JPH07284280A - 静電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、実効出力を大幅に大きくする。 【構成】２つの電極(1,2) 間に、高い比誘電率を持つ液
晶(7) を充填した状態で静電力を発生させると、例えば
これら電極(1,2) 間に発生する吸引力Ｆｖ、及び各電極
(1,2) 間に配置された可動子(6) に働く推力Ｆｈは増加
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボット、精密
機械、自動車機器部品、家庭電化製品、アフィスオート
メーション機器、医用福祉機器等の機械の駆動に適用す
る静電アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボット、精密機械、自動車機器
部品、家庭電化製品、アフィスオートメーション機器、
医用福祉機器等の機械の駆動には、磁気力を利用した回
転型モータや、リニアモータ、ステッピングモータ等が
用いられている。

【０００３】又、駆動力を発生するものとして静電アク
チュエータが開発されている。この静電アクチュエータ
は、固定子と可動子とから成る電極間に発生する静電力
を利用して駆動力を発生するものである。

【０００４】しかしながら、この静電アクチュエータに
は以下の問題がある。 (a) 静電力は、μｍからｎｍの距離の微小なスケールで
変位をさせる場合に電磁力を利用した回転型モータ等よ
りも有効となる。これにより、静電アクチュエータは、
極めて小さな形状とならざるをえない。

【０００５】静電アクチュエータのトルクや力を得るに
は、各電極間のギャップをできるだけ狭くすること、
又、固定子と可動子とのギャップをできるだけ小さくす
ることが必要となる。

【０００６】ところが、各電極を支持する部材や可動子
は、できるだけ薄いことが望まれており、現在の技術で
は十分に剛性のない部材を用いて数μｍ以下のギャップ
を設けてこれを管理することは困難である。 (b) 固定子と可動子とのギャップが数μｍになると、こ
れら固定子及び可動子の表面粗さやうねりの影響を受
け、両者の固体表面間で生じる摩擦力は極めて大きくな
る。これにより、固定子と可動子との間で発生した推力
を大幅に消費し、実行出力を小さくしてしまう。

【０００７】このため、固定子と可動子とのギャップが
確実に維持できるような微小な寸法の静電アクチュエー
タしか製作することができなかった。 (c) 各電極同士の吸引力を利用して変形する方式の静電
アクチュエータでは、ストロークを大きくするために各
電極間のギャップを長くすると、アクチュエータの出力
が大幅に低下してしまう。

【０００８】このため、一つの駆動単位で数マイクロメ
ートルの変位しか得られない。 (d) 以上の問題は、各電極間に一部のアルコール系の液
体を充填することで解決できるが、このアルコール系で
は、引火性が高く、高電圧を印加するには火災や爆発の
虞がある。

【０００９】又、各電極間に水を充填することも考えら
れるが、抵抗が比較的小さく絶縁性に問題があり、その
うえ電気分解を避けるために交流駆動する必要があり、
エネルギー損失が大きくなりやすい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように各電極間
のギャップを狭くすることが困難であり、かつこのギャ
ップを狭くしても各電極の表面粗さ等の影響を受けて実
効出力が小さくなる。又、ストロークを大きくするため
にギャップを長くしてもその出力が大幅に低下する。

【００１１】このような事を解決するために、アルコー
ル系の液体を充填しても、引火性が高く、火災等の虞が
あり、又、水を充填しても、絶縁性の問題や交流駆動を
必要とし、エネルギー損失が大きくなる。そこで本発明
は、実効出力を大幅に大きくできる静電アクチュエータ
を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１によれば、少な
くとも２つの電極間に静電力を発生させる静電アクチュ
エータにおいて、少なくとも各電極間に高い比誘電率を
有する液晶を充填して上記目的を達成しようとする静電
アクチュエータである。

【００１３】請求項２によれば、少なくとも２つの電極
間に可動子を配置し、これら電極間に発生する静電力に
より可動子に対して推力を働かせる静電アクチュエータ
において、少なくとも各電極間に高い比誘電率を有する
液晶を充填して上記目的を達成しようとする静電アクチ
ュエータである。

【００１４】請求項３によれば、液晶は、可動子に働く
推力を所定値とするように各電極と可動子とのギャップ
に応じた比誘電率を持っている。請求項４によれば、対
向する各電極面にそれぞれ高分子化された液晶から成る
保護膜を形成している。

【００１５】請求項５によれば、保護膜を形成する液晶
は、各電極間に充填する液晶の比誘電率よりも高い比誘
電率を有している。請求項６によれば、少なくとも２つ
の電極間の吸引力によりこれら電極間のギャップを変位
させる静電アクチュエータにおいて、少なくとも各電極
間に高い比誘電率を有する液晶を充填して上記目的を達
成しようとする静電アクチュエータである。

【００１６】請求項７によれば、対向配置された２つの
電極のうち少なくとも一方の電極を電極群とした静電ア
クチュエータにおいて、少なくとも電極と電極群との間
に高い比誘電率を有する液晶を充填して上記目的を達成
しようとする静電アクチュエータである。

