TW202107825A - 靜電致動器組裝體 - Google Patents

Abstract

本發明的目的在於提供一種每單位面積之生成力及行程量較大的靜電致動器組裝體。於具備複數個靜電致動器1的靜電致動器組裝體10中，前述複數個靜電致動器1係包含第一靜電致動器1及第二靜電致動器1，該第二靜電致動器1係相對於前述第一靜電致動器1直列地配置者；前述第一靜電致動器1的驅動端5與前述第二靜電致動器1的驅動端5係以桿部3連結而保持位置關係；前述第一靜電致動器1的固定端4與前述第二靜電致動器1的固定端4係以殼體部2連結而保持位置關係。

Description

靜電致動器組裝體

本發明係關於具有複數個靜電致動器的靜電致動器組裝體。

以往，已知有根據電極間產生的靜電吸引所造成的生成力作為驅動力來使用的靜電致動器(例如參照專利文獻1)。該種靜電致動器因生成力與電極的面積成正比，故為了獲得較大的生成力就必須增大電極的面積。

再者，已提出有一種靜電致動器，其係為了增大行程(stroke)量，藉由使以PET等將二片銅箔絕緣而成的薄膜所構成的帶狀電極交互地折疊而成的紙彈簧構造，而具有積層複數個電極而成之積層彈簧構造。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

(專利文獻1)日本特開2017-22926號公報

然而，以上述習知技術所構成的靜電致動器中，即使將複數個靜電致動器單純地直列連結，雖然行程會延伸，但是生成力不會改變，因此，為了獲得較大的生成力就必須增大電極的面積，所以難以小型化。

此外，為了增大生成力，可考量以不使電極間隔過於擴展的方式使用較堅硬的靜電致動器的構成，惟若是該種構成，一方面生成力會變大，而另一方面則為行程量會變短。藉此，在使用較堅硬的靜電致動器的構成中，由於生成力增大而無法獲得足夠的行程量，所以不適合在細長的空間中使用。

再者，靜電致動器也稱作人工肌肉，靜電致動器的生成力係和肌力同樣地與電極的面積成正比，依據生物學者阿奇博爾德‧希爾(Archibald Vivian Hill)的肌肉收縮模式，會有：將肌肉纖維模式化的「收縮要素」(收縮力與靜電致動器的電極間的面積成正比，而在習知技術中係藉由並列化而使水平方向的面積增加而增大收縮力)、將肌腱組織模式化的「直列彈性要素」(增加靜電致動器的電極積層片數)、及將其他的結合組織模式化的「並列彈性要素」等三個要素。在此，若是在以習知技術構成的靜電致動器，人工肌肉的三個要素之中，雖然實現了以與水平方向的面積成正比的方式使收縮力增加的「收縮要素」及藉由積層而使行程量增加的「直列彈性要素」，惟未能實現剩餘的一個要素，亦即使每單位面積的生成力增加的「並列彈性要素」。

由於靜電致動器的生成力和肌力同樣地與電極的剖面積成正比，所以習知技術中，係藉由朝水平方向並列配置靜電致動器以使電極面積增加，藉此而使收縮力(靜電力)增加。但是，依據習知技術所為之並列化僅考量「收縮要素」，所以為了要獲得足夠的生成力就必須有例如1m²的電極面積，而難以小型化。亦即，存在著無法獲得足夠的每單位面積的生成力的課題。對於此課題，在 單純地朝鉛直方向連接靜電致動器彼此的情形下，雖然會使行程量與靜電致動器的個數成正比而增加，但是取決於電極面積的生成力仍不會改變，所以無法解決此課題。

本發明的目的在於解決上述習知技術所存在的課題，而提供一種即使行程量較大，每單位面積之生成力也會較大的靜電致動器組裝體。

本發明的靜電致動器組裝體，係具有複數個靜電致動器者，前述複數個靜電致動器係包含：第一靜電致動器及第二靜電致動器，該第二靜電致動器係相對於前述第一靜電致動器直列地配置者；前述第一靜電致動器的驅動端與前述第二靜電致動器的驅動端係以第一連結部連結而保持位置關係，前述第一靜電致動器的固定端與前述第二靜電致動器的固定端係以第二連結部連結而保持位置關係。

前述第二連結部也可具有限制前述第一連結部之移動範圍的移動限制部。前述移動限制部也可以前述驅動端僅可在前述移動限制部與前述固定端之間移動的方式限制前述第一連結部的移動範圍。前述第一連結部也可貫通前述第一靜電致動器及前述第二靜電致動器。前述第一連結部也可通過形成在前述移動限制部的孔。前述複數個靜電致動器也可包含與前述第一靜電致動器並列地相鄰配置的第三靜電致動器，前述第一靜電致動器的前述驅動端與前述第三靜電致動器的驅動端也可以前述第一連結部連結而保持位置關係，前述第一靜電致動器的前述固定端與前述第三靜電致動器的固定端也可以前述第二連結部連結而保持位置關係。

