KR20220016107A - 멀티레이어 구조를 갖는 정전 액추에이터 - Google Patents

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KR20220016107A
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마코토 이토
히카루 이즈미타니
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Abstract

탄성층이 크리프 현상에 의해 변형되어도 도체층간의 절연 성능이 유지된 적층형 정전 액추에이터를 제공한다. 복수의 전극 필름이 적층 결합된 구조를 갖는 정전 액추에이터이며, 각 전극 필름은, 탄성층, 절연층, 도체층, 절연층, 탄성층의 5층 구조를 갖고, 탄성층을 구성하는 재료의 영률은, 절연층을 구성하는 재료의 영률보다도 작거나, 혹은, 탄성층을 구성하는 재료의 스프링 상수는, 전극 필름이 적층 방향으로 신장하는 것에 수반하여 증가한다.

Description

멀티레이어 구조를 갖는 정전 액추에이터
본 발명은, 멀티레이어 구조를 갖는 정전 액추에이터에 관한 것이다.
사용하기 쉬운 구조의 유전 엘라스토머 액추에이터 및 그 구동 시스템의 제공을 과제로 하여, 유전 엘라스토머 액추에이터가, 신축 가능한 한 쌍의 전극간에 엘라스토머를 끼운 구조의 구동 요소 A와, 신축 가능한 한 쌍의 전극간에 엘라스토머를 끼운 구조의 구동 요소 B와, 구동 요소 A와 구동 요소 B를 직렬로 접속하는 접속부를 구비하고, 구동 요소 A 및 구동 요소 B가 갖는 한 쌍의 전극간에 전압을 인가하였을 때, 한 쌍의 전극간에 발생하는 전기장에 의해 한 쌍의 전극이 전기장과 평행한 방향으로 변위하여 엘라스토머가 전기장과 수직인 방향으로 신장하고, 엘라스토머의 신장이 접속부를 통해 서로 작용하는, 유전 엘라스토머 액추에이터 및 그 구동 시스템에 관한 공보 개시의 기술이 존재한다(특허문헌 1).
일본 특허 공개 제2018-33293호 공보
종래의 정전 액추에이터는, 도체층간에 탄성 재료인 유전 엘라스토머를 끼운 구조를 갖고 있어, 대향하는 도체층간에 전압이 인가되어 발생하는 정전 인력으로 도체층간을 수축시키는 구성이었다. 유전 엘라스토머는 도체층간의 절연 재료로서의 기능도 하고 있었다. 여기서, 정전 액추에이터에 장시간 전압을 인가하여 정전 인력에 의해 유전 엘라스토머에 압축력을 장시간 인가할 때, 유전 엘라스토머가 유연하면 유전 엘라스토머는 도체와 함께 횡방향으로 확장되고, 크리프 현상에 의해 유전 엘라스토머의 층(탄성층)을 구성하는 재료의 분자가 이동하여 층이 무너져 절연 파괴가 발생할 우려가 있었다. 이것이 이유로, 종래의 정전 액추에이터는 장기간 사용할 수 없어, 실용화가 곤란하였다. 한편, 딱딱한 탄성 성능을 갖는 유전 엘라스토머를 채용하면, 수축률이 저하되어 충분한 스트로크를 확보할 수 없다는 과제가 있었다.
본 발명은, 탄성층이 크리프 현상에 의해 변형되어도 도체층간의 절연 성능이 유지된 적층형 정전 액추에이터의 제공을 목적으로 한다. 또한, 충분한 스트로크의 확보가 용이한 적층형 정전 액추에이터의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1에 기재된 적층형 정전 액추에이터는,
복수의 전극 필름이 적층 결합된 구조를 갖고,
각 전극 필름은, 탄성층, 절연층, 도체층, 절연층, 탄성층의 5층 구조를 갖고,
탄성층을 구성하는 재료의 영률은, 절연층을 구성하는 재료의 영률보다도 작다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 2에 기재된 적층형 정전 액추에이터는,
복수의 전극 필름이 적층 결합된 구조를 갖고,
각 전극 필름은, 탄성층, 절연층, 도체층, 절연층, 탄성층의 5층 구조를 갖고,
탄성층을 구성하는 재료의 스프링 상수는, 전극 필름이 적층 방향으로 신장하는 것에 수반하여 증가한다.
청구항 3에 기재된 적층형 정전 액추에이터는,
청구항 1 또는 2에 기재된 정전 액추에이터에 있어서,
인접하는 2개의 전극 필름은, 전극 필름의 탄성층간이 접착 혹은 공유 결합 또는 탄성체 점착력에 의해 접속되어 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 4에 기재된 적층형 정전 액추에이터는,
