JPH0691754B2

JPH0691754B2 - フィルムを利用した接触型静電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH0691754B2
Application number: JP1101797A
Authority: JP
Inventors: 俊郎樋口; 索柄川
Original assignee: 新技術事業団
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1989-04-24
Publication date: 1994-11-14
Anticipated expiration: 2009-11-14
Also published as: JPH02285978A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、超薄形のフィルムを利用した接触型静電アク
チュエータに関するものである。

（従来の技術）従来から、機械的エネルギーを電界エネルギーに変換す
るものとして、静電発電機がよく知られており、それと
は逆の変換、つまり電界エネルギーを機械的エネルギー
に変換するのが静電モータである。

このような静電モータの歴史は古く、18世紀頃から既に
研究されており、例えば「静電気ハンドブック」、静電
気学会論、オーム社発行、第664頁〜第675頁に詳細に記
載されている。上記文献中には、誘電体の分極の遅れを
利用した誘導モータの原理は、電界内におかれた誘電体
が分極することに着目し、その分極の時間遅れを利用し
たものである。

即ち、第８図に示すように、回転子としての誘電体ｂ
が、固定子ａ内部の回転電界内におかれた場合、誘電体
ｂの誘電負荷は、時間遅れのために回転電界とは角度が
ずれた形となる。その電荷と回転電界との間の相互作用
が回転力となる。

また、誘電体の代わりに抵抗体を用いたモータも存在し
ている。このモータは回転電界内で抵抗体内に誘導され
る電荷が、電界の向きに対して遅れることを利用してい
る。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、従来の静電モータは、（１）上記した誘導モータは抵抗体と電極の間に吸引力
が働くので、フィルム化することが困難である。

（２）固定子と回転子を具備し、ある程度のギャップを
有する回転機構からなっている。そして、そのギャップ
を保持するために、軸受け等の機構を用いている。その
ため、広い面積にわたってギャップを狭くすることは困
難である。

また、それを実現するためには、固定子、回転子を十分
厚くして剛性を高くしなければならないので、力密度
（単位当たりに発生できる力）が損なわれてしまう。

従って、上記装置をコンパクトに構成することには難が
あり、その力密度も低いものである。

このような状況に鑑みて、本発明は、固体表面の間で静
電力を発生させ、固定子上に下面にフィルム状の絶縁体
層と上面に抵抗体層が形成される移動子を接触させ、固
定子と、絶縁体層と抵抗体層の境界に真電荷が誘導さ
れ、固定子に生じる電荷とその真電荷の間で浮上・駆動
を行い、より大きな力密度を得ることができるフィルム
を利用した接触型静電アクチュエータを提供することに
ある。

（課題を解決するための手段）本発明は、上記目的を達成するために、フィルムを利用
した接触型静電アクチュエータであって、（Ａ）絶縁体内に配線される複数の帯状電極を具備する
固定子と、その固定子上に接触して載置され、下面にフ
ィルム状の絶縁体層と上面に抵抗体層が形成された移動
子と、帯状電極への電圧の切り換えにより、前記移動子
を浮上させ駆動するとともに、位置決めを行う手段とを
設ける。

（Ｂ）固定される基部と、この基部から分岐して延び、
絶縁体内に配線される複数の帯状電極を具備する複数の
フィルムを有する固定子と、そのフィルム上に開放端側
が接触して載置され、下面にフィルム状の絶縁体層と上
面に抵抗体層が形成されるとともに、他端が基部に結合
される複数のフィルムを有する移動子と、前記帯状電極
への電圧の取り換えにより、前記移動子を浮上させ駆動
するとともに、位置決めを行う手段を具備する。

（Ｃ）絶縁体内に配線される複数の同心円状の帯状電極
を具備する固定子と、その固定子上に接触して載置さ
れ、下面にフィルム状の絶縁体層と上面に抵抗体層が形
成される移動子と、前記帯状電極への電圧の切り換えに
より、前記移動子を浮上させ、その移動子に放射方向の
張力を付与する手段を具備する。

（作用）本発明によれば、第１図及び第２図に示すように、下部
の固定子は、絶縁体に帯状電極を埋め込んだものであ
る。一方、移動子は、下面にフィルム状の絶縁体層と上
面に抵抗体層を形成し、固定子の上に接触した状態に載
置する。帯状電極には、まず、後述するように選択的に
電圧を印加し、絶縁体層と抵抗体層間に真電荷を充電
（誘導）する。その後、後述するように電圧を切り換え
ることにより、移動子を浮上させながら１ピッチずつ移
動させる。

