TW202121822A - 具有多層構造之靜電致動器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種積層型靜電致動器，即使彈性層因潛變現象而變形，仍能維持導體層間之絕緣性能。該靜電致動器係具有複數個電極膜積層結合之構造，各電極膜係具有彈性層、絕緣層、導體層、絕緣層、彈性層之五層構造，且構成彈性層的材料的楊氏係數係小於構成絕緣層的材料的楊氏係數，或者構成彈性層的材料的彈簧常數係隨著電極膜沿積層方向伸長而增加。

Description

具有多層構造之靜電致動器
本發明係關於具有多層構造之靜電致動器。
為了達成提供容易使用之構造的介電彈性體致動器及其驅動系統之課題，已知有公報揭示之關於介電彈性體致動器及其驅動系統的技術(例如專利文獻1)，其揭示一種介電彈性體致動器，具有：在可伸縮的一對電極間夾有彈性體之構造的驅動元件A、在可伸縮的一對電極間夾有彈性體之構造的驅動元件B、及將驅動元件A與驅動元件B串聯連接之連接部，當施加電壓於驅動元件A及驅動元件B所具有之一對電極間時，藉由產生於一對電極間的電場，一對電極係朝向與電場平行的方向位移且彈性體係朝向與電場垂直的方向伸長，彈性體的伸長係經由連接部而彼此作用。
專利文獻1：日本特開2018-33293號公報
習知的靜電致動器係具有在導體層間夾有屬於彈性材料之介電彈性體的構造，且為藉由在相向的導體層間施加電壓而產生的靜電引力使導體 層間收縮的構成。介電彈性體亦發揮作為導體層間的絕緣材料的功能。在此，長時間對靜電致動器施加電壓而長時間藉由靜電引力對介電彈性體施加壓縮力時，若介電彈性體柔軟，則介電彈性體係與導體一起橫向擴張，因而有由於潛變現象使得構成介電彈性體之層(彈性層)的材料的分子移動致使層變形而發生絕緣破壞的疑慮。因此理由，習知的靜電致動器無法長期間使用而難以實用化。另一方面，若採用具有較硬的彈性性能的介電彈性體，則有收縮率降低而無法確保充分的行程的課題。
本發明之目的在於提供一種積層型靜電致動器，即使彈性層因潛變現象而變形，仍能維持導體層間之絕緣性能。並且，本發明之目的在於提供一種積層型靜電致動器，能夠輕易確保充分的行程。
為了解決上述課題，第1觀點的靜電致動器係具有複數個電極膜積層結合之構造，各電極膜係具有彈性層、絕緣層、導體層、絕緣層、彈性層之五層構造，且構成彈性層的材料的楊氏係數係小於構成絕緣層的材料的楊氏係數。
為了解決上述課題，第2觀點的靜電致動器係具有複數個電極膜積層結合之構造，各電極膜係具有彈性層、絕緣層、導體層、絕緣層、彈性層之五層構造，且構成彈性層的材料的彈簧常數係隨著電極膜沿積層方向伸長而增加。
第3觀點的靜電致動器係於第1或第2觀點的靜電致動器中，相鄰的兩個電極膜係藉由電極膜的彈性層之間的接著、共有結合、或彈性體黏著力而連接。
為了解決上述課題，第4觀點的靜電致動器係具有經由彈性層來積層結合電極層之構造，該電極層為於導體層的兩面配置有絕緣層者，該靜電致動器中，構成彈性層的材料的楊氏係數係小於構成絕緣層的材料的楊氏係數，或者，構成彈性層的材料的彈簧常數係隨著靜電致動器沿積層方向伸長而增加。
第5觀點的靜電致動器係於第4觀點的靜電致動器中，彈性層為具有沿電極層的面方向彼此分離之複數個柱的構造體。
依據本發明，於電極間施加電壓時，彈性層雖柔軟地變形，但導體層係受到絕緣層保護。即使長期間施加電壓致使彈性層因潛變現象而變形，導體層仍可藉由絕緣層而維持絕緣。結果，能夠採用具有柔軟彈性性能的彈性材料，而能夠同時兼顧充分的行程與信賴性。
1,101,101’,101”:積層型靜電致動器
10,10a,10b:電極膜
