JPH04351478A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電アクチュエータに
関するものであり、詳しくは、湿度の影響を受けず、且
つ、正確に駆動し得るように改良された静電アクチュエ
ータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】静電アクチュエータは、絶縁性支持体に
帯状電極を所定間隔で並べた固定子と絶縁性フィルムの
ような絶縁性薄葉体に抵抗体層を設けた移動子とから成
り、当該固定子と当該移動子とが接するように配置され
て構成される。そして、静電気の作用により、移動子を
瞬間的に浮上させて摩擦を防止しながら移動させるもの
である（平成元年度電気学会全国大会講演予稿集６−１
９１，日経メカニカル１９８９．５．２９，１１２〜１
１３ページ等）。

【０００３】静電アクチュエータは、電極やギャップの
寸法を小さくすることにより、力密度を大きくでき、ま
た、小型化し易いという特徴を有する。そのため、静電
アクチュエータは、ワードプロセッサーやファクシミリ
等における用紙搬送機構のような小型駆動装置、その他
の微小な機械システムの駆動装置として応用されること
が期待されている。

【０００４】図１（ａ）〜（ｄ）は、移動子を絶縁性フ
ィルムにて構成した静電アクチュエータ（静電フィルム
アクチュエータ）の駆動原理の説明図であり、図中、（
１）は絶縁性支持体、（２）は帯状電極、（３）は固定
子、（４）は絶縁性フィルム、（５）は抵抗体層、（６
）は移動子、（７）〜（９）は電線を示す。

【０００５】先ず、図１（ａ）に示すように、電線（７
）に正、電線（８）に負の電圧を印加する。これにより
、電線（７）に接続した電極に存する電荷■と電線（８
）に接続した電極に存する電荷■の電位差により、抵抗
体層（５）に電流が流れ、移動子（６）の絶縁性フィル
ム（４）と抵抗体層（５）の境界に電荷が誘導されて平
衡状態となる。この電荷は、説明の便宜上、図１（ｂ）
の点線で示した鏡像電荷で置き換えることができる。そ
して、この電荷■、■の極性は、それぞれ電荷■、■の
極性と異なるので、図１（ｂ）の状態では移動子（６）
は固定子（３）に吸引されている。

【０００６】次に、図１（ｃ）に示すように、電線（７
）に負、電線（８）に正、電線（９）に負の電圧を印加
する。これにより、電極内の電荷は、瞬時に移動できる
が、移動子（６）の誘導電荷は、抵抗体層（５）の抵抗
値が高いために直ぐには移動できない。その結果、移動
子（６）と固定子（３）の間には反発力が発生する。反
発力が発生することにより、固定子（３）と移動子（６
）の間の摩擦が減少し、電線（９）に電圧を印加した結
果生じる負の電荷■と正の誘導電荷（鏡像電荷で言えば
■）によって、右方向の駆動力が発生する。

【０００７】図１（ｄ）は、上記の駆動力により、移動
子（６）が電極１ピッチ分右方向に移動した結果を示し
ている。移動子（６）を左方向に移動させる場合には、
電線（９）に正の電圧を印加すればよい。そして、上記
の電極１ピッチ毎の移動操作における印加電圧パターン
（図１（ｃ）に示すパターン）は、図１（ａ）に示す状
態とは逆符号の電圧を電線（７）、（８）に印加するも
のであるから、図１（ｃ）における誘導電荷（鏡像電荷
で言えば、■及び■）は減衰することになる。

【０００８】従って、移動子（６）を右方向に電極１ピ
ッチ毎に連続移動させるには、電荷充電操作と移動操作
とを繰り返す次のようなパターンの電圧を繰り返し印加
することが必要である。なお、以下の［表１］に例示し
た電圧パターンは、１サイクルの電圧パターンであり、
（Ｇ）は電圧を印加してない状態を示し、（Ｃ）及び（
Ａ）は、それぞれ、電荷充電操作、移動操作を示し、最
初の（Ｃ）は図１（ａ）に示す状態、最初の（Ａ）は図
１（ｃ）に示す状態である。

