JP2647113B2 - 静電アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、静電力を利用して物体を移動させるように
した静電アクチュエータ、特には産業用ロボット、精密
機械、自動車用機器部品、家庭電化製品、オフィスオー
トメーション機器、医療機器等の機構部分の駆動に利用
される静電アクチュエータに関するものである。

（従来の技術） 従来より、産業用ロボット、精密機械、自動車用機器
部品、家庭電化製品、オフィスオートメーション機器、
医療機器等の機構部分の駆動には、サーボモータ、リニ
アモータ、ステッピングモータ等の磁気式のアクチュエ
ータが使用されており、上記機構部分の駆動を静電アク
チュエータにより行なうものは、まだ実用化の端緒につ
いたばかりである。

（発明が解決しようとする課題） 近年においては、上述のような機構部分を駆動するた
めのアクチュエータの高出力密度化、駆動パターンの複
雑化及び微少変位の制御を必要とする技術需要が増えつ
つある。しかしながら、従来の磁気アクチュエータで
は、このような技術的要望を全て満足することは困難で
ある。これに対して、上記のような要望を満足させる可
能性があるものとしては、出力／重量比が磁気アクチュ
エータに比べて大きくなるという利点がある静電アクチ
ュエータが考えられるが、実用に耐え得るような静電ア
クチュエータは出現していない。即ち、静電力は、μｍ
オーダーからnmオーダーの微少なスケールで電磁力より
有効となるものであり、従って、静電アクチュエータの
基本単位は極めて微少なものとならざるを得ない。この
ため、静電アクチュエータは、出力／重量比が大きくな
るという利点があるものの、その出力の絶対値は通常の
磁気アクチュエータに比べて大幅に劣るものになり、こ
れが実用化の障害となっている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その
目的は、出力制御の分解能低下を来たすことなく高出力
密度化を実現し得ると共に、位置制御の分解能低下を来
たすことなく小変位から大変位に渡っての微少変位の制
御を行なうことも可能となり、しかも負荷の移動軌跡が
曲線状となるような複雑な駆動パターンにも十分対処で
きるようになる等の効果を奏する静電アクチュエータを
提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明による静電アクチュエータは、互いに対向され
た対をなす電極を支持するための一対の電極支持体の両
端部をそれぞれ異なる弾性係数を有する連結部材を介し
て連結して構成され、各電極間の距離がこれらに電圧が
印加されるのに応じて変化する単位静電アクチュエータ
を複数個設けて、これら複数個の単位静電アクチュエー
タを、前記電極の変位方向が一致するように積層する構
成とした上で、前記複数の単位静電アクチュエータの各
電極に対して電圧を印加することによってそれらの電極
間距離を任意に変化させるスイッチング回路を設ける構
成としたものである。

（作用） 複数個の単位静電アクチュエータは、それぞれが有す
る対をなす電極の変位方向が一致するように積層されて
いるから、スイッチング回路によって、各単位静電アク
チュエータの電極に対して電圧を印加することによって
それらの電極間距離を変化させた場合には、最上層及び
最下層の各単位静電アクチュエータが有する電極間の距
離の変化量は、各単位静電アクチュエータ個々の電極間
距離の変化量の合計となって大きくなる。この場合、上
記対をなす電極を支持する電極支持体は、その両端部が
それぞれ異なる弾性係数を有する連結部材を介して連結
されているから、電極は互いに非平行状態となるように
変位する。

このため、例えば、最下層の単位静電アクチュエータ
を固定状態とし、且つ他の単位静電アクチュエータを自
由移動可能な状態に配置すると共に、最上層の単位静電
アクチュエータに対して負荷を連結しておけば、その負
荷を大きく移動させることができるものである。しか
も、このときの負荷の移動軌跡は曲線状になるから、複
雑な駆動パターンにも対処できるようになる。

また、各単位静電アクチュエータを上記のように配置
した状態では、各単位静電アクチュエータに対する電圧
印加状態を選択することによって、最上層の単位静電ア
クチュエータの電極の移動位置を、微少変位から大変位
に渡って精度良く制御することが可能となる。さらに、
各単位静電アクチュエータを積層したものを複数列設け
た場合、これら各列の単位静電アクチュエータを同時に
駆動することによって大きな推力を得ることができ、以
て高出力密度化を達成できる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら
説明するに、まず、この実施例で使用する単位静電アク
チュエータの基本的な構造例を、第２図に基づいて述べ
る。