도체층의 양면에 절연층이 배치된 전극층이 탄성층을 통해 적층 결합된 구조를 갖고,
탄성층을 구성하는 재료의 영률은, 절연층을 구성하는 재료의 영률보다도 작거나, 혹은,
탄성층을 구성하는 재료의 스프링 상수는, 정전 액추에이터가 적층 방향으로 신장하는 것에 수반하여 증가한다.
청구항 5에 기재된 적층형 정전 액추에이터는,
청구항 4에 기재된 정전 액추에이터에 있어서,
탄성층은, 전극층의 면방향으로 서로 이격한 복수의 기둥을 갖는 구조체이다.
본 발명에 따르면, 전극간에 전압이 인가될 때, 탄성층은 유연하게 변형되지만, 도체층은 절연층으로 보호된다. 장기간의 전압 인가로 탄성층이 크리프 현상에 의해 변형되어도 도체층은 절연층에 의해 절연이 유지되는 것이 가능하게 되었다. 그 결과, 유연한 탄성 성능을 갖는 탄성 재료의 채용이 가능해져, 충분한 스트로크와 신뢰성의 양립이 가능하게 되었다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 적층형 정전 액추에이터를 구성하는 전극 필름 1층의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 전극 필름이 적층 결합된 구조를 갖는 적층형 정전 액추에이터 전체의 단면도이다.
도 3은 2개의 단부 부재의 사이에 적층을 떨어뜨리려고 하는 방향의 외력이 인가되어 전극 필름의 간격이 신장된 상태를 도시하는 도면이다.
도 4는 전압이 인가되어 전극 필름의 간격이 수축된 상태를 도시하는 도면이다.
도 5는 제2 실시 형태에 관한 적층형 정전 액추에이터의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 적층형 정전 액추에이터의 변형예이다.
(제1 실시 형태)
본 발명의 일 실시 형태를 도면을 사용하여 이하에 설명한다. 도 1은 제1 실시 형태에 관한 적층형 정전 액추에이터(1)를 구성하는 전극 필름(10) 1층의 단면도이다. 도 2는 도 1에 도시한 전극 필름(10)이 적층 결합된 구조를 갖는 적층형 정전 액추에이터(1) 전체의 단면도이다.
(구성)
적층형 정전 액추에이터(1)는, 2개의 단부 부재(도시 생략) 사이에 끼워진, 다수의 전극 필름(10a, 10b)이 적층 결합되어 구성된다(도 2, 후술). 각 전극 필름(10a, 10b)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 탄성층(11a), 제1 절연층(12a), 도체층(13a), 제2 절연층(14a), 제2 탄성층(15a)으로 이루어지는 5층 구조를 갖고 구성된다. 이하의 설명에서는, 제1 절연층(12a)과 도체층(13a)과 제2 절연층(14a)을 전극층(16a)이라 칭하는 경우가 있다.
제1 탄성층(11, 11a) 및 제2 탄성층(15, 15a)은, 예를 들어 겔이나 아크릴계 또는 실리콘계 수지 등의 유연 재료가 채용된다. 도체층(13, 13a)은, 예를 들어 구리 등의 금속막이나 도전성 고분자 또는 도전성의 탄소 동소체(또는 탄소를 주체로 한 도전성의 혼합체) 등의 양호한 전기 전도성의 막으로 구성된다. 도체층(13, 13a)의 양면에는 도포, 접착 또는 증착 등에 의해 절연층(제1 절연층(12, 12a), 제2 절연층(14, 14a))을 형성하고, 도체층(13, 13a)을 제1 절연층(12, 12a) 및 제2 절연층(14, 14a)이 사이에 두고 전극층(16, 16a)을 구성한다. 제1 및 제2 절연층(12, 14; 12a, 14a)의 재료에는, 예를 들어 파릴렌(등록 상표) 등의 절연성의 고분자 재료를 사용해도 되고, 내전압 특성이 좋은 세라믹이나 유리 재료 등을 사용해도 된다. 전극층(16, 16a)의 두께는, 예를 들어 수마이크로미터이다.
여기서, 제1 탄성층(11, 11a) 및 제2 탄성층(15, 15a)을 구성하는 재료로서, 제1 절연층(12, 12a) 및 제2 절연층(14, 14a)을 구성하는 재료의 영률보다도 작은 영률을 갖는 재료를 채용해도 된다. 혹은, 제1 탄성층(11, 11a) 및 제2 탄성층(15, 15a)을 구성하는 재료로서, 적층형 정전 액추에이터(1)가 적층 방향으로 신장하는 것에 수반하여 스프링 상수가 증가하는 성질을 갖는 재료를 채용해도 된다.
