CN116134720A - 静电致动器 - Google Patents

Abstract

本发明的静电致动器(A1)具有定子(1)和动子(2)，通过在定子(1)和动子(2)之间产生由电场引起的引力和斥力来驱动，其中，定子(1)和动子(2)中的一者具有多个电容器结构(5)，各所述多个电容器结构(5)具有对置电极(51)和非对置电极(52)，定子(1)和动子(2)中的另一者具有多个对置电极(61)，由在对置电极(51)和对置电极(61)之间产生的引力和斥力来驱动。根据这样的结构，能够提供更高速且更高输出的静电致动器。

Description

静电致动器

技术领域

本发明涉及静电致动器。

背景技术

作为产生驱动力的驱动源，提出了电动机、液压缸等各种致动器。专利文献1公开了作为致动器的一个例子的静电电动机。该图所示的静电电动机具有定子和旋转元件。定子和旋转元件各自具有多个对置电极。通过分别依次切换定子的多个对置电极的极性和旋转元件的多个对置电极的极性，从而利用电极之间产生的引力和斥力使旋转元件旋转，产生作为驱动力的旋转力。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-97277号公报。

发明内容

发明要解决的问题

然而，为了提高从静电电动机获得的旋转力的转数，需要更高速地进行多个对置电极的极性的切换。此外，为了提高从静电电动机获得的旋转力的输出表，需要进一步增加多个对置电极的带电量。在现有的静电电动机中，定子和旋转元件分离设置，各自具有多个电极。定子的一个电极和旋转元件的一个电极形成一对电极，通过分离设置这些电极，从而构成电容器结构。在该结构中，难以将一对电极设为相同极性，难以利用斥力。作为解决该问题的方法，想到了通过电阻等使极性变化延迟，但是由于极性变化的延迟妨碍了高速的驱动，增加了损耗。此外，由于构成电容器的一对电极的位置关系经常变化，只能在一瞬间得到电极全部重叠的带电量最大的状态，因此难以得到较大的力。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种更高速且更高输出的静电致动器。

用于解决问题的方案

本发明提供的静电致动器具有定子和动子，通过在所述定子和所述动子之间产生由电场引起的引力和斥力来驱动，其中，所述定子和所述动子中的一者具有多个第一电容器结构，所述所述多个第一电容器结构分别具有第一对置电极和第一非对置电极，所述定子和所述动子中的另一者具有多个第二对置电极，所述静电致动器通过在所述第一对置电极和所述第二对置电极之间产生的引力和斥力来驱动。

在本发明的优选的实施方式中，所述定子和所述动子中的另一者具有多个第二电容器结构，所述多个第二电容器结构分别具有所述第二对置电极和第二非对置电极。

在本发明的优选的实施方式中，所述静电致动器具有输出驱动力的旋转轴，所述动子沿所述旋转轴的轴向观察时呈圆形，且固定在所述旋转轴，所述定子为以所述旋转轴为中心轴的圆筒形状，且设置在包围所述动子的位置，所述多个第一电容器结构和所述多个第二对置电极以所述第一对置电极与所述第二对置电极彼此对置的方式配置成以所述旋转轴为中心的圆形。

在本发明的优选的实施方式中，所述定子为在第一方向延伸得长的形状，所述动子在所述第一方向上的尺寸小于所述定子且在第二方向上与所述定子对置地配置，所述第二方向与所述第一方向呈直角，所述多个第一电容器结构和所述多个第二对置电极以所述第一对置电极与所述第二对置电极彼此对置的方式沿所述第一方向排列。

发明效果

根据本发明，能够提供一种更高速且更高输出的静电致动器。

参照附图，通过以下进行的详细说明，本发明的其他特征和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是示出本发明第一实施方式的静电致动器的示意立体图。

图2是示出本发明第一实施方式的静电致动器的剖视图。

图3的(a)是本发明第一实施方式的静电致动器的一个例子的主要部分的放大剖视图，图3的(b)是另一例子的主要部分的放大剖视图，图3的(c)是又一例子的主要部分的放大剖视图。

