경 Re, 내주의 곡률 반경 Ri의 원호상 영역으로서 형성되고,
원호상 영역의 개방각 θOA는 180도 이상이다.
청구항 5에 기재된 적층형 정전 액추에이터는, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 적층형 정전 액추에이터에 있어서,
적층형 정전 액추에이터의 신축 방향에 있어서의, 힌지부의 한쪽의 경계 C에 대한 다른 쪽의 경계 C의 이동량을 힌지부의 변위로 정의하고, 액추에이터의 발생력으로부터 규정되는, 대면하는 전극부간의 최대 허용 거리에 대응하는 힌지부의 변위를 최대 변위로 정의하면, 힌지부의 최대 변위는, 전극 필름의 두께의 √2배 이상이다.
청구항 6에 기재된 적층형 정전 액추에이터는, 청구항 1 또는 2에 기재된 적층형 정전 액추에이터에 있어서,
힌지부는, 균일한 폭을 갖는다.
청구항 7에 기재된 적층형 정전 액추에이터는, 청구항 6에 기재된 적층형 정전 액추에이터에 있어서,
힌지부의 폭과 전극 필름의 두께의 비는 5 이상이다.
청구항 8에 기재된 적층형 정전 액추에이터는, 청구항 1 또는 2에 기재된 적층형 정전 액추에이터에 있어서,
2개의 전극 필름의 사이에 힌지부가 형성하는 공간은, 외부와의 사이에서 유체 연통하고,
적층형 정전 액추에이터가 신축될 때, 공간과 외부 사이에서 유체의 유출입을 가능하게 하도록 구성된다.
본 발명에 따르면, 힌지부를 물결 형상으로 함으로써, 큰 외력으로 인장되었을 때에도 충분한 수축력을 발휘하고, 또한, 경부하 시에도 수축률이 저하되지 않는 적층형 정전 액추에이터를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 적층형 정전 액추에이터의 설명도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 액추에이터 전체의 단면도이다.
도 3은 도 2에 있어서 동그라미로 둘러싼 영역 III를 확대한 단면도이며, 액추에이터의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 도 1에 있어서 동그라미로 둘러싼 영역 IV를 추출한 도면이며, 힌지부의 물결 형상 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 힌지부의 스프링 상수의 해석 결과를 도시하는 도면이다.
도 6은 힌지부의 물결 형상 패턴의 원호 개방각 θOA를 270도로 했을 때의 힌지부의 변형 모드를 설명하는 도면이다.
도 7은 힌지부의 스프링 상수의 해석 결과를 도시하는 도면이다.
도 8은 제2 실시 형태에 따른 적층형 정전 액추에이터의 평면도이다.
(제1 실시 형태)
도 1은, 제1 실시 형태에 따른 적층형 정전 액추에이터(1)의 설명도이다. 도 1 중의 (a)는 적층형 정전 액추에이터(1)의 평면을 나타내고, (b)는 적층형 정전 액추에이터(1)를 구성하는 전극 필름(101)층의 단면을 나타낸다. 도 2는, 도 1에 도시하는 적층형 정전 액추에이터(1) 전체의 단면도이다. 여기서, 도 2는 전극 필름(10)과 접합 영역 P의 적층 구조를 나타내는 목적으로 작성되어 있고, 도 1의 (b)로 도시한 전극 필름(10)의 3층 구조(후술)를 생략하고 있다.
