JP2007252038A - 静電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】２つの極板の距離が均一になるように設置でき、安定した駆動力を得ることができる静電アクチュエータを提供する。
【解決手段】らせん状の同形状に形成した極板１１，１２を、交互に２重らせん状に、かつ、全長にわたって等間隔になるように配置することにより、極板１１，１２間に働く静電力を全長にわたって均一にし、さらに、絶縁性を有する弾性体を、円筒状に形成したスリーブ３０を用いて、極板１１，１２の外縁部を保持した。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電力によって駆動する静電アクチュエータに関するものである。

従来、絶縁された２枚の極板を、重ね合わせるように折り込んで積層し、電圧をかけたときに、両極板に発生する静電力を、駆動力として利用する静電アクチュエータがあった（例えば、非特許文献１）。
しかし、このアクチュエータは、自重により極板が変形するために、上層に至る程、極板間の隙間が徐々に大きくなるために、静電力が低下し、安定した駆動力を得られないという問題がある。
一方、極板間の隙間を安定させるためには、極板の硬度を向上させて、極板の形状維持を図ることが考えられるが、この場合、極板自身の弾性力によって伸縮率が低下し、駆動ストロークが減少してしまうという問題がある。
"静電アクチュエータ"、東京工業大学 実吉研究室、［online］、［平成１８年２月７日検索］、インターネット＜URL http://www.ric.titech.ac.jp/saneken/actuater.html＞

本発明の課題は、２つの極板の距離が均一になるように設置でき、安定した駆動力を得ることができる静電アクチュエータを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、異なる導電性部材に電圧が印加されることにより発生する静電力を駆動力として利用する静電アクチュエータであって、らせん状に形成され、所定の方向（Ｚ，Ｚ１）に伸縮可能な第１導電性部材（１１）と、らせん状に形成され、前記所定の方向（Ｚ，Ｚ２）に伸縮可能であり、前記第１導電部材（１１）と交互に、２重らせん状に配置された第２導電性部材（１２）と、前記第１及び第２導電性部材（１１，１２）を前記所定の方向（Ｚ，Ｚ２）に伸縮可能に、前記第１及び第２導電性部材（１１，１２）間に間隙を設けるように保持する保持部材（３０，１３０）と、を備えた静電アクチュエータである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の静電アクチュエータにおいて、前記第１及び第２導電性部材（１１，１２）は、同形状であり、前記第１及び第２導電性部材（１１，１２）間のらせん軸（Ｚ，Ｚ２）に沿った方向の距離が、全長にわたって等間隔になるように配置されていること、を特徴とする静電アクチュエータである。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の静電アクチュエータにおいて、前記第１及び第２導電性部材（１１，１２）は、らせん状に形成された板状部材（１１，１２）であること、を特徴とする静電アクチュエータである。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、前記保持部材（３０，１３０）は、前記第１及び第２導電性部材（１１，１２）を、前記第１及び第２導電性部材（１１，１２）の外縁部から覆うように保持すること、を特徴とする静電アクチュエータである。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４でのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、前記保持部材（３０，１３０）は、弾性体から形成されること、を特徴とする静電アクチュエータである。
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、直流電源（４１）から前記第１及び第２導電性部材（１１，１２）に電圧を印加し、前記第１及び第２導電性部材（１１，１２）に蓄えられた電荷の量に応じて、前記第１及び第２導電性部材（１１，１２）の伸縮量を制御する制御部を備えること、を特徴とする静電アクチュエータである。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本発明は、らせん状に形成された第１及び第２導電性部材が、交互になるように配置され、保持部材により保持されているので、第１及び第２導電性部材間の距離を、全長にわたって均一な距離にすることができ、また、自重による変形を防止することができるので、安定した駆動力を得ることができる。さらに、静電力がらせん軸方向に、全長にわって連続して働くため、大きな駆動力を得ることができる。

（２）本発明は、第１及び第２導電性部材間の距離が、全長にわたって等間隔であるので、極板間に働く静電力を、全長にわたって均一にし、さらに安定した駆動力を得ることができる。

