JP5138691B2 - 静電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電気活性ポリマー（EAP: Electro Active Polymer）の１つに位置付られる、弾性エラストマを誘電体とした静電アクチュエータに係わり、特に垂直方向に大きな変位を得ることが可能な静電アクチュエータに関する。

平行平板型の静電アクチュエータ素子は、通電することで電極と垂直方向に変位が得られる。

下記の特許文献１には、リボン状の電極フィルムを板厚方向に交互に複数段重ねてサンドイッチ構造とした平行平板型に属する静電アクチュエータが記載されている。

この静電アクチュエータでは、板厚方向に対向する第１電極と第２電極との間に電位差を与えると、これらの電極間に静電引力が作用して互いの対向電極間距離が縮む方向に変位する。前記対向電極間距離の縮み変位量の積算値が、静電アクチュエータ全体的の変位量（ストローク）となる。
特開２００１−２６８９４８号公報

しかし、このようなアクチュエータは駆動原理上厚み方向のストローク（変位量）はアクチュエータの厚み寸法以上にはならず、厚み方向にストロークを得るためにはアクチュエータ全体が厚くなってしまい、薄型化または小型化し難いという課題があった。

また厚み方向にストロークを得るために、アクチュエータを構成する対向電極間の距離を広げると、高い駆動電圧が必要になる。しかし、駆動電圧の高圧化は、耐圧や帯電、安全対策など配線を含む回路負担につながり高コスト化の原因となる。さらには、電極間に配置される弾性エラストマ自体の絶縁性の確保、或いは、絶縁耐圧限界によって、設計が制約されるという問題も生じる。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、アクチュエータ全体の厚みを大きくすることなく、簡単且つ安価な構成で、十分なストローク（変位量）が得られるようにした静電アクチュエータを提供することを目的としている。

また本発明は、駆動電圧を高圧化しなくとも厚み方向のストロークを確保できるようにした静電アクチュエータを提供することを目的としている。

本発明の静電アクチュエータは、弾性エラストマおよび前記弾性エラストマの両面に配置された一対の電極を備えるとともに前記一対の電極間に働く静電力に応じて駆動される駆動部と、前記駆動部に接続され、前記駆動部のストロークを増幅する作動子と、を有し、
前記作動子が梃子を構成しており、梃子の力点側となる前記作動子の一端が前記駆動部の前記一対の電極の間に設けられ、梃子の作用点側となる前記作動子の他端が前記駆動部の外側に設けられていることを特徴とするものである。

本発明では、梃子の原理を用いた簡単且つ安価な構成により、全体の厚み寸法を大きくなることのない薄型の静電アクチュエータとすることができる。

上記においては、前記作動子が梃子を構成しており、梃子の力点側となる前記作動子の一端が前記駆動部の前記一対の電極の間に設けられ、梃子の作用点側となる前記作動子の他端が前記駆動部の外側に設けられているものである。

上記手段では、薄型であっても大きな変位量を得ることができる。
上記においては、前記作動子が円弧状に形成され、該円弧の一端に前記駆動部の駆動力が伝達されるものが好ましい。

上記手段では、作動子のアームの長さが必要以上に長くなることがない。このため、静電アクチュエータを小型化することができる。

また前記一方の電極と前記作動子の一端とがヒンジまたは接続テープを介して連結されるものが好ましい。

上記手段では、動作中における電極と作動子との間の連結状態を安定化させることができ、作動子が確実に動作されるようにすることが可能となる。

また前記作動子が絶縁材料で形成されているが好ましく、より好ましくは前記作動子の一部が前記駆動部の内部に位置し、前記駆動部が駆動された際に前記電極同士が接触することを防ぐ絶縁維持部とされるものである。

上記手段では、一方の電極と他方の電極との間に作動子を常に介在させることができるため、静電引力によって互いの電極間距離が狭まったとしても、この間の絶縁性を確保することができ、短絡などの発生を確実に防止できる。

さらには、前記作動子が複数設けられているものが好ましい。
上記構成でも、絶縁性を高めることができ、短絡の発生を未然に防止できる。また各作動子に駆動対象物を載置することができ、例えば駆動対象物の水平姿勢を維持しつつ上下方向に昇降移動させることができる。

また、前記駆動部が多段に重ねられており、下層側の駆動部を形成する電極と上層側の駆動部を形成する電極との間に前記作動子が設けられるものとすることができる。
上記手段では、より大きな駆動力で安定的に作動子を駆動させることができる。

