JP7408149B2 - 積層型静電アクチュエータ - Google Patents
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Description
アクチュエータ部(2a,2b,2c)が複数積層された積層型静電アクチュエータ(1)であって、
前記アクチュエータ部は、
一方の面に複数の第1接続領域(7a1,7b1,7c1)が所定パターンで形成された第1フィルム(3a1,3b1,3c1)と、
前記第1接続領域を介して前記第1フィルムに接続された第2フィルム(3a2,3b2,3c2)であって、当該第1フィルムとは反対側の面に当該第1接続領域の前記パターンと同一パターンの複数の第2接続領域(7a2,7b2,7c2)が形成された第2フィルム(3a2,3b2,3c2)と、
を有して構成され、
前記第1フィルム及び前記第2フィルムはいずれも、積層方向(Z)から見て隣り合う接続領域間に幅が実質的に一定の非接続領域(15)が形成され、
前記アクチュエータ部の前記第1接続領域と当該アクチュエータ部の前記第2接続領域とは、積層方向から見て互いに重ならないように配置され、
重なり合う2つの前記アクチュエータ部(2a,2b;2b,2c)は前記第2接続領域(7b2;7c2)を介して接続され、
前記接続される2つのアクチュエータ部(2a,2b;2b,2c)間のパターンの軸線は積層方向から見て互いに所定角度(θ、θ=0°を除く)で交差するように当該2つのアクチュエータ部が積層される。
請求項1に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記アクチュエータ部の各々において、前記第1接続領域の前記パターンの軸線は互いに平行であり、前記第2接続領域の前記パターンの軸線は互いに平行である、ことを特徴とすれば、
第1接続領域と第2接続領域のパターンの間隔を簡易に制御できるため構造の安定性が向上し、長寿命化できるので好ましい。また、製作性も向上する。
請求項1又は2に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記アクチュエータ部の各々において、前記第2接続領域の前記パターンの軸線は、前記第1接続領域の前記パターンの軸線と平行である、ことを特徴とすれば、
第1接続領域と第2接続領域のパターンの間隔を簡易に制御できるため構造の安定性が向上し、長寿命化できるので好ましい。また、製作性も向上する。
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1接続領域及び前記第2接続領域の前記パターンはいずれも、実質的に均一な幅を有する直線状に形成されて等間隔に配置される、ことを特徴とすれば、
第1接続領域と第2接続領域を簡易に製作できるので、構造の安定性を向上させることができて好ましい。
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記アクチュエータ部の各々において、積層方向から見て前記第1接続領域は、2つの前記第2接続領域間の非接続領域の中央に位置するように配置される、ことを特徴とすれば、
伸縮時に非接続領域で発生する応力が平均化され、応力集中が発生しにくくなる。これにより積層型静電アクチュエータの長寿命化が可能となるので好ましい。
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記積層される2つのアクチュエータ部が形成する平面を積層方向から見るとき、積層の上側の前記アクチュエータ部(2a;2b)の前記第1接続領域(7a1;7b1)の前記パターンの軸線と積層の下側の前記アクチュエータ部(2b;2c)の前記第2接続領域(7b2;7c2)の前記パターンの軸線とは、少なくとも1箇所で交差する、ことを特徴とすれば、
平面内の交差により積層の上側のアクチュエータ部の第1フィルムは変形しにくくなり、第2フィルムの非接続領域が主に弾性変形するようになることで各フィルム間で好適な非線形ばね特性を得ることができるので好ましい。
請求項6に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1接続領域及び前記第2接続領域の前記パターンはいずれも、実質的に均一な幅(d)を有する直線状に形成されて等間隔に配置され、
