JPH04222471A - 円筒アクチュエータ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体・気体のポンプや
ロボット等のアクチュエータとして用いられる円筒アク
チュータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、静電力を利用したアクチュエータ
としては、以下に述べるような各種のものがある。すな
わち、多結晶Ｓｉの基板からなるマイクロ静電モータ、
多結晶Ｓｉの基板を用いたくし歯型アクチュエータや、
Ｓｉ基板上の絶縁層に電極を配置し、棒状の対電極をこ
ろがすリニアアクチュエータ、また、絶縁体に帯状の電
極を絶縁体と高抵抗層からなる平面移動子を動かすアク
チュエータ、さらには、多結晶Ｓｉからなるパンタグラ
フ型のアクチュエータ等がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したようなＳｉ材
料のＬＳＩプロセスを応用して作製した静電アクチュエ
ータでは、移動子の移動距離は、せいぜい１〜２０μｍ
程度であり、しかも、その移動子の移動距離を大きくと
ろうとすると、全移動距離を精度よく安定に動かすこと
ができない。その一例として、前述したパンタグラフ型
のアクチュエータの場合、その移動距離は約２０μｍと
静電アクチュエータとしては極めて大きいものであるが
、その移動距離が最大移動距離の約１／３を超えた辺り
で静電力が急激に増大するので、その移動子は急激に不
安定になって最大値にまで飛んでしまい、その間の任意
の値で固定するとができず、これにより精度の優れた変
位機構を実現することができない。

【０００４】また、絶縁体フィルム上に電極をパターン
ニングし、さらに高抵抗体層でコートしたフィルム状ア
クチュエータの場合、その構造自体が大きいためその移
動距離も大きくなるが、表面積当りの電極密度が低いた
めその移動子のもつ力が小さなものとなる。例えば、４
層に積層し、±８００Ｖ印加時に０．４Ｎの力を得る。 この時の１層のフィルムの大きさは１１０×１６０ｍｍ
、４層に重ねた時の高さは約１０ｍｍであり、その単位
面積当りの力は、０．０００６Ｎ／ｃｍ２　となる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明では
、内筒体とこの外周側面に配設された外筒体とを設け、
絶縁体からなる前記内筒体若しくは前記外筒体の面上に
３本のスパイラル電極を渦巻状に形成し、これらスパイ
ラル電極に対向する前記内筒体若しくは前記外筒体の面
に高抵抗層を形成し、前記内筒体若しくは前記外筒体に
配設された前記各スパイラル電極に経時的に変化する電
圧を印加させる電極電圧印加制御手段を設けた。

【０００６】請求項２記載の発明では、内筒体とこの外
周側面に配設された外筒体とを設け、絶縁体からなる前
記内筒体及び前記外筒体の面上に各々３本のスパイラル
電極を渦巻状に形成し、これらスパイラル電極の形成さ
れた前記内筒体と前記外筒体との間に誘電体層を設け、
前記内筒体及び前記外筒体に配設された前記２組の各ス
パイラル電極間に経時的に変化する電圧を印加させる電
極電圧印加制御手段を設けた。

【０００７】

【作用】請求項１記載の発明においては、電極電圧印加
制御手段により、スパイラル電極に経時的に変化する電
圧を印加することにより、そのスパイラル電極に印加さ
れる電圧と高抵抗層に生じる誘導電荷とによって内筒体
と外筒体との間に静電力を発生させ、これにより内筒体
若しくは外筒体を円筒方向に移動させることが可能とな
る。

【０００８】請求項２記載の発明においては、電極電圧
印加制御手段により、高い比誘電率をもつ誘電体層を介
して、内筒体及び外筒体に形成された２組の各スパイラ
ル電極間に経時的に変化する電圧を印加することにより
、内筒体と外筒体との間に静電力を発生させることがで
き、これにより印加電圧を極めて低く設定したままの状
態で内筒体若しくは外筒体を円筒方向に移動させること
が可能となる。

【０００９】

【実施例】まず、請求項１記載の発明の第一の実施例を
図１及び図２に基づいて説明する。内筒体１は絶縁体の
丸棒からなっており、その面上には等間隔の状態で３本
のスパイラル電極としてのＡｌ（アルミ）電極ａ，ｂ，
ｃが１組となり渦巻状に形成されている。これらＡｌ電
極ａ，ｂ，ｃを含めた内筒体１の面上には図示しない絶
縁膜が施されている。この円筒体１の外周には外筒体２
が設けられている。この外筒体２の内周面には、高抵抗
層３が形成され、この表面には図示しない絶縁膜がコー
トされている。また、内筒体１に形成されたＡｌ電極ａ
，ｂ，ｃに経時的に変化する電圧を印加させる、図示し
ない電極電圧印加制御手段が設けられている。