【００１７】請求項８によれば、他方の電極は、弾性を
有する膜状電極である。請求項９によれば、対向配置さ
れた各電極間に比誘電率の高い液晶を充填してこれら電
極間に吸引力を発生させる単位アクチュエータを複数形
成し、これら単位アクチュエータを変位方向に積層して
上記目的を達成しようとする静電アクチュエータであ
る。

【００１８】請求項１０によれば、固定された第１の電
極群と、弾性を有する電極支持体と、この電極支持体に
対して第１の電極群と対応する位置に配置された第２の
電極群と、少なくともこれら第１と第２の電極群の間に
充填された比誘電率の高い液晶と、電極支持体に載置さ
れた可動子と、第１と第２の電極群に対して選択的に通
電を行う通電手段と、を備えて上記目的を達成しようと
する静電アクチュエータである。

【００１９】請求項１１によれば、絶縁膜を介して互い
に接着された一対のコイル状電極と、このコイル状電極
のコイルピッチ間を満たす比誘電率の高い液晶と、コイ
ル状電極に通電を行う通電手段と、を備えて上記目的を
達成しようとする静電アクチュエータである。

【００２０】請求項１２によれば、複数の電極を配列し
た電極群と、この電極群に対して絶縁膜を介して配置さ
れた弾性を有する膜状電極と、少なくとも電極群と前記
膜状電極との間に充填された比誘電率の高い液晶と、膜
状電極と電極群の各電極との間を選択的に通電する通電
手段と、を備えて上記目的を達成しようとする静電アク
チュエータである。

【００２１】請求項１３によれば、複数の電極を配列し
た第１の電極群と、この第１の電極群に対して対向配置
された複数の電極から成る第２の電極群と、これら第１
と第２の電極群との間に配置され、電界が加わることに
より変形する高分子材料から成る可動子と、これら第１
と第２の電極群との間に充填された比誘電率の高い液晶
と、を備えて上記目的を達成しようとする静電アクチュ
エータである。請求項１４によれば、液状又はゲル状の
液晶である。請求項１５によれば、液晶は、ネマチック
相、又はコレステリック相である。

【００２２】

【作用】請求項１によれば、少なくとも２つの電極間
に、高い比誘電率を持つ液晶を充填した状態で静電力を
発生させると、例えばこれら電極間に発生する吸引力、
及び各電極間に配置された可動子に働く推力は増加す
る。

【００２３】請求項２によれば、少なくとも２つの電極
間に、高い比誘電率を持つ液晶を充填した状態で静電力
を発生させると、各電極間に配置された可動子に働く推
力は増加する。

【００２４】この場合、請求項３によれば、各電極と可
動子とのギャップに応じた比誘電率を持つ液晶が充填さ
れて所定の推力が得られる。又、請求項４によれば、各
電極面にそれぞれ保護膜を形成することにより、可動子
の移動の際に各電極面を保護できる。

【００２５】そのうえ、請求項５によれば、保護膜に、
各電極間に充填する液晶の比誘電率よりも高い比誘電率
を持つものを用いれば、可動子の推力をさらに増加でき
る。請求項６によれば、少なくとも２つの電極間に、高
い比誘電率を持つ液晶を充填した状態で静電力を発生さ
せると、各電極間の吸引力は増加する。

【００２６】請求項７によれば、少なくとも電極と電極
群との間に、高い比誘電率を有する液晶を充填した状態
で静電力を発生させれば、例えばこれら電極と電極群と
の間に配置される可動子に働く推力が増加する。

【００２７】この場合、請求項８によれば、他方の電極
を弾性を有する膜状電極に形成することにより、この膜
状電極は波状に移動する。請求項９によれば、単位アク
チュエータを複数形成して積層すれば、これら単位アク
チュエータがそれぞれ増大した各電極間の吸引力により
変位する。

【００２８】請求項１０によれば、対向配置された第１
と第２の電極群に対して選択的に通電を行うと、このう
ち第２の電極群は、第１の電極群との間の液晶により増
大した吸引力によって変位し、この変位に応動して電極
支持体が例えば波状に移動し、この移動を受けて可動子
は移動する。

【００２９】請求項１１によれば、一対のコイル状電極
のコイルピッチ間に比誘電率の高い液晶を満たして通電
を行うと、この液晶により増大した吸引力によってコイ
ル状電極のコイルピッチ間は変位する。

【００３０】請求項１２によれば、電極群と膜状電極と
の間に通電を行うと、膜状電極は、電極群との間の液晶
により増大した吸引力によって波状に移動する。請求項
１３によれば、第１と第２の電極群に対して選択的に通
電を行うと、これら電極群間に配置された高分子材料の
可動子は、液晶により増大した吸引力によって変形して
移動する。

【００３１】請求項１４によれば、液状又はゲル状の液
晶が充填されている。請求項１５によれば、液晶は、ネ
マチック相、又はコレステリック相を呈している。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 (1) 先ず、実施例の説明にあたり静電アクチュエータの
基本動作原理について説明する。

【００３３】図１、図２及び図３は静電アクチュエータ
の基本動作原理を示す図である。図１は正面図、図２は
側面図、図３は正面図である。互いに対向配置された一
対の電極１、２には、それぞれ端子３、４が接続されコ
ンデンサが形成されている。このうち端子３にはスイッ
チ５が接続され、このスイッチ５を介して各電極１、２
間に直流電源Ｖが接続されている。