(적층형 정전 액추에이터의 구성 개요)
적층형 정전 액추에이터(1)는 2개의 단부 부재(도시 생략) 사이에 끼워진, 다수의 전극 필름(10)이 접합부(20)를 개재시켜 적층 접합되어 구성된다(도 2, 후술). 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 전극 필름(10)은 제1 절연층(12), 도체층(14), 제2 절연층(16)의 3층 구조를 갖는다. 도체층(14)은, 예를 들어, 구리 등의 금속막이나 도전성 고분자 또는 도전성의 탄소 동소체(또는 탄소를 주체로 한 도전성의 혼합체)로 이루어지고, 제1 및 제2 절연층(12, 16)은 절연성의 고분자막으로 이루어진다. 특히 제1 및 제2 절연층(12, 16)에 고내전압성이 필요한 경우에는 파릴렌(등록 상표) 등의 고내전압 절연체의 사용이 바람직하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 전극 필름(10)의 두께는, 예를 들어 수 마이크로미터이다. 제1 절연층(12)은 다른 전극 필름의 제2 절연층과 접합할 수 있도록, 혹은, 제2 절연층(16)은 또한 다른 전극 필름의 제1 절연층과 접합할 수 있도록(도 2 참조), 표면 가공된 접합 영역 P를 갖는다. 표면 가공의 방법으로서는, 제1 절연층(12) 상에 접착제를 도포함으로써 접착부를 구성해도 되고, 실란 커플링제 처리 등에 의한 화학 처리에 의해 결합층을 구성해도 된다. 접착부를 구성하는 경우는 2개의 전극 필름은 접착제를 개재시켜 결합되고, 화학 처리에 의한 결합층을 구성하는 경우는 2개의 전극 필름은 공유 결합된다.
도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 각 전극 필름(10)은 접합 영역 P 이외에, 제1 절연층(12) 상에 다른 전극 필름(도 2 참조)과 접합하기 위한 표면 가공을 실시하고 있지 않은 비접합 영역 Q를 갖고, 접합 영역 P와 비접합 영역 Q의 경계 C는 적어도 하나의 유한한 값의 곡률 반경으로부터 규정할 수 있는 물결 형상 패턴을 갖는다(도 1의 (a) 참조). 이때, 인접하는 2개의 접합 영역 P의 간격(즉, 비접합 영역 Q의 폭)이 접합 영역 P의 폭보다도 커지도록 접합 영역 P는 배치된다. 여기서, 도 1의 (a)에서는, 어떤 전극 필름(이하 「제1 전극 필름(10a)」으로 함)의 제1 절연층(12a) 상의 접합 영역 Pa의 윤곽을 실선으로 나타내고, 제2 절연층(16a) 하에 있는(제1 전극 필름(10a) 하에 있는 전극 필름(이하 「제2 전극 필름(10b)」으로 함)의 제1 절연층(12b) 상의) 접합 영역 Pb의 윤곽을 파선으로 나타내고 있다(후술).
도 2에 도시한 바와 같이, 제1 전극 필름(10a) 상의 접합 영역 Pa와, 제2 전극 필름(10b) 상의 접합 영역 Pb(제1 전극 필름(10a) 하에 있는 접합 영역)는, 적층 방향으로 서로 겹치지 않도록 적층 배치되고, 제1 전극 필름(10a)과 제2 전극 필름(10b)은, 제2 전극 필름(10b) 상의 접합 영역 Pb에 있어서 접합된다. 상술한 바와 같이, 제1 전극 필름(10a)에 있어서, 인접하는 2개의 접합 영역 Pa의 간격(즉, 비접합 영역의 폭)이 접합 영역 Pa의 폭보다 커지도록 접합 영역 Pa가 형성되므로, 적층형 정전 액추에이터(1)를 적층 방향으로부터 보았을 때, 제2 전극 필름(10b)과 접합되지 않는 영역이 형성된다(도 1의 (a)). 이하에서는, 이 영역을 힌지부(22)로 정의한다. 이때, 도 1의 (a)에 나타내어져 있는 바와 같이, 힌지부(22)의 양측에 위치하는, 제1 전극 필름(10a)의 경계 C의 물결 형상 패턴과 제2 전극 필름(10b)의 경계 C의 물결 형상 패턴은 축선이 평행해지도록 배치된다.
(적층형 정전 액추에이터의 동작 개요)
도 3은, 도 2에 있어서 동그라미로 둘러싼 영역 III를 확대한 단면도이며, 적층형 정전 액추에이터(1)의 동작을 설명하기 위한 설명도이다. 도 3 중의 (a)는 도체층 사이에 전압이 인가되어 전극 필름의 간격이 수축된 상태를 나타내고, (b)는 2개의 단부 부재(도시 생략)의 사이에 적층을 이격하고자 하는 방향의 외력이 작용하고, 전극 필름의 간격이 신장된 상태를 나타낸다.
