JP2675586B2 - 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、静電力を利用して負荷の駆動を行なうよう
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，医療用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
療用機器等の機構部分の駆動には、専らサーボモータ，
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、加工技術並びに物理的制約からその性能限界に近付
きつつあり、これ以上の小形化は、性能の大幅な低下を
招く等の弊害を生ずるだけであって現実的ではない。ま
た、本来、低速で高トルクが得られる小形のモータは、
その製作が困難であり、勿論、高トルクを得るために減
速機を利用することも行なわれているが、これでは減速
機の存在が装置全体の小形化の障害になる。

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、全体の小形化を図ることができると共に、出力
制御の分解能低下を来たすことなく高出力トルク化を実
現することが可能となる等の効果を奏する静電アクチュ
エータを提供するにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明による静電アクチ
ュエータは、第１の筒状体、及びこの第１の筒状体より
径小に形成されてその第１の筒状体内に配置される第２
の筒状体を設けた上で、前記第１の筒状体の内周面にそ
の周方向へ所定ピッチで配列される複数個の第１の電
極、及び前記第２の筒状体の外周面にその周方向へ所定
ピッチで配列される複数個の第２の電極、並びにこれら
第１及び第２の電極間を選択的に充電して両電極間に静
電力を作用させることによって前記第２の筒状体を前記
第１の筒状体の内周面に沿って相対的に遊星回転させる
スイッチング回路を設け、さらに前記第１及び第２の筒
状体の一方から回転力を取出すように構成したものであ
る。

また、上記と同様の第１の筒状体及び第２の筒状体を
設けた上で、第１の筒状体の内周面若しくは第２の筒状
体の外周面にその周方向へ所定ピッチで配列される複数
個の第１の電極、及び前記第２の筒状体の外周面若しく
は前記第１の筒状体の内周面にその周方向全体に渡って
配設される第２の電極、並びにこれら第１及び第２の電
極間を選択的に充電して両電極間に静電力を作用させる
ことによって前記第２の筒状体を前記第１の筒状体の内
周面に沿って相対的に遊星回転させるスイッチング回路
を設け、前記第１及び第２の筒状体の一方から回転力を
取出す構成としても良い。

そして、第１の筒状体及び第２の筒状体を、各筒状体
毎に連結された状態で複数対設けると共に、これら第１
の筒状体の各内周面及び第２の筒状体の各外周面に夫々
第１の電極及び第２の電極を設ける構成とすることもで
きる。

（作用） 複数個ずつの第１の電極及び第２の電極によりコンデ
ンサ群が構成されるものであり、スイッチング回路は、
これら第１及び第２の電極間を選択的に充電して両電極
に静電力を作用させることによって前記第２の筒状体を
前記第１の筒状体の内周面に沿って相対的に遊星回転さ
せる。この結果、内部減速機能を得ることができ、第１
及び第２の筒状体の一方から回転力を取出す際に、その
回転力のトルクが上記減速比に応じて増大するようにな
る。

また、複数個の第１の電極と、第１の筒状体の外周面
若しくは第２の筒状体の内周面にその周方向全体に渡る
第２の電極を設けた場合も、スイッチング回路によって
第２の筒状体を第１の筒状体の内周面に沿って相対的に
遊星回転させることができ、これに伴う内部減速機能に
よって、第１及び第２の筒状体の一方から取出される回
転力のトルクが増大するようになる。

さらに、第１の筒状体及び第２の筒状体を各筒状体毎
に連結した状態で複数対設けた場合には、各対で発生す
るトルクが重畳されることになり、以て上述のように取
出される回転力のトルクがより一層大きくなる。

（実施例） まず、本発明の第１の実施例について第１図及び第２
図を参照しながら説明する。

第１図及び第２図において、１は適宜静止部位に固定
された第１の筒状体たる太陽円筒で、これは剛性が比較
的大なる非導電性材料によって偏平な有底状に形成され
ており、その底壁部1aの中心部分には、出力軸２が軸受
３を介して貫通状に支持されている。そして、斯かる太
陽円筒１の内周面には、例えば８個の第１の電極4a〜4h
が、その周方向へ一定ピッチ（等配状のピッチ）で埋め
込み状に配列されている。また、太陽円筒１の内周面全
域には、前記電極4a〜4hを覆うようにして高誘電率の絶
縁被膜５が均一に添設されている。