積層の上側の前記アクチュエータ部の前記第1接続領域または下側の前記アクチュエータ部の前記第2接続領域のうちいずれか一方の接続領域のパターンの軸線の、積層方向から見た前記平面における長さをLとし、当該一方の接続領域における積層方向から見た前記非接続領域間の幅を2×l+dとするとき、
前記接続される2つのアクチュエータ部間の前記パターンの軸線における積層方向から見た前記交差角度θ[rad]は、
交差を確実に平面内に実現できるので、積層型静電アクチュエータはより好適な非線形ばね特性を得ることができるので好ましい。
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記積層型静電アクチュエータが伸長するとき、
各アクチュエータ部における前記第1フィルムと前記第2フィルムとが離間して当該第1フィルム及び当該第2フィルムの前記非接続領域には空間(13)が形成され、
積層の上側の前記アクチュエータ部の前記第1フィルムと下側の前記アクチュエータ部の前記第2フィルムとが離間して当該第1フィルム及び当該第2フィルムの前記非接続領域には空間(11)が形成され、
2つの当該空間(11,13)は外部との間で流体連通し、
前記積層型静電アクチュエータが伸縮するとき、前記空間と外部との間で流体の流出入を可能とするように構成される、ことを特徴とすれば、
伸縮時に、非接続領域に形成される空間への流体の出入りが自由になり、応答性が向上するので好ましい。
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記アクチュエータ部の平面形状は、四角形であり、
重なり合う2つの前記アクチュエータ部は、前記所定角度が90°で交差するように積層される、ことを特徴とすれば、
簡易な形状でありながら前記第1フィルムが最も変形しにくく、前記第2フィルムの非接続領域におけるばね力は高次成分(3次成分)の効きが強まり、より好適な非線形ばね特性を得ることができるので好ましい。これにより、アクチュエータの特性が向上する。
請求項1乃至9のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1フィルムは、絶縁層(23)、導電層(21)、絶縁層(23)の3層構造を含み、
前記第2フィルムは、絶縁層で構成され、
前記第2フィルムは、積層方向から見て、前記第1接続領域を介して前記第1フィルムに接続される第1接続面部(81)と、前記第2接続領域を介して積層方向上側の前記アクチュエータ部の前記第1フィルムに接続される第2接続面部(82)と、当該第1接続領域および当該第2接続領域のいずれも形成されないヒンジ部(15)と、を有し、
外力により積層方向に引っ張られるとき、前記ヒンジ部が弾性変形して前記第1フィルムと前記第2フィルムとが離間して、前記積層型静電アクチュエータが積層方向に伸長し、
積層される2つの前記アクチュエータ部の前記第1フィルムの間に電圧が印加されるとき、当該2つの第1フィルムが静電引力により互いに引き合い、前記積層型静電アクチュエータが積層方向に収縮するように構成される、ことを特徴とすれば、
第1フィルムが有する導電層は変形しにくいため、フィルムの変形に起因した導電層における電気的切断が発生せず、積層型静電アクチュエータの長寿命化が可能となるので好ましい。
請求項1乃至9のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1フィルム及び前記第2フィルムはいずれも、絶縁層(23)、導電層(21)、絶縁層(23)の3層構造を含み、
前記第2フィルムは、前記第1接続領域を介して前記第1フィルムに接続される第1接続面部(81)と、前記第2接続領域を介して積層方向上側の前記アクチュエータ部の前記第1フィルムに接続される第2接続面部(82)と、当該第1接続領域および当該第2接続領域のいずれも形成されないヒンジ部(15)と、を有し、
外力により積層方向に引っ張られるとき、前記ヒンジ部が弾性変形して前記第1フィルムと前記第2フィルムとが離間して、前記積層型静電アクチュエータが積層方向に伸長し、
前記第1フィルム及び前記第2フィルムの間に電圧が印加されるとき、当該2つのフィルムが静電引力により互いに引き合い、前記積層型静電アクチュエータが積層方向に収縮するように構成される、ことを特徴とすれば、