도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 접합 영역 P에서는 제1 및 제2 전극 필름(10a, 10b)이 접합되어 일체로 되어 있으므로, 힌지부(22)보다도 강성을 가지며 딱딱하다. 또한, 접합 영역 P와, 접합 영역 P에 있어서 접합된 2개의 전극 필름(10a, 10b)을 전극부(24)로 정의하면, 특히 적층형 정전 액추에이터(1)의 단부 부재(도시 생략) 근방의 전극부를 제외하고, 전극부(24)에 적층 방향으로 작용하는 외력에 의한 힘의 모멘트는 거의 0이므로, 전극부(24)는 거의 변형되지 않는다. 이에 반해, 힌지부(22)는 전극 필름(10)이 1층이므로 전극부(24)에 비해 강성이 낮다. 또한, 힌지부(22)에 적층 방향으로 작용하는 외력에 의한 힘의 모멘트는 0이 아닌, 즉, 힌지부(22)의 한쪽의 경계 C에 발생하는 힘과, 다른 쪽의 경계 C에 발생하는 힘은 서로 역방향이므로, 힌지부(22)는 전극부(24)에 비해 변형되기 쉽다. 이상의 이유로부터, 각 전극 필름(10a, 10b)을 이격하고자 하는 방향의 외력을 받으면, 힌지부(22)가 탄성 변형되어 제1 전극 필름(10a)과 제2 전극 필름(10b)의 간격이 신장되고 공간(26)이 형성된다(도 3의 (b)). 도 2에 도시한 바와 같이, 접합 영역 P는 지그재그 형상으로 배열되어 있으므로, 전극 필름(10a, 10b) 사이에 형성되는 공간(26)도 지그재그 형상의 배치가 된다. 도 3의 (b)에 도시하는 신장 상태일 때에 제1 및 제2 전극 필름(10a, 10b)의 도체층의 사이에 전압이 인가되면, 제1 및 제2 전극 필름(10a, 10b)의 사이에 정전 인력이 발생하여, 대향하는 전극부(24a, 24c)가 서로 당겨서, 공간(26)은 적층 방향으로 수축한다(도 3의 (a)에 도시하는 수축 상태가 된다). 그 결과, 적층형 정전 액추에이터(1)는 외력에 저항하여 적층 방향으로 수축한다. 반대로 도체층 사이의 전압을 0으로 하면, 외력에 의해 힌지부(22)가 탄성 변형되고, 전극부(24a, 24c) 사이는 신장한다(도 3의 (b)의 신장 상태로 복귀된다). 따라서, 인가하는 전압을 온/오프함으로써 적층형 정전 액추에이터(1)를 신축 운동시킬 수 있다.
(본 실시 형태의 작용)
이러한 적층형 정전 액추에이터(1)에서는, 외력을 받았을 때의(신장 상태의) 전극부(24a, 24c)간 거리(전극 필름(10a, 10b) 사이에 형성되는 공간(26)의 높이), 즉, 도 3의 (b)의 d값이, 힌지부(22)의 구부러짐 정도에 의해 바뀐다. 여기서, 쿨롱의 법칙에 의하면, 2개의 전극부(24a, 24c)간의 정전 인력은 전극부(24a, 24c)간 거리 d의 2승에 반비례하므로, 전극부(24a, 24c)간 거리 d가 커지면 정전 인력은 급격하게 저하되고, 적층형 정전 액추에이터(1)의 수축력도 약해진다. 따라서, 적층형 정전 액추에이터(1)의 수축력을 유지하기 위해서는, 신장 상태에서의 전극부(24a, 24c)간 거리 d를 억제하는 것이 필요해진다. 한편, 전극 필름(10a, 10b)에 딱딱한 탄성 재료를 채용하여 전극부(24a, 24c)간 거리 d를 억제하는 구조에서는, 경부하 시에 전극부(24a, 24c)간 거리 d가 충분히 확장되지 않고 적층형 정전 액추에이터(1)의 수축률이 저하된다. 이상의 논의는, 적층한 전극 필름(10a, 10b)의 각 층에서의 모든 전극부(24)에서 성립하므로, 전극부(24a, 24c)간 거리 d가 소정값일 때에 무엇인가에 충돌시켜서 확장을 억제시키는 구조를 모든 전극부(24a, 24c)간에 별도의 부재 등으로 구성하는 것은 곤란하다. 따라서, 본 발명에서는 힌지부(22)의 형상을 조작하여 스프링 특성을 조작한다.
