JP5309752B2

JP5309752B2 - 静電アクチュエータ

Info

Publication number: JP5309752B2
Application number: JP2008190483A
Authority: JP
Inventors: 徳男高橋
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: WO2010010930A1; JP2010029041A

Description

本発明は静電アクチュエータの技術分野に属する。特に、駆動シートの面に沿って移動シートを直線的に移動するだけでなく、移動シートを回転することが可能な静電アクチュエータに関する。

静電アクチュエータの形態として、フィルムを利用して薄型とした静電アクチュエータの発明が公知である（特許文献１）。この静電アクチュエータは、固定子はガラスエポキシ基板の表面にエッチングにより形成した帯状電極（たとえば１．２７ｍｍ間隔で１００本）と、その上に塗布したエポキシ樹脂と、そのエポキシ樹脂上に積層されたフィルム（たとえば０．１ｍｍ厚さのＰＥＴフィルム）とからなる。また、移動子はフィルム状の絶縁体層（たとえば０．１ｍｍ厚さのＰＥＴフィルム）および高抵抗体層（たとえば０．１ｍｍ厚さのＰＥＴフィルムに帯電防止剤を塗布し表面抵抗が１０¹²〜１０¹⁶Ω／□）からなる。
この従来の静電アクチュエータにおいては、固定子を構成する絶縁体に埋め込まれた第１の電極郡、第２の電極郡、第３の電極郡から成る３つの電極郡を備えている。これらの電極郡（第１の電極郡，第２の電極郡，第３の電極郡）に対して、（＋Ｖ，−Ｖ，０）→（−Ｖ，＋Ｖ，−Ｖ）→（０，＋Ｖ，−Ｖ）→（−Ｖ，−Ｖ，＋Ｖ）→（−Ｖ，０，＋Ｖ）→（＋Ｖ，−Ｖ，−Ｖ）→（＋Ｖ，−Ｖ，０）を１周期として繰返し電圧を印加すると移動子は移動し続けることが可能である。
特開平２−２８５９７８

ところが、この従来の静電アクチュエータにおいては、駆動シートの面に沿って移動シートを直線的に移動するだけである。たとえば、移動シートは前後の移動、上下の移動、左右の移動、等の中の１つだけを行うことができる。また、この従来の静電アクチュエータにおいては、移動シートの移動に対して、位置規制が行われていないときには、移動シートは位置ずれを起こし再現性のある移動を繰り返すことができなくなる。たとえば、移動シートを前後に移動している間に移動シートの左右の位置がずれる、移動シートが回転して傾斜した状態となるということが起きる。このように、従来の静電アクチュエータにおいては、移動シートを直線的に移動するだけであり、複雑な動きをさせることができないという問題があった。また、移動シートが位置ずれを起こしたときに修正する動きをさせることができないという問題があった。

本発明は上記の問題を解決するために成されたものである。その目的は、駆動シートの面に沿って移動シートを直線的に移動するだけでなく、移動シートを回転することが可能な静電アクチュエータを提供することにある。

本発明の請求項１に係る静電アクチュエータは、駆動方向が一致し、その駆動方向に対して直角方向に並置し、かつ独立に駆動することが可能な第１駆動領域と第２駆動領域を表面に有する駆動シートと、前記駆動シートの表面に対向してその表面が配置され、前記第１駆動領域に対向する表面は第１駆動領域から駆動力を得て、また第２駆動領域に対向する表面は第２駆動領域から駆動力を得て、前記駆動シートに対して相対的に移動する移動シートと、を有する静電アクチュエータにおいて、前記第１駆動領域はその駆動方向に対して直角方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線が前記配列の順序にしたがって複数系統に統合接続されて複数系統の第１駆動端子が設けられ、前記第２駆動領域はその駆動方向に対して直角方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線が前記配列の順序にしたがって複数系統に統合接続されて複数系統の第２駆動端子が設けられているようにしたものである。
また、本発明の請求項２に係る静電アクチュエータは、請求項１に係る静電アクチュエータにおいて、前記駆動シートに対向する前記移動シートの表面に対して反対側の表面に対向し、駆動方向が前記駆動シートの駆動方向に対して直角方向である直角方向駆動シートを有するようにしたものである。
また、本発明の請求項３に係る静電アクチュエータは、請求項２に係る静電アクチュエータにおいて、前記直角方向駆動シートはその駆動方向に対して直角方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線が前記配列の順序にしたがって複数系統に統合接続されて複数系統の直角方向駆動端子が設けられているようにしたものである。

