致动器的制作方法

本发明涉及一种致动器。

背景技术：

作为通过将电能转换成机械能而操作的转换装置中的一种，已知一种使用介电弹性体的致动器。该致动器包括介电弹性体膜和一对电极层。电极层被设置在介电弹性体膜的分别的侧面上。当在电极层之间施加电压时，电极层通过在电极层之间产生的库仑力彼此吸引。置入电极层之间的介电弹性体膜弹性变形，从而在膜的厚度方向上被压缩，并且因此弹性变形并在沿着膜表面的方向上(在表面方向上)延伸。

随着介电弹性体膜的层数增加，电位电容增加，并且来自致动器的输出也增加。为了增加膜的层数，如例如在日本未审查专利申请公开no.2011-103713(jp2011-103717a)中描述的，多个膜体被堆叠，其中每一个膜体具有介电弹性体膜和电极层。可替代地，如在日本未审查专利申请公开no.2018-93467(jp2018-93467a)中描述的，介电弹性体膜具有在其整个表面上印刷的电极层，并且那些介电弹性体膜中的两个介电弹性体膜在彼此之上堆叠并一起卷绕。利用上述构造，致动器具有其中介电弹性体膜在彼此之上堆叠的构造。

技术实现要素：

根据在jp2018-93467a中公开的发明，能够容易地获得在其中设置有多层介电弹性体膜的构造。然而，例如，当致动器被构造为在卷绕膜的中心轴线的方向上延伸并被压缩时，如下所述减少了位移量(延伸量)。即，在jp2018-93467a的发明中，电极层以平面形状被设置在介电弹性体膜中。利用这种构造，当具有介电弹性体膜和电极层的膜体被卷绕时，在其中库仑力作用的方向被分散。即，卷绕的介电弹性体膜在所有表面方向上(在沿着表面的所有方向上)延伸。这使得难以相对于卷绕膜的中心轴线的方向获得期望的大的位移量，并且因此位移量变小。

在jp2011-103713a和jp2018-93467a中公开的发明的情况下，介电弹性体膜和电极层在整个区域中彼此紧密接触。利用这种构造，即使当施加电压时介电弹性体膜试图在表面方向上变形，电极层也阻碍了介电弹性体膜变形，虽然电极层是能够弹性变形的。

因此，利用上述致动器，难以获得大的位移量。因此，本发明提供了一种致动器，其包括介电弹性体膜和电极层并且能够具有大的位移量。

根据本发明的一个方面的一种致动器包括：第一膜体，该第一膜体具有第一介电弹性体膜和设置在第一介电弹性体膜的表面上的第一电极层；和第二膜体，该第二膜体具有第二介电弹性体膜和设置在第二介电弹性体膜的表面上的第二电极层。致动器被构造为使得第一膜体和第二膜体在彼此之上堆叠。在第一膜体和第二膜体中的至少一个中所包括的电极层包括有多个线状电极，该多个线状电极在第一方向上延伸并且在与第一方向正交的第二方向上成间隔地设置。

根据以上致动器，当第一膜体和第二膜体在彼此之上重复地堆叠时，第一介电弹性体膜和第二介电弹性体膜中的每一个被置入第一电极层和第二电极层之间。当电压被施加到第一电极层和第二电极层时，第一和第二介电弹性体膜中的每一个在沿着膜的表面的方向(表面方向)上延伸。根据本公开的致动器的电极层具有在第一方向上延伸的多个线状电极，并且线状电极在第二方向上成间隔地设置。因此，在电极层中，减轻了阻碍介电弹性体膜在第二方向上延伸的作用。因此，介电弹性体膜能够容易地在第二方向上延伸，并且因此在第二方向上的位移量(延伸量)增加。利用以上构造，能够获得具有大的位移量(延伸量)的致动器。