依據本發明，能夠提供即使行程量較大，每單位面積之生成力也會較大的靜電致動器組裝體。

1:靜電致動器(第一至第三靜電致動器)

2:殼體部(第二連結部)

3:桿部(第一連結部)

4:固定端

5:驅動端

6:壁部

7:頂板部(移動限制部)

7a:孔

8:軸部

9:擴徑部

10:靜電致動器組裝體

11:前端

12:底部板

13:孔

20:靜電致動器組裝體

S:伸縮方向、方向

圖1為顯示第1實施型態之靜電致動器組裝體的剖面圖。

圖2為顯示第2實施型態之靜電致動器組裝體的剖面圖。

以下參照圖式針對本發明之較佳的實施型態進行說明。

(第1實施型態)

圖1顯示第1實施型態之靜電致動器組裝體的剖面圖。

本實施型態之靜電致動器組裝體10如圖1所示，具備：複數個靜電致動器1(第一至第三靜電致動器)；殼體部(第二連結部)2；及桿部(第一連結部)3。

靜電致動器1係積層有電極的積層型靜電致動器。該靜電致動器1係例如具有將薄膜狀的電極藉由折疊或接合予以積層而成的構造，其中該薄膜狀的電極為利用電性絕緣體使電性傳導體絕緣而成者。在電性傳導體方面係可使用例如銅箔等，而且，在電性絕緣體方面係可使用PET(Polyethylene Terephthalate；聚對苯二甲酸乙二酯)等。藉此，靜電致動器1係成為具有與積層數成正比之複數個電極的構造。由於靜電致動器1單體的行程量與電極積層片數成正比，所以，藉由積層複數個電極而能夠獲得長行程(long stroke)。靜電致動器1之一端的固定端4固定於殼體部2，另一端的驅動端5固定於桿部3。靜電致動器 1的固定端4容易與殼體部2、驅動端5固定，因此，也可利用強度較高的板狀構件來形成。靜電致動器1係建構成：在有電壓被施加於所積層之各個電極間時，會於電極間產生庫侖力(coulomb force)，而能夠使電極間的空氣往所積層的方向S收縮。此外，本實施型態係使用相同構造的複數個靜電致動器1。

殼體部2具有壁部6及頂板部(移動限制部)7。於該殼體部2內，二個靜電致動器1,1以並列的方式相鄰排列，該等二個靜電致動器1,1係以朝向與圖中以伸縮方向S所示的方向進行伸縮的方式來配置。靜電致動器組裝體10係於靜電致動器1,1的伸縮方向S直列積層有複數個殼體部2，各殼體部2的靜電致動器1係全部以朝向相同的伸縮方向S伸縮的方式來配置。藉此，建構成：各殼體部2內的靜電致動器1的固定端4彼此以殼體部2連結而保持位置關係。亦即，建構成：在一個靜電致動器1的驅動端5移動時，所有的殼體部2內的靜電致動器1的固定端4係以維持相同間隔的方式同樣地移動。

靜電致動器組裝體10中，在伸縮方向S之一端側設有殼體部2之頂板部7，另一方面，在伸縮方向S之另一端側則有底部板12安裝於殼體部2而將殼體部2封閉。藉此，各靜電致動器1係分別固定於底部板12或鄰接的殼體部2的頂板部7。

桿部3係以剛體來形成，且具有：朝伸縮方向S延伸的軸部8；及直徑相對於軸部8朝垂直方向擴展的複數個擴徑部9。桿部3係配置於殼體部2內。

軸部8係貫通形成在直列地積層之各殼體部2之頂板部7的孔7a而朝伸縮方向S延伸，且前端11突出於外部。

擴徑部9係各自設於各殼體部2內，且利用接著劑等固定於配置在各殼體部2內的二個靜電致動器1,1之各自的驅動端5。藉此，建構成：各殼體部2 內之靜電致動器1的驅動端5彼此以桿部3連結而保持相互相對的位置關係。亦即，建構成：在其中任一個靜電致動器1的驅動端5移動時，其他的殼體部2內的靜電致動器1的驅動端5也移動相同的量。

桿部3係設成：在靜電致動器1延伸時，驅動端5隔著擴徑部9而抵接於頂板部7，並藉由殼體部2而被限制移動範圍。亦即，桿部3及驅動端5係建構成：僅在固定端4與頂板部7之間的範圍內移動。