제1 실시 형태에 따른 적층형 정전 액추에이터(1)는 힌지부(22)를 물결 형상 패턴으로 하고 있다. 구체적으로는, 접시 스프링의 예를 들어 개방각 θOA로 잘라낸 구조체마다 볼록의 방향을 변경하여 연속적으로 연결시킨 구조를 힌지부(22)로 함으로써, 힌지부(22)가 곡률을 갖는 구성으로 하고 있다(후술하는 도 4 참조). 이에 의해, 힌지부(22)는 접시 스프링의 스프링 효과와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
접시 스프링의 스프링력 F와 휨(수축) δ의 관계식은, 이하에 나타내는 아르멘ㆍ라슬로의 식으로 표시되는 것이 알려져 있다.
[수학식 1]
Figure pct00001
여기서, t는 접시 스프링의 판 두께를 나타내고, k는 접시 스프링의 형상이나, 영률이나 푸아송비 등의 재료 물성으로부터 결정되는 계수이다.
적층형 정전 액추에이터(1)의 힌지부(22)로 치환하면, t가 전극 필름(10)의 두께, δ가 1개의 힌지부(22)의 한쪽의 경계 C에 대한 다른 쪽의 경계 C의 변위(적층형 정전 액추에이터(1)의 적층 방향의 변위)이다. 이하에서는, δ를 힌지부(22)의 변위 또는 단순히 변위로 호칭한다. 여기서 δ=0의 상태(이하에서는, 변위 0의 상태로 호칭함)는 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 1개의 전극 필름(10)에 배치된 힌지부(22)와 전극부(24)가 1개의 평면 상에 위치하고 있는 상태로 정의한다. 본 발명의 힌지부(22)는 곡률을 가진 부분 접시 스프링 구조를 하고 있으므로, 힌지부(22)에 발생하는 스프링력 F와 힌지부(22)의 변위 δ 사이에는, 근사적으로 아르멘ㆍ라슬로의 식이 성립된다. 상기 식의 우변 괄호 내의 제1항이 δ3 비례항으로 제2항이 δ 비례항이기 때문에, 적층형 정전 액추에이터(1)의 구동 범위에 3차 함수적인 스프링 특성 영역이 포함되는 것을 알 수 있다.
힌지부(22)가 이와 같은 스프링 특성을 갖고 있는 경우, 변위 0의 상태로부터 적층형 정전 액추에이터(1)가 신장되기 시작할 때의 힌지부(22)는 외력에 대하여 용이하게 변형하지만, 변위가 증가함에 따라서 δ3 비례항이 급격하게 증가하므로, 힌지부(22)는 급격하게 딱딱해진다. 따라서, 큰 외력으로 인장되었을 때에도, δ3 비례항에 의해 전극부(24a, 24c)간 거리 d가 지나치게 개방되는 것이 억제되고, 충분한 수축력을 발휘하고, 또한, 변위 0의 상태로부터 신장되기 시작할 때는, δ3 비례항이 매우 작으므로, 경부하 시에도 수축률이 저하되지 않는 적층형 정전 액추에이터(1)를 제공할 수 있다.