【００３４】これら電極１、２の間には、可動子６が配
置されるとともに、これら電極１、２及び可動子６に挟
まれた空間には、液晶７が充填されている。このような
構成であれば、各電極１、２同士に吸引力Ｆｖが働くと
ともに、図１のように可動子６が完全に電極間内に入り
きっていない場合は、電極１、２と可動子６との間に吸
引力Ｆｈが働く。

【００３５】このうち吸引力Ｆｈは、 Ｆｈ＝｛ε0 εrc（εrs−εrc）Ｗｄ｝Ｖ² ÷｛２（２ｇ＋ｄ）（２ｇεrs＋εrcｄ）｝ …(1) により表される。

【００３６】 ここで、ε0 ：真空の誘電率 εrc：液
晶の比誘電率 εrs：可動子又はゲルの比誘電率 Ｗ ：電極間の間
口長さ ｄ ：可動子の厚み Ｖ ：電極に供給
される電圧 ｇ ：電極と可動子間のギャップ この式より、可動子６の比誘電率εrsに比べて液晶７の
比誘電率εrcが比較的小さい領域では、媒質となる液晶
７の比誘電率εrcを高めていくと吸引力Ｆｈは増加して
いき、ある値でピークを示すことがわかる。

【００３７】又、図３及び図４の側面図に示すように、
液晶７として高誘電率の固体やゲル状のものが存在する
場合、各電極１、２同士の間で働く吸引力Ｆｖは、これ
ら電極１、２板間の距離をｙ（＝２ｇ＋ｄ）とし、各電
極１、２により形成されるコンデンサ内に蓄積された静
電エネルギーを距離ｙで偏微分することで求められる。
すなわち、吸引力Ｆｖは、 Ｆｖ＝−ε0 εrcＷＬ・Ｖ² ／２（２ｇ＋ｄ）² −ε0 εrc（εrs−εrc）｛４ｇεrs＋（εrs−εrc）ｄ｝ ÷２（２ｇ＋ｄ）² （２ｇεrs＋ｄεrc）² ×ＷｄＶ² ｘ …(2) により表される。

【００３８】ここで、Ｌ：電極の長さ
ｘ：可動子の電極対間内での変位又、図５及び図６に示
すように固体など違う誘電率を持つものがない、単一の
液晶７で電極１、２の空間が充電されている場合、これ
ら電極１、２同士の間で働く吸引力Ｆｖは、 Ｆｖ＝−ε0 εrcＷＬ・Ｖ² ／２Ｄ² …(3) により表される。なお、Ｄ：電極間距離（＝２ｇ＋ｄ）
である。

【００３９】ところで、図１に示すように可動子６が移
動する場合、可動子６の滑り速度の変化が大きくない場
合の摩擦力Ｆｆは、 Ｆｆ＝μＮ …(4) により表される。

【００４０】 ここで、μ：滑り摩擦係数 Ｎ：接触面から受
ける垂直な抗力 この式(4) より、潤滑性の高い媒質を用いて滑り摩擦係
数μの値を小さくすることで、摩擦力Ｆｆを小さくでき
ることが分かる。

【００４１】静電アクチュエータの実効推力Ｆａは、吸
引力Ｆｈと可動子６が移動する際に発生する摩擦力Ｆｆ
との差として求められる。すなわち、 Ｆａ＝Ｆｈ−Ｆｆ …(5) である。これから各電極１、２間の空間に比誘電率が高
く潤滑性の高い液状の液晶を充填することにより、実効
推力Ｆａを増加することができる。 (2) 次に本発明の第１の実施例について説明する。

【００４２】図７及び図８は静電アクチュエータの構成
図であって、図７は正面図、図８は側面図である。互い
に対向配置された一対の電極１０、１１には、それぞれ
端子１２、１３が接続されコンデンサが形成されてい
る。このうち端子１２にはスイッチ１４が接続され、こ
のスイッチ１４を介して各電極１０、１１間に直流電源
Ｖ（例えば１００Ｖ）が接続されている。

【００４３】なお、各電極１０、１１は、それぞれ電極
支持体１５、１６により固定支持されている。これら電
極１０、１１の間には、可動子１７が配置されている。

【００４４】ここで、各電極１０、１１の間口幅Ｗを１
０ｍｍ、可動子１７の厚さｄを１ｍｍ、比誘電率εrsを
１００００としている。又、これら電極１０、１１及び
可動子１７に挟まれた空間には、真空の誘電率ε0 より
も高い比誘電率εrcを持つ液状又はゲル状の液晶１８が
充填されている。

【００４５】ここで、この液晶１８について説明する。
この液晶を定義すると、液晶の化学構造の微妙な違いが
液晶相の出現に影響する。例えば、アルキル鎖長の相
違、置換基の有無等である。ここに用いる液晶１８は、
液晶相を呈する化合物、物質と類似の化学構造を有する
化合物、物質までを含むものとする。

【００４６】液晶相は、ネマチック相、その光学活性状
態と認識されているコレステリック相、及びスメクチッ
ク相に分類されている。本発明静電アクチュエータで
は、いずれの液晶相も使用可能である。