在以上方面中，第一膜体和第二膜体可以在第一膜体和第二膜体在彼此之上堆叠的同时被卷绕。利用该构造，能够容易地制造具有柱形形状并且具有在其中第一膜体和第二膜体重复地在彼此之上堆叠的构造的致动器。另外，第一膜体和第二膜体可以被卷绕，使得第一方向与在第一膜体和第二膜体在彼此之上堆叠的同时第一膜体和第二膜体被卷绕的方向一致。利用该构造，第二方向用作柱形形状的轴向方向。能够获得能够在轴向方向上具有大的位移量(延伸量)的致动器。

在以上方面中，电极层可以包括：在第一方向上延伸的多个线状电极；第一连接电极，该第一连接电极连接线状电极中的一个线状电极的第一端，和在一侧上与线状电极中的该一个线状电极相邻的线状电极中的另一个线状电极的第一端；第二连接电极，该第二连接电极连接线状电极中的该一个线状电极的第二端，和在另一侧上与线状电极中的该一个线状电极相邻的线状电极中的又一个线状电极的第二端。利用该构造，线状电极以z字形布置被广泛地设置在介电弹性体膜上。能够获得以下构造，在该构造中在第二方向上成间隔地设置的线状电极被串联电连接。因此，沿着线状电极的纵向方向在介电弹性体膜中产生的电荷变得均匀，并且产生了完全均匀的库仑力。因此，致动器能够在第二方向上以均匀并且不偏不倚的变形量变形。

根据本发明，能够获得具有大的位移量(延伸量)的致动器。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是示出致动器的实施例的透视图；

图2是示出在操作中的致动器的透视图；

图3是示出在其中具有卷绕形状的致动器被展开成平面状态的状态的示意性视图；

图4是示出具有卷绕形状的致动器的制造方法的示意性视图；

图5是示出具有柱形形状的致动器的一部分的截面视图；

图6是示意致动器的功能的视图；

图7是示意致动器的修改实例的视图；

图8是示意致动器的修改实例的视图；

图9是示意图8中所示的致动器的功能的视图；

图10是示出根据另一个实施例的致动器的透视图；并且

图11是示出被包括在第一膜体中的第一电极层的修改实例的示意性视图。

具体实施方式

致动器的概要

图1是示出致动器的实施例的透视图。图1中所示的致动器7是通过将电能转换成机械能而操作的转换装置中的一种。稍后将描述致动器7的详细构造和操作。致动器7包括介电弹性体膜11、21和成对的电极层13、23。在电极层13、23中的一个被设定为正而另一个被设定为负的情况下，当电压被施加到电极层13、23时，致动器7如图2中所示变形。

图1中所示致动器7具有在其中介电弹性体膜11、21被卷绕的柱形形状。介电弹性体膜11、21分别在介电弹性体膜11、21的表面上包括电极层13、23。当电压被施加到电极层13、23时，致动器7从初始状态弹性变形，并且在沿着卷绕膜的柱形形状的中心轴线c0的方向上延伸。当停止向电极层13、23施加电压时，致动器7通过弹性恢复力重获其如图1中所示的初始状态。在图2中，变形量被示为大于实际变形量以使描述可理解。

致动器7的具体构造

图3是示出如图1中所示的具有卷绕形状的致动器7被展开成平面状态的示意性图。致动器7包括第一膜体10和第二膜体20。通过将第一膜体10和第二膜体20在彼此之上堆叠，并且卷绕堆叠的第一膜体10和第二膜体20来构造致动器7。如图4中所示，通过将第一膜体10和第二膜体20在彼此之上堆叠，并且围绕例如具有细长柱形形状的芯9来卷绕堆叠的第一膜体10和第二膜体20从而构造致动器7。在第一膜体10和第二膜体20被卷绕之后，将芯9从卷绕的膜体取出。

如图3中所示，第一膜体10包括第一介电弹性体膜11和设置在第一介电弹性体膜11的表面12上的第一电极层13。第二膜体20包括第二介电弹性体膜21和设置在第二介电弹性体膜21的表面22上的第二电极层23。第一介电弹性体膜11是与第二介电弹性体膜21不同的构件(介电膜)。第一电极层13是与第二电极层23不同的电极(构件)。第一电极层13和第二电极层23是具有不同电气符号(正和负)的电极。