【０００９】

【表１】

【００１０】そして、静電アクチュエータを電極１ピッ
チ毎に安定に連続移動させるには、移動子（６）（抵抗
体層（５））の表面固有抵抗率は、１０１２〜１０１５
Ω／□の範囲でなければならないとされている。その理
由は、次の通りである。すなわち、移動子（６）の表面
固有抵抗が大きい場合には電荷充電に比較的長い時間を
要し、小さい場合には誘導された電荷が瞬時に減衰する
。 ところが、図１に示した静電アクチュエータの場合には
、移動子を構成する絶縁性フィルムの抵抗値が大き過ぎ
るために、上記のような抵抗体層を当該絶縁性フィルム
に設けて僅かな導電性を付与する必要がある。なお、当
然ではあるが、図１に示した公知の静電アクチュエータ
において、絶縁性フィルム（４）の代わりに、これと同
程度の抵抗値を有する他の絶縁性薄葉体を使用してもよ
い。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、静電ア
クチュエータは、未だ研究段階にあり、実用化のために
は、各要素の詳細を検討しなければならない状況にある
。特に、抵抗体層の抵抗率が大き過ぎる場合には、移動
子に電荷を誘導するのに時間を要し、また、抵抗率が小
さ過ぎる場合には、誘導された電荷が瞬時に消滅して静
電アクチュエータが正しく駆動しなくなるという問題が
あり、また、抵抗体層の抵抗値は、湿度の影響を受け易
いという問題がある。従って、静電アクチュエータの実
用化のためには、適切な抵抗率を有する信頼性の高い抵
抗体層が必要である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記実情
に鑑み、種々検討を重ねた結果、特定の構成より成る抵
抗体層の採用により、上記の問題を一挙に解決し得ると
の知見を得た。本発明は、上記知見を基に完成されたも
のであり、湿度の影響を受けず、且つ、正確に駆動し得
るように改良された静電アクチュエータの提供を目的と
するものである。本発明の上記目的は、本発明に従い、
絶縁性支持体に帯状電極を所定間隔で並べた固定子と絶
縁性薄葉体に抵抗体層を設けた移動子とが接するように
配置されて成る静電アクチュエータにおいて、抵抗体層
がカーボンブラックを含有する樹脂層より成り、カーボ
ンブラックの比表面積が５ｍ２　／ｇ以上であり、且つ
、樹脂層中のカーボンブラックの含有量が０．１〜１．
０ｇ／ｍ２　の範囲であることを特徴とする静電アクチ
ュエータにより容易に達成される。

【００１３】以下、本発明を詳細に説明する。本発明の
静電アクチュエータの基本的構成は、図１において、移
動子（６）の構成材料が絶縁性フィルムに限定されない
点を除き、同図に示した公知の静電アクチュエータと同
じである。従って、以下の説明においては、便宜上、図
１中の（４）を絶縁性薄葉体として図１を参照する。本
発の明静電アクチュエータは、絶縁性支持体（１）に帯
状電極（２）を所定間隔で並べた固定子（３）と絶縁性
薄葉体（４）に抵抗体層（５）を設けた移動子（６）と
から成る。

【００１４】先ず、固定子（３）について説明する。固
定子（３）を構成する絶縁性支持体（１）は、絶縁性材
料より成るフィルムやシート等より構成される。絶縁性
材料としては、特に制限はなく、絶縁性の良好な各種の
合成樹脂、セラミックス、ガラス等を使用することがで
きる。絶縁性樹脂の具体例としては、エポキシ樹脂、ポ
リイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂
、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリア
ミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポ
リビニルアルコール系樹脂等が挙げられる。好ましい絶
縁性樹脂は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂である。

【００１５】絶縁性支持体（１）に設けられる帯状電極
（２）は、絶縁性支持体（１）の表面に並べて設けても
、または、絶縁性支持体（１）の中に埋設して設けても
よい。また、帯状電極（２）の間隔は、特に限定される
ものではないが、通常０．１〜２ｍｍであり、静電アク
チュエータの発生力、駆動電圧等の駆動性能を向上させ
る為には帯状電極間隔の微細化が望ましい。

【００１６】次に、移動子（６）について説明する。移
動子（６）を構成する絶縁性薄葉体（４）は、好適には
、固定子（３）を構成する前記の絶縁性樹脂と同様の合
成樹脂より構成されるが、斯かる合成樹脂と同程度の抵
抗値を有するガラス又はセラミックスにて構成すること
もできる。絶縁性薄葉体（４）を絶縁性フィルムで構成
する場合、特に好ましいフィルムは、密度、曲げ弾性率
、耐皺性等の点からポリエチレンテレフタレートフィル
ムである。絶縁性薄葉体（４）の厚さは、通常、１０〜
２００μｍであり、好ましくは、絶縁性薄葉体（４）に
並べた帯状電極（５）の間隔をＰとし、帯状電極（５）
の表面と絶縁性薄葉体（４）と抵抗体層（５）との境界
面との距離をＧとした場合、絶縁性薄葉体（４）の厚さ
は、０．１５＜Ｇ／Ｐ＜０．４の関係を満足する範囲で
ある。