このアクチュエータの移動子は電極を持たず、充電操作
によって固定子の帯状電極のパターンを移動子に転写す
るため、固定子に対する移動子の位置合わせが不要であ
り、帯状電極の高精度の加工も必要としない。

更に、このアクチュータは、移動子の抵抗体層の抵抗値
は、固定子の帯状電極のピッチにもよるが、例えば、10
¹²〜10¹⁶Ω／□と大きいため、移動子に誘導された電荷
が同じ位置に長時間存続することになる。このことによ
り、移動子と固定子間が反発力が生じ、摩擦力が軽減さ
れる。

したがって、本発明のフィルムを利用した接触型静電ア
クチュエータは、格別な摩擦軽減機構を用いることな
く、駆動を行うことができる。

換言すれば、固定子と移動子を一定に保持する非導電性
のビーズやコロ、又は非導電性のボールを保持するリテ
ーナなどは一切不要であり構成が簡単で、しかもコンパ
クトである。

上記したように、ここで述べた接触型静電アクチュエー
タは、構造が単純で、精度が要求されず、複雑な制御を
必要としないため、製作が容易であり、固定子、移動子
ともフィルム化し易い。また、ギャップ保持機構や制御
回路のような、静電気力発生の点では本質的でない部分
に要する体積を極力低減することができるため、アクチ
ュエータ全体としての力密度を増大させることができ
る。

特に、移動子・固定子をフィルム化した場合は、面積に
対する厚さが極めて薄くなるので、無駄な空間がなくな
り、力密度を大きくすることができる。

フィルムの材料としては、数多くの種類がある高分子フ
ィルムの中から選択することができる。多くの高分子フ
ィルムは優秀な絶縁体であり、高電界に耐えられるの
で、静電アクチュエータの材料に適している。

移動子・固定子ともフィルム化したアクチュエータを、
第５図のように接続して多数積層することができる。積
層するための保持機構は必要としていないので、全体と
しての力密度は各層の力密度にほぼ等しくなる。

従って、全体として密度が大きく、力の強いアクチュエ
ータを提供することができる。

こうしたアクチュエータは、生態の筋肉に類似した構造
を持つことから、一種の静電人工筋と呼ぶことができ
る。

なお、積層化する場合、微細な導体パターンを施したフ
ィルムが大量に必要となるが、それは印刷技術によっ
て、容易に、かつ安価に製造することができる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細
に説明する。

第１図は本発明の実施例を示すフィルムを利用した接触
型静電アクチュエータの斜視図、第２図はその接触型静
電アクチュエータの構成図である。

これらの図に示すように、下部の固定子１は、絶縁体２
に帯状電極４を埋め込んだものである。

更に、詳細に述べると、この固定子１は、フィルム状の
絶縁体からなるベース層と、該ベース層上に配線される
帯状電極４と、その上に形成されるフィルム状の絶縁層
とからなる。

移動子10は、下面に形成される絶縁体層11とその上面に
形成される高抵抗体層12からなり、固定子１の上に接触
した状態に載置する。そこで、帯状電極４には、後述す
るように、選択的に電圧が印加され、移動子10を駆動す
るとともに、位置決めが行われる。

因みに、例えば帯状電極４の幅l₁は0.4mm、帯状電極４
のピッチl₂は1.27mm、帯状電極４が配置される全体の幅
l₃は126mm、帯状電極４の長さl₄は175mmである。

次に、この接触型静電アクチュエータの動作について第
３図を参照しながら説明する。

まず、第３図（ａ）に示すように、固定子１を構成する
絶縁体２に埋め込まれた第１の電極群である電極4a₁,4a
₂,4a₃に正電極＋Ｖ、第２の電極群である電極4b₁,4b₂,4
b₃に負電圧−Ｖ、第３の電極群である電極4c₁,4c₂,4c₃
に0Vをそれぞれ印加する。すると、始めは電荷の存在し
ていなかった高抵抗体層12内に電流が流れ、高抵抗体層
12と絶縁体層11の境界に真電荷が誘導され、平衡状態に
なる。この真電荷は、第３図（ｂ）の点線で示した位置
の鏡像電荷で置き換えることができる。この状態で、移
動子10は固定子１に強力に吸引されている。