如图3中所示，第一介电弹性体膜11包括多个线状电极14，和在第一介电弹性体膜11的表面12上的第一连接电极15和第二连接电极16。第一连接电极15和第二连接电极16在彼此相邻的线状电极14的端部之间连接。每个线状电极14沿着第一方向x线状地延伸。线状电极14在第二方向y上成间隔地设置。第一方向x与第二方向y正交。用于线状电极14中的一个线状电极的附图标记在图3中所示的第一膜体10中被表示为“14-1”。用于线状电极14中的另一个线状电极的附图标记被表示为“14-2”，该另一个线状电极在第二方向y上的一侧上与线状电极14-1相邻。用于线状电极14中的又一个线状电极的附图标记被表示为“14-3”，该又一个线状电极在第二方向y上的另一侧上与线状电极14-1相邻。第一连接电极15连接线状电极14-1在第一方向x上的第一端14-1a和线状电极14-2在第一方向x上的第一端14-2a。第二连接电极16连接线状电极14-1在第一方向x上的第二端14-1b和线状电极14-3在第一方向x上的第二端14-3b。

因此，获得了在其中电极(布线图案)被设置成由线状电极14、第一连接电极15和第二连接电极16组成的z字形布置的构造。第一电极层13由线状电极14、第一连接电极15和第二连接电极16组成。线状电极14、第一连接电极15和第二连接电极16通过印刷或涂覆而被设置在介电弹性体膜11的表面12上。即，电极层13被固定到介电弹性体膜11。

第二膜体20的第二电极层23具有与第一电极层13的相同的构造。即，第二介电弹性体膜21包括多个线状电极24、和在第二介电弹性体膜21的表面22上的第一连接电极25和第二连接电极26。第一连接电极25和第二连接电极26连接线状电极24的彼此相邻的分别的端部。每个线状电极24沿着第一方向x线状地延伸。线状电极24在第二方向y上成间隔地设置。用于线状电极24中的一个线状电极的附图标记在图3中所示的第二膜体20中被表示为“24-1”。用于线状电极24中的另一个线状电极的附图标记被表示为“24-2”，该另一个线状电极在第二方向y上的一侧上与线状电极24-1相邻。用于线状电极24中的又一个线状电极的附图标记被表示为“24-3”，该又一个线状电极在第二方向y上的另一侧上与线状电极24-1相邻。第一连接电极25连接线状电极24-1在第一方向x上的第一端24-1a和线状电极24-2在第一方向x上的第一端24-2a。第二连接电极26连接线状电极24-1在第一方向x上的第二端24-1b和线状电极24-3在第一方向x上的第二端24-3b。

因此，获得了在其中电极(布线图案)被设置成由线状电极24、第一连接电极25和第二连接电极26组成的z字形布置的构造。第二电极层23由线状电极24、第一连接电极25和第二连接电极26组成。线状电极24、第一连接电极25和第二连接电极26通过印刷或涂覆而被设置在第二介电弹性体膜21的表面22上。即，电极层23被固定到第二介电弹性体膜21。

第一介电弹性体膜11和第二介电弹性体膜21中的每一个由矩形薄片构成。第一和第二介电弹性体膜11、21由橡胶诸如硅橡胶、丙烯酸橡胶、聚氨酯橡胶和丁腈橡胶(nbr)制成。第一电极层13和第二电极层23中的每一个由具有导电性的弹性材料制成。例如，电极层13、23由导电硅橡胶和导电凝胶制成。导电材料(导电填料)诸如炭黑被添加到弹性材料，使得电极层13、23具有导电性。

如上所述(见图1和图4)，第一膜体10和第二膜体20在彼此之上堆叠并在堆叠状态中被卷绕，使得第一膜体10和第二膜体20被交替地布置，并且致动器7具有柱形形状。图5是示出具有柱形形状的致动器7的一部分的截面视图。图5示出了具有柱形形状的致动器7的中心轴线c0(见图1)的截面的一部分。图5中的右侧更靠近中心轴线c0，并称为径向内侧。图5中的左侧是与中心轴线c0相对的一侧，并称为径向外侧。