【００４７】液晶状態は、液体と液晶の間に存在する物
質の状態である。液体は、０次元の秩序を、結晶は３次
元の秩序を有している。液晶は、この中間の１又は２次
元の秩序を有していて、ネマチック相（コレステリック
相）は１次元、スメクチック相は２次元に対応してい
る。

【００４８】同一の液晶物質で、複数の液晶相を呈する
場合がある。その場合、ネマチック相（コレステリック
相）は、スメクチック相より高温に出現する。これは、
両相の秩序度によっている。両相の粘性は、秩序度を反
映して、ネマチック相（コレステリック相）は、スメク
チック相より低粘性を示す。

【００４９】従って、本発明静電アクチュエータの潤滑
材は低粘性が好ましいので、ネマチック相（コレステリ
ック相）より好ましい。本発明静電アクチュエータに充
填する液晶１８は、液晶相を呈する化合物単体、又その
複数からなる物質、さらに加えて液晶類似の化学構造を
有するが液晶相を呈しない、、すなわち、上記液晶に定
義されている化合物の単独又は複数を加えて構成するよ
うにしてもよい。

【００５０】一方、本発明静電アクチュエータに使用さ
れる潤滑材は、少なくとも流動性を有する必要がある。
実際の使用温度領域に渡って結晶化が起こらない必要性
がある。

【００５１】通常の化合物単独の融点は、室温よりも高
温である。本発明静電アクチュエータの使用温度領域に
おいて結晶化が起こらないようにするには、複数の化合
物の混合による融点の降下を使用する。つまり、複数の
化合物が好適に使用できる。

【００５２】液晶は、誘電率に異方性を有している。液
晶分子は、細長い棒状分子である。一般に、この分子長
の長い方向を分子長軸方向、これに直交する方向を分子
短軸方向と称する。

【００５３】誘電率Δεの観点から、液晶はΔε＞０と
Δε＜０の２種類に分類できる。両者は、電界への応答
挙動が異なる。電界が存在すると、両者とも誘電率の大
きい方向が電界方向に沿って配列する。Δε＞０の液晶
は分子長軸を電界方向に向けて、Δε＜０の液晶は分子
短軸を電界方向に向けて配列する。

【００５４】本発明静電アクチュエータでは、Δε＞０
とΔε＜０との両者とも好適に使用できる。Δε＞０の
液晶の多くは、分子長軸の片方の末端に極性基、例えば
フッ素、塩素又はシアノ基等の誘電率の大きな基を有し
ている。その代表的な液晶化合物の例を次に挙げる。

【００５５】

【化１】 Δε＜０の液晶の数は、それ程多くないが、分子の短軸
方向に極性基を有している。その代表的な例を次に挙げ
る。

【００５６】

【化２】

【００５７】次に上記の如く構成された静電アクチュエ
ータの作用について説明する。スイッチ１４を閉じて各
端子１２、１３間に直流電源Ｖを接続すると、これら電
極１０、１１と可動子１７との間には、上記式(1) に示
す吸引力Ｆｈが働く。

【００５８】これにより、各電極１０、１１（コンデン
サを形成）よりも外側にある可動子１７は、直流電源Ｖ
の二乗に比例した上記吸引力Ｆｈを受けて各電極１０、
１１内に吸引される。

【００５９】ここで、可動子１７に働く吸引力、つまり
推力の変化について説明する。図９は各電極１０、１１
の間口幅Ｗを１０ｍｍ、可動子１７の厚さｄを１ｍｍ、
比誘電率εrsを１００００とし、これら電極１０、１１
と可動子１７とのギャップｇをパラメータとして１μ
ｍ、５μｍ及び１０μｍ一定とし、かつ液晶１８の比誘
電率εrcを１〜１００００間で変化させた場合の推力を
示している。

【００６０】この図に示されるように液晶１８の比誘電
率εrcを増加させていくと、比誘電率１〜１００００の
範囲で急速に推力が増加することが分かる。そして、ギ
ャップｇが狭い程大きい推力を得ることが分かり、かつ
その推力のピークが各ギャップｇごとにそれぞれ異なる
比誘電率εrcを示している。

【００６１】図１０はこのときの推力の増加率を示して
おり、誘電率１の場合に得られる値と比較した場合とな
っている。例えば、推力の増加率は、ギャップｇが１μ
ｍでは約２０倍、ギャップｇが５μｍでは約８０倍、ギ
ャップｇが１０μｍでは約１５０倍の推力を得ることが
できる。

【００６２】又、ギャップｇが大きくなってしまった場
合には、特にその効果が大きく、例えばギャップ１０μ
ｍでも１μｍのギャップの場合と同程度の推力を発生で
きる。

【００６３】従って、各電極１０、１１と可動子１７と
のギャップｇに応じた最適な比誘電率を持つ液晶１８を
充填すれば、所望の推力を得る静電アクチュエータを得
ることができる。

【００６４】このように上記第１の実施例においては、
２つの電極１０、１１間に高い比誘電率εrcを持つ液晶
１８を充填したので、これら電極１０、１１間に配置さ
れた可動子１７に働く推力を増加することができる。