또한, 제1항(δ3 비례항)이 제2항(δ 비례항)보다 커지는 것은, (δ3 비례항)>(δ 비례항)일 때, 즉 δ>(√2)t일 때이다. 즉, 적층형 정전 액추에이터(1)의 정전 인력에 의해 규정되는 전극부(24a, 24c)간 거리 d의 최댓값을 dmax로 하고, 전극부(24a, 24c)간 거리 d의 최댓값 dmax에 대응하는 힌지부(22)의 변위 δ의 최댓값을 최대 변위 δmax로 정의하면, 힌지부(22)의 최대 변위 δmax가, 전극 필름(10)의 두께 t의 √2배 이상이 되도록 전극 필름(10)의 두께 t를 설계함으로써, δ3 비례항의 효과를 활용한 스프링 특성을 얻을 수 있다. 또한, 전극부(24a, 24c)간 거리 d와, 1개의 힌지부(22)의 변위 δ는, d=2δ의 관계로 표시된다.
도 4는, 도 1에 있어서 동그라미로 둘러싼 영역 IV를 추출한 도면이며, 힌지부(22)의 물결 형상 패턴을 설명하기 위한 도면이다. 힌지부(22)의 물결 형상 패턴은, 외경 Re, 내경 Ri의 원호가 개방각 θOA마다 볼록의 방향을 변경하여 이어진 형상을 갖는 패턴이다. 각 경계 C에서 곡률이 일정(곡률 반경이, 외경 Re 또는 내경 Ri의 어느 것의 상수)하기 때문에, 변형 시에 힌지부(22)의 응력 집중이 적고, 이에 의해, 적층형 정전 액추에이터(1)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
힌지부(22)의 물결 형상 패턴의 원호 개방각 θOA를 180도 이상으로 하면(도 6, 후술), 전극부(24a, 24c)간 거리 d의 증대에 따라서 힌지부(22)의 스프링 상수 증가가 커지고, 경부하에서는 보다 큰 스트로크가 얻어지고, 중부하에서는 전극부(24a, 24c)간 거리 d가 지나치게 개방되는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 도 5는, 힌지부(22)의 스프링 상수의 해석 결과를 도시하는 도면이다. 횡축은 원호의 개방각 θOA이고, 종축은 원호의 개방각 θOA가 180도일 때의 값으로 규격화한 힌지부(22)의 스프링 상수이다. 변위 0일 때의 스프링 상수는 모두 동일하게 하고 있다. q10%와 q20%는 각각 힌지부(22)의 변위 δ가 힌지부(22)의 폭 HL(=외경 Re-내경 Ri)에 대하여 10%, 20% 변위 시의 스프링 상수이다. 도 5로부터, 원호의 개방각 θOA가 180도일 때의 형상을 경계로 하여, 힌지부(22) 변형 시의 스프링 상수가 급격하게 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 원호의 개방각 θOA가 180도보다 클 때, 적층형 정전 액추에이터(1)는 신장되기 시작하는 것이 유연하게 용이하게 변형되어 큰 스트로크가 얻어지고, 신장됨에 따라서 급격하게 딱딱해져서 전극부(24a, 24c)간 거리 d가 지나치게 개방되는 것을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 6은, 힌지부(22)의 물결 형상 패턴의 원호 개방각 θOA를 180도 이상으로 했을 때의 힌지부(22)의 변형 모드를 설명하는 도면이다. 적층형 정전 액추에이터(1)가 신장될 때, 도 6 중의 동그라미로 둘러싼 영역 a는 주로 전단 변형으로 굽힘 변형을 한다. 원호의 개방각 θOA를 180도 이상으로 하면, 새롭게 영역 b가 나타난다. 영역 b는 전단력과 굽힘 모멘트 외에 인장력도 받으므로, 영역 b의 존재에 의해 힌지부(22)의 변형 모드가 바뀌고, 힌지부(22)가 크게 변형되었을 때의 스프링 상수(q10%, q20% 등)는 증가한다. 즉, 원호의 개방각 θOA를 180도 이상으로 하면, 힌지부(22)의 특성은 접시 스프링 구조에 의해 근사해지는 것을 알 수 있다.