次に、第３図（ｃ）に示すように、各電極に印加する電
圧を切り換える。つまり、第１の電極群である電極4a₁,
4a₂,4a₃に負電圧−Ｖ、第２の電極群である電極4b₁,4
b₂,4b₃に正電圧＋Ｖ、第３の電極群である電極4c₁,4c₂,
4c₃に負電圧−Ｖをそれぞれ印加する。

すると、各電極内の電荷は瞬時に移動するが、高抵抗体
層12に誘導された鏡像電荷は、抵抗値があるため、すぐ
には移動できない。電極4a₁,4b₁,4a₂,4b₂の電荷とその
上の鏡像電荷は同符号となるので、反発力が発生し、移
動子10は浮上する。また、電極4c₁の−電荷と電4b₁の上
の鏡像＋電荷は吸引し、電極4c₁の−電荷と電極4a₂の上
の鏡像−電荷は反発するので、移動子は右方向の駆動力
を受け、右に移動する。

そこで、移動子10が右方向へ１ピッチ移動すると、第３
図（ｄ）に示すように、電極の電荷とその上の鏡像電荷
とご異極性となるので、吸引力が働き、移動子はそこで
停止する。

次いで、第３図（ｅ）に示すように、第１の電極群であ
る電極4a₁,4a₂,4a₃に0V、第２の電極群である電極4b₁,4
b₂,4b₃に正電圧＋Ｖ、第３の電極群である電極4c₁,4c₂,
4c₃に負電圧−Ｖを印加する。

すると、移動子が移動する間に、鏡像電荷は拡散するの
で、これによって再び鏡像電荷を誘導（充電）する。

次いで、第３図（ｆ）に示すように、第１の電極群であ
る電極4a₁,4a₂,4a₃に負電圧−Ｖを、第２の電極群であ
る電極4b₁,4b₂,4b₃な負電圧−Ｖを、第３の電極群であ
る電極4c₁,4c₂,4c₃に正電圧＋Ｖを印加する。

すると、前記第３図（ｃ）において述べたように、電極
の電荷と鏡像電荷とは同極性となり、その反発によって
移動子10は浮上して右方向へ駆動され、第３図（ｇ）に
示すように、電極の電荷と鏡像電荷とが異極性となる対
抗位置、つまり１ピッチ移動した位置に位置決めされ
る。

次いで、第３図（ｈ）に示すように、第３図（ｇ）の状
態から第２の電極群である電極4b₁,4b₂,4b₃を0Vにする
と、その電極4b₁,4b₂,4b₃の電荷は０となる。

次いで、第３図（ｉ）に示すように、第１の電極群で電
極4a₁,4a₂,4a₃に正電極＋Ｖを、第２の電極群である電
極4b₁,4b₂,4b₃に負電圧−Ｖを、第３の電極群である電
極4c₁,4c₂,4c₃に負電圧−Ｖをそれぞれ印加する。

すると、前記第３図（ｃ）において述べたように、移動
子10は反発により浮上して右方向へ駆動され、第３図
（ｊ）に示すように、電極の電荷と鏡像電荷とが異極性
となる対向位置、つまり、１ピッチ移動してそこに位置
決めされる。

次いで、第３図（ｋ）に示すように、第３図（ｊ）の状
態から第３の電極群である電極4c₁,4c₂,4c₃を0Vにする
と、その電極4c₁,4c₂,4c₃の電荷は０となる。

次いで、第３図（ｌ）に示すように、第１の電極群であ
る電極4a₁,4a₂,4a₃に負電圧−Ｖを、第２の電極群であ
る電極4b₁,4b₂,4b₃に正電圧＋Ｖを、第３の電極群であ
る電極4c₁,4c₂,4c₃に正電圧＋Ｖをそれぞれ印加する。

すると、同様の方法で、移動子を逆方向に動かすことも
できる。即ち、電極の電荷と鏡像電荷とは同極性とな
り、その反発によって移動子10は浮上した左方向へ駆動
され、第３図（ｍ）に示すように、電極の電荷と鏡像電
荷とが異極性となる位置、つまり１ピッチ移動した位置
に位置決めされる。

ここで、移動子10が右方向へ移動しようとしても、第３
の電極4c₁の−電荷と第１の電極4a₂上の鏡像−電荷とほ
反発し合うので、移動子10が右側へ移動することはな
い。

以下、第３図（ｎ）乃至第３図（ｔ）に示すように、移
動子10は順次左方向へ１ピッチずつ移動し、位置決めさ
れる。

なお、上記説明において、固定子に設けられる電極は一
方向にのみ配置したものを示したが、種々の配置、例え
ば第６図及び第７図（後述）に示すように配置すること
もできる。