（３）本発明は、第１及び第２導電性部材が板状部材であるので、面積が大きい面同士が対向するように配置して、この面同士間に静電力を発生させることができるので、大きな駆動力を得ることができる。

（４）本発明は、保持部材が第１及び第２導電性部材の外縁部を保持するので、外部から導電体が接触した場合に、第１及び第２導電性部材間の短絡防止をすることができる。

（５）本発明は、保持部材が弾性体から形成されるので、外部からの衝撃があった場合に、衝撃を吸収することができる。

（６）本発明は、制御部が、直流電源から第１及び第２導電性部材に電圧を印加し、蓄えられた電荷の量に応じて、第１及び第２導電性部材の伸縮量を制御するので、電圧の印加を停止しても伸縮量が変わらず、省電力で駆動することができる。

本発明は、２つの極板の距離が均一になるように設置でき、安定した駆動力を得ることができる静電アクチュエータを提供するという目的を、らせん状の同形状に形成した２つの極板を、交互に２重らせん状に、かつ、全長にわたって等間隔になるように配置することにより、極板間に働く静電力を全長にわたって均一にし、さらに、絶縁性を有する弾性体を円筒状に形成したスリーブを用いて、２つの極板の外縁部を保持することによって実現した。

以下、図面等を参照して、本発明の静電アクチュエータの実施例１をあげて、さらに詳しく説明する。
図１（ａ）、図１（ｂ）は、本実施例の静電アクチュエータ１の極板１１，１２（導電性部材）の正面図、図１（ｃ）は、静電アクチュエータ１の正面図である。図２は、極板１１，１２を組み合わせた状態の斜視図である。図３は、極板１１，１２のらせん軸Ｚ（所定の軸）を通る面による縦断面図（図２のIII−III部矢視断面図）である。
図１（ｃ）に示すように、静電アクチュエータ１は、極板１１（第１導電性部材）と、極板１２（第２導電性部材）と、端子２１，２２と、スリーブ３０（保持部材）とを備えている。
極板１１，１２は、図１（ａ）、図１（ｂ）、図２に示すように、導電性を有する材料（例えば、りん青銅等）により形成された、らせん状の板状部材である。極板１１，１２の強度は、これら自体である程度、形状維持が可能な剛性（例えば、自重により変形しない程度）を備えていてもよいが、後述するように、スリーブ３０と一体になったときに、静電アクチュエータ１全体としての強度を持たせるようにした方が好適である。極板１１，１２は、リードＬ（らせん軸Ｚ回りにひとまわりしたときに進む距離）が一定の長さなるように形成されている。

極板１１，１２は、リードＬが一定であるので、図１（ｃ）、図２に示すように、ピッチＰが全長にわたって一定なるように２重らせん状に配置することにより、極板１１，１２間の距離を、全長にわたって均一にすることができる。また、極板１１，１２は、板状部材であり、その縦断面の形状は、図３に示すように、径方向（矢印Ｒ方向）の長さｄ１が、らせん軸Ｚ方向（らせん軸Ｚに沿った方向）の長さｄ２よりも大きい。このため、極板１１，１２は、配置されたときに、面積が大きい面同士が対向する。このように、極板１１，１２は、表面同士が、全長にわたって等間隔に対向配置されることにより、大きな静電力を全長にわたって連続して発生させることができる。これより、静電アクチュエータ１は、大きな駆動力、十分な伸縮量を得ることができる。
極板１１，１２の大きさは、静電アクチュエータ１の用途によって異なる。後述するように、静電力によって、極板間の距離が変化すればよいので、例えば、直径又はらせん軸方向の長さが１ｍｍ以下の小型のものから、５０ｍｍ程度の大型のものまで可能である。
端子２１，２２は、直流電源４１（後述する）に接続されたケーブルを、極板１１，１２に接続するための部材であり、極板１１，１２の終端部に設けられている。