第1フィルムと第2フィルムとが密に積層し電極間隔が狭まるので、静電引力により互いに引き合う力が向上するので好ましい。
請求項11に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1フィルムと前記第2フィルムは、長尺なリボン形状を有し、
前記積層型静電アクチュエータは、2つの前記第1フィルムと前記第2フィルムをジグザグ状に折り曲げてそれぞれの長手方向が積層方向から見て互いに90°で交差するように交互に折り重ねた紙ばね構造を有し、
2つの前記第1フィルム及び前記第2フィルムが積層方向から見て重なった平面において複数の積層された前記アクチュエータ部を形成するともに、平面の外に形成される折り曲げ部が外ヒンジ部(17)を構成し、
前記外ヒンジ部により、異なる層の前記アクチュエータ部の第1フィルムどうし、または第2フィルムどうしが、互いに一体となっている、ことを特徴とすれば、
長尺なリボン形状のアクチュエータ部を単純に折り重ねて製作できるため製作性が向上して好ましい。また、各アクチュエータ部の第1フィルムどうし、第2フィルムどうしは外ヒンジ部で電気的に接続されているため、組み立て後に各層の配線が不要になり、製作性が向上するので好ましい。更に、外ヒンジ部が第1フィルム及び第2フィルムの折り曲げ部における平面に平行な方向の変形を抑制する半円筒の構造体として機能する。このため、フィルム間の距離が不均一になりやすい折り曲げ部でもフィルム間距離を均一にできる。これにより、積層方向の動きが安定し均一になるとともに、駆動力を向上させることができるので好ましい。
請求項11に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1フィルムと前記第2フィルムは、長尺なリボン形状を有し、
前記積層型静電アクチュエータは、2つの前記第1フィルムと前記第2フィルムを中心からそれぞれ一方向に巻き重ねた偏平な渦巻き状の巻き構造を有し、
2つの前記第1フィルム及び前記第2フィルムが積層方向から見て重なった平面において複数の積層された前記アクチュエータ部を形成するともに、平面の外に形成される折り曲げ部が外ヒンジ部(17)を構成し、
前記外ヒンジ部により、異なる層の前記アクチュエータ部の第1フィルムどうし、または第2フィルムどうしが、互いに一体となっている、ことを特徴とすれば、
長尺なリボン形状のアクチュエータ部を単純に巻くことで製作できるため製作性が向上して好ましい。また、各アクチュエータ部の第1フィルムどうし、第2フィルムどうしは外ヒンジ部で電気的に接続されているため、組み立て後に各層の配線が不要になり、製作性が向上するので好ましい。更に、外ヒンジ部が第1フィルム及び第2フィルムの折り曲げ部における平面に平行な方向の変形を抑制する半円筒の構造体として機能する。このため、フィルム間の距離が不均一になりやすい折り曲げ部でもフィルム間距離を均一にできる。これにより、積層方向の動きが安定し均一になるとともに、駆動力を向上させることができるので好ましい。
(1-1)積層型静電アクチュエータの基本構造
図1は、第1実施形態に係る積層型静電アクチュエータの基本構造を示す斜視図であり、図2は、図1に示す積層型静電アクチュエータのアクチュエータ部の基本構造の一部を示す分解斜視図である。図1に示すように、積層型静電アクチュエータ1は、複数のアクチュエータ部2a,2b,2c,…2n(以下、適宜「アクチュエータ部2」とする)が積層され、積層方向Zの上下両面に配置された端部材5a,5bに挟まれて構成される。アクチュエータ部2a,2b,2cの各々は、積層方向Zから見て平面形状が四角形に形成される。図2に示すように、アクチュエータ部2a,2b,2cは、一方の面に複数の第1接続領域7a1,7b1,7c1が所定パターンで形成された第1フィルム3a1,3b1,3c1と、第1接続領域7a1,7b1,7c1を介して第1フィルム3a1,3b1,3c1に接続された第2フィルム3a2,3b2,3c2と、を有して構成される。第2フィルム3a2,3b2,3c2は、第1フィルム3a1,3b1,3c1とは反対側の面に第1接続領域7a1,7b1,7c1のパターンと同一パターンの複数の第2接続領域7a2,7b2,7c2が形成される。重なり合う2つのアクチュエータ部2a,2b;2b,2cはそれぞれ第2接続領域7b2;7c2を介して接続され、アクチュエータ部2aは第2接続領域7a2を介して積層方向Zの最上面に配置された端部材5aに接続される。