本発明では、静電アクチュエータ全体の厚みを大きくすることなく、簡単且つ安価な構成で、十分な変位量を得ることができる。

また本発明は、駆動電圧の高圧化を防ぐことにより、絶縁性の諸問題を解消してコストの削減を図ることが可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図であり、（Ａ）は動作前の初期状態（寝そべり姿勢）、（Ｂ）は動作状態（立ち上がり姿勢）を示している。

図１（Ａ）に示すように、本発明の実施の形態に示す静電アクチュエータ１は、平行平板型の対向電極１１，１２を有し、これらの一対の対向電極間に弾性エラストマ１４を備えた三層構造からなる積層体を有している。前記一方の対向電極１１、前記他方の対向電極１２およびこれらの間に設けられた弾性エラストマ１４からなる積層体は、静電アクチュエータ１の駆動部１０を構成している。

前記弾性エラストマ１４は、例えばシリコーンゲルのような弾性を有する半流動性の部材で構成することもできるし、あるいは流動性部材を袋体で封止するようにした構成とすることもできる。いずれにしても、一対の対向電極１１、１２間の絶縁耐圧を維持するためには、前記半流動性部材または流動性部材は絶縁率の高い材質のものが好ましい。

前記一方の対向電極１１と他方の対向電極１２との間には作動子２０が設けられている。前記作動子２０はアクリルやプラステックなど絶縁性を備えた材料で形成されている。前記作動子２０の形状は棒状または板状に近いが、その断面形状はＬ型や直線状ではなく、やや円弧状にカールした形状をしている。このため、作動子２０のアーム部分の長さが必要以上に長くなることがなく、この点で小型化に適したものとすることが可能である。

前記作動子２０は梃子の原理を用いて駆動される。すなわち、前記作動子２０は、対向電極１１，１２に向く一方の端部２１に力点を有し、対向電極１１，１２から外側に突出する他方の端部２２に作用点を有している。そして、他方の対向電極１２に接している部分が支点２３である。図１（Ａ）に示す初期状態では、前記作動子２０が、水平方向に沿って寝そべるような姿勢で設けられている。

前記作動子２０は、前記支点側が前記他方の対向電極１２に対して回動自在に支持される構成が好ましい。また作動子２０は、略「く」の字形状に折れ曲がった形状であってもよく、この場合には、前記折れ曲がった部分が前記支点２３となる。

前記駆動部１０を形成する一方の対向電極１１と他方の対向電極１２とは電源に接続されており、通電状態にすることで両電極間に所定の駆動電圧が印加されるようになっている。

通電状態にして所定の駆動電圧を与えると、前記対向電極１１，１２間に静電引力が発生し、対向電極間距離ｄが前記弾性エラストマが有する弾性力に抗しながら圧縮させられる方向に変位させられる。このとき、弾性エラストマは、面積が広がる方向（圧縮方向と交差する水平方向）に変位させられる（扁平状態）。

前記対向電極間距離ｄが狭められる過程では、前記一方の対向電極１１が前記作動子２０の力点側の前記一方の端部２１を図示Ｚ２方向に加圧する。これにより、前記作動子２０は支点２３を中心に図示反時計回りに回動するため、作用点側の他方の端部２２を図示Ｚ１方向に持ち上げることができる。すなわち、作動子２０全体を立ち上がり姿勢に設定することができ、駆動電圧を印加し続ける限り、前記立ち上がり姿勢を維持することが可能である。

このとき、駆動部１０では、対向電極１１がわずかなストローク量だけ対向電極１２側に移動するだけで、作動子２０を大きく動作させることが可能である。この点で、作動子２０は駆動部１０が駆動する時のストローク量を増大させる増幅機能を有している。

このように、本願発明の静電アクチュエータ１では、梃子の原理を用いることにより、積層体からなる駆動部１０を板厚方向に重ねなくとも、すなわち薄型のままでも大きなストローク量（変位量）を得ることができる。ただし、後述するように、より大きな駆動力を得るために駆動部１０を板厚方向に重ねる構成を否定するものではない。

図１（Ｂ）に示す動作状態では、常に作動子２０の一方の端部２１が前記対向電極１１と対向電極１２との間に介在する。このため、前記対向電極１１と対向電極１２との間の電気的な接触（短絡）を避けることが可能である。すなわち、対向電極１１と対向電極１２との間の絶縁を維持することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態および第３の実施の形態について説明する。
図２は第２の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図であり、（Ａ）は動作前の初期状態（寝そべり姿勢）、（Ｂ）は動作状態（立ち上がり姿勢）を示している。また図３は第３の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図であり、（Ａ）は動作前の初期状態（寝そべり姿勢）、（Ｂ）は動作状態（立ち上がり姿勢）を示している。