도 7은, 힌지부(22)의 스프링 상수의 해석 결과를 도시하는 도면이다. 횡축은 힌지부(22)의 폭 HL과 힌지부(22)의 두께 Ht(전극 필름의 두께)의 비(애스펙트비) HL/Ht이고, 종축은 변위 0일 때 스프링 상수값으로 규격화한 힌지부(22)의 스프링 상수이다. 변위 0일 때의 스프링 상수는 모두 동일하게 하고 있다. q10%와 q20%는 각각 힌지부(22)의 변위 δ가 힌지부(22)의 폭 HL에 대하여 10%, 20% 변위 시의 스프링 상수이다. 도 7로부터, 애스펙트비 HL/Ht가 5일 때의 형상을 경계로 하여, 20% 변위 시의 스프링 상수가 급격하게 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 애스펙트비 HL/Ht가 5 이상일 때, 적층형 정전 액추에이터(1)는 신장되기 시작하는 것이 유연하게 용이하게 변형되어 큰 스트로크가 얻어지고, 신장됨에 따라서 급격하게 딱딱해져서 전극부(24a, 24c)간 거리 d가 지나치게 개방되는 것을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
적층형 정전 액추에이터(1)는 힌지부(22)가 균일한 폭을 갖는 구성으로 해도 된다. 힌지부의 폭이 균일하지 않은 경우, 적층형 정전 액추에이터가 신장되었을 때, 힌지부의 폭이 좁은 개소가 최초에 신장되어 대부분의 하중을 지지하는 것이 되고, 응력 집중에 의해 적층형 정전 액추에이터가 파단될 우려가 있다. 이에 반해, 힌지부(22)가 균일한 폭을 갖는 구성으로 함으로써, 힌지부(22)에서의 응력 집중을 완화시켜서, 파단의 위험성을 경감할 수 있다.
또한, 적층된 전극부간에 형성되는 공간이 밀폐되는 구조에서는, 적층형 정전 액추에이터의 신축 시에 공간과 외부 사이에서 유체의 유출입을 할 수 없고 신축 동작을 방해하는 경우도 있었다(예를 들어, 특허문헌 1의 도 1 참조). 이에 반해, 제1 실시 형태에 따른 적층형 정전 액추에이터(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 힌지부(22)가 물결 형상 패턴을 구성하여 외부와의 사이에서 유체 연통하고 있으므로, 적층형 정전 액추에이터(1)의 신축 시에 전극부(24a, 24c)간의 공간(26)(도 3 참조)과 외부 사이에서 유체의 유출입이 가능하게 되고, 신축 동작을 방해하는 일 없이 충분한 신축량을 확보할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 8은, 제2 실시 형태에 따른 적층형 정전 액추에이터(101)의 평면도이다. 제1 실시 형태에 따른 적층형 정전 액추에이터(1)와의 동일 또는 유사한 요소에 대해서는, 동일 또는 유사한 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 제1 전극 필름에 있어서, 표면 가공한 제1 접합 영역 Pa는, 제1 절연층 상에서 서로 이격한 분동 이음 문양 형상으로 제1 절연층 상에 형성된다. 제1 전극 필름의 바로 아래에 있는 제2 전극 필름에 있어서, 표면 가공한 제2 접합 영역 Pb는, 제1 절연층 상에서 서로 이격한 분동 이음 문양 형상으로 제1 절연층 상에 형성된다. 여기서, 분동 문양은, 도 8에 도시한 바와 같이, 원의 외주의 일부가 절제된 형상 또는, 원주의 일부가 중심을 향하여 잘록한 형상이다. 그리고, 제1 전극 필름의 분동 문양과, 제2 전극 필름의 분동 문양이 적층 방향으로 서로 겹치지 않도록, 또한, 분동 문양이 서로 90도 회전한 방향으로 적층 배치된다. 그 결과, 분동 이음 문양 중에 있어서, 다른 전극 필름과 접합하지 않는 비접합 영역 Q가 물결 형상 패턴의 힌지부(122)를 구성한다. 