６は第２の筒状体たる遊星円筒で、これは剛性が比較
的大なる非導電性材料によって前記太陽円筒１より径小
な偏平有底状に形成されており、その太陽円筒１内に底
壁部6aを手前側（太陽円筒１の開口縁側）にした状態で
配置され、且つこの配置状態で上記底壁部6aの中心部分
が前記出力軸２に自在継手７を介して連結されている。
従って、上記遊星円筒６が太陽円筒１の内周面に沿って
相対的に遊星運動された場合には、その太陽円筒１が固
定された状態にあるから、遊星円筒６の回転力を出力軸
２から取出すことができる。そして、遊星円筒６の内周
面には、前記第１の電極4a〜4hより少ない例えば７個の
第２の電極8a〜8gが、その周方向へ上記第１の電極4a〜
4hと同一のピッチで埋め込み状に配列されており、これ
ら第２の電極8a〜8gと前記第１の電極4a〜4hとの間には
絶縁被膜５を挟んでコンデンサ群が形成されることにな
る。尚、太陽円筒１の内径と遊星円筒６の外径の寸法関
係は、第１の電極4a〜4hと第２の電極8a〜8gの配列ピッ
チが等しくなるような関係（この場合8:7）に設定され
ている。

しかして、第１図に示すように、第２の電極8a〜8gは
グランド端子に共通に接続され、第１の電極4a〜4hは、
スイッチング回路９が有する切換スイッチ10a〜10hの各
共通接点ｃに個別に接続されている。このとき、上記各
切換スイッチ10a〜10hは、対応する第１の電極4a〜4hを
接点（ｃ−ａ）間を介して直流電源11の正極側に接続し
た状態と、上記第１の電極4a〜4hを接点（ｃ−ｂ）間を
介してグランド端子に接続した状態とに切換可能となっ
ている。

尚、上記直流電源11の負極はグランド端子に接続され
ている。

次に、上記構成の作用について説明する。今、太陽円
筒１及び遊星円筒６が第１図（Ａ）のような位置関係に
ある状態において、スイッチング回路９内の切換スイッ
チ10a,10b,10cを接点（ｃ−ａ）間オン状態に切換える
と、第１の電極4a,4b,4cに直流電源11から電圧が印加さ
れるようになる。すると、第１の電極4a,4b,4cと第２の
電極8a,8b,8cの各対により形成されるコンデンサに充電
されて、これら各電極対間に静電力による吸引力が作用
するようになり、これに応じて遊星円筒６が反時計回り
方向へ回転（自転）するようになる。このように遊星円
筒６が自転された場合において、第１図（Ｂ）に示すよ
うに、第１の電極4a及び第２の電極8a間の当接点が各電
極4a及び8aの中間点を過ぎた場合には、その電極4a,8a
間に作用する吸引力が上記自転を妨げるようになる。こ
のため実際には、第１の電極4a及び第２の電極8a間の当
接点が各電極4a及び8aの中間点を過ぎる直前の時点で、
切換スイッチ10aを接点（ｃ−ｂ）間オン状態に切換え
て上記電極4a,8a間の充電電荷を放電すると共に、切換
スイッチ10dを接点（ｃ−ａ）間オン状態に切換えて第
１の電極4d及び第２の電極8d間に静電力による吸引力を
作用させる。これ以降においては、各切換スイッチ10b
〜10h,10aを上述のように順次切換えて行くことによっ
て、遊星円筒６を、反時計回り方向へ自転させながら時
計回り方向へ公転させることができるものであり、斯様
な遊星円筒６の遊星回転に応じて出力軸２が回転される
ようになる。尚、第１図中、S1及びS2は夫々遊星円筒６
の自転中心及び公転中心である。

ところで、遊星円筒６の電極数をｎ、太陽円筒１の電
極数をｍとした場合、遊星円筒６が１回自転するために
は、第１の電極4a〜4h及び第２の電極8a〜8g間の当接点
が太陽円筒１の内周面をm/（ｍ−ｎ）回転する必要があ
る。従って、出力軸２の出力トルクは、第１の電極4a〜
4h及び第２の電極8a〜8g間の当接点が１回転するとき、
換言すれば遊星円筒６が１回公転するときに発生するト
ルクの約m/（ｍ−ｎ）倍となる。つまり、ｍ＝８、ｎ＝
７に設定された本実施例によれば、遊星円筒６が１回公
転するときに発生するトルクの約８倍の高出力トルクを
得ることができる。また、この場合において、出力軸２
の最小回転変位量は、360゜／（ｍ×ｎ）と小さくなる
から、その出力軸２の回転制御の分解能の低下を来たす
ことがないものである。