図２（Ａ）に第２の実施の形態として示す静電アクチュエータ２も、弾性エラストマ１４とその両面に対向配置された前記一対の対向電極１１，１２とによる駆動部１０を有している。

また静電アクチュエータ２は、前記一方の対向電極１１の端部にヒンジ３５が設けられている。そして、前記ヒンジ３５に対して、前記作動子３０の一方の端部３１が回動自在に取り付かれている。この実施の形態における作動子３０の断面は円弧状をしており、円弧状の外面側が他方の対向電極１２上に載置されている。この実施の形態では、一方の端部３１側の前記ヒンジ３５が梃子の力点として安定的に機能し、他方の端部３２が作用点として機能する。また作動子３０の前記円弧の外面が梃子の支点として作用する。

図２（Ｂ）に示すように、対向電極１１，１２間に所定の電圧を印加すると、上記同様に電極間距離が狭められる。このとき、ヒンジ３５が、一方の対向電極１１とともに他方の対向電極１２に接近させられる。このため、前記作動子３０は、円弧状の外面を支点として前記他方の対向電極１２の表面を転がり、図示反時計回りに回動させられる。よって、この静電アクチュエータ２においても、上記同様に他方の端部３２がＺ１方向に持ち上げられる立ち上がり姿勢に設定することができる。

また図３（Ａ）に第３の実施の形態として示す静電アクチュエータ３では、円弧状の作動子３０に代えて、略「く」の字形状からなる作動子４０を設けた点が相違している。

前記作動子４０では、力点側となる作動子４０の一方の端部４１がヒンジ３５を介して一方の対向電極１１に連結されている。また前記作動子４０は、他方の端部４２および屈曲部４３を他方の対向電極１２に向けた状態で取り付けられている。初期状態においては、屈曲部４３は他方の対向電極１２に接してしてもよいし、離れた構成であってもよいが、少なくとも一方の対向電極１１の下降動作が完了するまでの間に、前記屈曲部４３が他方の対向電極１２に接する構成である。

第３の実施の形態においても、対向電極１１，１２間に所定の駆動電圧を印加されて対向電極間距離が狭まると、ヒンジ３５が一方の対向電極１１とともに他方の対向電極１２に接近する。これにより、前記作動子４０は屈曲部４３を支点として反時計回り方向に回動させられる。よって、この静電アクチュエータ３においても、上記同様に作動子４０の他方の端部４２を図示Ｚ１方向に持ち上げることができる。

第２および第３の実施の形態においても、駆動部１０を構成する対向電極１１をわずかなストローク量だけ対向電極１２側に移動させるだけで、作動子２０を大きく動作させることができ、作動子３０は駆動部１０が駆動する時のストローク量を増大させる増幅機能を有する。

図４は本発明の第４の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図であり、（Ａ）は動作前の初期状態（寝そべり姿勢）、（Ｂ）は動作状態（立ち上がり姿勢）を示している。

第４の実施の形態として示す静電アクチュエータ４では、断面形状が略Ｓ字形状からなる作動子５０が複数設けられている点で、上記各実施の形態と相違している。

前記作動子５０は、力点側となる一方の端部５１は小さな曲率半径（大きな曲率）で形成され、作用点側となる他方の端部５２は大きな曲率半径（小さな曲率）で形成されている。

図４（Ａ）に示す初期状態では、作動子５０は寝そべり姿勢にあり、前記一方の端部５１側が一方の対向電極１１の下面に当接させられている。

なお、一方の対向電極１１と他方の対向電極１２との間に設けられた弾性エラストマ１４は圧縮されていない自然の状態にある。

初期状態の静電アクチュエータ４を通電状態に設定し、前記一対の対向電極１１，１２間に所定の駆動電圧を印加すると、前記電極間に発生する静電引力に応じて電極間距離が狭まり、前記一方の端部５１，５１側が下方（Ｚ２方向）に加圧される。その結果、前記作動子５０，５０は他方の端部５２，５２が図示上方に持ち上げられるようにそれぞれ回転させられる。よって、この静電アクチュエータ４においても、上記同様に作動子５０を立ち上がり姿勢に設定することが可能であり、このとき大きな変位を得ることができる。この点で、作動子５０は駆動部１０が駆動する時のストローク量を増大させる増幅機能を有する。