本発明の請求項１に係る静電アクチュエータによれば、駆動方向が一致し、その駆動方向に対して直角方向に並置し、かつ独立に駆動することが可能な第１駆動領域と第２駆動領域を表面に有する駆動シートと、前記駆動シートの表面に対向してその表面が配置され、前記第１駆動領域に対向する表面は第１駆動領域から駆動力を得て、また第２駆動領域に対向する表面は第２駆動領域から駆動力を得て、前記駆動シートに対して相対的に移動する移動シートと、を有する静電アクチュエータにおいて、前記第１駆動領域はその駆動方向に対して直角方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線が前記配列の順序にしたがって複数系統に統合接続されて複数系統の第１駆動端子が設けられ、前記第２駆動領域はその駆動方向に対して直角方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線が前記配列の順序にしたがって複数系統に統合接続されて複数系統の第２駆動端子が設けられている。したがって、第１駆動端子と第２駆動端子に対して個別に電圧を印加することにより第１駆動領域と第２駆動領域の独立な駆動を行うことができる。
また本発明の請求項２に係る静電アクチュエータは、請求項１に係る静電アクチュエータにおいて、前記駆動シートに対向する前記移動シートの表面に対して反対側の表面に対向し、駆動方向が前記駆動シートの駆動方向に対して直角方向である直角方向駆動シートを有するようにしたものである。すなわち、駆動シートの駆動方向に対して、直角方向駆動シートの駆動方向は直角方向となる。したがって、平面内の任意の位置に移動シートを移動することができる。
また本発明の請求項３に係る静電アクチュエータは、請求項２に係る静電アクチュエータにおいて、前記直角方向駆動シートはその駆動方向に対して直角方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線が前記配列の順序にしたがって複数系統に統合接続されて複数系統の直角方向駆動端子が設けられているようにしたものである。したがって、第１駆動端子、第２駆動端子とともに直角方向駆動端子に対して個別に電圧を印加することにより直角方向駆動シートの独立な駆動を行うことができる。

次に、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。本発明の静電アクチュエータにおけ構成の説明図を図１に示す。図１において、１は駆動シート、２は移動シート２１は第１駆動領域、１２は第２駆動領域である。
駆動シート１は、その表面に対向して配置された移動シート２との間に静電力を発生することにより移動シート２の駆動を行うシートである。駆動シート１は第１駆動領域１１と第２駆動領域１２の少なくとも２つの駆動領域を有する。図１に示す一例においては、駆動シート１の中央部分から左側が第１駆動領域１１であり、駆動シート１の中央部分から右側が第２駆動領域１２である。
駆動シート１の第１駆動領域１１には、その対向面に沿う方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線が前記配列の順序にしたがって３系統に統合接続されて３系統の端子（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）が設けられている。また、同様に、駆動シート１の第２駆動領域１２には、その対向面に沿う方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線が前記配列の順序にしたがって３系統に統合接続されて３系統の端子（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）が設けられている。