<フィルム>
図3は、図2に示すアクチュエータ部のフィルムの積層構造を示す断面図である。図3(a)は、アクチュエータ部2a,2b,2cの第1フィルム3a1,3b1,3c1(以下、「導電性フィルムP」と呼称する)の積層構造を示し、図3(b)は、第2フィルム3a2,3b2,3c2(以下、「絶縁性フィルムQ」と呼称する)の積層構造を示す。
図4は、図1に示すアクチュエータ部2a,2b,2cの基本構造の一部を拡大して示す正面図であり、図5は、その側面図である。いずれも、2つの端部材5a,5b(図1)の間に積層方向Zに離そうとする向きの外力が作用して、第1フィルム3a1,3b1,3c1と第2フィルム3a2,3b2,3c2との間隔が伸長した状態を示す。各アクチュエータ部の第1接続領域及び第2接続領域(以下、適宜「接続領域7」とする)は互いに離間しているため、積層される上下の第1フィルムと第2フィルムとの間で接続領域7,7間に形成される非接続領域15には空間11,13が形成される。
図4及び図5を用いて上述したように、第2フィルム3a2は上下両面がそれぞれ第1接続領域7a1及び第2接続領域7a2に接続するので、第1接続領域7a1及び第2接続領域7a2に対応する第2フィルム3a2の部分(以下、適宜「接続面部81,82」(図6)とする)は、他の領域(接続に寄与しない非接続領域。以下、「非接続領域15」とする)に対応する第2フィルム3a2の部分に比して剛性が大きい。同様に、第1接続領域7b1及び第2接続領域7b2に対応する第2フィルム3b2の接続面部81,82は、第2フィルム3b2の非接続領域15に比して剛性が大きい。
積層型静電アクチュエータ1に積層方向Zの引っ張り力(外力)が印加されて積層型静電アクチュエータ1が伸長状態となるとき、第2フィルム3a2,3b2は、その上の層(それぞれ、積層方向Zの最上面の端部材5a,アクチュエータ部2aの第1フィルム3a1)との間の空間11が大きくなり、その下の層(それぞれ、第1フィルム3a1,3b1)との間の空間13が大きくなる(図4,図5)。これらの空間11,13は、以下に説明する積層型静電アクチュエータ1の伸縮動作を妨げることなく充分な伸縮量を確保するために外部との間で流体連通しており、絶縁流体が通る絶縁流体部として機能する。また、これらの空間11,13の開口面積は、アクチュエータ部2a,2bの伸長時、収縮時の違いによって変化する。即ち、積層方向Zの引っ張り力(外力)が印加されると、主に第2フィルムが弾性変形して各第1フィルムの間隔は離間し、空間11,13の開口面積が大きくなり、電極層間に電圧が印加されて静電引力が作用すると、各第1フィルムの間隔は狭まり、空間11,13の開口面積が小さくなる。
かかる構成を有する積層型静電アクチュエータ1は、積層方向Zに印加される引っ張り力(外力)の有無、及び、第1フィルム間に印加される電圧の有無によって、伸縮状態が変化する。
初期状態において、或いは、積層方向Zの引っ張り力(外力)が印加された後に第1フィルム間に電圧が印加されて静電引力が作用しバランスするとき、ヒンジ部15は変形せず、第1フィルム3a1及び第2フィルム3a2は平面状態である。このときの第1フィルム3a1の導電層21から第1フィルム3b1の導電層21(図3)までの距離uは、u初期=2×t23+t23’である(図示省略)。
積層型静電アクチュエータ1に積層方向Zに引っ張り力(外力)が印加されると、アクチュエータ部2aの第2フィルム3a2の非接続領域15(ヒンジ部15)が弾性変形(曲げと伸長)して、第1フィルム3a1と第2フィルム3a2との間隔は広がり(図4)、積層型静電アクチュエータ1は積層方向Zに伸長する(図1)。図6は、積層型静電アクチュエータ1の伸長状態のアクチュエータ部2aを示す断面図である。図6に示すように、積層方向Zに引っ張り力(外力)が印加されると、第1フィルム3a1と第2フィルム3a2との間隔は広がる。この場合のヒンジ部15のばね変位をσとすれば、第1フィルム3a1の導電層21から第1フィルム3b1の導電層21(図3)までの距離uは、u伸長=2×t23+t23’+σである。