擴徑部9係建構成：藉由固定於配置在相同殼體部2內之二個靜電致動器1,1之各自的驅動端5，而保持在相同殼體部2內相鄰的靜電致動器1,1的驅動端5彼此之相互相對的位置關係。

擴徑部9係從軸部8的相同位置擴展，相同殼體部2內的靜電致動器1,1總是形成相同全長。再者，擴徑部9還建構成：在靜電致動器1,1延伸時抵接於頂板部7。此時，擴徑部9係設成相同殼體部2內的靜電致動器1,1的驅動端5與頂板部7的間隔成為相同長度，例如形成為，固定於各靜電致動器1,1之驅動端5,5的面與抵接於頂板部7的面大致平行。

以下，針對靜電致動器組裝體10的動作進行說明。

使用靜電致動器組裝體10時，使之驅動的裝置係連結於桿部3的前端11，相對於此，與使之驅動的裝置不同的裝置係固定於殼體部2的底部板12。

當靜電致動器1被施予電壓而通電時，會在所積層的電極間產生生成力。藉此，突出的桿部3的前端11會以被拉進殼體部2內的方式移動而使靜電致動器組裝體10的全長收縮，藉此，對於所連結的裝置產生驅動力。此時，各靜電致動器1係藉由桿部3結合著。藉此，建構成：靜電致動器組裝體10的生成力比一個靜電致動器1的生成力還大，達到所結合之靜電致動器1的個數倍。亦即，組 合有N個靜電致動器1而成的靜電致動器組裝體10會產生一個靜電致動器1之N倍的生成力。對靜電致動器1施加電壓時的生成力係遠大於未對靜電致動器1施加電壓時藉由形成電極之薄膜等所產生的彈力，根據生成力與彈力的差而得的功會施予至所連結的裝置。

另一方面，由於靜電致動器1在未被施加電壓時不會產生生成力，所以當桿部3的前端11被拉引時，桿部3就會朝向前端11從殼體部2突出的方向被拉引出。藉此，使靜電致動器組裝體10的全長伸展。桿部3係建構成：當往前端11側移動某程度時，各擴徑部9就會抵接於各殼體部2的頂板部7，而無法再往前端11移動。藉此，使靜電致動器1的行程量被調節而能夠進行桿部3的位置控制。亦即，靜電致動器組裝體10的行程量與靜電致動器1的行程量相等。再者，藉由以在靜電致動器1已往伸長的方向最大限度伸展時，於擴徑部9與頂板部7之間形成間隙的方式設定各尺寸，能夠防止發生擴徑部9衝撞到頂板部7時的衝擊聲。

本實施型態的靜電致動器組裝體10，係複數個靜電致動器1的驅動端5彼此以桿部3連結而保持位置關係，且複數個靜電致動器1的固定端4彼此以殼體部2連結而保持位置關係。藉此，建構成：靜電致動器組裝體10的生成力比靜電致動器1的生成力還大，達到以桿部3結合的靜電致動器1的個數倍。因此，即使行程量較大，也能夠增大每單位面積的生成力。

再者，桿部3係建構成：當往前端11側移動某程度時，各擴徑部9就會抵接於各殼體部2的頂板部7而無法再往前端11側移動。因此，在將桿部3的前端11連結於將曲軸(crank shaft)等的直動運動轉換成旋轉運動的機構時，即可進行旋轉運動的位置控制。而且，在將靜電致動器組裝體10連結於僅進行直動運 動的裝置時，藉由擴徑部9抵接於殼體部2之頂板部7所進行的對位，能夠防止靜電致動器1單體過度伸展。

再者，靜電致動器組裝體10的行程量，係與靜電致動器組裝體10內之靜電致動器1之中之行程量最短的靜電致動器1的行程量同等。或是，以使靜電致動器組裝體10的行程量與靜電致動器組裝體10內之靜電致動器1之中之行程量最短的靜電致動器1的行程量同等的方式，構成擴徑部9及頂板部7。靜電致動器組裝體10內部的靜電致動器1係在因荷重而伸長時發揮作為並列彈簧的功能，所以，靜電致動器組裝體10的彈簧力係成為各靜電致動器1之彈簧力的總合。因此，靜電致動器組裝體10的彈簧力比各靜電致動器19之彈簧力還大。然而，靜電致動器組裝體10係先將在各靜電致動器1之行程範圍內的靜電致動器1之各電極間之彈簧力減小，藉此，即使是較輕的負荷，也能夠將靜電致動器組裝體10伸長的距離增長。藉此，靜電致動器組裝體10不藉由負荷的大小就能夠獲得較大的行程量，且即使是較重的負荷也能夠進行驅動。