第一膜体10在径向外侧上(图5中的右侧上)被堆叠在第二膜体20上，使得第一电极层13沿着第一介电弹性体膜11的在径向外侧上的表面(表面12)定位，并且第二电极层23沿着第一介电弹性体膜11的在径向内侧上的表面定位。即，第一介电弹性体膜11被置入第一电极层13和第二电极层23之间。第二膜体20在径向外侧上被堆叠在第一膜体10上，使得第二电极层23沿着第二介电弹性体膜21的在径向外侧上的表面(表面22)定位，并且第一电极层13沿着第二介电弹性体膜21的在径向内侧上的表面定位。即，第二介电弹性体膜21被置入第一电极层13和第二电极层23之间。

如上所述(见图3和图4)，第一线状电极14在第二方向y上成间隔地设置。因此，在图5中，间隙(空间)g1被设置在沿第二方向y彼此相邻的第一线状电极14之间。间隙g1在圆周方向上(在第一方向x上)连续。类似地，第二线状电极24在第二方向y上成间隔地设置。因此，间隙(空间)g2被设置在沿第二方向y彼此相邻的第二线状电极24之间。间隙g2在圆周方向上(在第一方向x上)连续。

电压被施加到第一电极层13和第二电极层23。将参考示出了在其中致动器7被展开的状态的图3来描述电压的施加。电压被施加到第一电极层13和第二电极层23，其中作为第一电极层13的一部分的线状电极14的端部27以及作为第二电极层23的一部分的线状电极24的端部28用作端子。例如，第一电极层13的端部27用作正端子，并且第二电极层23的端部28用作负端子。

当向第一电极层13和第二电极层23施加电压时，电极层13、23通过在电极层13、23之间产生的库仑力相互吸引。如图5中所示，置入电极层13、23之间的第一介电弹性体膜11弹性变形以在膜厚度方向上(即在径向方向上)被压缩。类似地，置入电极层13、23之间的第二介电弹性体膜21弹性变形以在膜厚度方向上(即在径向方向上)被压缩。因此，如图2中所示，整个致动器7变瘦(在径向方向上更小)。

在另一个方面，如图5中所示，当施加电压时，第一和第二介电弹性体膜11、21中的每一个介电弹性体膜在沿着膜的表面的方向上(在表面方向上)延伸。介电弹性体膜11、21中的每一个介电弹性体膜在与图5中的纸面正交的方向上，换言之，在围绕中心轴线c0的圆周方向上延伸，并且还在与沿着图5中的竖直方向的中心轴线c0平行的方向上延伸。平行于中心轴线c0的方向与第二方向y一致。线状电极14、24沿着围绕中心轴线c0的圆周方向伸长。因此，第一和第二介电弹性体膜11、21在圆周方向上的延伸部分地受到线状电极14、24阻碍。在另一个方面，线状电极14、24在与中心轴线c0平行的方向(第二方向y)上成间隔地设置。因此，第一和第二介电弹性体膜11、21在平行于中心轴线c0的方向上的延伸不受线状电极14、24阻碍。因此，致动器7在平行于中心轴线c0的方向上，换言之，在第二方向y上更大程度地延伸。

如上所述，本公开的致动器7被构造为使得第一膜体10和第二膜体20在彼此之上堆叠。第一膜体10包括第一介电弹性体膜11和设置在第一介电弹性体膜11的表面12上的第一电极层13。第二膜体20包括第二介电弹性体膜21和设置在第二介电弹性体膜21的表面22上的第二电极层23。如图3中所示，第一电极层13包括在第一方向x上延伸并在第二方向y上成间隔地设置的多个线状电极14。第二电极层23包括在第一方向x上延伸并在第二方向y上成间隔地设置的多个线状电极24。

在致动器7中，如图5中所示，第一膜体10和第二膜体20在彼此之上堆叠，并且第一介电弹性体膜11和第二介电弹性体膜21中的每一个被置入第一电极层13和第二电极层23之间。当电压被施加到第一电极层13和第二电极层23时，电极层13、23通过在电极层13、23之间产生的库仑力而相互吸引。然后，置入电极层13、23之间的第一介电弹性体膜11和置入电极层13、23之间的第二介电弹性体膜21每一个都弹性变形，使得第一介电弹性体膜11和第二介电弹性体膜21在膜厚度方向上被压缩。这使得第一介电弹性体膜11和第二介电弹性体膜21中的每一个都在沿着膜的表面的方向上(在表面方向上)延伸。