図7は、積層型静電アクチュエータ1の静電力とばね力の合力と、アクチュエータ部2の発生力Fとの関係を示すグラフである。横軸はばね変位σ、縦軸はアクチュエータ部2の発生力Fを示す。ばね力はばね変位σが大きくなるに従って非線形な増加を示し、静電力は、逆にばね変位σが大きくなるに従って、近似的にはσの2乗に反比例して減少する。また、静電力とばね力の合力は、図示のようなU字状のカーブを描く。そして、アクチュエータ部2の発生力Fは、上記合力が最小値をFminとすると、少なくともFmin以上の大きさで収縮方向に作用する。
第1実施形態に係る積層型静電アクチュエータ1は、アクチュエータ部2を構成する第1フィルム3a1,3b1が導電性フィルムPで構成され、第2フィルム3a2,3b2が絶縁性フィルムQで構成されるのに対して、第2実施形態に係る積層型静電アクチュエータ101は、アクチュエータ部を構成する第1及び第2フィルムのいずれもが導電性フィルムPで構成される点で、第1実施形態に係る積層型静電アクチュエータ1と相違する。
第2実施形態に係る積層型静電アクチュエータ101の基本構造及びアクチュエータ部の基本構造は、第1実施形態に係る積層型静電アクチュエータ1のそれらと同じであり、図1及び図2をそのまま適用する。また、第1実施形態に係る積層型静電アクチュエータ1との同一又は類似の要素については、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。
<フィルム>
上述したように、第2実施形態に係る積層型静電アクチュエータ101は、アクチュエータ部を構成する第1及び第2フィルム3a1,3a2のいずれもが、図3(a)に示す導電性フィルムPで構成される。
第2実施形態に係る積層型静電アクチュエータ101のアクチュエータ部の接続部は、第1実施形態に係る積層型静電アクチュエータ1のそれと同じである。
第1実施形態に係る積層型静電アクチュエータ1では、重なり合うアクチュエータ部2の第1フィルム3a1,3b1間に電圧が印加されるのに対して、第2実施形態に係る積層型静電アクチュエータ101では、重なり合う第1及び第2フィルム3a1,3a2;3b2,3a1間に電圧が印加される点で、第1実施形態に係る積層型静電アクチュエータ1と相違する。第1及び第2フィルム3a1,3a2間に電圧が印加されると、静電引力により第1及び第2フィルム3a1,3a2間の間隔は初期状態に戻り(後述)、積層型静電アクチュエータ101は積層方向Zに収縮する。アクチュエータ部2aの第1フィルム3a1と第2フィルム3a2との間に印加された電圧に起因する静電引力が作用し、第1及び第2フィルム3a1,3a2の間隔は狭まる。他の第1及び第2フィルム3b1,3b2間も、重なり合う異なるアクチュエータ部2の第1フィルムと第2フィルム(例えば、3b2と3a1)の間も、同様に静電引力により狭まるため、積層型静電アクチュエータ101は積層方向Zに収縮する。
第2実施形態に係る積層型静電アクチュエータ101のアクチュエータ部の基本構造は、第1実施形態に係る積層型静電アクチュエータ1のアクチュエータ部2のそれと同じであるから、積層型静電アクチュエータ101に積層方向Zの引っ張り力(外力)が印加されると、第2フィルム3a2は弾性変形して第1及び第2フィルム3a1,3a2の間隔は離間し、空間11,13の開口面積が大きくなり、第1及び第2フィルム3a1,3a2間に電圧が印加されて静電引力が作用すると、第1及び第2フィルム3a1,3a2の間隔は狭まり、空間11,13の開口面積が小さくなる。
かかる構成を有する積層型静電アクチュエータ101は、積層方向Zに印加される引っ張り力(外力)の有無、及び、第1及び第2フィルム3a1,3a2間に印加される電圧の有無によって、伸縮状態が変化する。
初期状態において、或いは、積層方向Zの引っ張り力(外力)が印加された後に第1及び第2フィルム3a1,3a2間に電圧が印加されて静電引力が作用しバランスするとき、ヒンジ部15は変形せず、第1フィルム3a1及び第2フィルム3a2は平面状態である。このときの第1フィルム3a1の導電層21から第2フィルム3a2の導電層21(図3)までの距離uは、u初期=2×t23である(図示省略)。