また、固定子・移動子の寸法やピッチやステップ数など
は適宜選定することができる。

ここで、フィルムを利用した接触型静電アクチュエータ
の具体的構成例について、第４図を用いて説明する。

この図に示されるように、固定子１は、ガラスエポキシ
基板３上にエッチングにより、帯状電極４を1.27mm間隔
で100本形成し、その上をエポキシ樹脂５と0.1mm厚のPE
T（Poly Ethylene Terephthalate）フィルム6,7の２
枚で覆った絶縁体２で構成される。移動子10の絶縁体層
11には、0.1mm圧のPETフィルムを用いる。その上に帯電
防止剤（例えば、10¹²〜10¹⁶Ω／□）を塗布し、高抵抗
体層12として用いる。

これに、前述した方法で、Ｖ＝１（KV）の電圧を印加す
る。充電時間（鏡像電荷を誘導するのに要する時間）
は、初回のみ10秒程度必要であるが、２回目以降は前回
充電した電荷を利用できるので１秒程度にすることがで
きる。

次いで、上記したフィルムを利用した接触型静電アクチ
ュエータを積層したアクチュエータについて説明する。

第５図はそのアクチュエータの斜視図であり、固定子20
は、固定される基部21と、該基部21から分岐され延び、
Ｙ軸方向に帯状電極が形成された複数のフィルム22〜25
を具備しており、これらのフィルム22〜25上に、移動子
30を構成する基部31において結合される複数のフィルム
32〜35が載置される。

ここで、固定子20のフィルム22〜25に設けられる帯状電
極に、例えば前記した第３図（ｂ）乃至第３図（ｄ）に
示すように電圧を印加することにより、移動子30をＸ軸
方向へ移動させることができる。

このように、リニア全体が収縮して、束ねられたフィル
ムが互い違いに入っている形態が筋肉の繊維に似てお
り、かつ力が断面積に比例しパワーが体積に比例するこ
とから、人工筋肉と呼ぶことができよう。

また、固定子にＸ軸及びＹ軸方向に配線される帯状電極
を形成するように構成することもできる。例えば、第６
図に示すように、固定子40上に、Ｘ軸方向に配線される
帯状電極41、Ｙ軸方向に配線される帯状電極42,43を設
け、各電極の電圧を切り換えることにより、そこに載置
される移動子をＸ軸方向及び又はＹ軸方向に駆動するこ
とができる。

更に、第７図に示すように、固定子50を円盤状に形成し
て、同心状に環状の帯状電極51を設ける。この固定子50
上に、図示しないが、例えば皺が寄った円形のフィルム
（移動子）を載置し、その帯状電極51に前記フィルムを
放射方向に駆動するような電圧を供給すると、フィルム
の皺を延ばすことができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これ
らを本発明の範囲から排除するものではない。

（発明の効果）以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のよ
うな効果を奏することができる。

（１）本発明の接触型静電アクチュエータは、通常の誘
電体の誘電現象によって生じる分極電荷を要いた駆動方
式とは異なり、絶縁体層上に抵抗体層を形成した移動子
を設け、絶縁体層と抵抗体層間に真電荷を誘導し、固定
子の電荷との間で、移動子の浮上・駆動を行うようにし
たので、電荷量の大きい真電荷を誘導することができ、
発生する浮上・駆動力を大きくすることができる。

（２）本発明の接触型静電アクチュエータは、固定子上
に接触して移動子が載置され、下面にフィルム状の絶縁
体層と上面に抵抗体層が形成される移動子を有するた
め、構造が単純で、制度が要求されず、複雑な制御を必
要としないため、製作が容易であり、固定子、移動子と
もフィルム化し易い。また、ギャップ保持機構や制御回
路のような、静電気力発生の点では本質的でない部分に
要する体積・重量を極力低減することができるため、ア
クチュエータ全体としての力密度を増大させることがで
きる。

（２）本発明の接触型静電アクチュエータの移動子は、
電極を持たず、下面に形成される絶縁体層と上面に形成
される抵抗体層からなり、固定子上に接触して載置さ
れ、充電操作によって、固定子の帯状電極のパターンを
移動子に転写し、移動子を浮上させながら駆動させるこ
とができる。そのため、固定子に対する移動子な位置合
わせが不要であり、帯状電極の高精度の加工も必要とし
ない。