이상의 구성을 갖는 전극 필름(10a, 10b)이, 적층 결합되어 적층형 정전 액추에이터(1)가 구성된다. 적층 결합은, 예를 들어 탄성층간의 공유 결합이나 탄성체 점착력에 의해 실행된다. 또한, 탄성층간이 결합된 구조를 설명하였지만, 도체층의 양면에 절연층이 배치된 전극층이 탄성층을 통해 적층 결합되어 정전 액추에이터를 구성해도 된다.
(동작)
도 3은 2개의 단부 부재(도시 생략) 사이에 적층을 떨어뜨리려고 하는 방향의 외력이 인가되어 전극 필름(10a, 10b)의 간격이 신장된 상태를 도시하는 도면이며, 도 4는 전압이 인가되어 전극 필름(10a, 10b)의 간격이 수축된 상태를 도시하는 도면이다.
각 전극 필름(10)을 떨어뜨리려고 하는 방향의 외력을 받으면, 제1 전극 필름(10a)과 제2 전극 필름(10b) 사이의 탄성층(15a, 11b)은 적층 방향으로 신장함과 동시에 적층 방향에 수직이며 전극 필름간의 내측 방향으로 오목하게 들어간다(도 3). 제1 및 제2 전극 필름(10a, 10b)의 도체층(13a, 13b) 사이에 전압이 인가되면, 제1 및 제2 전극 필름(10a, 10b)은 서로 끌어당겨, 탄성층(15a, 11b)은 적층 방향으로 수축함과 동시에 적층 방향에 수직이며 전극 필름(10a, 10b)간의 외측 방향으로 부풀어 오른다(도 4).
전압이 인가될 때, 탄성층(15a, 11b)은 변형되지만, 도체층(13a, 13b)은 절연층(14a, 12b)으로 보호된다. 이 때문에, 장시간의 전압 인가로 탄성층(15a, 11b)에 크리프가 발생해도, 도체층(13a, 13b)과 탄성층(15a, 11b) 사이에 절연층(14a, 12b)이 존재함으로써 절연 파괴는 발생하지 않아, 도체층(13a, 13b)의 절연 성능은 확보된다. 이에 의해, 탄성층(15a, 11b)에 유연한 재료를 채용하는 것이 가능해져, 정전 액추에이터로서 충분한 스트로크의 확보와 절연 성능에 대한 신뢰성을 양립시키는 것이 가능해진다.
(제2 실시 형태)
도 5는 제2 실시 형태에 관한 적층형 정전 액추에이터(101)의 단면도이다. 도 6은 도 5에 도시한 적층형 정전 액추에이터(101)의 변형예이다. 제1 실시 형태에 관한 적층형 정전 액추에이터(1)와의 동일 또는 유사한 요소에 대해서는, 동일 또는 유사한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 적층형 정전 액추에이터(101)는, 도체층(113)의 양면에 절연층(112, 114)이 배치된 전극층(116)이 탄성층(115)을 개재시켜 적층 결합되어 구성된다. 탄성층(115)은, 내부에 공극(120a, 120b)을 마련한 전극층(116)의 면방향으로 서로 이격한 복수의 기둥(121a, 121b)을 갖는다.
제1 실시 형태에 관한 적층형 정전 액추에이터(1)에서는, 탄성층의 외측 방향으로 부풀어 오른 외주면 부근의 변형량이 커져, 적층형 정전 액추에이터(1)의 외주면 근방의 탄성층(11, 15), 특히 탄성층(11, 15)과 절연층(12, 14)의 접속부에 큰 응력이 발생한다(도 4 참조). 이에 반해, 도 5에 도시한 바와 같이, 탄성층(115)을 주상으로 분할함으로써, 개개의 기둥(121a, 121b)은 독립적으로 변형되기 때문에 개개의 기둥(121a, 121b)의 변형량이 작아져, 탄성층(115)에 발생하는 응력을 저감시킬 수 있다. 이에 의해, 적층형 정전 액추에이터로서 충분한 스트로크의 확보와 절연 성능에 대한 신뢰성을 양립시키는 것이 가능해진다. 또한, 인장에 대하여 모든 기둥(121a, 121b)에서 서로 지지하기 때문에, 강도가 높아진다. 또한, 기둥(121)은 단부에서 연결되어 있어도 되고(도 6의 (a)), 개개로 독립적으로 절연층(114a, 112b)에 연결되어 있어도 된다(도 6의 (b)). 또한, 기둥의 개수나 단면 형상, 위치는, 전극층의 면의 크기나 적층형 정전 액추에이터에 가해지는 힘의 크기, 요구되는 응답 성능 등에 의해 적절히 설정된다.
1: 적층형 정전 액추에이터
10, 10a, 10b: 전극 필름
11, 11a, 11b: 제1 탄성층
12, 12a, 12b: 제1 절연층
13, 13a, 13b: 도체층
14, 14a: 제2 절연층
15, 15a: 제2 탄성층
16, 16a: 전극층
101: 적층형 정전 액추에이터
112, 114, 114a, 112b: 절연층
113: 도체층
115: 탄성층
116: 전극층
120a, 120b: 공극
121a, 121b: 기둥