【００１７】本発明において、移動子を構成する抵抗体
層（５）は、カーボンブラックを含有する樹脂層より成
り、カーボンブラックの比表面積が５ｍ２／ｇ以上であ
り且つ、樹脂層中のカーボンブラックの含有量が０．１
〜１．０ｇ／ｍ２　の範囲でなければならない。すなわ
ち、静電アクチュエータを安定的に動かす為には、抵抗
体層（５）の表面固有抵抗を１０１２〜１０１５Ω／□
の範囲にすることが必要であり、その為めに、本発明で
は、比表面積が５ｍ２　／ｇ以上のカーボンブラックを
使用し、脂層中の含有量を０．１〜１．０ｇ／ｍ２　の
範囲とするのである。

【００１８】カーボンブラックとしては、ファーネスブ
ラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック等の
導電性カーボンブラックが使用され、具体的には、例え
ば、三菱化成社製の＃３９５０、＃３７５０Ｐ、＃３２
５０Ｂ、キャボット社製のＸＣ７２，ライオンアクゾ社
製のケッチェンブラック等が挙げられる。

【００１９】一方、樹脂（バインダー）としては、フェ
ノキシ樹脂、塩ビ／酢ビ共重体、ポリエステル樹脂、ポ
リウレタン樹脂、セルロース、ポリサルフォン樹脂、ポ
リビニールブチラール樹脂、アクリルブタジエンスチレ
ン共重合体、アクリルスチレン共重合体、ポリカーボネ
ート樹脂等が挙げられる。

【００２０】カーボンブラックは、バインダー中に分散
され、絶縁性薄葉体（４）の一方の面に塗布されて抵抗
体層（５）を構成する。そして、静電アクチュエータに
おいては、抵抗体層（５）に誘導された電荷が駆動力と
なるために、カーボンブラックのバインダー中への分散
は均一であることが重要である。従って、カーボンブラ
ックの分散には、通常、サンドミル、ロールミル、ボー
ルミル、ホモジナイザーとの分散処理装置が使用される
。また、塗布方法としては、特に限定されるものではな
いが、通常、グラビアロール、ダイ、リバースロール、
バーコーター等を用いて行われる。この際、テトラヒド
ロフラン等の適宜の溶剤が使用される。

【００２１】抵抗体層（５）を設ける方向は、移動子（
６）の固定子（３）と接する面または他方の面の何れで
も可能であるが、後者の面上が好ましい。そして、抵抗
体層（５）の厚さ（乾燥塗膜の厚さ）は、通常、１０μ
ｍ以下、好ましくは、１〜５μｍの範囲とされる。

【００２２】本発明の静電アクチュエータは、上記のよ
うにして構成された固定子（３）と移動子（６）とから
成り、公知の静電アクチュエータと同様の駆動原理に従
って駆動される。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳しく説明
するが、本発明は、その要旨を越えない限り以下の実施
例に限定されるものではない。

【００２４】なお、以下の例においては、次に記載の材
料を使用した。 （１）移動子の絶縁性薄葉体：ポリエチレンテレフタレ
ートフィルム（ダイアホイル社製、Ｓ−１００、厚さ１
００μｍ）又は薄板ガラス（日本電気硝子社製の硼珪酸
ガラス、厚さ５０μｍ、１００×１５０ｍｍ）（２）抵
抗体層のカーボンブラック：カーボンブラック（三菱化
成社製、＃３７５０Ｐ） （３）抵抗体層の樹脂：ポリウレタン樹脂溶液（溶媒：
テトラヒドロフラン、固形分濃度：１５重量％）（４）
塗布溶剤：テトラヒドロフラン

【００２５】実施例１ 移動子のポリエチレンテレフタレートフィルムの一方の
面に、下記の［表２］に示すカーボンブラック含有組成
物を塗布して乾燥し、移動子を作製した。塗布量は、カ
ーボンブラックの量が０．１４ｇ／ｍ２　となるように
マイクログラビアロールで調整した。乾燥後の塗膜の厚
さは、約１．８μｍであった。

【表２】 カーボンブラック　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　２６ｇポリウレタン樹脂溶液　　　　　　　
　　　　　　　１９７４ｇ塗布溶剤　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３８０ｇ

【０
０２６】得られた移動子の抵抗体層の表面抵抗率を測定
したところ、（測定器Ｈｉｇｈ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
　Ｍｅｔｅｒ　４３２９Ａ、ＹＨＰ社製、測定条件２３
℃、５０％）２．４×１０１４Ω／□であった（３分経
過後の値。以下同じ）。また、この抵抗体層を強制的に
加湿させた状態（２３℃、８０％）で、表面抵抗率を測
定（測定器は上記と同様）したところ、２．０×１０１
４Ω／□であり、湿度の影響はなかった。また、帯状電
極のピッチが１．２７ｍｍの固定子（絶縁性支持体：エ
ポキシ樹脂シート、電極部の面積：１５０×２００ｍｍ
）を使用して時定数を測定したところ、８０秒であった
。そして、図１（ａ）〜（ｄ）に示す要領に従って、以
下の［表３］に示す駆動条件で駆動させたところ、移動
子は円滑に移動した。