スリーブ３０は、図１（ｃ）に示すように、極板１１，１２をらせん軸Ｚ方向に伸縮可能に保持し、また、極板１１，１２間に間隙を設けるための円筒状の部材である（図中、スリーブ３０は、断面で示す。）。スリーブ３０は、その内径が極板１１，１２の直径とほぼ等しく、その内周面に、極板１１，１２の外縁部が、接着材３１を用いて固定（保持）されているので、極板１１，１２間の間隙を確保することができる。スリーブ３０は、絶縁性を有し、適度な弾性を有する弾性体（例えば、シリコンゴム等の高分子材料等）から形成されるので、極板１１，１２を伸縮可能に保持することができる。また、スリーブ３０は、外部から導電体が接触した場合に、極板１１，１２が短絡することを防止する絶縁保護部材として機能し、また、静電アクチュエータ１に外部から衝撃があった場合に、この衝撃を吸収する衝撃吸収部材として機能する。

スリーブ３０は、静電アクチュエータ１の形状維持に必要な強度が、極板１１，１２だけでは不足であるので、その不足分を補っている。これにより、極板１１，１２は、静電アクチュエータ１の駆動力を得る部材として、十分に機能することができる。すなわち、静電アクチュエータ１の形状維持のための十分な強度を、極板１１，１２に持たせた場合、極板１１，１２は、その弾性力により移動量が低下し、静電アクチュエータ１は、駆動ストロークが小さくなってしまう。しかし、本実施例の極板１１，１２は、そのような強度は必要なく、駆動力を得る部材として、特化することができる。

また、静電アクチュエータ１は、駆動力を得る部材として極板１１，１２を備え、強度を得る部材としてスリーブ３０を備えることにより、その駆動力、駆動ストローク等の調整作業を簡便にすることができる。すなわち、静電アクチュエータ１は、駆動力の調整を、極板１１，１２の形状、材料等の調整により行い、また、強度の調整を、スリーブ３０の形状、材料等の調整により行うことができるので、駆動力、強度を別々に調整することができる。これに対し、極板を駆動力、強度の両方を得る部材として用いる場合、強度を補強するために、極板の厚みやリード等を調整すると、駆動力、駆動ストロークが大きく変化してしまう場合がある。つまり、駆動力と強度との関係を常に考慮しながら、極板の形状を調整する必要があり、調整作業が煩雑となってしまうが、静電アクチュエータ１は、駆動力、強度を別々に調整可能なので、調整作業を簡便に行うことができる。

さらに、静電アクチュエータ１は、スリーブ３０により補強されているので、らせん軸Ｚが鉛直方向になるように配置されても、自重による変形を防止することができる。これにより、全長にわたってピッチＰを均一にし、全長にわたって均一な静電力を発生させることができる。

次に、静電アクチュエータ１の動作について説明する。
図４は、本実施例の静電アクチュエータ１の動作を示す図であり、図４（ａ）は、標準の状態、図４（ｂ）は、縮んだ状態、図４（ｃ）は、伸びた状態を示す図である。
図４（ａ）に示すように、静電アクチュエータ１は、端子２１，２２が、ケーブル４１により短絡されＧｎｄに接続された状態では、極板１１，１２が同電位となり、極板１１，１２間に静電力が働かないため、ピッチＰを保った標準の状態となる。

図４（ｂ）に示すように、端子２１が直流電源４１のマイナス端子に電気的に接続されると、極板１１には、マイナスの電荷が蓄えられ、一方、端子２２が直流電源４１のプラス端子に電気的に接続されると、極板１２には、プラスの電荷が蓄えられる。そして、極板１１，１２間には、静電力による引力が発生し、極板１１，１２間の距離が小さくなり、極板１１，１２は、全長が小さくなる。このとき、極板１１，１２は、スリーブ３０に保持され、そのピッチＰが全長にわたって等しいため、引力が全長にわたって等しい。すなわち、図３に示すように、極板１１が上下の極板１２を引きよせる力Ｆ１，Ｆ２と、極板１２が上下の極板１２を引き寄せる力Ｆ３，Ｆ４とは、全て等しく、さらに、これらが静電アクチュエータ１の全長にわたって等しい。これにより、静電アクチュエータ１は、安定した駆動力を得ることができる。