힌지부(122)는 균일한 폭을 갖고, 물결 형상 패턴의 축선은 서로 90도 회전한 방향으로 교차한 구성(물결 형상 패턴이 종횡으로 연장된 구성)이 된다. 제1 접합 영역 Pa와 제2 접합 영역 Pb는, 신축 시에 적층 방향에 대하여 역방향으로 움직인다. 제2 실시 형태에 따른 적층형 정전 액추에이터(101)는 교차한 2개의 물결 형상 패턴을 분동 이음 문양 중에 가지므로, 제1 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 힌지부(122)는 접시 스프링의 스프링 효과와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2 실시 형태에 따른 적층형 정전 액추에이터(101)는 교차한 2개의 물결 형상 패턴을 가지므로, 액추에이터(101)가 외력을 받아서 변형될 때, 힌지부(122)는 전단력과 굽힘 모멘트 외에 인장력도 받으므로, 힌지부(22)가 크게 변형되었을 때의 스프링 상수(q10%, q20% 등)는 증가한다. 즉, 제1 실시 형태에 따른 적층형 정전 액추에이터(1)에 있어서, 힌지부(22)의 물결 형상 패턴의 원호 개방각 θOA를 180도 이상으로 한 경우와 동등한 효과를, 제2 실시 형태에 따른 적층형 정전 액추에이터(101)의, 교차한 2개의 물결 형상 패턴에서 얻을 수 있고, 힌지부(122)의 특성은 접시 스프링 구조에 의해 근사해지는 것을 알 수 있다.
힌지부(122)가 균일한 폭을 갖는 구성으로 함으로써, 힌지부(122)에서의 응력 집중을 완화시켜서, 파단의 위험성을 경감할 수 있다. 또한, 다른 전극 필름과 접합되지 않는 힌지부(122)가 외부와의 사이에서 유체 연통하므로, 적층형 정전 액추에이터(101)의 신축 시에 전극부간의 공간과 외부 사이에서 유체의 유출입이 가능하게 되고, 신축 동작을 방해하는 일 없이 충분한 신축량을 확보할 수 있다.
1:적층형 정전 액추에이터
10:전극 필름
10a:제1 전극 필름
10b:제2 전극 필름
12, 12a, 12b:제1 절연층
14, 14a, 14b:도체층
16, 16a:제2 절연층
20:접합부
22:힌지부
24, 24a, 24c:전극부
26:공간
101:적층형 정전 액추에이터

Claims (8)

  1. 제1 절연층과 도체층과 제2 절연층의 3층 구조를 갖는 복수의 전극 필름으로 이루어지는 적층형 정전 액추에이터이며,
    각 전극 필름은, 당해 전극 필름의 상기 제1 절연층 상에 다른 전극 필름과 접합할 수 있도록 표면 가공한 접합 영역 P와, 당해 다른 전극 필름과 접합하지 않는 비접합 영역 Q를 갖고, 당해 접합 영역 P와 당해 비접합 영역 Q의 경계 C는 적어도 하나 이상의 유한한 값의 곡률 반경을 사용하여 정의할 수 있는 물결 형상 패턴을 갖고,
    제1 전극 필름의 상기 접합 영역 P와, 당해 제1 전극 필름의 바로 아래에 있는 제2 전극 필름의 상기 접합 영역 P가 적층 방향으로 서로 겹치지 않도록, 또한, 당해 제1 전극 필름의 경계 C의 물결 형상 패턴과 당해 제2 전극 필름의 경계 C의 물결 형상 패턴은 축선이 평행해지도록 적층 배치되고, 당해 제1 전극 필름과 당해 제2 전극 필름이 당해 제2 전극 필름의 상기 제1 절연층의 당해 접합 영역 P에 있어서 접합되고,
    이에 의해 상기 복수의 전극 필름은, 적층 방향에서 보아, 2개의 상기 전극 필름이 접합된 전극부와, 접합되어 있지 않은 힌지부를 갖고,
    외력에 의해 적층 방향으로 인장될 때, 상기 힌지부가 탄성 변형되어 상기 전극부끼리가 이격되어 적층 방향으로 신장되고,
    상기 복수의 전극 필름의 상기 도체층 사이에 전압이 인가될 때, 이격한 상기 전극부끼리가 정전력에 의해 수축하여 적층 방향으로 수축하도록 구성된, 적층형 정전 액추에이터.