图4是示出使用了本发明第一实施方式的静电致动器的致动器系统的系统结构图。

图5是示出本发明第一实施方式的静电致动器的工作例的剖视图。

图6是示出本发明第一实施方式的静电致动器的工作例的剖视图。

图7是示出本发明第一实施方式的静电致动器的第一变形例的剖视图。

图8是示出使用了本发明第一实施方式的静电致动器的第一变形例的致动器系统的系统结构图。

图9是示出本发明第一实施方式的静电致动器的第二变形例的剖视图。

图10是示出使用了本发明第一实施方式的静电致动器的第二变形例的致动器系统的系统结构图。

图11是示出使用了本发明第一实施方式的静电致动器的第三变形例的致动器系统的系统结构图。

图12是示出本发明第二实施方式的静电致动器的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行具体说明。

本发明中的“第一”、“第二”、“第三”等用语仅作为标记使用，并非对这些对象物体进行排序。

<第一实施方式>

图1～图4示出了本发明第一实施方式的静电致动器。本实施方式的静电致动器A1包括定子1、动子2和受电部7。静电致动器A1是作为致动器的一个例子的电动机式的致动器，是产生旋转力的致动器。图1是示出静电致动器A1的示意立体图。图2是与后述的旋转轴21的轴向呈直角的剖面的剖视图。图3的(a)是静电致动器A1的一个例子的主要部分的放大剖视图，图3的(b)是另一例子的主要部分的放大剖视图，图3的(c)是又一例子的主要部分的放大剖视图。图4是使用了静电致动器A1的致动器系统的系统结构图。

定子1例如是固定在设置有静电致动器A1的周围部分的部位。在本实施方式中，定子1具有支承体3和多个电容器结构5。

支承体3是形成定子1的大部分外观的构件，其支承多个电容器结构5。构成支承体3的材料没有任何限定，例如可以适当地使用金属、树脂等。在本实施方式中，支承体3为圆筒形状。

多个电容器结构5彼此并排配置，在本实施方式中，在支承体3的径向内侧沿周向并排配置。如图2和图3所示，各电容器结构5具有对置电极51、非对置电极52和电介质层53。对置电极51是配置在径向内侧的电极，与动子2对置。非对置电极52配置在径向外侧，隔着对置电极51配置在与动子2相反侧。电介质层53是夹在对置电极51和非对置电极52之间的由电介质构成的层。

对置电极51和非对置电极52的材质没有任何限定，可以适当地采用金属层、含碳的层。电介质层53的材质没有任何限定，由树脂、弹性体等构成。只要是在后述的静电致动器A1的工作中能够使对置电极51和非对置电极52成为期望的状态即带电状态的结构，则电容器结构5没有任何限定。

图3放大示出了定子1和动子2的详细结构，一并标出了与定子1和动子2各自对应的附图标记。此外，在各附图中，在定子1和动子2中，图中的径向方向不同。在定子1的说明中，图3的(a)、(b)、(c)的图中的上侧为径向内侧，图中的左右方向为周向。

在图3的(a)所示的例子中，在支承体3的内周面设有绝缘层31。绝缘层31用于将支承体3和电容器结构5绝缘。另外，在支承体3由绝缘材料构成的情况下，也可以是不设置绝缘层31的结构。绝缘层31的材质没有任何限定，例如由树脂构成。电容器结构5从径向外侧起以非对置电极52、电介质层53和对置电极51的顺序层叠在绝缘层31上。在图示的例子中，电容器结构5被保护层32覆盖。保护层32除了在电容器结构5和电容器结构6之间呈带电状态之外，还用于实现电容器结构5的绝缘和保护的层。保护层32的材质没有任何限定，例如由树脂等构成。此外，保护层32优选由具有与电介质层53、63相同或其以上的介电常数的材质构成，优选由具有与绝缘层31、41相同或其以上的绝缘性的材质构成。

在图3的(b)所示的例子中，在支承体3的径向内侧设有凹部3a。凹部3a从支承体3的内周面凹陷。在凹部3a的内侧隔着绝缘层31收容有电容器结构5。电容器结构5的层叠顺序与该图的(a)相同。此外，保护层32设置为覆盖支承体3的内周面和对置电极51。

在图3的(c)所示的例子中，支承体3具有电场屏蔽部35。电场屏蔽部35由金属等能够屏蔽电场的材质构成。在图示的例子中，电场屏蔽部35具有底部351和多个壁部352。底部351设置在电容器结构5的深处(图中的下方)，在多个电容器结构5排列的方向上扩展。多个壁部352设置在相邻的电容器结构5之间，图中的下端连接在底部351。换言之，电容器结构5配置在两个壁部352之间。此外，支承体4具有与电场屏蔽部35结构相同的电场屏蔽部45。电场屏蔽部45具有与底部351和多个壁部352结构相同的底部451和多个壁部452。根据这样的结构，能够抑制可能从电容器结构5和电容器结构6产生的电场噪声向周围泄漏。另外，电场屏蔽部35和电场屏蔽部45可以接地，也可以不接地或不连接电源。

