JPH01186179A - 静電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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２１ｉ） 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、しかも複雑な駆動パターン
にも十分対処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］ （３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、互に対向された対
をなす電極を有し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。従って、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れば、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。また、この場合において、複数の単位静電
アクチュエータの積層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を所望のパターン
で移動させることができ、以て複雑な駆動パターンを得
ることができる。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、２．２は長尺な矩形板状に形成された電極支持体
で、これらは比較的高い剛性を有するように構成されて
いる。上記電極支持体２゜２は、各両端部が夫々等しい
ばね定数を有する半円弧状の板ばね製スペーサ３及び４
を介して連結され、以て互に所定間隔を存しそ平行する
ように配置されている。そして、上記電極支持体２．２
には、対をなす電極５及び６が互に対面する状態で夫々
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を互に近付けようとする力
が作用する。このとき、画電極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
端が夫々等しいばね定数の板ばね製スペーサ３及び４を
介して連結されているから、上記各電極支持体２は、第
２図（ｂ）に示すようにスペーサ３及び４の屈曲変形に
伴い電極５及び６と共に互の近接方向へ平行に変位する
。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、画電極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が夫々有する各電極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
−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ａ＞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
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６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。従って、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。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
合のエネルギ変喚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、微少坐位の制御をさらに精度
良く行ない得るようになる。

また、上記ＩＪ１の実施例では、第２図に示した１１１
位静電アクチュエータ１を利用するようにしたが、次に
述べるような構成の単位静電アクチュエータ１２或は１
３を利用することもできるものであり、以下これらにつ
いて前記単位静電アクチュエータ１と異なる部分のみ説
明する。

第３図に示された単位静電アクチュエータ１２にあって
は、各電極支持体２間を、スペーサ３゜４に代えて設け
られた圧縮変形可能な弾性部材製のスペーサ１４を介し
て連結し、以て各電極支持体２が互に所定間隔を存して
平行するように構成している。従って、この単位静電ア
クチュエータ１２においても、電極５及び６間に電圧を
印加すると、これら電極５及び６間に作用する吸引力に
よってスペーサ１４が圧縮変形されるのに伴い、各電極
支持体２が互の近接方向へ平行に変位する（第３図（ｂ
）参照）。尚、スペーサ１４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。

第４図に示された単位静電アクチュエータ１３にあって
は、各電極支持体２間に強誘電体１５を配置した点に特
徴を有するものであり、このような構成の単位静電アク
チュエータ１３によっても、電極５及び６間に対する電
圧印加に応じて電極支持体２を第４図（ｂ）のように変
位させ得るものであるが、特に電極５及び６間には強誘
電体１５が設けられているから、これらの間の距離を大
きく設定した場合でも、画電極５及び６間に作用する吸
引力の低下を防止することができる。

さて、第５図及び第６図には本発明の第２の実施例が示
されており、以下これについて前記第１の実施例と異な
る部分についてのみ説明する。

まず、この実施例で使用する単位静電アクチュエータ１
６の基本的な構造例を、第６図に基づいて述べる。即ち
、上記単位静電アクチュエータ１６は、電極支持体２，
２の各両端部を夫々異なるばね定数を有する半円弧状の
板ばね製スペーサ１７及び１８を介して連結し、以て各
電極支持体２が互に所定間隔を存して平行するように構
成している。尚、この場合、スペーサ１７のばね定数が
スペーサ１８のばね定数より小さくなるように設定され
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１６に
おいては、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を互に近付けようとす
る力が作用する。このとき、画電極５及び６が設けられ
た各電極支持体２は、それらの両端かばね定数の異なる
板ばね製スペーサ１７及び１８を介して連結されている
から、第６図に示すように、上記各電極支持体１は、ば
ね定数の小なるスペーサ１７のみが大きく屈曲変形し、
これに伴い電極５及び６と共に互に非平行状態となるよ
うに変位する。そして、この場合においても、上記電極
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、また、スイッチ
８によって電極５及び６間を短絡するのに応じて、各電
極支持体２をスペーサ３及び４の弾性反発力によって第
６図°（ａ）に示す原位置に戻すことができる。

さて、第５図に示すように、本実施例においても、戊数
個（６個）の単位静電アクチュエータ１６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、且つ隣接
する各単位静電アクチュエータ１６において電極支持体
２を共用するように構成される。そして、これら単位静
電アクチュエータ１６が夫々有する各電極５及び６は、
前記第１の実施例と同様に接続される。このため第５図
（ａ）に示す状態から、スイッチング回路９により各単
位静電アクチュエータ１６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が互の近接方向に変位し、第５図（ｂ）に示すような
状態に変形する。従って、本実施例においても前記第１
の実施例と同様の効果が得られるものであり、特に本実
施例の構成は、負荷の移動軌跡を曲線状にする際に好適
するようになる。

尚、上記第２の実施例においても、前記第１の実施例と
同様に、個々の単位静電アクチュエータ１６に対し選択
的に電圧を印加できる構成としても良く、また、他の構
造の単位静電アクチュエータを適宜に採用できるもので
ある。加えて、上述した各実施例において、コンデンサ
を構成する電極間への電圧印加は、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
に対向された対をなす電極を有し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讃数個の単位
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、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、しかも複雑な駆動パターンにも十分対処可能
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】

第１図及び第２図は本発明の第１の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り、また
、第３図及び第４図は夫々単位静電アクチュエータの変
形例を示す第２図相当図である。第５図及び第６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
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、
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、１２．１３は単位静電アクチュ
エータ、１３は第３の単位静電アクチュエータ、１４は
スペーサ、１５は強誘電体、１６は単位静電アクチュエ
ータ、１７゜１８はスペーサを示す。 出願人　　株式会社　　東　　　芝 ＋６） 第６

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、互に対向された対をなす電極を有し各電極間の距離
   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。