積層型静電アクチュエータ101に積層方向Zに引っ張り力(外力)が印加されると、第1フィルム3a1と第2フィルム3a2との間隔は広がる。第1フィルム3a1の導電層21から第2フィルム3a2の導電層21(図3)までの距離uは、u伸長=2×t23+σである。これまで、主にアクチュエータ部2a,2bについて述べてきたが、以上の議論は各アクチュエータ部2a,2b,2c,…,2nについても同様に成り立つから、このようなアクチュエータ部がn個積層された積層型静電アクチュエータ101のストロークUは、U=n×(u伸長-u初期)=n×σとなる。
第2実施形態に係る積層型静電アクチュエータ101の基本構造は第1実施形態に係る積層型静電アクチュエータ1のそれと同じであるから、第2実施形態に係る積層型静電アクチュエータ101のアクチュエータ部の静電力とばね力の合力と、アクチュエータ部の発生力Fとの関係も、第1実施形態に係る積層型静電アクチュエータ1のそれと同じであり、図7がそのまま当てはまる。但し、アクチュエータ部2を構成する第1フィルム3a1,3b1間の静電引力で収縮する第1実施形態に比して、第2実施形態では第1フィルム3a1と第2フィルム3a2、または第2フィルム3b2と第1フィルム3a1との間の距離が近いので、発生する静電引力が大きくなり収縮力が増加する。
第2実施形態に係る積層型静電アクチュエータ101を実際に製造する場合には、生産性の良い構造が求められる。以下、説明する2つの応用例は、生産性の良い効率的な製造が可能な構造の一例を示しており、それぞれ各層のアクチュエータ部2の端部に他層のアクチュエータ部2の端部と接続される外ヒンジ部17が設けられていて、この外ヒンジ部17によって同極電極の後工程接続が不要となり、生産性が向上する。更に、これらの応用例の構造は局所放電リスクのある電極接続部を有しないため、積層型静電アクチュエータの信頼性が向上する。
図8は、図1に示す積層型静電アクチュエータ1を折り曲げ構造によって作成した応用例1を示す斜視図である。応用例1に係る積層型静電アクチュエータ1Aは、2つの長尺なリボン状電極37、39をジグザグ状に折り曲げて交互に折り重ねた紙ばね構造を有する。また、対向して積層される平面部が各層のアクチュエータ部2となり、それぞれのアクチュエータ部2の外方に延びるループ状の接続部が上述した外ヒンジ部17として機能する。
図9は、図1に示す積層型静電アクチュエータ1を巻き構造によって作成した応用例2を示す斜視図である。応用例2に係る積層型静電アクチュエータ1Bは、2つの長尺なリボン状電極37、39を中心から一方向に巻いた偏平な渦巻き状の巻き構造を有する。また、対向して積層される平面部が各層のアクチュエータ部2となり、それぞれのアクチュエータ部2の外方に延びるループ状の接続部が上述した外ヒンジ部17として機能する。
上に説明した実施形態が本発明の基本的な実施形態になるが、本実施形態の積層型静電アクチュエータ1は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲内での部分的構成の変更や省略、あるいは当業者において周知、慣用の技術を追加することが可能である。例えば、積層型静電アクチュエータ1の平面形状は、前述した実施形態で述べた四角形に限らず、三角形、五角形等他の多角形でもよいし、円形、半円形、長円形、楕円形等曲線を有する形状であってもよい。また、各層のアクチュエータ部2の交差角度θは、前述した実施形態で述べた90°に限らず、積層型静電アクチュエータ1の平面形状が三角形の場合には、交差角度θを60°にし、五角形の場合には交差角度θを72°にする等、他の角度に設定することが可能である。
2,2a,2b,2c:アクチュエータ部、
3:フィルム、3a1,3b1:第1フィルム、3a2,3b2:第2フィルム、
5a,5b:端部材、
7:接続領域、7a1,7b1:第1接続領域、7a2,7b2:第2接続領域、
81,82:接続面部、11:空間、13:空間、15:非接続領域(またはヒンジ部)、17:外ヒンジ部、
21:導電層、23:絶縁層、37:リボン状電極、39:リボン状電極、
θ:交差角度、Z:積層方向、X:幅方向、Y:奥行き方向、X、Y:平面方向、
U:ストローク、u:距離、σ:ばね変位、d:(接続領域の)幅、l:(ヒンジ部の)長さ、
O:支点、F:(アクチュエータ部の)発生力、Z:積層方向
Claims (13)
- アクチュエータ部(2a,2b,2c)が複数積層された積層型静電アクチュエータ(1)であって、