  2. 제1 절연층과 도체층과 제2 절연층의 3층 구조를 갖는 복수의 전극 필름으로 이루어지는 적층형 정전 액추에이터이며,
    각 전극 필름은, 당해 전극 필름의 상기 제1 절연층 상에 다른 전극 필름과 접합할 수 있도록 표면 가공한 접합 영역 P와, 당해 다른 전극 필름과 접합하지 않는 비접합 영역 Q를 갖고, 당해 접합 영역 P는 상기 제1 절연층 상에서 서로 이격한 분동 이음 문양 형상으로 형성되고,
    제1 전극 필름의 상기 제1 절연층 상의 분동 문양과, 당해 제1 전극 필름의 바로 아래에 있는 제2 전극 필름의 상기 제1 절연층 상의 분동 문양이 적층 방향으로 서로 겹치지 않도록, 또한, 당해 분동 문양이 서로 90도 회전한 방향으로 적층 배치되고, 당해 제1 전극 필름과 당해 제2 전극 필름이 당해 제2 전극 필름의 상기 제1 절연층의 당해 접합 영역 P에 있어서 접합되고,
    이에 의해 상기 복수의 전극 필름은, 적층 방향에서 보아, 2개의 상기 전극 필름이 접합된 전극부와, 접합되어 있지 않은 힌지부를 갖고,
    외력에 의해 적층 방향으로 인장될 때, 상기 힌지부가 탄성 변형되어 전극부끼리가 이격되어 적층 방향으로 신장되고,
    상기 복수의 전극 필름의 상기 도체층 사이에 전압이 인가될 때, 이격된 전극부끼리가 정전력에 의해 수축하여 적층 방향으로 수축하도록 구성된, 적층형 정전 액추에이터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각 전극 필름의 상기 힌지부는, 외주의 곡률 반경 Re, 내주의 곡률 반경 Ri의 원호상 영역으로서 형성되고,
    상기 원호상 영역은, 당해 원호상 영역의 개방각 θOA마다 볼록의 방향을 변경하여 이어진 형상을 갖는, 적층형 정전 액추에이터.
  4. 제1항에 있어서,
    각 전극 필름의 상기 힌지부는, 외주의 곡률 반경 Re, 내주의 곡률 반경 Ri의 원호상 영역으로서 형성되고,
    상기 원호상 영역의 개방각 θOA는 180도 이상인, 적층형 정전 액추에이터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층형 정전 액추에이터의 신축 방향에 있어서의, 상기 힌지부의 한쪽의 경계 C에 대한 다른 쪽의 경계 C의 이동량을 상기 힌지부의 변위로 정의하고, 액추에이터의 발생력으로부터 규정되는, 대면하는 상기 전극부간의 최대 허용 거리에 대응하는 상기 힌지부의 변위를 최대 변위로 정의하면, 당해 힌지부의 최대 변위는, 상기 전극 필름의 두께의 √2배 이상인, 적층형 정전 액추에이터.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 힌지부는, 균일한 폭을 갖는, 적층형 정전 액추에이터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 힌지부의 상기 폭과 상기 전극 필름의 두께의 비는 5 이상인, 적층형 정전 액추에이터.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    2개의 상기 전극 필름의 사이에 상기 힌지부가 형성하는 공간은, 외부와의 사이에서 유체 연통하고,
    상기 적층형 정전 액추에이터가 신축될 때, 상기 공간과 외부 사이에서 유체의 유출입을 가능하게 하도록 구성된, 적층형 정전 액추에이터.
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