在第一膜体10中，第一电极层13被设置(固定)在第一介电弹性体膜11的表面12上。利用该构造，即使第一介电弹性体膜11试图在表面方向上延伸，第一电极层13也阻碍了第一介电弹性体膜11变形，虽然第一电极层13能够弹性变形。然而，如上所述，在本公开的致动器7中所包括的第一电极层13具有在第一方向x上延伸的多个线状电极14，并且线状电极14在第二方向y上成间隔地设置。因此，减轻了第一电极层13阻碍第一介电弹性体膜11在第二方向y上延伸的作用。因此，第一介电弹性体膜11在第二方向y上具有大的位移量(延伸量)。

如上所述，第二膜体20也具有减轻阻碍在第二方向y上的延伸的作用的功能。即，如上所述，第二电极层23具有在第一方向x上延伸的多个线状电极24，并且线状电极24在第二方向y上成间隔地设置。因此，第二介电弹性体膜21在第二方向上具有大的位移量(延伸量)。因此，能够获得具有大的位移量(延伸量)的致动器7。

这里，通常，随着介电弹性体膜的层数增加，电位电容增加，并且致动器的输出增加。在本公开中，为了增加层数，在第一膜体10和第二膜体20在彼此之上堆叠的同时，第一膜体10和第二膜体20被卷绕。利用该构造，能够容易地制造具有柱形状并且具有在其中第一膜体10和第二膜体20重复地在彼此之上堆叠的构造的致动器7。特别地，如图4中所示，第一膜体10和第二膜体20在堆叠状态中被卷绕，使得在其中第一膜体10和第二膜体20被卷绕的方向与第一方向x一致。第二方向y因此与沿着中心轴线c0的轴向方向一致。因此，致动器7能够在轴向方向上具有大的位移量(延伸量)，以作为来自致动器7的输出。

如上所述，第一电极层13包括：在第一方向上延伸的多个线状电极14；第一连接电极15，该第一连接电极连接在第二方向y上彼此相邻的线状电极14-1和线状电极14-2的第一端；和第二连接电极16，该第二连接电极连接在第二方向y上彼此相邻的线状电极14-1和线状电极14-3的第二端。类似于第一电极层13，第二电极层23包括：在第一方向上延伸的多个线状电极24；第一连接电极25，该第一连接电极连接在第二方向y上彼此相邻的线状电极24-1和线状电极24-2的第一端；和第二连接电极26，该第二连接电极连接在第二方向y上彼此相邻的线状电极24-1和线状电极24-3的第二端。

因此，如图3中所示，在第一介电弹性体膜11中，线状电极14以z字形布置被广泛地设置。然后，获得了以下构造，在该构造中在第二方向y上成间隔地设置的线状电极14被串联电连接。因此，沿着线状电极14的纵向方向在第一介电弹性体膜11中产生的电荷是均匀的。类似于第一介电弹性体膜11，在第二介电弹性体膜21中，线状电极24以z字形布置被广泛地设置。获得了以下构造，在该构造中在第二方向y上成间隔地设置的线状电极24被串联电连接。因此，沿着线状电极24的纵向方向在第一介电弹性体膜11中产生的电荷是均匀的。根据以上，在第一膜体10和第二膜体20中的每一个中产生了完全均匀的库仑力。因此，致动器7能够在第二方向y上以均匀并且不偏不倚的变形量变形。

图6是描述包括上述构造的致动器7的功能的图。支撑表面31、32被设置在致动器7的分别的轴向侧上，致动器7具有在其中膜体被卷绕的构造。支撑表面31、32分别是在其之间置入致动器7的第一构件和第二构件的表面。当电压被施加到电极层13、23时，致动器7在轴向方向上延伸。因此，第一构件(支撑表面31)和第二构件(支撑表面32)在轴向方向上变得彼此相对远离。当停止施加电压时，延伸的致动器7在轴向方向上被弹性恢复力压缩并重获其初始状态。