【００６５】この場合、各電極１０、１１と可動子１７
とのギャップｇに応じた比誘電率εrcを持つ液晶１８を
充填することにより最大の推力を得ることができる。 (3) 次に本発明の第２の実施例について説明する。な
お、図７及び図８と同一部分には同一符号を付してその
詳しい説明は省略する。

【００６６】図１１及び図１２は静電アクチュエータの
構成図であって、図１１は正面図、図１２は側面図であ
る。各電極１０、１１の互いに対向する各電極面の表面
には、それぞれ潤滑性が高く真空の誘電率ε0 よりも高
い比誘電率εrcを持つ絶縁性のゲル状の液晶１９ａ、１
９ｂが接着又はコーティングされている。

【００６７】これと共にこれらゲル状の液晶１９ａ、１
９ｂと可動子１７との間には、上記第１の実施例と同様
のゲル状又は液状の液晶１８が充填されている。なお、
ゲル状の液晶１９ａ、１９ｂは、高分子化された液晶で
あり、液晶１８よりもさらに高い比誘電率を持ってい
る。

【００６８】次に上記の如く構成された静電アクチュエ
ータの作用について説明する。直流電源Ｖを各端子１
２、１３間に接続すると、各電極１０、１１と可動子１
７との間には、上記同様に吸引力Ｆｈが働く。

【００６９】これにより、各電極１０、１１よりも外側
にある可動子１７は、直流電源Ｖの二乗に比例した上記
吸引力Ｆｈを受けて各電極１０、１１内に吸引される。
このとき、液晶１８を充填することにより各電極１０、
１１と可動子１７とのギャップを実行的に小さな値に維
持することができ、吸引力Ｆｈを増加させることがで
き、さらに加えて液晶１９ａ、１９ｂを接着することに
より可動子１７の移動の際の摩擦力Ｆｆを低減すること
ができる。

【００７０】従って、可動子１７に働く実効推力Ｆａを
増加できる。このように上記第２の実施例においては、
各電極１０、１１と可動子１７との間に液晶１８を充填
するとともに、各電極１０、１１の各表面に液晶１９
ａ、１９ｂを接着又はコーティングしたので、可動子１
７の移動の際に各電極１０、１１に接触しても、これら
電極１０、１１を保護できる。

【００７１】又、可動子１７の移動の際の摩擦力Ｆｆを
低減して可動子１７の実効推力を増加できる。 (4) 次に本発明の第３の実施例について説明する。

【００７２】図１３は静電アクチュエータの構成図であ
る。互いに対向配置された一対の電極２０、２１には、
それぞれ端子２２、２３が接続されコンデンサを形成し
ている。これら端子２２、２３にはスイッチ２４が接続
されるとともに、電極２１と端子２３との間に直流電源
Ｖが接続されている。

【００７３】これら電極２０、２１は、それぞれ電極支
持体２５、２６に対して固定支持されている。これら電
極支持体２５、２６の縁には、弾性を有するスペーサ２
７、２８が設けら、各電極２０、２１同士が所定の隙間
を持って維持されるようになっている。

【００７４】又、これら電極２０、２１及びスペーサ２
７、２８により形成される空間には、上記各実施例と同
様の高い比誘電率εrcを持つ液晶１８が充填されてい
る。なお、この液晶１８は、ゲル状又は液状となってい
る。

【００７５】次に上記の如く構成された静電アクチュエ
ータの作用について説明する。スイッチ２４を閉じて各
電極２０、２１間に電圧を印加して電界を発生させる
と、図１３上部の状態にある各電極２０、２１は、上記
式(3) に示す吸引力Ｆｖにより互いに引き付け合おうと
する。

【００７６】この吸引力Ｆｖにより同図下部に示すよう
に各電極支持体２５、２６を支持するスペーサ２７、２
８は、吸引力Ｆｖに対して弾性反力と負荷力の和が釣り
合う位置まで変形する。

【００７７】これらスペーサ２７、２８の変形に応動し
て各電極２０、２１は移動する。従って、これら電極２
０、２１の移動、つまり変位を取り出すことによってア
クチュエータとして機能する。

【００７８】ここで、電極２０、２１の変位のストロー
クが一定の場合、各電極２０、２１間が空気により満た
されている場合よりも比誘電率εrcと同一倍数だけ吸引
力Ｆｖは増大する。例えば、液晶１８の比誘電率εrcが
１０であれば、吸引力Ｆｖは１０倍となる。

【００７９】又、吸引力Ｆｖを同じにした場合、ストロ
ークは、液晶１８の比誘電率εrcの１／２乗倍の長さに
することができる。例えば、液晶１８の比誘電率εrcが
１０であれば、ストロークは３．１６倍となる。

【００８０】このように上記第３の実施例においては、
各電極２０、２１間に高い被誘電率を有する液晶１８を
充填し、これら電極２０、２１間の吸引力によりこれら
電極２０、２１を変位させるようにしたので、これら電
極２０、２１間の吸引力を増加することができる。

【００８１】一方、上記の如く各電極２０、２１間に高
い被誘電率を有する液晶１８を充填した静電アクチュエ
ータを単位アクチュエータとし、この単位アクチュエー
タを変位方向に複数積層してストロークの長い静電アク
チュエータを構成してもよい。