动子2是相对于定子1旋转的部位。本实施方式的动子2具有旋转轴21、支承体4和多个电容器结构6。动子2在定子1的径向内侧旋转自如。作为实现这种结构的具体结构，定子1和动子2可以是例如隔开间隙的彼此分离的结构，也可以是在彼此之间夹着油等绝缘性流体的结构。

支承体4是构成动子2的大部分外观的构件，其支承多个电容器结构6。构成支承体4的材质没有任何限定，例如可以适当地使用金属、树脂等。在本实施方式中，支承体3为圆筒形状。旋转轴21是安装在支承体4的中心且输出静电致动器A1的旋转力的轴。旋转轴21是例如由金属制成的圆棒。

多个电容器结构6彼此并排配置，在本实施方式中，在支承体4的径向内侧沿周向并排配置。如图2和图3所示，各电容器结构6具有对置电极61、非对置电极62和电介质层63。对置电极61是配置在径向外侧的电极，与定子1的对置电极51对置。非对置电极62配置在径向外侧，隔着对置电极61配置在与定子1相反侧。电介质层63是夹在对置电极61和非对置电极62之间且由电介质构成的层。

对置电极61和非对置电极62的材质没有任何限定，可以适当地采用金属层、含碳的层。电介质层63的材质没有任何限定，由树脂、弹性体等构成。只要是在后述的静电致动器A1的工作中能够使对置电极61和非对置电极62成为期望的状态即带电状态的结构，则电容器结构6没有任何限定。对置电极61和非对置电极62的厚度和电介质层63的厚度在能够保持通常的耐压的范围内，优选薄的。

在动子2的说明中，图3的(a)、(b)、(c)的图中的上侧为径向外侧，图中的左右方向为周向。该图的(a)、(b)、(c)所示的动子2的具体例子与上述的定子1的具体例子相同。绝缘层41是与绝缘层31对应的层，保护层42是与保护层32对应的层，为与保护层32相同的构成。凹部4a是与凹部3a相同的凹部，收容有电容器结构6。

另外，在本实施方式中，定子1具有多个电容器结构5，动子2具有多个电容器结构6。因此，电容器结构5和电容器结构6中的一者相当于本发明的第一电容器结构，另一者相当于第二电容器结构。

如图2和图4所示，受电部7用于从外部向动子2的多个电容器结构6施加电压。受电部7具有多个滑动端子71。多个滑动端子71用于在动子2相对于定子1旋转的状态下，例如与设置在动子2的多个滑动端子22相互滑动的同时分别维持导通。作为这样的多个受电部7和多个滑动端子22，能够适当地采用现有公知的各种结构，作为其的一个例子，可以举出碳刷。

如图4所示，在使用了静电致动器A1的致动器系统中，使用了控制部8。控制部8例如具有定子控制部81和动子控制部82。此外，为了通过定子控制部81和动子控制部82进行多个电容器结构5和多个电容器结构6的极性切换控制(开关性控制)，可以适当具有检测动子2的旋转角的旋转编码器(未图示)等检测设备。另外，定子控制部81和动子控制部82可以构成为彼此独立的控制模块，也可以在一个控制部8中，分别由承担彼此应发挥的功能的电路部分构成。无论哪种结构，都优选定子控制部81和动子控制部82通过接地到共同的地线等来使彼此的电位基准一致。

定子控制部81分别与多个电容器结构5的各个对置电极51和非反电极52连接。定子控制部81能够适当变更设定各电容器结构5的对置电极51和非对置电极52的带电状态，构成为适当具有例如电源部、变压部、开关部、控制部(CPU、微型计算机等)、存储器等。

动子控制部82经由受电部7(多个滑动端子71)和多个滑动端子22分别与多个电容器结构6的各个对置电极61和非对置电极62连接。动子控制部82能够适当变更设定各电容器结构6的对置电极61和非对置电极62的带电状态，构成为适当具有例如电源部、变压部、开关部、控制部(CPU、微型计算机等)、存储器等。