駆動シート１の第１駆動領域１１と第２駆動領域１２は駆動方向が一致している。ここで駆動方向が一致しているというのは、前後、上下、左右、等の駆動方向を示す順逆の方向を区別しない直線方向が一致しているという意味であり、順逆の方向を区別する矢印方向が一致しているという意味ではない。
また、駆動シート１の第１駆動領域１１と第２駆動領域１２はその駆動方向に対して直角方向に並置する。すなわち、第１駆動領域１１と第２駆動領域１２の配列方向と、駆動方向とは互いに直交する方向となっている。
また、駆動シート１の第１駆動領域１１と第２駆動領域１２は独立に駆動することが可能となっている。第１駆動領域１１に形成された３系統の端子（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）と、第２駆動領域１２に形成された３系統の端子（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）は相互の電気的な接続を有しない独立した端子である。すなわち、各々の端子（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）、（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）に対しては独立に任意の電圧を印加することが可能である。したがって、移動シート２の所定の駆動のために所定の電圧の印加を端子（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）に対して行い、同時に移動シート２に別の所定の駆動のために別の所定の電圧の印加を端子（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）に対して行うことができる。

駆動シート１の第１駆動領域１１と第２駆動領域１２における電極構成について説明する。駆動シートの各駆動領域における電極線のパターンの一例を図２に示す。駆動シート１において移動シート２との対向面に沿う方向に複数本が互いに平行となるように配列している電極線は、図２に示すパターンの一例においては中央部分に存在する。その中央部分を挟む左側部分と右側部分は、電極線の複数本を端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に結合するための結合線である。端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）と、その各々に結合する結合線と、電極線とは３系統に一体化した導電線であり、端子、結合線、電極線という区別は無意味にも思えるが、ここではその役割において区別する。すなわち、電源部から電力を供給する導電線の部分が端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）であり、端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）と電極線とを結合し電力を伝送する導電線の部分が結合線であり、移動シート２と駆動シート１における静電力が作用する主要な導電線の部分が電極線である。
図２においては、端子Ｕに結合するＵ相結合線が左側部分に配置し、端子Ｗに結合するＷ相結合線が右側部分に配置している。また、Ｕ相結合線とＷ相結合線とは駆動シート１における表面に配置している。一方、端子Ｖに結合するＶ相結合線は駆動シート１における裏面に配置している。Ｖ相結合線は、図２に示すパターンの一例においては、左側部分と右側部分に分かれて配置している。端子Ｖに結合するＶ相電極線を表面に配置するためには、裏面に配置しているＶ相結合線からスルーホールにより表面に配置しているＶ相結合線に電気的な接続を行ない、その表面に配置しているＶ相結合線とＶ相電極線とを結合するパターンとする。

移動シート２は駆動シート１の表面にその表面が対向するように配置される。駆動シート１の第１駆動領域に対向する移動シート２の表面は第１駆動領域から駆動力を得て駆動シートに対して相対的に移動する。また、駆動シート１の第２駆動領域に対向する移動シート２の表面は第２駆動領域から駆動力を得て駆動シート１に対して相対的に移動する。すなわち、移動シート２は、第１駆動領域の駆動力と第２駆動領域の両方または片方の駆動力を受けて移動を行う。移動シート２は、図１に一例を示すように、第１駆動領域から下方向の駆動力を受け、第２駆動領域から上方向の駆動力を受けたときには、反時計回りの回転を行う。逆に、移動シート２は第１駆動領域から上方向の駆動力を受け、第２駆動領域から下方向の駆動力を受けたときには、時計回りの回転を行う。また、移動シート２は第１駆動領域から下方向の駆動力を受け、第２駆動領域からも下方向の駆動力を受けたときには下降を行う。逆に、移動シート２は第１駆動領域から上方向の駆動力を受け、第２駆動領域からも上方向の駆動力を受けたときには上昇を行う。