図４（ｂ）に示すように、極板１１，１２が縮むと、これにともなって、静電アクチュエータ１は、縮んで、らせん軸Ｚ方向の長さが短くなる。極板１１，１２は、スリーブ３０によって保持されており、極板１１，１２間には、間隙が設けられているので、十分に縮むことができる。また、スリーブ３０は、弾性体であるので、波状に変形し、極板１１，１２の外縁部に追従して縮むことができる。
なお、電極の極性を逆にして、極板１１にプラスの電荷、極板１２にマイナスの電荷が蓄えられた場合にも、極板１１，１２間には、同様に引力が働き、静電アクチュエータ１は、縮むことができる。

図４（ｃ）に示すように、静電アクチュエータ１は、端子２１，２２が直流電源４１のマイナス端子に電気的に接続されると、極板１１，１２にマイナスの電荷が蓄えられ、極板１１，１２間には、静電力により斥力が発生し、極板１１，１２は、伸びる。これにともなって、静電アクチュエータ１は、伸びて、らせん軸Ｚ方向の長さが長くなる。スリーブ３０は、弾性体であるので、極板１１，１２の外縁部に追従して伸びる。
このとき、静電アクチュエータ１は、縮むときと同様に、極板１１，１２に発生する斥力が全長にわたって等しく、安定した駆動力を得ることができる。
また、静電アクチュエータ１は、極板１１，２１がらせん状に形成されているので、仮に何らかの理由で、リードＬにばらつきが生じても、まず、極板１１，２１が接近している箇所から極板１１，２１同士の接近又は反発が始まり、徐々に極板１１，２１全体に及び、最終的に全体が伸縮することが可能となる。
なお、極板１１，１２にプラスの電荷が蓄えられた場合にも、同様に、極板１１，１２間に静電力による斥力が働き、静電アクチュエータ１は、伸びる。

また、静電アクチュエータ１は、電圧駆動であり電流消費が少ないため、省電力で駆動することができる。さらに、直流電源４１から極板１１，１２に印加される電圧を制御する制御部（図示せず）を設け、極板１１，１２に蓄えられた電荷の量に応じて、極板１１，１２の伸縮量を制御してもよい。静電力は、極板に電荷が蓄えられている限り働くという性質を有するので、この制御部が、極板１１，１２に蓄えられた電荷の量に応じて、電圧の印加を停止しても、極板１１，１２の伸縮量が変わらず、さらに省電力で駆動することができる。

静電アクチュエータ１の駆動ストロークは、例えば、極板１１，１２のらせんの内径１０ｍｍ、外径５０ｍｍ、間隔（ピッチＰ）３００μｍ、全長２ｍｍ、３巻き、印加電圧が５００Ｖのとき、０．０１Ｎ程度である。

以上説明したように、本実施例の静電アクチュエータ１は、極板１１（第１導電部材）と極板１２（第２導電性部材）とが、らせん状に形成され、交互になるように配置され、全長にわたって等間隔であり、さらに、スリーブ３０（保持部材）により保持されている。これにより、静電アクチュエータ１は、極板１１，１２間の距離を、全長にわたって均一にし、極板１１，１２間に働く静電力を、全長にわたって均一にできるので、安定した駆動力を得ることができる。

また、静電アクチュエータ１は、極板１１，１２の面積が大きい面同士が対向するように配置して、この面同士間に全長にわたって連続して静電力を発生させることができるので、大きな駆動力、十分な伸縮量を得ることができる。
さらに、静電アクチュエータ１は、スリーブ３０を備えているので、外部からの衝撃を吸収することができると同時に、駆動力、強度の調整を簡便に行うことができる。