即ち、第２図に示された単位静電アクチュエータ１に
おいて、電極支持体２、２は、比較的高い剛性を有する
材料にて長尺な矩形板状に形成されている。上記電極支
持体２、２は、各両端部がそれぞれ異なる弾性係数を有
する半円弧状の板ばね製スペーサ３及び４（本発明でい
う連結部材に相当）を介して連結され、以て互いに所定
間隔を存して平行するように配置されている。尚、この
場合、スペーサ３の弾性係数がスペーサ４の弾性係数よ
り小さくなるように設定されており、それらスペーサ３
及び４の材料としては、通常のばねの他に、圧縮流体、
ゴム弾性を有する高分子物質等を利用することができ
る。

そして、上記電極支持体２、２には、対をなす電極５
及び６が互いに対面する状態でそれぞれ固着されてい
る。

上記のように構成された単位静電アクチュエータ１に
おいて、電極５及び６間に、直流電源７の電圧をスイッ
チ８を通じて印加し、以てこれら電極５及び６で構成さ
れるコンデンサを充電すると、電極５及び６間に吸引力
が発生して、電極支持体２、２を互いに近付けようとす
る力が作用する。このとき、両電極５及び６が設けられ
た各電極支持体２は、比較的剛性が高いと共に、それら
の両端が弾性係数の異なる板ばね製スペーサ３及び４を
介して連結されているから、第２図（ｂ）に示すよう
に、上記各電極支持体１は、弾性係数の小なるスペーサ
３のみが大きく屈曲変形し、これに伴い電極５及び６と
共に互いに非平行状態となるように変位する。

そして、斯様に電極支持体２、２等を変位させる力
は、電極５及び６間の吸引力（静電力）とスペーサ３及
び４の屈曲変形に伴う弾性反発力が均衡するまで作用す
る。この場合、両電極５及び６間の距離は、前記コンデ
ンサに蓄えられる静電エネルギの大きさ、ひいては電極
５及び６間に対する電圧印加時間に応じた量だけ変化す
るものであり、従って電極５及び６間の距離を、その電
極５及び６間に対する電圧印加時間によって制御するこ
とができる。

また、スイッチ８によって電極５及び６間を短絡した
ときには、電極５及び６で構成されるコンデンサに蓄え
られた静電エネルギが放出されて電極５及び６間の吸引
力が消失するため、各電極支持体２は、スペーサ３及び
４の弾性反発力によって第２図（ａ）に示す原位置に戻
るようになる。

しかして、一般的に、静電アクチュエータが磁気アク
チュエータに対して有利になるのは、その大きさ、特に
電極間距離等がμｍからサブμｍのオーダーの領域に制
御できた場合である。このような値を実現するには、材
料力学的な面及び加工技術的な面からの影響で、静電ア
クチュエータの基本長さや面積等の寸法に大きな制約を
受けることになる。このため一つの静電アクチュエータ
が出力できる推力やストロークに上限ができることが避
けられず、通常の磁気アクチュエータが使用されている
出力領域では、従来の静電アクチュエータは全く使用不
可能である。そこで、一つの単位静電アクチュエータの
寸法を小さいままにすることにより材料力学的制約及び
加工技術的制約を受けないようにし、この単位静電アク
チュエータを一つの素子と考え、これを多数個積層する
ことで出力を増加させようとするのが本発明の基本原理
である。

さて、上記基本原理に基づく本実施例では、第１図に
示すように、複数個（この実施例では６個）の単位静電
アクチュエータ１が、各電極５及び６の変位方向を一致
させた状態で積層されるものであり、このときには、隣
接する各単位静電アクチュエータ１において電極支持体
２を共用するように構成されている。

そして、これら単位静電アクチュエータ１がそれぞれ
有する各電極５はグランド端子に接続されている。９は
スイッチング回路で、これは前記単位静電アクチュエー
タ１に各々対応した切換スイッチ10を含んで構成されて
いる。このとき、切換スイッチ10は、対応する単位静電
アクチュエータ１の電極６を直流電源11の正極側（この
直流電源11の負極はグランド端子に接続されている）に
一括して接続した状態と、上記電極６をグランド端子に
一括して接続した状態とに切換可能となっており、さら
に、必要に応じて上記各状態の中間状態（つまり電極６
を直流電源11及びグランド端子から切離した状態）にも
切換可能となっている。

このため、第１図（ａ）に示す状態から、上記スイッ
チング回路９により、各単位静電アクチュエータ１の電
極５及び６間に電圧を印加したときには、各電極５及び
６ひいては各電極支持体２が互いの近接方向に変位し、
第１図（ｂ）に示すような状態に変形する。つまり、複
数個の単位静電アクチュエータ１は、その電極５及び６
の変位方向が一致するように積層されているから、各電
極５及び６間の距離変化が加算されて、積層状態にある
複数の単位静電アクチュエータ１全体の変形量が大きく
なる。