【００８２】このような積層した静電アクチュエータで
あれば、積層数に応じたストロークが得られ、例えば空
気を充填した場合と比較して同一ストロークを得るのに
積層数を減らすことができる。例えば、液晶１８の比誘
電率εrcが１０であれば、積層数は約３分の１にでき
る。

【００８３】又、力を大きくするには、単位アクチュエ
ータを並列に配列すればよいが、この場合も単位アクチ
ュエータの数を減らすことができる。例えば、液晶１８
の比誘電率εrcが１０であれば、集積数は約１０分の１
にできる。 (5) 次に本発明の第４の実施例について説明する。

【００８４】図１４は静電アクチュエータの構成図であ
る。弾性を有する電極支持体３０には、複数の電極３１
〜３６（第１の電極群）が所定間隔で配列されている。
又、他方の弾性を有する電極支持体３７には、複数の電
極３８〜４３（第２の電極群）が、各電極３１〜３６と
対向する位置にそれぞれ所定間隔で配列されている。こ
れにより、各電極対３１と３８、３２と３９、…３６と
４３によりそれぞれコンデンサが形成される。

【００８５】ここで、他方の電極支持体３７は、一方の
電極支持体３０と比較してその厚みが格段に薄く形成さ
れている。これら電極支持体３０と３７との間、つまり
各電極３１〜３６と各電極３８〜４３との間には、上記
各実施例と同様のゲル状又は液状の液晶１８が充填され
ている。

【００８６】他方の電極支持体３７上には、可動子４４
が載置されている。この可動子４４には、電極支持体３
７との間で強い摩擦力が生じるように、何らかの機構に
よって予め接触面に対して垂直方向に力Ｓが加わってい
る。

【００８７】通電装置４５は、各電極対３１と３８、３
２と３９、…３６と４３とを選択的に通電するもので、
ここでは各電極対３１と３８、３２と３９、…３６と４
３の順序で順次通電し、これを繰り返して行う機能を有
している。

【００８８】次に上記の如く構成された静電アクチュエ
ータの作用について説明する。通電装置４５は、各電極
対３１と３８、３２と３９、…３６と４３の順序で順次
通電する。

【００８９】この通電により各電極対３１と３８、３２
と３９、…３６と４３の順序で吸引力が働き、各電極３
８〜４３は、それぞれ対応する各電極３１〜３６に吸引
される。これにより、各電極対３１と３８、３２と３
９、…３６と４３の順序で電極間距離が短くなる。

【００９０】これにより、電極支持体３７は、各電極３
８〜４３の変位に応動して変形し、その変形部分が波状
に移動する。従って、可動子４４は、第１状態〜第３状
態に示すように電極支持体３７における波状の移動方向
とは反対方向に移動する。この可動子４４の移動を取り
出すことでアクチュエータとして機能する。

【００９１】このように第４の実施例においては、各電
極対３１と３８、３２と３９、…３６と４３の間に比誘
電率の高い液晶１８を充填してこれら電極対３１と３
８、３２と３９、…３６と４３を順次通電し、このとき
の各電極対の変位に応動して電極支持体３７に波状の移
動を発生させて可動子４４を移動させるようにしたの
で、各電極対３１と３８、３２と３９、…３６と４３に
おける吸引力を増大して波状の移動力を大きくできる。

【００９２】ここで、電極間移動距離が一定の場合、す
なわち電極支持体３７の振幅が一定の場合、各電極対３
１と３８、３２と３９、…３６と４３の間が空気により
満たされている場合と比較して、比誘電率εrcと同じ倍
数だけ吸引力は増大する。例えば、液晶１８の比誘電率
εrcが１０であれば、吸引力は１０倍となる。従って、
駆動力もその分増大できる。 (6) 次に本発明の第５の実施例について説明する。

【００９３】図１５は静電アクチュエータの構成図であ
る。一対のコイル状電極５０、５１は、それぞれ絶縁膜
５２、５３によりコートされ、かつ互いに接着されてい
る。これにより、一対のコイル状電極５０、５１は、コ
ンデンサを形成している。

【００９４】又、一対のコイル状電極５０、５１は、弾
性部材により形成され、通常は所定のコイルピッチをも
つコイル形状となってる。そして、これらコイル状電極
５０、５１は、スイッチ５４を介して直流電源Ｖが接続
されている。

【００９５】この一対のコイル状電極５０、５１のコイ
ルピッチ間は、上記各実施例と同様にゲル状又は液状の
液晶１８により充填されている。次に上記の如く構成さ
れた静電アクチュエータの作用について説明する。

【００９６】スイッチ５４を閉じると、一対のコイル状
電極５０、５１間に直流電源Ｖが接続されてこれらコイ
ル状電極５０、５１間に電界が発生する。そうすると、
図１５の状態にある各コイル状電極５０、５１は、上記
式(3) で示される吸引力Ｆｖが発生して互いに近づこう
とする。

【００９７】この吸引力Ｆｖにより各コイル状電極５
０、５１自身が変形し、これらコイル状電極５０、５１
は、図１６に示すように吸引力Ｆｖに対して弾性反力と
負荷力との和が釣り合う位置まで移動する。なお、図１
６では各コイル状電極５０、５１が互いに密着するまで
移動する。