しかも、本実施例によれば、第１の電極4a〜4hを有し
た太陽円筒1,第２の電極8a〜8gを有した遊星円筒６の他
に、出力軸2,軸受３及び自在継手７を設けるだけで主要
部分を構成できるものであって、その構造がきわめて簡
単になる。さらに、ロータとして機能する遊星円筒６の
慣性を小さくできるので、始動停止特性の向上並びに振
動，騒音の抑制を同時に実現することができる。勿論、
第１の電極4a〜4h及び第２の電極8a〜8g間で構成される
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、遊星円筒６を任意の位置に静止させた状態
を長期に渡って保持できるようになり、これにより遊星
円筒６を間欠回転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。さらに、太陽円筒１及び遊星円筒６
を製造するにあたっては、リソグラフィ，薄膜堆積法等
の半導体製造技術を応用することができて、これらをき
わめて微細で精密な構造とし、猶且つ集積化を図ること
ができるから、従来の磁気式のアクチュエータでは不可
能であった超微小化を実現できるようになる。

尚、本発明の第２の実施例を示す第３図及び第４図の
ように、第１の電極及び第２の電極をさらに多数個設け
ても良いものである。即ち、この第３図では、第１の筒
状体たる太陽円筒12の内周面に50個の第１の電極13を等
配ピッチで配列すると共に、第２の筒状体たる遊星円筒
14の外周面に49個の第２の電極15を上記第１の電極13と
同一のピッチで配列した例を示しており、このような構
成とした場合には、自在継手16及び出力軸17を介した出
力トルクは、前述の説明から理解できるように遊星円筒
14が１回公転するときに発生するトルクの約５倍とな
る。しかも、この場合には、遊星円筒14の自転中心S1及
び公転中心S2間の偏心度合いが小さくなり、その遊星円
筒14の回転が滑らかになる。尚、上記第３図及び第４図
では、太陽円筒12の内周面に添設される高誘電率の絶縁
被膜の図示を省略している。

また、第５図は本発明の第３の実施例を示すものであ
り、以下これについて前記第１の実施例と異なる部分の
み説明する。即ち、この実施例は、出力軸２の先端部に
クランク状の偏心軸部2aを一体に設けると共に、この偏
心軸部2aを遊星円筒６の底壁部6aの中心部分に軸受18を
介して支持させる構成としたものである。このような構
成とした場合には、出力軸２の回転数が遊星円筒６の公
転数と等しくなり、出力軸２を高速で回転させる場合に
好適するようになる。

第６図は本発明の第４の実施例を示すものであり、以
下これについて前記第１の実施例と異なる部分のみ説明
する。即ち、この実施例では、太陽円筒１側の第１の電
極4a〜4hはそのままにした状態で、遊星円筒６の外周面
にその周方向全体に渡って第２の電極19を添設すると共
に、その第２の電極19をグランド端子に接続する構成と
したものである。この構成によっても、スイッチング回
路９内の切換スイッチ10a〜10hの切換動作に応じて遊星
円筒６が第１の実施例と同様に回転されるものであり、
太陽円筒１の内周寸法をLs、遊星円筒６の外周寸法（実
際には第２の電極19の外周寸法）をLpとした場合、遊星
円筒６の自転数は、その公転数のLs/（Ls−Lp）倍とな
る。特に、この実施例によれば第２の電極19の構造が単
純化するから、遊星円筒６の加工が前記第１の実施例に
比べて簡単になる。

尚、上記第４の実施例において、遊星円筒６側に前記
第１の実施例と同様の第２の電極8a〜8gを設けると共
に、太陽円筒１側に第２の電極19と同様の第１の電極を
設ける構成としても良い。

第７図及び第８図は、第１の電極及び第２の電極の有
効表面積を大きくすることが高出力トルク化に繋がるこ
とに着目したなされた本発明の第５の実施例を示すもの
であり、以下これについて説明する。即ち、第７図及び
第８図において、20,21,22は第１の筒状体たる太陽円筒
で、これらは基板23により一体的に連結された状態で同
心状に設けられている。24,25,26は上記太陽円筒20,21,
22と対をなす第２の筒状体たる遊星円筒で、これらは基
板27により一体的に連結された状態で同心状に設けられ
ている。このとき、各遊星円筒24,25,26は対応する太陽
円筒20,21,22より径小に形成されており、各太陽円筒2
0,21,22内に基板27を手前側にした状態で配置されてい
る。また、太陽円筒20〜22側の基板23の中心部分には、
出力軸28が軸受29を介して貫通状に支持されており、こ
の出力軸28と遊星円筒24〜26側の基板27の中心部分との
間が自在継手30を介して連結されている。そして、太陽
円筒20,21,22の各内周面には、例えば８個ずつの第１の
電極31,32,33が各太陽円筒20,21,22毎に等配ピッチで配
列され、遊星円筒24,25,26の各外周面には、例えば７個
ずつの第２の電極34,35,36が各遊星円筒24,25,26毎に等
配ピッチで配列されている。