如图7中所示，多个致动器7可以被置入支撑表面31、32之间。分别的致动器7的中心轴线c0彼此平行。利用该构造，能够获得具有大推力的致动器7。

如图2中所示，致动器7在轴向方向上延伸并且在径向方向上被压缩。因此，如图8中所示，具有在其中膜体被卷绕的构造的致动器7可以变平。即，图8中所示的致动器7具有扁平形状，在其中在与第一径向方向正交的第二径向方向上的尺寸b2大于在第一径向方向上的尺寸b1。

利用该构造，如图9中所示，支撑表面31、32被设置在致动器7在第一径向方向上的分别的侧面上，致动器7具有如图8中所示的膜体被卷绕的构造。当电压被施加到电极层13、23时，致动器7在第一径向方向上被压缩。因此，第一构件(支撑表面31)和第二构件(支撑表面32)在轴向方向上相对地彼此接近。当停止施加电压时，被压缩的致动器7通过弹性恢复力而延伸并重获其初始状态。这加宽了在第一构件(支撑表面31)和第二构件(支撑表面32)之间的间隙。支撑表面31、32可以被设置在致动器7在第二径向方向上的分别的侧面上，这是与图9所示的不同的构造。

图10是示出致动器7的另一个实施例的透视图。图10示出了致动器7(第一膜体10)的一部分的分解视图。图10中所示的致动器7包括第一膜体10和第二膜体20。该构造与上述实施例的那些相同。以上实施例(例如，见图1)中的致动器7是通过卷绕膜体而构造的。作为对照，图10中所示的致动器7包括多个第一膜体10，每个第一膜体具有薄片形状，和多个第二膜体20，每个第二膜体具有薄片形状。在致动器7中，第一膜体10和第二膜体20交替地在彼此之上堆叠。第一膜体10中的第一方向x是与第二膜体20中的第一方向x相同的方向。

在第一膜体10中所包括的第一电极层13包括有多个线状电极14，该多个线状电极14在第一方向x上延伸并且在第二方向y上成间隔地设置。在第二膜体20中所包括的第二电极层23包括有多个线状电极24，该多个线状电极24在第一方向x上延伸并且在第二方向y上成间隔地设置。在第一膜体10和第二膜体20中的每一个中的每个部分的构造与如在例如图3中示出的以上实施例中描述的每个部分的构造相同。因此，将省略其描述。

图11是示出在第一膜体10中所包括的第一电极层13的修改实例的示意性视图。例如，如图3中所示，在以上实施例中的每一个中，第一电极层13具有以下构造，在该构造中电极以z字形布置被设置。在另一个方面，图11中所示的第一电极层13包括有：多个线状电极14，该多个线状电极在第一方向x上延伸并且在第二方向y上成间隔地设置；和连接电极17，该连接电极连接线状电极14在纵向方向上的端部14a。第一电极层13具有以下构造，在该构造中电极被设置成由线状电极14和连接电极17组成的梳状布置。利用该构造，即使在线状电极14中的一个线状电极中发生断连，致动器7的功能也不受损害。尽管未示出，但是第二膜体20也具有与图11中所示的第一膜体10相同的构造(电极的梳状布置)。

在以上实施例中的每一个中，第一膜体10的第一电极层13和第二膜体20的第二电极层23这两者均包括在第一方向x上延伸并在第二方向y上成间隔地设置的多个线状电极(14、24)。然而，具有包括有上述线状电极的构造的电极层可以是在第一膜体10和第二膜体20中的至少一个中所包括的电极层。即，在膜体中的一个膜体中，电极层可以以平面形状被设置在整个介电弹性体膜上。

如上所述，本公开的致动器7能够具有大的位移量(延伸量)。

在这里公开的实施例在所有方面都是示意性的而不是限制性的。本发明的范围不限于上述实施例，并且包括与在权利要求书中描述的构造等同的范围内的任何和所有的修改。