11,11a,11b:第一彈性層、彈性層
12,12a,12b:第一絕緣層、絕緣層
13,13a,13b,113:導體層
14,14a:第二絕緣層、絕緣層
15,15a:第二彈性層、彈性層
16,16a,116:電極層
112,114,114a,112b:絕緣層
115:彈性層
120,120a,120b:空隙
121,121a,121b:柱
圖1係構成第1實施型態的積層型靜電致動器的電極膜之一層的剖面圖。
圖2係具有圖1所示之電極膜所積層結合之構造之積層型靜電致動器整體的剖面圖。
圖3係顯示兩個端構件之間施加有欲將積層分離之方向的外力而使得電極膜之間隔伸長之狀態的圖。
圖4係顯示施加電壓而使得電極膜之間隔收縮之狀態的圖。
圖5係第2實施型態的積層型靜電致動器的剖面圖。
圖6係圖5所示之積層型靜電致動器的變形例。
(第1實施型態)
以下利用圖式來說明本發明的一實施型態。圖1係構成第1實施型態的積層型靜電致動器1的電極膜10之一層的剖面圖。圖2係具有圖1所示之電極膜10所積層結合之構造之積層型靜電致動器1整體的剖面圖。
(構成)
積層型靜電致動器1係由兩個端構件(省略圖示)所夾之多個電極膜10a、10b積層結合而構成(如圖2，容後敘述)。各電極膜10a、10b係如圖1所示，構成為具有第一彈性層11a、第一絕緣層12a、導體層13a、第二絕緣層14a、第二彈性層15a之五層構造。以下的說明中，會有將第一絕緣層12a、導體層13a、第二絕緣層14a稱為電極層16a的情況。
第一彈性層11、11a及第二彈性層15、15a係例如採用膠體(gel)、丙烯酸類(acrylic)或矽類(silicon)樹脂等柔軟材料。導體層13、13a係例如由銅等金屬膜、導電性高分子或導電性的碳的同素異形體(或是以碳為主體之導電性的混合體)等導電性良好之膜所構成。導體層13、13a的兩面係藉由塗布、接著或蒸著等而形成絕緣層(第一絕緣層12、12a及第二絕緣層14、14a)，且以第一絕緣層12、12a及第二絕緣層14、14a夾著導體層13、13a而構成電極層16、16a。第一及第二絕緣層12、14、12a、14a的材料例如可使用Parylene(註冊商標)等絕緣性的高分子材料，亦可使用耐電壓特性良好之陶瓷、玻璃材料等。電極層16、16a的厚度係例如為數微米。
在此，就構成第一彈性層11、11a及第二彈性層15、15a的材料而言，可採用所具有的楊氏係數小於構成第一絕緣層12、12a及第二絕緣層14、14a 的材料的楊氏係數的材料。或者，就構成第一彈性層11、11a及第二彈性層15、15a的材料而言，亦可採用具有隨著積層型靜電致動器1沿積層方向伸長則彈簧常數增加之性質的材料。
積層型靜電致動器1係由具有以上構成之電極膜10a、10b積層結合而構成。積層結合係例如藉由彈性層間的共有結合、彈性體黏著力等而實施。另外，在此雖說明了彈性層之間結合的構造，但亦可經由彈性層來積層結合於導體層的兩面配置有絕緣層之電極層而構成積層型靜電致動器。
(動作)
圖3係顯示兩個端構件(圖示省略)之間施加有欲將積層分離之方向的外力而使得電極膜10a、10b之間隔伸長之狀態的圖，圖4係顯示施加電壓而使得電極膜10a、10b之間隔收縮之狀態的圖。
當承受欲將各電極膜10分離之方向的外力時，第一電極膜10a及第二電極膜10b之間的彈性層15a、11b係沿積層方向伸長，同時沿著與積層方向垂直且朝向電極膜間的內側方向凹陷(圖3)。對第一及第二電極膜10a、10b的導體層13a、13b之間施加電壓時，第一及第二電極膜10a、10b係互相拉引，彈性層15a、11b係沿積層方向收縮，同時沿著與積層方向垂直且朝向電極膜10a、10b間的外側方向膨起(圖4)。