また図４（Ｂ）に示すように、駆動部１０の両端において、常に一方の対向電極１１と他方の対向電極１２との間に絶縁材料で形成された前記作動子５０，５０の一方の端部５１，５１をそれぞれ介在させることが可能となる。よって、一方の対向電極１１と他方の対向電極１２との間に常に一定の隙間を形成することが可能となり、この間の絶縁破壊や短絡を確実に防止することができる。すなわち、力点側となる一方の端部５１は、一方の対向電極１１と他方の対向電極１２との間の短絡を防止する絶縁維持部を構成している。

図５は、本発明の第５の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図である。
図５に示す静電アクチュエータ５では、駆動部１０が二段に積み重ねられた多段型の積層体として形成されている点で相違している。すなわち、静電アクチュエータ５では、駆動部１０が、対向電極１１と対向電極１２との間に第１の弾性エラストマ１４Ａが設けられ、対向電極１２と対向電極１３との間に第１の弾性エラストマ１４Ｂを有する構成である。前記作動子２０の一方の端部２１は、最上段に設けられた対向電極１１の端部に対向配置するように配置され、支点は最下段に位置する前記対向電極１３に設定されている。なお、作動子２０の一方の端部２１と最上段の対向電極１１との間は、接着テープＴなどを用いることにより連結されている。

前記対向電極１１と対向電極１２との間、および前記対向電極１２と対向電極１３との間には電圧ｅが印加できるようにスイッチＳＷの制御が行われる。スイッチＳＷを通電状態に設定すると、駆動部１０を構成する各電極間に駆動電圧ｅが与えられる。このとき、対向電極１１と対向電極１２との間の電極間距離、および対向電極１２と対向電極１３との間の対向電極間距離がそれぞれ狭まる方向に圧縮変形させられる。

このように、駆動部１０を多段に構成すると、対向する一対の対向電極のそれぞれに駆動力を発生させることができる。このため、より大きな力で作動子２０を図示Ｚ１方向に駆動させることが可能であるとともに、ストロークを大きくとることが出来るため作動子による増幅後のストロークも更に大きくすることが出来る。

なお、この実施の形態では、上記第１の実施の形態と同様の作動子２０を用いて説明したが、その他の実施の形態に示す作動子を用いた構成であってもよい。
また駆動部１０の積層は、三段以上の多段構成であってもよい。

図６は、本発明の第６の実施の形態を示す静電アクチュエータの斜視図である。
図６に示す静電アクチュエータ６では、１つの駆動部１０の周囲に複数の作動子２０（個別に２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃおよび２０Ｄを付して示す）が設けられている点が上記各実施の形態と相違している。

この実施の形態では、駆動部１０を形成する一方の対向電極１１と他方の対向電極１２との間に所定の電圧が印加され、これらの電極間距離が狭められると、複数の作動子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃおよび２０Ｄを同時に駆動させることが可能である。このため、各作動子の上に駆動対象物を載せることにより、水平姿勢を維持させた状態で前記駆動対象物を上下方向に昇降移動させることができる。

また一方の対向電極１１と他方の対向電極１２とが対向する４つの縁部のそれぞれに、各作動子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃおよび２０Ｄの一方の端部（力点側の端部）２１をそれぞれ挟み込むことが可能である。このため、一方の対向電極１１と他方の対向電極１２との間の絶縁耐圧を高めることができ、確実に短絡の発生を防止できる。

図７は、本発明の第７の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図であり、（Ａ）は動作前の初期状態（寝そべり姿勢）、（Ｂ）は動作状態（立ち上がり姿勢）を示している。

図７（Ａ）に示すように、第７の実施の形態に示す静電アクチュエータ７では作動子６０が、他方の対向電極１２に設けられている点が、上記各実施の形態と相違している。なお、駆動部１０の構成は、上記第１ないし第５の実施の形態と同じである。あるいは、上記第６の実施の形態と同じ構成としたものであってもよい。

作動子６０は、力点側となる一方の端部６１に、その一部を略Ｕ字形状に折り曲げることにより形成された屈曲部６３を有しており、他方の端部６２は前記一方の対向電極１１の表面側に配置されている。そして作動子６０は、前記略Ｕ字形状に折り曲げられた一方の端部６１が、他方の対向電極１２に対して接着テープＴなどを用いることにより回動自在に固定されている。