【００１０】このような構成において、図２（ａ）は、
図１の円筒方向への断面形状を示すものである。この場
合、電極電圧印加制御手段を用いて、Ａｌ電極ａを＋（
正極）電位に印加し、Ａｌ電極ｂを−（負極）に印加し
、Ａｌ電極ｃを０Ｖに印加する。これにより外筒体２の
高抵抗層３には、それぞれ対向する電極の電荷と反対符
号の電荷が誘導され、これにより内筒体１と外筒体２と
の間には吸引力が作用する。そして、内筒体１のＡｌ電
極ａ，ｂ，ｃに印加される電圧を図２（ａ）の状態から
図２（ｂ）に示す状態に切換えると、それら各Ａｌ電極
ａ，ｂ，ｃ内の電荷は瞬時に移動するが、外筒体２の高
抵抗層３に誘導された電荷はすぐには移動することがで
きない。これにより、内筒体１と外筒体２との間には反
発力が作用する。

【００１１】このようにＡｌ電極ａ，ｂ，ｃに電圧印加
を繰り返して行なわせ、内筒体１と外筒体２との間に吸
引力及び反発力を生じさせ、その反発力により外筒体２
が多少膨張してこれにより内筒体１との摩擦力を減少さ
せることにより、その反発力により内筒体１又は外筒体
２を円筒方向Ｘに移動させることが可能となる。従って
、このような電圧印加を繰り返すか、若しくは、その電
圧を適宜反転させることにより、リニアアクチュエータ
やシリンダーとして応用させることができる。

【００１２】次に、本装置の作製方法について述べる。 円筒体１として丸棒ガラスを用い、まず、この丸棒ガラ
スの表面にＡｌ膜を蒸着する。次に、フォトレジストを
ディッピングで塗布後、配線パターンの微細加工を施し
たメタルマスクを円筒状としたものをかぶせ、均一な光
の場において露光を行う。現像後、Ａｌをエッチングす
ることにより、円筒ガラス状に幅５μｍのＡｌ電極を渦
巻状に形成する。次に、そのＡｌ電極の形成された円筒
面上にＳｉ３Ｎ４膜１ａをスパッタで付けてこれを絶縁
膜とする。一方、外筒体２としては、ＰＥＴフィルム外
筒の内側をＺｎＯをバインダーで分散させた液にディッ
ピングし高抵抗層３を形成し、次に、図示しないＳｉ３
Ｎ４膜をスパッタし絶縁膜とする。

【００１３】次に、請求項１記載の発明の第二の実施例
を図３に基づいて説明する。ここでは、外筒体２の内周
面にスパイラル電極としてのＡｌ電極ａ，ｂ，ｃを渦巻
状に形成し、これらＡｌ電極ａ，ｂ，ｃに対向した内筒
体１の面に高抵抗層３を形成したものである。これによ
り、内筒体１を移動子として配線にじゃまされずに動か
すことができる。また、本実施例の場合にも、上述した
例に従って作製することが可能である。

【００１４】なお、ここでは、外筒体２の内壁にＡｌ電
極ａ，ｂ，ｃを形成する場合を示したが、その外筒体２
がＰＥＴのように薄いものであれば、その外壁面に形成
するようにしてもよい。また、内筒体１及び外筒体２共
に、その円筒断面形状は円のものを示したが、これに限
るものではなく、楕円や、長方形、さらには、多角形の
ものでもよい。

【００１５】次に、請求項２記載の発明の一実施例を図
４に基づいて説明する。なお、請求項１記載の発明の実
施例と同一部分については同一符号を用いる。内筒体１
の面上、及び、これと対向する位置にある外筒体２の内
周面には、スパイラル電極としてのアルミ電極ａ，ｂ，
ｃがそれぞれ等間隔をもって渦巻状に形成されている。 また、内筒体１と外筒体２との間には誘電体層４が設け
られており、その端部にはＯリング５が設けられている
。さらに、内筒体１及び外筒体２に配設された前記２組
の各Ａｌ電極ａ，ｂ，ｃ間に経時的に変化する電圧を印
加させる、図示しない電極電圧印加制御手段が設けられ
ている。