従って、例えば最下層の単位静電アクチュエータ１を
固定状態とし、且つ他の単位静電アクチュエータ１を自
由移動可能な状態に配置すれば、上記のような電圧印加
に応じて、最上層の単位静電アクチュエータ１の電極支
持体２及び電極５が大きく移動されることになる。ま
た、最上層の単位静電アクチュエータ１における上側の
電極支持体２に対して負荷（図示せず）を連結しておけ
ば、その負荷を大きく移動させることができるものであ
り、このときの負荷の移動軌跡は曲線状になる。尚、上
記のような電極支持体２及び電極５の移動量は、電極５
及び６間に対する電圧印加時間を調節することにより任
意に変化させ得る。

要するに上記した本実施例によれば、電極５及び６間
に対する電圧印加状態を制御することによって、最上層
の単位静電アクチュエータ１に連結された負荷を大きく
且つ曲線状に移動させ得るものである。

この場合、負荷の最少変位量は、各単位静電アクチュ
エータ１が有する電極５及び６間の距離変化に応じたも
のとなるから、物体の変位量制御の分解能が高くなると
共に、小変位から大変位に渡っての微少変位の制御を精
度良く行ない得る。

また、上記実施例では単位静電アクチュエータ１を一
列だけ設けたが、各単位静電アクチュエータ１を複数列
設けた場合、これら各列の単位静電アクチュエータ１を
同時に駆動することによって大きな推力を得ることがで
き、以て出力制御の分解能の低下を招くことなく高出力
密度化を達成できる。

しかも、単位静電アクチュエータ１を複数個並列或は
直列に組合わせて積層することによって、きわめて多様
な駆動パターンを作り出すことができる。さらに、電極
５及び６で構成されるコンデンサのリークがない限り静
電エネルギを全く消費しないから、前述したような負荷
の移動を停止させた状態を長期に渡って保持できるよう
になり、結果的に負荷を間欠移動させる場合のエネルギ
変換効率を飛躍的に向上させ得る。

尚、上記実施例では、複数個の単位静電アクチュエー
タ１に対し同時に電圧を印加する構成となっているが、
個々の単位静電アクチュエータ１に対して選択的に電圧
を印加できる構成とすれば、微少変位の制御をさらに精
度良く行ない得るようになる。また、コンデンサを構成
する電極５及び６間への電圧印加は、アナログ的手段、
デジタル的手段の何れにおいても可能である。

その他、本発明は上記し且つ図面に示した各実施例に
限定されるものではなく、例えばスイッチング回路を半
導体スイッチング素子により構成しても良い等、その要
旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できるものであ
る。

［発明の効果］ 本発明によれば以上の説明によって明らかなように、
互いに対向された対をなす電極を支持するための一対の
電極支持体の両端部をそれぞれ異なる弾性係数を有する
連結部材を介して連結して構成され、各電極間の距離が
それらの電圧が印加されるのに応じて変化する単位静電
アクチュエータを複数個設けて、これら複数個の単位静
電アクチュエータを、前記電極の変位方向が一致するよ
うに積層する構成とした上で、前記複数の単位静電アク
チュエータの各電極に対して電圧を印加することによっ
てそれらの電極間距離を任意に変化させるスイッチング
回路を設ける構成としたので、出力制御の分解能低下を
来たすことなく高出力密度化を実現し得ると共に、位置
制御の分解能低下を来たすことなく小変位から大変位ま
での微少変位の制御を行なうことも可能となり、しかも
負荷の移動軌跡が曲線状となるような複雑な駆動パター
ンにも十分対処できるようになると共に、物体の間欠移
動時におけるエネルギ変換効率を高め得る等の優れた効
果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を説明するためのもので、第１
図は電気回路構成と共に示す全体の概略的側面図、第２
図は同実施例で用いた単位静電アクチュエータを電気回
路構成と共に示す側面図である。 図中、１は単位静電アクチュエータ、２は電極支持体、
３、４はスペーサ（連結部材）、５、６は電極、９はス
イッチング回路、10は切換スイッチ、11は直流電源を示
す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに対向された対をなす電極を支持する
   ための一対の電極支持体の両端部をそれぞれ異なる弾性
   係数を有する連結部材を介して連結して構成され、各電
   極間の距離がこれらに電圧が印加されるのに応じて変化
   する単位静電アクチュエータを複数個設けて、これら複
   数個の単位静電アクチュエータを、前記電極の変位方向
   が一致するように積層すると共に、前記複数の単位静電
   アクチュエータの各電極に対して電圧を印加することに
   よってそれらの電極間距離を任意に変化させるスイッチ
   ング回路を設けたことを特徴とする静電アクチュエー
   タ。