Claims (5)

  1. 복수의 전극 필름이 적층 결합된 구조를 갖는 정전 액추에이터이며,
    각 전극 필름은, 탄성층, 절연층, 도체층, 절연층, 탄성층의 5층 구조를 갖고,
    상기 탄성층을 구성하는 재료의 영률은, 상기 절연층을 구성하는 재료의 영률보다도 작은, 정전 액추에이터.
  2. 복수의 전극 필름이 적층 결합된 구조를 갖는 정전 액추에이터이며,
    각 전극 필름은, 탄성층, 절연층, 도체층, 절연층, 탄성층의 5층 구조를 갖고,
    상기 탄성층을 구성하는 재료의 스프링 상수는, 상기 전극 필름이 적층 방향으로 신장하는 것에 수반하여 증가하는, 정전 액추에이터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    인접하는 2개의 상기 전극 필름은, 당해 전극 필름의 상기 탄성층간이 접착 혹은 공유 결합 또는 탄성체 점착력에 의해 접속되어 있는, 정전 액추에이터.
  4. 도체층의 양면에 절연층이 배치된 전극층이 탄성층을 통해 적층 결합된 구조를 갖는 정전 액추에이터이며,
    상기 탄성층을 구성하는 재료의 영률은, 상기 절연층을 구성하는 재료의 영률보다도 작거나, 혹은,
    상기 탄성층을 구성하는 재료의 스프링 상수는, 상기 정전 액추에이터가 적층 방향으로 신장하는 것에 수반하여 증가하는, 정전 액추에이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄성층은, 상기 전극층의 면방향으로 서로 이격한 복수의 기둥을 갖는 구조체인, 정전 액추에이터.
KR1020217041145A 2019-05-31 2020-05-20 멀티레이어 구조를 갖는 정전 액추에이터 KR20220016107A (ko)

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