【００１６】このような構成において、まず、図４（ａ
）に示すように、電極電圧印加制御手段を用いて、内筒
体１のＡｌ電極ａ，ｂ，ｃにそれぞれ＋、−、０の電位
を印加し、外筒体２のＡｌ電極ａ，ｂ，ｃにそれぞれ−
、＋、０の電位を印加しておく。今、この状態では、内
筒体１と外筒体２との間には、吸着力のみが作用してい
ることになる。その後、図４（ｂ）に示すように、内筒
体１側のＡｌ電極ａ，ｂ，ｃの電位をそれぞれ−、＋、
−に印加するようにすれば、内筒体１と外筒体２との間
には反発力が生じるため、これにより内筒体１或いは外
筒体２を移動させる力を発生することができる。

【００１７】この場合、その反発力（静電力）は誘電体
層４の比誘電率εに比例するため、その誘電体層４の材
質として比誘電率の高い物質を選択することにより、前
述した請求項１記載の発明の実施例（図１、図３参照）
と同じ駆動力を得るのに、より一段と小さな印加電圧で
可能である。一例として、水、ニトロベンゼン、エチレ
ングリコールの各比誘電率εは、２０°Ｃでそれぞれ８
０、３６、７５であるため、これらを誘電体層４として
用いれば、低い印加電圧で大きな駆動力を得ることが可
能となる。

【００１８】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、内筒体とこの外
周側面に配設された外筒体とを設け、絶縁体からなる前
記内筒体若しくは前記外筒体の面上に３本のスパイラル
電極を渦巻状に形成し、これらスパイラル電極に対向す
る前記内筒体若しくは前記外筒体の面に高抵抗層を形成
し、前記内筒体若しくは前記外筒体に配設された前記各
スパイラル電極に経時的に変化する電圧を印加させる電
極電圧印加制御手段を設けたので、その電極電圧印加制
御手段を用いて、スパイラル電極に経時的に変化する電
圧を印加することにより、そのスパイラル電極に印加さ
れる電圧と高抵抗層に生じる誘導電荷とによって内筒体
と外筒体との間に静電力を発生させ、これにより内筒体
若しくは外筒体を円筒方向に移動させることが可能とな
り、また、従来の平面型のアクチュエータを円筒型とす
ることにより、電極部の高密度化が図れ一段と大きな駆
動力を得ることができるものである。

【００１９】請求項２記載の発明は、内筒体とこの外周
側面に配設された外筒体とを設け、絶縁体からなる前記
内筒体及び前記外筒体の面上に各々３本のスパイラル電
極を渦巻状に形成し、これらスパイラル電極の形成され
た前記内筒体と前記外筒体との間に誘電体層を設け、前
記内筒体及び前記外筒体に配設された前記２組の各スパ
イラル電極間に経時的に変化する電圧を印加させる電極
電圧印加制御手段を設けたので、その電極電圧印加制御
手段を用いて、高い比誘電率をもつ誘電体層を介して、
内筒体及び外筒体に形成された２組の各スパイラル電極
間に経時的に変化する電圧を印加することにより、内筒
体と外筒体との間に静電力を発生させることができ、こ
れにより内筒体若しくは外筒体を印加電圧を極めて低く
設定したままの状態で移動させることができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の第一の実施例を示す斜視
図である。

【図２】内筒体のスパイラル電極に電圧を印加した場合
における移動状態を示す動作説明図である。

【図３】請求項１記載の発明の第二の実施例を示す斜視
図である。

【図４】請求項２記載の発明の一実施例における内筒体
及び外筒体のスパイラル電極に電圧を印加した場合にお
ける移動状態を示す動作説明図である。

【符号の説明】

１　　　　　　内筒体 ２　　　　　　外筒体 ３　　　　　　高抵抗層 ４　　　　　　誘電体層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　内筒体とこの外周側面に配設された外
   筒体とを設け、絶縁体からなる前記内筒体若しくは前記
   外筒体の面上に３本のスパイラル電極を渦巻状に形成し
   、これらスパイラル電極に対向する前記内筒体若しくは
   前記外筒体の面に高抵抗層を形成し、前記内筒体若しく
   は前記外筒体に配設された前記各スパイラル電極に経時
   的に変化する電圧を印加させる電極電圧印加制御手段を
   設けたことを特徴とする円筒アクチュエータ。
2. 【請求項２】　　内筒体とこの外周側面に配設された外
   筒体とを設け、絶縁体からなる前記内筒体及び前記外筒
   体の面上に各々３本のスパイラル電極を渦巻状に形成し
   、これらスパイラル電極の形成された前記内筒体と前記
   外筒体との間に誘電体層を設け、前記内筒体及び前記外
   筒体に配設された前記２組の各スパイラル電極間に経時
   的に変化する電圧を印加させる電極電圧印加制御手段を
   設けたことを特徴とする円筒アクチュエータ。