このように構成した本実施例では、第１の電極31,32,
33と第２の電極34,35,36の各対のうち、所定の電極対に
同時に電圧を印加するものであり、これにて前記第１の
実施例の約３倍の出力トルクを得ることができる。

尚、この第５の実施例では、第２の電極34,35,36を第
１の実施例と同様に設ける構成としたが、これら第２の
電極34,35,36に代えて、前記第４の実施例と同様に各遊
星円筒24,25,26の外周面全域に渡って位置される第２の
電極を設ける構成としても良い。

また、上記各実施例では太陽円筒を固定して遊星円筒
の回転力を出力として取出すように構成したが、この逆
に遊星円筒を固定し太陽円筒の回転力を出力として取出
す構成としても良く、さらに第１の筒状体及び第２の筒
状体は必ずしも円筒形に限定されないものである。

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することができ
る。

［発明の効果］ 以上の説明によって明らかなように、請求項１の静電
アクチュエータにおいては、全体の小形化を図り得ると
共に、出力制御の分解能低下を来たすことなく高出力ト
ルク化を実現することが可能となるものであり、勿論、
低速で高トルクを得る用途に適用可能になるものであ
る。

また、請求項２の静電アクチュエータによれば、上記
効果に加えて、第２の電極の構成が単純化するため、製
造性の向上を図り得るものである。

さらに、請求項３の静電アクチュエータによれば、第
１の電極及び第２の電極の有効総表面積を大きくでき
て、出力トルクの一層の増大を図り得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す正面図、第２図は
同第１の実施例を示す縦断側面図である。また、第３図
及び第４図は本発明の第２の実施例を示す夫々第１図及
び第２図相当図、第５図は本発明の第３の実施例を示す
第２図相当図、第６図は本発明の第４の実施例を示す第
１図相当図、第７図及び第８図は本発明の第５の実施例
を示す夫々縦断正面図及び第２図相当図である。 図中、1,12,20〜22は太陽円筒（第１の筒状体）、2,17,
28は出力軸、4a〜4h,13,31,32,33は第１の電極、6,14,2
4,25,26は遊星円筒（第２の筒状体）、7,16,30は自在継
手、8a〜8g,15,19,34,35,36は第２の電極、９はスイッ
チング回路、10a〜10hは切換スイッチ、11は直流電源を
示す。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の筒状体と、この第１の筒状体より径
   小に形成されて該第１の筒状体内に配置された第２の筒
   状体と、前記第１の筒状体の内周面にその周方向へ所定
   ピッチで配列された複数個の第１の電極と、前記第２の
   筒状体の外周面にその周方向へ所定ピッチで配列された
   複数個の第２の電極と、前記第１及び第２の電極間を選
   択的に充電して両電極間に静電力を作用させることによ
   って前記第２の筒状体を前記第１の筒状体の内周面に沿
   って相対的に遊星回転させるスイッチング回路とを備
   え、前記第１及び第２の筒状体の一方から回転力を取出
   すように構成したことを特徴とする静電アクチュエー
   タ。
2. 【請求項２】第１の筒状体と、この第１の筒状体より径
   小に形成されて該第１の筒状体内に配置された第２の筒
   状体と、前記第１の筒状体の内周面若しくは前記第２の
   筒状体の外周面にその周方向へ所定ピッチで配列された
   複数個の第１の電極と、前記第２の筒状体の外周面若し
   くは前記第１の筒状体の内周面にその周方向全体に渡っ
   て配設された第２の電極と、前記第１及び第２の電極間
   を選択的に充電して両電極間に静電力を作用させること
   によって前記第２の筒状体を前記第１の筒状体の内周面
   に沿って相対的に遊星回転させるスイッチング回路とを
   備え、前記第１及び第２の筒状体の一方から回転力を取
   出すように構成したことを特徴とする静電アクチュエー
   タ。
3. 【請求項３】第１の筒状体及び第２の筒状体は、各筒状
   体毎に連結された状態で複数対設けられ、これら第１の
   筒状体の各内周面及び第２の筒状体の各外周面に夫々第
   １の電極及び第２の電極が設けられていることを特徴と
   する請求項１または２記載の静電アクチュエータ。