前記アクチュエータ部は、
一方の面に複数の第1接続領域(7a1,7b1,7c1)が所定パターンで形成された第1フィルム(3a1,3b1,3c1)と、
前記第1接続領域を介して前記第1フィルムに接続された第2フィルム(3a2,3b2,3c2)であって、当該第1フィルムとは反対側の面に当該第1接続領域の前記パターンと同一パターンの複数の第2接続領域(7a2,7b2,7c2)が形成された第2フィルム(3a2,3b2,3c2)と、
を有して構成され、
前記第1フィルム及び前記第2フィルムはいずれも、積層方向(Z)から見て隣り合う接続領域間に幅が実質的に一定の非接続領域(15)が形成され、
前記アクチュエータ部の前記第1接続領域と当該アクチュエータ部の前記第2接続領域とは、積層方向から見て互いに重ならないように配置され、
重なり合う2つの前記アクチュエータ部(2a,2b;2b,2c)は前記第2接続領域(7b2;7c2)を介して接続され、
前記接続される2つのアクチュエータ部(2a,2b;2b,2c)間のパターンの軸線は積層方向から見て互いに所定角度(θ、θ=0°を除く)で交差するように当該2つのアクチュエータ部が積層される、積層型静電アクチュエータ(1)。 - 請求項1に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記アクチュエータ部の各々において、前記第1接続領域の前記パターンの軸線は互いに平行であり、前記第2接続領域の前記パターンの軸線は互いに平行である、積層型静電アクチュエータ。 - 請求項1又は2に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記アクチュエータ部の各々において、前記第2接続領域の前記パターンの軸線は、前記第1接続領域の前記パターンの軸線と平行である、積層型静電アクチュエータ。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1接続領域及び前記第2接続領域の前記パターンはいずれも、実質的に均一な幅を有する直線状に形成されて等間隔に配置される、積層型静電アクチュエータ。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記アクチュエータ部の各々において、積層方向から見て前記第1接続領域は、2つの前記第2接続領域間の非接続領域の中央に位置するように配置される、積層型静電アクチュエータ。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記積層される2つのアクチュエータ部が形成する平面を積層方向から見るとき、積層の上側の前記アクチュエータ部(2a;2b)の前記第1接続領域(7a1;7b1)の前記パターンの軸線と積層の下側の前記アクチュエータ部(2b;2c)の前記第2接続領域(7b2;7c2)の前記パターンの軸線とは、少なくとも1箇所で交差する、積層型静電アクチュエータ。 - 請求項6に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1接続領域及び前記第2接続領域の前記パターンはいずれも、実質的に均一な幅(d)を有する直線状に形成されて等間隔に配置され、
積層の上側の前記アクチュエータ部の前記第1接続領域または下側の前記アクチュエータ部の前記第2接続領域のうちいずれか一方の接続領域のパターンの軸線の、積層方向から見た前記平面における長さをLとし、当該一方の接続領域における積層方向から見た前記非接続領域間の幅を2×l+dとするとき、
前記接続される2つのアクチュエータ部間の前記パターンの軸線における積層方向から見た前記交差角度θ[rad]は、
- 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記積層型静電アクチュエータが伸長するとき、
各アクチュエータ部における前記第1フィルムと前記第2フィルムとが離間して当該第1フィルム及び当該第2フィルムの前記非接続領域には空間(13)が形成され、
積層の上側の前記アクチュエータ部の前記第1フィルムと下側の前記アクチュエータ部の前記第2フィルムとが離間して当該第1フィルム及び当該第2フィルムの前記非接続領域には空間(11)が形成され、
