WO2020241387A1 - マルチレイヤー構造を有する静電アクチュエータ - Google Patents

マルチレイヤー構造を有する静電アクチュエータ Download PDF

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elastic
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実吉　敬二
伊藤　誠
輝 泉谷
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ストローブ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an electrostatic actuator having a multi-layer structure.
  • the dielectric elastomer actuator has a drive element A having a structure in which an elastomer is sandwiched between a pair of stretchable electrodes and an elastomer between the pair of stretchable electrodes.
  • a drive element B having a structure sandwiching the drive element B and a connecting portion for connecting the drive element A and the drive element B in series are provided, and when a voltage is applied between the pair of electrodes of the drive element A and the drive element B, A dielectric elastomer actuator and a dielectric elastomer actuator in which the electric field generated between the pair of electrodes displaces the pair of electrodes in a direction parallel to the electric field and the elastomer extends in a direction perpendicular to the electric field, and the elongation of the elastomer interacts with each other through the connection.
  • Patent Document 1 There is a technique for disclosing a publication regarding the drive system.
  • a conventional electrostatic actuator has a structure in which a dielectric elastomer, which is an elastic material, is sandwiched between conductor layers, and the conductor layers are contracted by an electrostatic attraction generated by applying a voltage between the opposing conductor layers. It was.
  • the dielectric elastomer also served as an insulating material between the conductor layers.
  • a voltage is applied to the electrostatic actuator for a long time and a compressive force is applied to the dielectric elastomer by electrostatic attraction for a long time, if the dielectric elastomer is soft, the dielectric elastomer spreads laterally together with the conductor, and the dielectric elastomer due to the creep phenomenon.
  • the conventional electrostatic actuator cannot be used for a long period of time, and it is difficult to put it into practical use.
  • a dielectric elastomer having a hard elastic performance is adopted, there is a problem that the shrinkage rate is lowered and a sufficient stroke cannot be secured.
  • the laminated electrostatic actuator according to claim 1 has a structure in which a plurality of electrode films are laminated and bonded, Each electrode film has a five-layer structure of an elastic layer, an insulating layer, a conductor layer, an insulating layer, and an elastic layer.
  • the Young's modulus of the material constituting the elastic layer is smaller than the Young's modulus of the material constituting the insulating layer.
  • the laminated electrostatic actuator according to claim 2 has a structure in which a plurality of electrode films are laminated and bonded, Each electrode film has a five-layer structure of an elastic layer, an insulating layer, a conductor layer, an insulating layer, and an elastic layer.
  • the spring constant of the material constituting the elastic layer increases as the electrode film stretches in the stacking direction.
  • the laminated electrostatic actuator according to claim 3 is In the electrostatic actuator according to claim 1 or 2.
  • the elastic layers of the electrode films are connected by adhesion, covalent bond, or elastic adhesive force.
  • the laminated electrostatic actuator according to claim 4 has a structure in which electrode layers in which insulating layers are arranged on both sides of a conductor layer are laminated and bonded via an elastic layer.
  • the Young's modulus of the material constituting the elastic layer is smaller than the Young's modulus of the material constituting the insulating layer, or The spring constant of the material constituting the elastic layer increases as the electrostatic actuator extends in the stacking direction.
  • the laminated electrostatic actuator according to claim 5 is In the electrostatic actuator according to claim 4,
  • the elastic layer is a structure having a plurality of columns separated from each other in the plane direction of the electrode layer.
  • the elastic layer when a voltage is applied between the electrodes, the elastic layer is softly deformed, but the conductor layer is protected by an insulating layer. Even if the elastic layer is deformed by the creep phenomenon when a voltage is applied for a long period of time, the conductor layer can be kept insulated by the insulating layer. As a result, it has become possible to use an elastic material having soft elastic performance, and it has become possible to achieve both sufficient stroke and reliability.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the entire laminated electrostatic actuator having a structure in which the electrode films shown in FIG. 1 are laminated and bonded. It is a figure which shows the state which the space between the electrode films is extended by applying the external force in the direction which tries to separate a stack between two end members. It is a figure which shows the state which the interval of the electrode film is contracted by applying a voltage. It is sectional drawing of the laminated type electrostatic actuator which concerns on 2nd Embodiment. This is a modified example of the laminated electrostatic actuator shown in FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of one layer of an electrode film 10 constituting the laminated electrostatic actuator 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the entire laminated electrostatic actuator 1 having a structure in which the electrode films 10 shown in FIG. 1 are laminated and bonded.
  • the laminated electrostatic actuator 1 is configured by laminating and bonding a large number of electrode films 10a and 10b sandwiched between two end members (not shown) (FIG. 2, described later).
  • each of the electrode films 10a and 10b has a five-layer structure including a first elastic layer 11a, a first insulating layer 12a, a conductor layer 13a, a second insulating layer 14a, and a second elastic layer 15a. It is composed of.