（３）本発明の接触型静電アクチュエータでは、固定子
と移動子の摩擦が問題となるが、ここでは、静電力を用
いて移動子を浮上させることによって摩擦をなくすよう
にしている。その場合も、移動子を駆動する時のみ一時
的に浮上させる方法を採用しており、しかもそのための
センサよ複雑な制御は不要である。

（４）力密度を保ったまま積層化することができ、強力
なアクチュエータを作ることができる。

（５）基板上への微細な導体パターン配線は印刷技術に
よって容易に、大量、かつ安価に製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すフィルムを利用した接触
型静電アクチュエータの斜視図、第２図はその接触型静
電アクチュエータの構成図、第３図はその接触型静電ア
クチュエータの動作説明図、第４図はその接触型静電ア
クチュエータの部分断面図、第５図は本発明の第２の実
施例を示すフィルムを利用した接触型静電アクチュエー
タの斜視図、第６図は本発明の第３の実施例を示すフィ
ルムを利用した接触型静電アクチュエータの固定子の平
面図、第７図は本発明の第４の実施例を示すフィルムを
利用した接触型静電アクチュエータの固定子の平面図、
第８図は従来の静電アクチュエータの概略構成図であ
る。 1,20,40,50……固定子、２……絶縁体、３……ガラスエ
ポキシ基板、4,41,42,43,51……帯状電極、4a₁〜4a₃,4b
₁〜4b₃,4c₁〜4c₃……電極、５……エポキシ樹脂、6,7…
…PETフィルム、10,30……移動子、11……絶縁体層（PE
Tフィルム）、12……高抵抗体層、21,31……基部、22〜
25,32〜35……フィルム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）絶縁体内に配線される複数の帯状電
極を具備する固定子と、（ｂ）該固定子上に接触して載置され、下面にフィルム
状の絶縁体層と上面に抵抗体層が形成される移動子と、（ｃ）前記帯状電極への電圧の切り換えにより、前記移
動子を浮上させ駆動するとともに、位置決めを行う手段
とを具備するフィルムを利用した接触型静電アクチュエ
ータ。
【請求項２】前記固定子は、（ａ）フィルム状の絶縁体からなるベース層と、（ｂ）該ベース層上に配線される帯状電極と、（ｃ）該帯状電極上に形成されるフィルム状の絶縁層と
からなる請求項１記載のフィルムを利用した接触型静電
アクチュエータ。
【請求項３】前記固定子は、（ａ）ガラスエポキシ基板と、（ｂ）該ガラスエポキシ基板上に配線される帯状電極
と、（ｃ）該帯状電極上に塗布されるエポキシ樹脂と、（ｄ）該エポキシ樹脂上に積層されるフィルムとからな
る請求項１記載のフィルムを利用した接触型静電アクチ
ュエータ。
【請求項４】前記移動子は、（ａ）フィルムと、（ｂ）該フィルム上に形成される帯電防止材からなる抵
抗体層とを具備する請求項１記載のフィルムを利用した
接触型静電アクチュエータ。
【請求項５】前記フィルムは高分子フィルムからなる請
求項３又は４記載のフィルムを利用した接触型静電アク
チュエータ。
【請求項６】前記高分子フィルムはポリエチレン・テレ
フタレートである請求項５記載のフィルムを利用した接
触型静電アクチュエータ。
【請求項７】（ａ）固定される基部と、（ｂ）該基部から分岐して延び、絶縁体内に配線される
複数の帯状電極を具備する複数のフィルムを有する固定
子と、（ｃ）該固定子のフィルム上に開放端側が接触して載置
され、下面にフィルム状の絶縁体層と上面に抵抗体層が
形成されるとともに、他端が基部に結合される複数のフ
ィルムを有する移動子と、（ｄ）前記帯状電極への電圧の切り換えにより、前記移
動子を浮上させ駆動するとともに、位置決めを行う手段
とを具備するフィルムを利用した接触型静電アクチュエ
ータ。
【請求項８】（ａ）絶縁体内に配線される複数の同心円
状の帯状電極を具備する固定子と、（ｂ）該固定子上に接触して載置され、下面にフィルム
状の絶縁体層と上面に抵抗体層が形成される移動子と、（ｃ）前記帯状電極への電圧の切り換えにより、前記移
動子を浮上させ、該移動子に放射方向の張力を付与する
手段を具備するフィルムを利用した接触型静電アクチュ
エータ。