【００９８】従って、このコイル状電極５０、５１の変
位を取り出すことによってアクチュエータとして機能と
する。このように上記第５の実施例においては、一対の
コイル状電極５０、５１のコイルピッチ間に比誘電率の
高い液晶１８を満たして通電を行うようにしたので、こ
の液晶１８により増大した吸引力による各コイル状電極
５０、５１の変位を取り出すことができる。

【００９９】ストローク（コイルピッチ）が一定の場
合、一対のコイル状電極５０、５１間が空気により満た
されている場合よりも比誘電率εrcと同一倍数だけ吸引
力Ｆｖは増大する。例えば、液晶１８の比誘電率εrcが
１０であれば、吸引力Ｆｖは１０倍となる。

【０１００】又、吸引力Ｆｖを同じにした場合、ストロ
ーク（コイルピッチ）は、液晶１８の比誘電率εrcの１
／２乗倍の長さにすることができる。例えば、液晶１８
の比誘電率εrcが１０であれば、ストロークは３．１６
倍となる。 (7) 次に本発明の第６の実施例について説明する。

【０１０１】図１７は静電アクチュエータの構成図であ
る。電極支持体６０上には、複数の電極が所定間隔で配
列されて電極群６１が形成されている。この電極群６１
の各電極には、スイッチ群６２を構成する各スイッチが
それぞれ接続されている。そして、これらスイッチは、
直流電源Ｖに共通接続されている。

【０１０２】又、スイッチ群６２は、通電装置６３によ
り各スイッチが選択的に切換え制御、例えば図面上左右
方向のいずれかに走査して切換え制御されるものとなっ
ている。

【０１０３】電極群６１上には、絶縁膜６４を介して膜
状電極６５が予め変形部６５ａ、６５ｂを形成した形状
で載置されている。従って、これら電極群６１と膜状電
極６５とによりコンデンサが形成されている。

【０１０４】又、これら電極群６１と膜状電極６５との
間、及び膜状電極６５の周囲は、上記各実施例と同様の
ゲル状又は液状の液晶１８により満たされている。次に
上記の如く構成された静電アクチュエータの作用につい
て説明する。

【０１０５】通電装置６３よってスイッチ群６２の各ス
イッチのうち所望のスイッチを選択して直流電源Ｖ側に
接続すると、そのスイッチにあたる電極と膜状電極６５
との間に電圧が印加されて電界が発生し、その部分の膜
状電極６５は、上記式(3) に示す吸引力Ｆｖにより互い
に引き付け合おうとする。

【０１０６】この吸引力Ｆｖにより膜状電極６５は、変
形し、吸引力Ｆｖに対して弾性反力と負荷力の和が釣り
合う位置まで移動するか、電極６１に吸着される。これ
により、直流電源Ｖを接続する電極群６１の各電極を順
次走査すると、膜状電極６５の電極６１に吸着される部
分も順次移動し、膜状電極６５の各変形部６５ａ、６５
ｂも順次移動する。

【０１０７】従って、これら変形部６５ａ、６５ｂの移
動を取り出すことによって静電アクチュエータとして機
能できる。このように上記第６の実施例においては、電
極群６１と膜状電極６５との間で通電を行うと、電極群
６１との間の液晶１８により増大した吸引力によって膜
状電極６５における変形部６５ａ、６５ｂを移動させる
ようにしたので、液晶１８により増大した吸引力により
膜状電極６５の変形部６５ａ、６５ｂの移動を取り出す
ことができる。

【０１０８】この場合、電極群６１と膜状電極６５との
間が空気により満たされている場合よりも比誘電率εrc
と同一倍数だけ吸引力Ｆｖは増大する。例えば、液晶１
８の比誘電率εrcが１０であれば、吸引力Ｆｖは１０倍
となる。従って、より弾性反力の強い膜状電極６５を用
いることができ、より強い出力を得ることができる。 (8) 次に本発明の第７の実施例について説明する。

【０１０９】図１８は静電アクチュエータの構成図であ
る。対向配置された各電極支持体７０、７１には、それ
ぞれ所定間隔で複数の電極を配列した第１の電極群７
２、第２の電極群７３が固定支持されている。なお、こ
れら第１の電極群７２と第２の電極群７３とにおける各
電極同士は、それぞれ対向配置されている。

【０１１０】これら第１の電極群７２と第２の電極群７
３とは、それぞれに共通接続されて直流電源Ｖに接続さ
れている。そして、第２の電極群７３の各スイッチと直
流電源Ｖとの間には、それぞれスイッチが接続されてス
イッチ群７４が形成されている。

【０１１１】通電装置７５は、スイッチ群７４の各スイ
ッチを選択的に開閉制御、例えば図面上左右方向のいず
れかに走査して開閉制御する機能を有している。第１の
電極群７２と第２の電極群７３との空間は、上記各実施
例と同様のゲル状又は液状の液晶１８により満たされて
いる。

【０１１２】又、第１の電極群７２と第２の電極群７３
との間には、液晶１８により満たされて可動子７６が配
置されている。この可動子７６は、電界中で変形する高
分子材料により形成されている。