  • the first insulating layer 12a, the conductor layer 13a, and the second insulating layer 14a may be referred to as an electrode layer 16a.
  • the conductor layers 13 and 13a are composed of, for example, a metal film such as copper, a conductive polymer, or a film having good electrical conductivity such as a conductive carbon homogeneity (or a conductive mixture mainly composed of carbon). ..
  • Insulating layers are formed on both surfaces of the conductor layers 13 and 13a by coating, adhesion or vapor deposition, and the conductor layers 13 and 13a are combined with the first insulating layer 12 , 12a and the second insulating layers 14, 14a constitute the electrode layers 16, 16a.
  • an insulating polymer material such as parylene (registered trademark) may be used, and a ceramic or glass material having good withstand voltage characteristics may be used. Etc. may be used.
  • the thickness of the electrode layers 16 and 16a is, for example, several micrometers.
  • the material constituting the first elastic layers 11, 11a and the second elastic layers 15, 15a Young's modulus smaller than the Young's modulus of the materials constituting the first insulating layers 12, 12a and the second insulating layers 14, 14a is smaller.
  • a material having a modulus may be adopted.
  • a material constituting the first elastic layers 11, 11a and the second elastic layers 15, 15a a material having a property that the spring constant increases as the laminated electrostatic actuator 1 extends in the stacking direction is adopted. You may.
  • the electrode films 10a and 10b having the above configurations are laminated and coupled to form the laminated electrostatic actuator 1.
  • the laminated bond is performed, for example, by a covalent bond between elastic layers or an elastic body adhesive force.
  • the electrode layer in which the insulating layers are arranged on both sides of the conductor layer may be laminated and bonded via the elastic layer to form an electrostatic actuator.
  • FIG. 3 is a diagram showing a state in which an external force in a direction for separating the laminate is applied between two end members (not shown) to extend the distance between the electrode films 10a and 10b
  • FIG. 4 is a diagram showing a voltage. It is a figure which shows the state which the space between the electrode films 10a and 10b is contracted by applying.
  • the elastic layers 15a and 11b between the first electrode film 10a and the second electrode film 10b are elongated in the laminating direction and at the same time perpendicular to the laminating direction. It is recessed inward between the electrode films (Fig. 3).
  • a voltage is applied between the conductor layers 13a and 13b of the first and second electrode films 10a and 10b, the first and second electrode films 10a and 10b attract each other, and the elastic layers 15a and 11b are in the stacking direction. At the same time, it shrinks to the outside and swells outward between the electrode films 10a and 10b perpendicular to the stacking direction (FIG. 4).
  • the elastic layers 15a and 11b When a voltage is applied, the elastic layers 15a and 11b are deformed, but the conductor layers 13a and 13b are protected by the insulating layers 14a and 12b. Therefore, even if the elastic layers 15a and 11b are creeped by applying a voltage for a long time, dielectric breakdown occurs due to the presence of the insulating layers 14a and 12b between the conductor layers 13a and 13b and the elastic layers 15a and 11b. The insulation performance of the conductor layers 13a and 13b is ensured. As a result, it becomes possible to use a soft material for the elastic layers 15a and 11b, and it is possible to secure a sufficient stroke as an electrostatic actuator and to achieve both reliability in insulation performance.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the laminated electrostatic actuator 101 according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a modified example of the laminated electrostatic actuator 101 shown in FIG.
  • the same or similar elements as those of the laminated electrostatic actuator 1 according to the first embodiment are designated by the same or similar reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the laminated electrostatic actuator 101 is configured by laminating and bonding electrode layers 116 in which insulating layers 112 and 114 are arranged on both sides of a conductor layer 113 via an elastic layer 115.
  • the elastic layer 115 has a plurality of columns 121a and 121b separated from each other in the plane direction of the electrode layer 116 having voids 120a and 120b inside.
  • the amount of deformation in the vicinity of the outer peripheral surface of the elastic layer bulging outward becomes large, and the elastic layers 11 and 15 in the vicinity of the outer peripheral surface of the laminated electrostatic actuator 1 are particularly large. A large stress is generated at the connection portion between the elastic layers 11 and 15 and the insulating layers 12 and 14 (see FIG. 4).
  • the individual columns 121a and 121b are deformed independently, so that the amount of deformation of the individual columns 121a and 121b is reduced, and the elastic layer The stress generated in 115 can be reduced.
  • the pillars 121 may be connected at the ends (FIG. 6 (a)), or may be individually and independently connected to the insulating layers 114a and 112b (FIG. 6 (b)). Further, the number of columns, the cross-sectional shape, and the position are appropriately set according to the size of the surface of the electrode layer, the size of the force applied to the laminated electrostatic actuator, the required response performance, and the like.

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Abstract

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を提供する。 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、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、電極フィルムが積層方向に伸長するのに伴い増加する。

Description

マルチレイヤー構造を有する静電アクチュエータ
　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。
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、
    　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、
    　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、
    　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。
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