施加電壓時，彈性層15a、11b雖變形，但導體層13a、13b係受到絕緣層14a、12b保護。因此，即使長時間施加電壓致使彈性層15a、11b發生潛變，由於導體層13a、13b與彈性層15a、11b之間存在絕緣層14a、12b而不會發生絕緣破壞，因而可確保導體層13a、13b的絕緣性能。藉此，彈性層15a、11b能夠採用 柔軟的彈性材料，使得靜電致動器能夠同時兼顧充分的行程的確保與對絕緣性能的信賴性。
(第2實施型態)
圖5係第2實施型態的積層型靜電致動器101的剖面圖。圖6係圖5所示之積層型靜電致動器101的變形例。對於與第1實施型態的積層型靜電致動器1相同或類似的構件係標記相同或類似的符號並省略說明。如圖5所示，積層型靜電致動器101係經由彈性層115來積層結合於導體層113的兩面配置有絕緣層112、114之電極層116而構成。彈性層115係於內部設有空隙120a、120b而具有複數個柱121a、121b，該等柱121a、121b係沿電極層116的面方向彼此分離。
第1實施型態的積層型靜電致動器1中，朝向彈性層的外側方向膨起的外周面附近的變形量變大，因而在積層型靜電致動器1的外周面附近的彈性層11、15，特別是在彈性層11、15與絕緣層12、14的連接部會發生較大的應力(參照圖4)。相對於此，如圖5所示，藉由將彈性層115分割成柱狀，各個柱121a、121b係獨立地變形，因此各個柱121a、121b的變形量變小，而可減低於彈性層115發生的應力。藉此，使得靜電致動器能夠同時兼顧充分的行程的確保與對絕緣性能的信賴性。此外，由於以所有的柱121a、121b彼此支持來對抗拉引而提高強度。另外，柱121可在端部彼此相連(圖6(a))，亦可各自獨立地連接於絕緣層114a、112b(圖6(b))。另外，柱的數量、剖面形狀、位置等可依據電極層的面的大小、對積層型靜電致動器施加的力的大小、需求的響應性能等而適當設定。
1:積層型靜電致動器
10a,10b:電極膜
11a:第一彈性層、彈性層
12a:第一絕緣層、絕緣層
13a:導體層
14a:第二絕緣層、絕緣層
15a:第二彈性層、彈性層
16a:電極層

Claims (5)

  1. 一種靜電致動器，係具有複數個電極膜積層結合之構造，該靜電致動器中，
    各電極膜係具有彈性層、絕緣層、導體層、絕緣層、彈性層之五層構造；
    且構成前述彈性層的材料的楊氏係數小於構成前述絕緣層的材料的楊氏係數。
  2. 一種靜電致動器，係具有複數個電極膜積層結合之構造，該靜電致動器中，
    各電極膜係具有彈性層、絕緣層、導體層、絕緣層、彈性層之五層構造；
    且構成前述彈性層的材料的彈簧常數係隨著前述電極膜沿積層方向伸長而增加。
  3. 如請求項1或2所述的靜電致動器，其中，
    相鄰的兩個前述電極膜係藉由該電極膜的前述彈性層之間的接著、共有結合、或彈性體黏著力而連接。
  4. 一種靜電致動器，係具有經由彈性層來積層結合電極層之構造，該電極層為於導體層的兩面配置有絕緣層者，該靜電致動器中，
    構成前述彈性層的材料的楊氏係數係小於構成前述絕緣層的材料的楊氏係數，或者，
    構成前述彈性層的材料的彈簧常數係隨著前述靜電致動器沿積層方向伸長而增加。
  5. 如請求項4所述的靜電致動器，其中，
    前述彈性層為具有沿前述電極層的面方向彼此分離之複數個柱的構造體。
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