図７（Ｂ）に示すように、一対の対向電極１１，１２間に所定の電圧が与えられると、対向電極間距離ｄが狭まる。このとき、対向電極１１の端部が、前記一方の端部６１を下方（Ｚ２方向）に加圧する。これにより、作動子６０が屈曲部６３を支点として時計回り方向に回動させられ、他方の端部６２が持ち上げられる。これにより、この静電アクチュエータ７においても、作動子６０を図示Ｚ１方向に対して大きな変位量で変位させることが可能である。この点で、作動子６０は駆動部１０が駆動する時のストローク量を増大させる増幅機能を有する。

上記各実施の形態では、作動子が図示Ｚ１方向に変位する場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、変位の方向は図示Ｚ２方向であってもよい。第１ないし第６の実施の形態において、作動子をＺ２方向に変位させるには、力点となる各作動子の一方の端部を他方の対向電極１２側に連結させるようにすればよい。また第７の実施の形態においては、作動子６０の一方の端部６１を一方の対向電極１１側に連結させればよい。すなわち、各作動子は、連結される対向電極によって、その変位する方向を方向付けすることが可能である。

本発明の第１の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図であり、（Ａ）は動作前の初期状態（寝そべり姿勢）、（Ｂ）は動作状態（立ち上がり姿勢）、 第２の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図であり、（Ａ）は動作前の初期状態（寝そべり姿勢）、（Ｂ）は動作状態（立ち上がり姿勢）、 第３の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図であり、（Ａ）は動作前の初期状態（寝そべり姿勢）、（Ｂ）は動作状態（立ち上がり姿勢）、 第４の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図であり、（Ａ）は動作前の初期状態（寝そべり姿勢）、（Ｂ）は動作状態（立ち上がり姿勢）、 第５の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図、 第６の実施の形態を示す静電アクチュエータの斜視図、 第７の実施の形態を示す静電アクチュエータの断面図であり、（Ａ）は動作前の初期状態（寝そべり姿勢）、（Ｂ）は動作状態（立ち上がり姿勢）、

符号の説明

１，２，３，４，５，６，７ 静電アクチュエータ
１０ 駆動部
１１ 一方の対向電極
１２ 他方の対向電極
１３ 対向電極
１４ 弾性エラストマ
２０，３０，４０，５０，６０ 作動子
２１，３１，４１，５１，６１ 力点側となる一方の端部
２２，３２，４２，５２，６２ 作用点側となる他方の端部
４３ 屈曲部

Claims (10)

1. 弾性エラストマおよび前記弾性エラストマの両面に配置された一対の電極を備えるとともに前記一対の電極間に働く静電力に応じて駆動される駆動部と、前記駆動部に接続され、前記駆動部のストロークを増幅する作動子と、を有し、
   前記作動子が梃子を構成しており、梃子の力点側となる前記作動子の一端が前記駆動部の前記一対の電極の間に設けられ、梃子の作用点側となる前記作動子の他端が前記駆動部の外側に設けられていることを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 前記作動子が円弧状に形成され、該円弧の一端に前記駆動部の駆動力が伝達される請求項１記載の静電アクチュエータ。
3. 弾性エラストマおよび前記弾性エラストマの両面に配置された一対の電極を備えるとともに前記一対の電極間に働く静電力に応じて駆動される駆動部と、前記駆動部に接続され、前記駆動部のストロークを増幅する作動子と、を有し、
   前記作動子が円弧状に形成され、該円弧の一端に前記駆動部の駆動力が伝達されることを特徴とする静電アクチュエータ。
4. 前記一方の電極と前記作動子の一端とがヒンジまたは接続テープを介して連結されている請求項1ないし３のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
5. 弾性エラストマおよび前記弾性エラストマの両面に配置された一対の電極を備えるとともに前記一対の電極間に働く静電力に応じて駆動される駆動部と、前記駆動部に接続され、前記駆動部のストロークを増幅する作動子と、を有し、
   前記一方の電極と前記作動子の一端とがヒンジまたは接続テープを介して連結されていることを特徴とする静電アクチュエータ。
6. 前記作動子が絶縁材料で形成されている請求項1ないし５のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
7. 前記作動子の一部が前記駆動部の内部に位置し、前記駆動部が駆動された際に前記電極同士が接触することを防ぐ絶縁維持部とされている請求項１ないし６のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
8. 前記作動子が複数設けられている請求項１ないし７のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
9. 前記駆動部が多段に重ねられており、下層側の駆動部を形成する電極と上層側の駆動部を形成する電極との間に前記作動子が設けられている請求項１ないし８のいずれか記載の静電アクチュエータ。
10. 前記弾性エラストマが、袋体に封入されたゲル状タイプである請求項１ないし９のいずれかに記載の静電アクチュエータ。

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