このような移動シート２は、駆動シート１との間で静電力が働くことによって駆動シート１に対して相対的な移動を行なうことができる。その移動は駆動シート１に設けられた電極線２１に電源部（図４参照）から電圧を印加することにより行なわれる。その電圧の印加形態は制御部（図示せず）が電源部を制御することによって変化させることができる。そして、その電力の供給形態によって移動シート２の回転速度、回転方向、移動速度、移動方向を変化させることができる。
移動シート２はその面が駆動シート１の面に対向して移動可能に配置され、その対向面に駆動シート１の電極電位に応じた電荷が誘起される。そして、その誘起された電荷と駆動シート１の電極電位との間に静電力が発生し、その発生した静電力によって駆動シート１に対して相対的な移動を行う。

このように、移動シート２には電極電位に応じた電荷が誘起される必要性がある。したがって、移動シート２は一般的には絶縁材料（誘電体）であり、たとえば、ポリエステルフィルム、ポロプロピレンフィルム、ポリスチレンフィルム、ポリ塩化ビニール、ポリ塩化ビニリデンフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリアミドフィルム、ポリイミドフィルム、等のプラスチックフィルムを使用することができる。また、そのような絶縁材料を駆動シート２との対向面にラミネートした（貼り合せた）紙、等の複合材料を使用することができる。移動シート２の表面は、表面抵抗率が約１０¹²〜１０¹⁵Ω□程度が好適である。この場合微弱な電気が流れるため、駆動シート２の電極線によって移動シート２に誘起された電荷は、電極線における電圧の瞬間的な変化に対して遅れて追従することになる。このような表面物性は材料表面の処理に大きく影響されることがあるため、使用することができる材料は上記に限定されず、コーティング処理で表面低効率を最適化してもよい。

上述の静電アクチュエータは、図１に示すように、駆動シート１と、移動シート２を有する。この構成に対して、さらに直角方向駆動シートを加えた静電アクチュエータの構成を図３に示す。図３において、１は駆動シート、２は移動シート、３は直角方向駆動シートである。図３においては、構成を判りやすくするために、各構成部分を分離した斜視図として示している。実際は、駆動シート１と移動シート２と直角方向駆動シート３はその順番に重ね合わされた構成となっている。
駆動シート１は上述した駆動シート１そのものである。すなわち駆動シート１は移動シート２に対して回転と、図３においてはＸ方向の駆動を行うことができる駆動シートである。
移動シート２は、基本的に上述した移動シート２と同一であるが、図１においては、片面が駆動シートに対向しているのに対して、図３においては、両面が駆動シートに対向している。したがって、図３における移動シート２においては、両面が共に静電力による駆動に適した表面物性を有している必要性がある。

直角方向駆動シート３は駆動シート１に対向する移動シート２の表面に対して反対側の表面に対向し、駆動方向が駆動シート１の駆動方向に対して直角方向の駆動シートである。すなわち、直角方向駆動シート３は移動シート２に対して図３におけるＹ方向の駆動を行うことができる駆動シートである。直角方向駆動シート３は、図３に示す一例においては、移動シート２を回転するための駆動は行わない。直角方向駆動シート３は駆動シート１のように２つの駆動領域を有するのではなく、１つだけの駆動領域を有する。
直角方向駆動シート３はその駆動方向に対して直角方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線がその配列の順序にしたがって複数系統に統合接続されて複数系統の直角方向駆動端子、すなわち端子（Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３）（図示せず）が設けられている。直角方向駆動シート３における電極構成は図２に電極パターンの一例を示しすでに説明した電極構成となっている。

本発明の静電アクチュエータの駆動シート１と直角方向駆動シート３は、たとえば、基材、電極（電極線、結合線、端子、等）、絶縁体、ハードコート層、潤滑層を順番に積層した構成とすることができる。次に、それらの構成の１つ１つについて説明する。
基材はその表面に形成した電極の電極形状を保持するための基材となるフィルムである。固定子基材としては、電気的な絶縁性を有し、かつハンダ付における耐熱性を有するプラスチックフィルム、たとえばＰＩ（PolyImide）フィルム、ＰＥＴ（PolyEthyleneTerephthalate）フィルム、ＰＡＩ（PolyAmideImide）フィルム、等、あるいはプラスチックフィルムではない他の材料として、ガラス基板、ガラスエポキシ基板、紙フェノール基板、フッ素樹脂基板、コンポジット基板、等を使用することができる。