【００２７】

【表３】＜駆動条件＞ 初期充電時間：１００ｓ 充電時間　　　　：４５０ｍｓ 移動時間　　　　：５０ｍｓ 駆動周波数　　：２Ｈｚ 駆動電圧　　　　：±８００ｖ

【００２８】実施例２ 下記の［表４］に示すカーボンブラック含有組成物に変
更した他は、実施例１と同様にして移動子を作製した。 塗布量は、カーボンブラックが０．２ｇ／ｍ２　となる
ように調整した。乾燥後の塗膜の厚さは、約１．８μｍ
であった。

【表４】 カーボンブラック　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　３７ｇポリウレタン樹脂溶液　　　　　　　
　　　　　　　１９４０ｇ塗布溶剤　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３９３ｇ

【０
０２９】得られた移動子の抵抗体層の表面抵抗率につい
て、実施例１と同様にして測定したところ、４．７×１
０１３Ω／□であった。また、実施例１と同様にして時
定数を測定したところ、１０秒であり、実施例１の移動
子に比べて素早く移動させることができた。また、初期
充電時間を２０ｓに変更した他は、実施例１と同一の駆
動条件で駆動させたところ、移動子は円滑に移動した。

【００３０】実施例３ 実施例１において、ポリエチレンテレフタレートフィル
ムの代わりに薄板ガラスを使用した他は、実施例１と同
様にして移動子を作製した。得られた移動子について、
実施例１と同様に抵抗体層の表面抵抗率および時定数を
測定したところ、実施例１とほぼ同一の結果であった。 また、駆動電圧を±１０００ｖに変更した他は、実施例
１と同一の駆動条件で駆動させたところ、移動子は円滑
に移動した。

【００３１】比較例１ 下記の［表５］に示すカーボンブラック含有組成物に変
更した他は、実施例１と同様にして移動子を作製した。 塗布量は、カーボンブラックが０．０５ｇ／ｍ２　とな
るように調整した。乾燥後の塗膜の厚さは、約１．３μ
ｍであった。

【表５】 カーボンブラック　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　１２ｇポリウレタン樹脂溶液　　　　　　　
　　　　　　　１９８８ｇ塗布溶剤　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３８０ｇ

【０
０３２】得られた移動子の抵抗体層の表面抵抗率につい
て、実施例１と同様にして測定したところ、４．７×１
０１６Ω／□であった。また、実施例１と同様にして時
定数を測定したところ、１０００秒以上であり、移動子
は移動しなかった。

【００３３】比較例２ 下記の［表６］に示すカーボンブラック含有組成物に変
更した他は、実施例１と同様にして移動子を作製した。 塗布量は、カーボンブラックが１．５ｇ／ｍ２　となる
ように調整した。乾燥後の塗膜の厚さは、約６．０μｍ
であった。

【表６】 カーボンブラック　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　１００ｇポリウレタン樹脂溶液　　　　　　　　
　　　　　　１９９０ｇ塗布溶剤　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　４００ｇ

【００
３４】得られた移動子の抵抗体層の表面抵抗率について
、実施例１と同様にして測定したところ、１．０×１０
４　Ω／□であった。また、実施例１と同様にして時定
数を測定したところ、０．００１秒以下であり、移動子
は駆動しなかった。

【００３５】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、湿度の影
響を受けず、且つ、正確に駆動し得る静電アクチュエー
タが提供される。よって、本発明は、静電アクチュエー
タの実用化に寄与するところ大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】静電アクチュエータの駆動原理の説明図である
。

【符号の説明】

（１）：絶縁性支持体 （２）：帯状電極 （３）：固定子 （４）：絶縁性フィルム又は絶縁性薄葉体（５）：抵抗
体層 （６）：移動子 （７）〜（９）：電線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　絶縁性支持体に帯状電極を所定間隔で
   並べた固定子と絶縁性薄葉体に抵抗体層を設けた移動子
   とが接するように配置されて成る静電アクチュエータに
   おいて、抵抗体層がカーボンブラックを含有する樹脂層
   より成り、カーボンブラックの比表面積が５ｍ２　／ｇ
   以上であり、且つ、樹脂層中のカーボンブラックの含有
   量が０．１〜１．０ｇ／ｍ２　の範囲であることを特徴
   とする静電アクチュエータ。