次に、本発明を適用した静電アクチュエータの実施例２について説明する。
実施例２の静電アクチュエータ１０１は、ロボットのアームを駆動するためのものである。
なお、以下の説明において、前述した実施例１と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を末尾に付して、重複する説明を適宜省略する。
図５は、本実施例の静電アクチュエータ１０１とこれを取り付けたロボット１００を示す図である。
図５に示すように、ロボット１００は、基部１０２に、第１アーム１０３が固定されており、第１アーム１０３の先端に、第２アーム１０４が軸Ｘを中心に回転可能に設けられている。第２アーム１０４の一端には、対象物を把持するためのハンド１０５が設けられている。第１アーム１０３、第２アーム１０４の全長は、ともに、約３００ｍｍ程度である。

静電アクチュエータ１０１は、スリーブ１３０内に、実施例１と同様な極板が収容されており、らせん軸Ｚ２が、第１アーム１０３の長手方向になるように配置される。また、静電アクチュエータ１０１は、スリーブ１３０の両端部に、ロッド１３１，１３２が、設けられている。ロッド１３１，１３２の軸方向は、らせん軸Ｚ２と同軸である。ロッド１３１の先端は、基部１０２に回転可能に接続され、ロッド１３２の先端は、第２アーム１０４のハンド１０５とは反対側に設けられた取り付け孔１０４ａに、回転可能に接続される。静電アクチュエータ１０１の全長は、約２００ｍｍ程度である。

ロボット１００及び静電アクチュエータ１０１の動作を説明する。
スリーブ１３０内の極板に、実施例１と同様に電源（図示せず）から電圧が供給されると、静電アクチュエータ１０１は、らせん軸方向に伸縮し（矢印Ｚ３参照）、ロッド１３１，１３２がらせん軸方向に移動する。これともない、ロボット１００の第２アーム１０４は、軸Ｘを中心に矢印θ２方向に回転することができる。

以上説明したように、本実施例の静電アクチュエータ１０１は、ロボット１００の第２アーム１０４を、軸Ｘを中心に回転駆動することができる。つまり、静電アクチュエータ１０１は、機械を駆動する駆動源として、用いることができる。

本発明による静電アクチュエータ及び極板の実施例１の正面図である。 実施例１の極板を組み合わせた状態の斜視図である。 実施例１の極板の縦断面図である。 実施例１の静電アクチュエータの動作を示す図である。 本発明による静電アクチュエータの実施例２を取り付けたロボットを示す図である。

符号の説明

１，１０１ 静電アクチュエータ
１１，１２ 極板
２１，２２ 端子
３０，１３０ スリーブ
１００ ロボット
１０３ 第１アーム
１０４ 第２アーム
１３１，１３２ ロッド
Ｌ リード
Ｐ ピッチ
Ｚ，Ｚ２ らせん軸

Claims (6)

1. 異なる導電性部材に電圧が印加されることにより発生する静電力を駆動力として利用する静電アクチュエータであって、
   らせん状に形成され、所定の方向に伸縮可能な第１導電性部材と、
   らせん状に形成され、前記所定の方向に伸縮可能であり、前記第１導電部材と交互に、２重らせん状に配置された第２導電性部材と、
   前記第１及び第２導電性部材を前記所定の方向に伸縮可能に、前記第１及び第２導電性部材間に間隙を設けるように保持する保持部材と、
   を備えた静電アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の静電アクチュエータにおいて、
   前記第１及び第２導電性部材は、同形状であり、前記第１及び第２導電性部材間のらせん軸に沿った方向の距離が、全長にわたって等間隔になるように配置されていること、
   を特徴とする静電アクチュエータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の静電アクチュエータにおいて、
   前記第１及び第２導電性部材は、らせん状に形成された板状部材であること、
   を特徴とする静電アクチュエータ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、
   前記保持部材は、前記第１及び第２導電性部材を、前記第１及び第２導電性部材の外縁部から覆うように保持すること、
   を特徴とする静電アクチュエータ。
5. 請求項１から請求項４でのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、
   前記保持部材は、弾性体から形成されること、
   を特徴とする静電アクチュエータ。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、
   直流電源から前記第１及び第２導電性部材に電圧を印加し、前記第１及び第２導電性部材に蓄えられた電荷の量に応じて、前記第１及び第２導電性部材の伸縮量を制御する制御部を備えること、
   を特徴とする静電アクチュエータ。
   
   

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