電極はプリント回路を形成する周知の方法によって形成することができる。プリント回路の材料として銅箔とフィルムまたは基板を貼り合わせた銅貼フィルムが使用される。電極と固定子基材はその銅貼フィルムにおける銅箔の部分とフィルムの部分である。銅貼フィルムの銅箔面にエッチングレジストのパターンを形成してエッチングすることにより銅箔をパターン化することができる。帯線状の電極は、このパターン化した銅箔の部分として固定子基材の表面に形成される。
また、バックライトを透過させる等のために、電極として透明電極を必要とするときには、透明電極を形成する周知の方法によって電極を形成することができる。たとえば、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）を使用しスパッタリング、蒸着、等により基材に成膜しエッチングによりパターン化する、またはＩＴＯペーストをインキとし基材にスクリーン印刷して焼成する、等により透明電極を得ることができる。

絶縁体は電極の露出している側の表面を被覆する絶縁体である。電極の固定子基材に貼り付いている側の表面は、当然ながら、固定子基材よって被覆されており電気的な絶縁性が確保されている。絶縁体はその表面に対して反対側となる固定子基材と電極の表面に密着して形成される。絶縁体は電気的な絶縁性を得るためだけではなく、駆動シート１と直角方向駆動シート３の全体の剛性を高くして変形を小さくし、移動子基材に対面する固定子基材の表面の平坦性を確保する働きを有している。
ハードコート層は固定子基材と移動子基材との摩擦による磨耗から、保護するためのハードコート層である。ハードコート層は基材と移動シート２とが対向する側の基材の表面に形成する。このハードコート層は、基材の厚さを極めて薄くしたときには（たとえば、２０μｍ以下）、静電アクチュエータの耐久性において特に顕著な効果を示す構成要件となる。ハードコート層としては、周知のハードコート層を適用することができる。たとえば、フィルムに熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、等を塗布して硬化させ形成したハードコート層を適用することができる。
潤滑層は固定子と移動子との間で発生する摩擦力を軽減するために固定子と移動子とが対面する（接触する）面の間に設けた潤滑層である。潤滑層を設けることにより駆動の効率性、安定性、等を向上させることができる。潤滑層としては流動体を使用することができる。たとえば、シリコーンオイル、フッ素系液体（たとえば、フロリナート（商標））、等の不活性かつ電気絶縁性を有する液体を使用すると好適である。また、滑り抵抗ではなく、潤滑層と同様の作用効果を有する直径２０μｍ程度のビーズを使用し転がり抵抗としてもよい。

次に、本発明の静電アクチュエータにおける電源部について説明する。本発明の静電アクチュエータにおける電源部の構成の一例を図４に示す。図４において、１０１は入力器、１０２は制御器、１０３は高電圧電源、１０４は復号器、１０５は切替器であり、これらによって電源部が構成される。
入力器１０１は、制御の態様を指令する信号を入力し、制御器１０２に対してその信号を出力する部分である。すなわち、インタフェース、バッファ等の役割を有する部分である。その信号にはＵＰ、ＤＯＷＮ、ＳＴＡＲＴ、ＳＴＯＰ、ＳＰＥＥＤが存在する。ＵＰは移動シート２を上昇移行させる指令信号であり、ＤＯＷＮは移動シート２を下降移行させる指令信号である。また、ＳＴＡＲＴは高電圧電源の電力供給を開始する指令信号であり、ＳＴＯＰは高電圧電源の電力供給を停止する指令信号である。また、ＳＰＥＥＤは３相交流における周波数を決定する指令信号である。