另外，通过具有定子控制部81和动子控制部82，除了构成为能够自由地设定多个电容器结构5和多个电容器结构6各自的每一个的极性，还可以构成为能够自由地设定多个电容器结构5和多个电容器结构6中任一者的每一个的极性。

接着，参照图5和图6，对静电致动器A1的工作例进行说明。

在图5中，通过上述的定子控制部81，定子1的多个电容器结构5的相邻的电容器结构的极性被设定为彼此相反。即，某个对置电极51设定为﹢极，与之相邻的对置电极51设定为﹣极。另一方面，通过动子控制部82，动子2的多个电容器结构6的相邻的电容器结构的极性被设定为彼此相反。即，某个对置电极61设定为﹢极，与之相邻的对置电极61设定为﹣极。并且，与设定为﹢极的对置电极51在径向上相向的对置电极61被设定为﹣极，与设定为﹣极的对置电极51在径向上相向的对置电极61被设定为﹢极。由此，在彼此相向的多个电容器结构5的对置电极51和多个电容器结构6的对置电极61之间产生斥力。此外，在周向相邻的对置电极51和对置电极61之间产生引力。

例如，在图5中，产生了动子2相对于定子1在图中逆时针方向些许移动的状态。于是，通过上述的多个对置电极51和多个对置电极61之间的斥力和引力，产生使动子2逆时针旋转的驱动力。由此，动子2向逆时针方向旋转，成为图6所示的状态。当该旋转进一步进行时，图5中在周向相邻的对置电极51和对置电极61成为最接近且彼此相向的位置关系。例如，当对置电极51在周向上些许经过极性不同的对置电极61(被引力所吸引的对置电极61)时，使多个电容器结构5和多个电容器结构6中任一者的极性反转。由此，在彼此相向的对置电极51和对置电极61之间产生斥力，成为与图5类似的状态。之后，通过重复上述的控制，能够使动子2旋转，从旋转轴21输出旋转力。另一方面，在使旋转的动子2停止的情况下，例如，可以停止定子控制部81和动子控制部82的极性切换控制。

接着，对静电致动器A1的作用进行说明。

根据本实施方式，多个电容器结构5为隔着电介质层53配置对置电极51和非对置电极52的结构。因此，如果将对置电极51和非对置电极52设为彼此极性相反，则会维持彼此的带电状态。因此，在图5、图6所示的旋转控制中，不需要为了将任意的对置电极51设为任意的极性，而从定子控制部81持续施加电压等处理。此外，与使单一的对置电极51在任一极性带电相比，将构成电容器结构5的对置电极51和非对置电极52设为彼此极性相反的带电处理能够更顺畅地进行。此外，在相同极性的对置电极61接近对置电极51的情况下，假设对置电极51是没有构成电容器结构的单纯的电极的情况下，由于来自对置电极61的带电作用，结果产生了使对置电极51与对置电极61极性相反那样的带电作用。在本实施方式中，对置电极51隔着电介质层53与非对置电极52成对地构成电容器结构5。因此，能够有效地抑制与对置电极51相向的对置电极61的带电作用。因此，根据静电致动器A1，能够提供更高速且更高输出的致动器。

此外，在本实施方式中，动子2具有多个电容器结构6，定子1和动子2两者均设有电容器结构。由此，当使对置电极61带电为期望的极性时，能够像上述那样更顺畅地带电。此外，能够将对置电极61的带电状态维持在更强的状态。因此，能够进一步促进致动器的高速化和高输出化。

图6～图9示出了本发明的变形例和其他实施方式。另外，在这些图中，对与上述实施方式相同或相似的要素标注与上述实施方式相同的附图标记。

<第一实施方式第一变形例>

图7和图8示出了静电致动器A1的第一变形例。在本变形例的静电致动器A11中，定子1具有多个电容器结构5，动子2具有多个对置电极61。

动子2具有沿周向排列的多个对置电极61，但不具有构成电容器结构的电极(上述的例子中的非对置电极62)。因此，在本变形例中，电容器结构5相当于本发明的第一电容器结构，对置电极51相当于本发明的第一对置电极，非对置电极52相当于本发明的第一非对置电极，对置电极61相当于本发明的第二对置电极。

根据本变形例，通过定子1具有多个电容器结构5，从而也能够实现上述的高速化和高输出化。此外，由本变形例可理解地，本发明不限于具有电容器结构5和电容器结构6两者的结构。