此外，即使在靜電致動器1為最大的伸長時，與周圍之靜電致動器1之間的距離相比，靜電致動器1之各電極間的距離也足夠短。因此，對電極間施加電壓時產生的電場會在各靜電致動器1之各自的電極間被封閉，而可以無視從該電極間漏出的電力線的影響。因此，即使是伸縮方向S或與其正交之任何的方向，相鄰的靜電致動器1彼此也幾乎都不會受到相互的庫侖力所造成的影響，而能夠達到靜電致動器組裝體10整體之每單位體積之生成力的高積體化。

再者，靜電致動器組裝體10之收縮力遠比伸長力大，且具有相對於外力平衡的關係。因此，靜電致動器組裝體10能夠將以習知技術構成的靜電 致動器組裝體無法取出的功予以取出作為體積力。再者，與以習知技術構成的靜電致動器組裝體作比較，還能夠使每單位面積的生成力及每單位面積的功增加。

(第2實施型態)

圖2為顯示第2實施型態之靜電致動器組裝體的剖面圖。以下，對於與第1實施型態實質上相同的構件使用相同的符號來說明。

第2實施型態之靜電致動器組裝體20如圖2所示，各殼體部2內僅組裝有一個靜電致動器(第一及第二靜電致動器)1的構造與第1實施型態的靜電致動器組裝體10(參照圖1)不同。

本實施型態之組裝在靜電致動器組裝體20內的靜電致動器1，係形成有朝伸縮方向S貫通的孔13。藉此，構成為桿部3可貫通靜電致動器1而往返移動。第2實施型態的桿部3為了貫通於靜電致動器1內，是利用絕緣性材料所形成。

再者，還建構成：靜電致動器1例如形成有切口，於組裝靜電致動器組裝體20時，桿部3的軸部8通過該切口而插入孔13內。

以上，根據實施型態說明了本發明，惟本發明不限定於此。例如，上述實施型態係使用筆直的桿部3，惟不限定於此。只要是能夠使用直列地排列之複數個靜電致動器而對桿部賦予生成力，則桿部也可具有彎曲形狀。

再者，上述實施型態中，殼體部2係藉由桿部3的擴徑部9抵接於頂板部7而限制桿部3的移動範圍，惟本發明不限定於此。只要是能夠限制桿部3的移動範圍，殼體部也可為其他的構成。

而且，上述實施型態中，靜電致動器1係於各殼體部2配置一個或二個，惟不限定於此，也可並列地配置三個以上。再者，靜電致動器1只要是直列地配置二個以上即可，其個數為任意。

再者，上述實施型態係使相同生成力及行程量的靜電致動器1朝方向S積層，惟不限定於此，也可使不同生成力及不同行程量的靜電致動器1朝方向S積層。

1:靜電致動器(第一至第三靜電致動器)

2:殼體部(第二連結部)

3:桿部(第一連結部)

4:固定端

5:驅動端

6:壁部

7:頂板部(移動限制部)

7a:孔

8:軸部

9:擴徑部

10:靜電致動器組裝體

11:前端

12:底部板

S:伸縮方向

Claims (6)

1. 一種靜電致動器組裝體，係具有複數個靜電致動器，其中，

   前述複數個靜電致動器係包含第一靜電致動器及第二靜電致動器，該第二靜電致動器係相對於前述第一靜電致動器直列地配置者，

   前述第一靜電致動器的驅動端與前述第二靜電致動器的驅動端係以第一連結部連結而保持位置關係，

   前述第一靜電致動器的固定端與前述第二靜電致動器的固定端係以第二連結部連結而保持位置關係。
2. 如請求項1所述之靜電致動器組裝體，其中，

   前述第二連結部係具有限制前述第一連結部之移動範圍的移動限制部。
3. 如請求項2所述之靜電致動器組裝體，其中，

   前述移動限制部係以前述驅動端僅可在前述移動限制部與前述固定端之間移動的方式限制前述第一連結部的移動範圍。
4. 如請求項1至3中任一項所述之靜電致動器組裝體，其中，

   前述第一連結部係貫通前述第一靜電致動器及前述第二靜電致動器。
5. 如請求項1至3中任一項所述之靜電致動器組裝體，其中，

   前述第一連結部係通過形成在前述移動限制部的孔。
6. 如請求項1至3中任一項所述之靜電致動器組裝體，其中，

   前述複數個靜電致動器係包含與前述第一靜電致動器並列地相鄰配置的第三靜電致動器，前述第一靜電致動器的前述驅動端與前述第三靜電致動器的驅動端係以前述第一連結部連結而保持位置關係，前述第一靜電致動器的前述固 定端與前述第三靜電致動器的固定端係以前述第二連結部連結而保持位置關係。

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