2つの当該空間(11,13)は外部との間で流体連通し、
前記積層型静電アクチュエータが伸縮するとき、前記空間と外部との間で流体の流出入を可能とするように構成される、積層型静電アクチュエータ。 - 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記アクチュエータ部の平面形状は、四角形であり、
重なり合う2つの前記アクチュエータ部は、前記所定角度が90°で交差するように積層される、積層型静電アクチュエータ。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1フィルムは、絶縁層(23)、導電層(21)、絶縁層(23)の3層構造を含み、
前記第2フィルムは、絶縁層で構成され、
前記第2フィルムは、積層方向から見て、前記第1接続領域を介して前記第1フィルムに接続される第1接続面部(81)と、前記第2接続領域を介して積層方向上側の前記アクチュエータ部の前記第1フィルムに接続される第2接続面部(82)と、当該第1接続領域および当該第2接続領域のいずれも形成されないヒンジ部(15)と、を有し、
外力により積層方向に引っ張られるとき、前記ヒンジ部が弾性変形して前記第1フィルムと前記第2フィルムとが離間して、前記積層型静電アクチュエータが積層方向に伸長し、
積層される2つの前記アクチュエータ部の前記第1フィルムの間に電圧が印加されるとき、当該2つの第1フィルムが静電引力により互いに引き合い、前記積層型静電アクチュエータが積層方向に収縮するように構成される、積層型静電アクチュエータ。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1フィルム及び前記第2フィルムはいずれも、絶縁層(23)、導電層(21)、絶縁層(23)の3層構造を含み、
前記第2フィルムは、前記第1接続領域を介して前記第1フィルムに接続される第1接続面部(81)と、前記第2接続領域を介して積層方向上側の前記アクチュエータ部の前記第1フィルムに接続される第2接続面部(82)と、当該第1接続領域および当該第2接続領域のいずれも形成されないヒンジ部(15)と、を有し、
外力により積層方向に引っ張られるとき、前記ヒンジ部が弾性変形して前記第1フィルムと前記第2フィルムとが離間して、前記積層型静電アクチュエータが積層方向に伸長し、
前記第1フィルム及び前記第2フィルムの間に電圧が印加されるとき、当該2つのフィルムが静電引力により互いに引き合い、前記積層型静電アクチュエータが積層方向に収縮するように構成される、積層型静電アクチュエータ。 - 請求項11に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1フィルムと前記第2フィルムは、長尺なリボン形状を有し、
前記積層型静電アクチュエータは、2つの前記第1フィルムと前記第2フィルムをジグザグ状に折り曲げてそれぞれの長手方向が積層方向から見て互いに90°で交差するように交互に折り重ねた紙ばね構造を有し、
2つの前記第1フィルム及び前記第2フィルムが積層方向から見て重なった平面において複数の積層された前記アクチュエータ部を形成するともに、平面の外に形成される折り曲げ部が外ヒンジ部(17)を構成し、
前記外ヒンジ部により、異なる層の前記アクチュエータ部の第1フィルムどうし、または第2フィルムどうしが、互いに一体となっている、積層型静電アクチュエータ。 - 請求項11に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
前記第1フィルムと前記第2フィルムは、長尺なリボン形状を有し、
前記積層型静電アクチュエータは、2つの前記第1フィルムと前記第2フィルムを中心からそれぞれ一方向に巻き重ねた偏平な渦巻き状の巻き構造を有し、
2つの前記第1フィルム及び前記第2フィルムが積層方向から見て重なった平面において複数の積層された前記アクチュエータ部を形成するともに、平面の外に形成される折り曲げ部が外ヒンジ部(17)を構成し、
前記外ヒンジ部により、異なる層の前記アクチュエータ部の第1フィルムどうし、または第2フィルムどうしが、互いに一体となっている、積層型静電アクチュエータ。
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