制御器１０２は入力器１０１から入力した指令信号に基づいて高圧電源１０３と復号器１０４を操作する操作信号を出力する制御器である。
高電圧電源１０３はグランドに対してプラス高電圧とマイナスの高電圧を出力する電源である。高電圧電源１０３は制御器１０２が出力する操作信号に基づいてプラス高電圧とマイナスの高電圧における出力電圧を変化することができる。出力電圧の範囲は、たとえば、２００〜２０００ボルト（Ｖ）である。
復号器１０４は、制御器１０２が出力する操作信号を切替器１０５を動作させる切替信号に複合化する。
切替器１０５は、復号器１０４が複合化する切替信号によって、高圧電源１０３の出力を切替える。その切替によって得られる出力は、たとえば、（１）３相正向進行波、（２）３相逆向進行波、（３）３つの出力をすべてプラス高電圧、（４）３つの出力をすべてマイナス高電圧、（５）３つの出力をすべてグランド（０電圧）のいずれかである。

上述の図４に示す電源部は、端子（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）用の電源部、端子（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）用の電源部、端子（Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３）用の電源部の３つが存在する。それら電源部の各々は、端子（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）、端子（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）、端子（Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３）の各々に電力を供給する。
それら電源部の各々の入力器１０１が、各々の制御の態様を指令する信号を入力することによって、それら電源部の各々の切替器１０５から、各々の制御の態様に対応した電圧波形の電力が供給される。
端子（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）を有する駆動シート１の第１駆動領域１１、端子（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）を有する駆動シート１の第２駆動領域１２、直角方向駆動シート３は、それらの電力の供給を受けて移動シート２の駆動を行う。
以上から明らかなように、駆動シート１の第１駆動領域１１、駆動シート１の第２駆動領域１２、直角方向駆動シート３は、各々が独立した制御の態様を受けることができる。したがって、移動シート２はＸ方向の移動、Ｙ方向の移動、回転、およびそれらを組み合わせた任意の移動を行うことができる。

本発明の静電アクチュエータにおけ構成を示す説明図である。駆動シートの各駆動領域における電極線のパターンの一例を示す図である。直角方向駆動シートを加えた静電アクチュエータの構成を示す図である。本発明の静電アクチュエータにおける電源部の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１駆動シート
２移動シート
１１第１駆動領域
１２第２駆動領域
１０１入力器
１０２制御器
１０３高電圧電源
１０４復号器
１０５切替器

Claims

駆動方向が一致し、その駆動方向に対して直角方向に並置し、かつ独立に駆動することが可能な第１駆動領域と第２駆動領域を表面に有する駆動シートと、前記駆動シートの表面に対向してその表面が配置され、前記第１駆動領域に対向する表面は第１駆動領域から駆動力を得て、また第２駆動領域に対向する表面は第２駆動領域から駆動力を得て、前記駆動シートに対して相対的に移動する移動シートと、を有する静電アクチュエータにおいて、
前記第１駆動領域はその駆動方向に対して直角方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線が前記配列の順序にしたがって複数系統に統合接続されて複数系統の第１駆動端子が設けられ、前記第２駆動領域はその駆動方向に対して直角方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線が前記配列の順序にしたがって複数系統に統合接続されて複数系統の第２駆動端子が設けられていることを特徴とする静電アクチュエータ。
請求項１に記載の静電アクチュエータにおいて、前記駆動シートに対向する前記移動シートの表面に対して反対側の表面に対向し、駆動方向が前記駆動シートの駆動方向に対して直角方向である直角方向駆動シートを有することを特徴とする静電アクチュエータ。
請求項２に記載の静電アクチュエータにおいて、前記直角方向駆動シートはその駆動方向に対して直角方向に電極線の複数本が互いに平行となるように配列され、その複数本の電極線が前記配列の順序にしたがって複数系統に統合接続されて複数系統の直角方向駆動端子が設けられていることを特徴とする静電アクチュエータ。