<第一实施方式第二变形例>

图9和图10示出了静电致动器A1的第二变形例。在本变形例的静电致动器A12中，动子2具有多个电容器结构6，定子1具有多个对置电极51。

定子1具有沿周向排列的多个对置电极51，但不具有构成电容器结构的电极(上述的例子中的非对置电极52)。因此，在本变形例中，电容器结构6相当于本发明的第一电容器结构，对置电极61相当于本发明的第一对置电极，非对置电极62相当于本发明的第一非对置电极，对置电极51相当于本发明的第二对置电极。

根据本变形例，通过定子1具有多个电容器结构5，从而也能够实现上述的高速化和高输出化。此外，由本变形例可理解地，本发明的定子1和动子2中的任一者可以不具有电容器结构。

<第一实施方式第三变形例>

图11示出了静电致动器A1的第三变形例。本变形例的静电致动器A13具有例如图2所示的剖面结构，但是多个电容器结构6的极性被统一设定。即，在动子2中，多个电容器结构6的对置电极61彼此相互连接，多个电容器结构6的非对置电极62彼此相互连接。因此，滑动端子22和滑动端子71各设有两个。

即使是这种变形例，也能够通过检测定子1和动子2的相对旋转角度并根据该旋转角度控制多个电容器结构5的极性，驱动控制静电致动器A13。此外，通过统一设定多个电容器结构6的极性，能够减少滑动端子22和滑动端子71的个数。另外，也可以是统一设定多个电容器结构5的极性的结构来代替本变形例。

<第二实施方式>

图12示出了本发明的第二实施方式。本实施方式的静电致动器A2构成为所谓的线性致动器。

定子1的支承体3具有在图中的左右方向延伸的形状。多个电容器结构5沿支承体3的图中的上表面在图中的左右方向排列。

动子2例如可滑动地由未图示的轨道构件等支承，相对于定子1在图中的左右方向自由移动。动子2的支承体4的左右方向尺寸小于支承体3。此外，电容器结构6的个数小于多个电容器结构5的个数。在图示的例子中，电容器结构6的个数是两个，但可以是一个，也可以是三个以上。

在静电致动器A2中，能够通过例如上述的定子控制部81和动子控制部82切换控制多个电容器结构5和多个电容器结构6的极性，使动子2相对于定子1在图中左右方向移动。由此，静电致动器A2能够通过动子2输出沿图中的左右方向的驱动力。

另外，作为静电致动器A2的变形例，在静电致动器A2中也可以适当地采用不具有图7和图8所示例的非对置电极62的结构、不具有图9和图10所示例的非对置电极52的结构、或者图11所示的结构。

根据本实施方式，也能够实现静电致动器A2的高速化和高输出化。此外，由本实施方式可知，本发明的静电致动器的具体方式没有任何限定。

本发明的静电致动器不限于上述的实施方式。本发明的静电致动器的各部分的具体结构可以能够任意地进行各种设计变更。

Claims (4)

1.一种静电致动器，具有定子和动子，

所述静电致动器通过在所述定子和所述动子之间产生由电场引起的引力和斥力来驱动，其中，

所述定子和所述动子中的一者具有多个第一电容器结构，所述多个第一电容器结构分别具有第一对置电极和第一非对置电极，

所述定子和所述动子中的另一者具有多个第二对置电极，

所述静电致动器通过在所述第一对置电极和所述第二对置电极之间产生的引力和斥力来驱动。

2.根据权利要求1所述的静电致动器，其中，

所述定子和所述动子中的另一者具有多个第二电容器结构，所述多个第二电容器结构分别具有所述第二对置电极和第二非对置电极。

3.根据权利要求1或2所述的静电致动器，其中，

具有输出驱动力的旋转轴，

所述动子在沿所述旋转轴的轴向观察时呈圆形，且固定在所述旋转轴，

所述定子为以所述旋转轴为中心轴的圆筒形状，且设置在包围所述动子的位置，

所述多个第一电容器结构和所述多个第二对置电极以所述第一对置电极与所述第二对置电极彼此对置的方式配置成以所述旋转轴为中心的圆形。

4.根据权利要求1或2所述的静电致动器，其中，

所述定子为在第一方向延伸得长的形状，

所述动子在所述第一方向上的尺寸小于所述定子且在第二方向上与所述定子对置地配置，所述第二方向与所述第一方向呈直角，

所述多个第一电容器结构和所述多个第二对置电极以所述第一对置电极与所述第二对置电极彼此对置的方式沿所述第一方向排列。

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