【０１１３】次に上記の如く構成された静電アクチュエ
ータの作用について説明する。通電装置７５により閉じ
るスイッチを、第１及び第２の電極群７２、７３の各電
極のうち可動子７６近傍の各電極に対応するスイッチと
すると、その各電極間に電圧が印加されて電界が発生
し、可動子７６は電束の方向に応じて変形方向が変わ
る。

【０１１４】従って、可動子７６の位置に合わせてスイ
ッチ群７４を開閉制御し、第１及び第２の電極群７２、
７３の各電極の極性を変えていくと、可動子７６はその
極性に合わせて両方向にたわみ変形を繰り返し、液晶１
８から反力を受けてくねりながら前進する。

【０１１５】この可動子７６の動きを取り出すことで静
電アクチュエータとして機能できる。このように上記第
７の実施例においては、第１と第２の電極群７２、７３
に対して選択的に通電を行って高分子材料の可動子７６
を移動させるようにしたので、液晶１８により増大した
吸引力によって可動子７６を変形させて移動させること
ができる。

【０１１６】ところで、通常の比誘電性の液体中や比誘
電率の低い液体中では、このような可動子７６の動きを
させるほど電束密度を高めることはできない。従って、
通常は比誘電率の高い水中で行うが、電気分解や消費電
流が大きい等の問題がある。ところが、上記の如く水を
液晶１８に置き換えると、高い絶縁性が得られ消費電流
が激減でき、そのうえ高い電圧を印加することが可能と
なり、より安定した動作ができる。 (9) 上記各実施例から本発明静電アクチュエータにより
奏される効果をまとめると次の通りとなる。

【０１１７】２つ以上の電極で電界を形成した空間を高
い比誘電率を持つ液体又はゲル状の液晶により充填する
ので、固定子である電極と可動子とによって形成される
コンデンサの容量を増加させることができ、飛躍的に可
動子への吸引力を高めることができる。

【０１１８】又、各電極対と可動子との間にゲル状又は
液状の液晶の薄膜を形成することで、電極と可動子との
ギャップを適当な大きさにすることができる。これによ
り、比較的大きな規模でアクチュエータを作製でき、長
いストロークを移動できるアクチュエータを得ることが
できる。

【０１１９】さらに、潤滑性のある固体や、液体又はゲ
ルを電極と可動子との間に挿入することにより、両者の
間に生じる摩擦力を低減できる。又、電極間の吸引力を
利用する方式のアクチュエータにおいて、１つの駆動単
位で大きなストロークがとれ、単位長さ当たりのストロ
ークを大きくできる。これにより、ストロークを従来と
同一にした場合には、大きな力を発生できる。

【０１２０】比誘電率の高い液体として一部のアルコー
ル系の液体があるが、これらは引火性が高く、高電圧を
印加するには火災や爆発の危険がある。又、極めて高い
比誘電率を持つ液体として知られる水も、抵抗が比較的
小さく絶縁性に問題がある上に、電気分解を避けるため
に交流駆動する必要があり、エネルギー損失が大きくな
りやすかった。

【０１２１】ところが、液晶は、絶縁性が高く、電気分
解の虞もないことから、かかる問題を一気に解決でき
る。以上の効果を総合すれば、液晶を用いることで静電
アクチュエータの実効出力を大幅に大きくすることがで
き、出力／容積比や出力／重量比を高めることができ
る。

【０１２２】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、実
効出力を大幅に大きくできる静電アクチュエータを提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる静電アクチュエータの原理を説
明するための図。

【図２】同静電アクチュエータの原理を説明するための
図。

【図３】各電極間の吸引力を説明するための図。

【図４】同各電極間の吸引力を説明するための図。

【図５】可動子の無い各電極間の吸引力を説明するため
の図。

【図６】同可動子の無い各電極間の吸引力を説明するた
めの図。

【図７】本発明に係わる静電アクチュエータの第１の実
施例を示す構成図。

【図８】同静電アクチュエータの第１の実施例を示す構
成図。

【図９】液晶の比誘電率に対する推力の変化を示す図。

【図１０】液晶の比誘電率に対する推力の増加率を示す
図。

【図１１】本発明に係わる静電アクチュエータの第２の
実施例を示す構成図。

【図１２】同静電アクチュエータの第２の実施例を示す
構成図。

【図１３】本発明に係わる静電アクチュエータの第３の
実施例を示す構成図。

【図１４】本発明に係わる静電アクチュエータの第４の
実施例を示す構成図。

【図１５】本発明に係わる静電アクチュエータの第５の
実施例を示す構成図。

【図１６】同静電アクチュエータの変位状態を示す図。

【図１７】本発明に係わる静電アクチュエータの第６の
実施例を示す構成図。

【図１８】本発明に係わる静電アクチュエータの第７の
実施例を示す構成図。

【符号の説明】

１０，１１，２０，２１…電極、 １７，４４，７６……可動子、 １８…液晶、 １９ａ，１９ｂ…保護用の液晶、 ２５，２６，３０，３７，６０，７０，７１…電極支持
体、 ２７，２８…スペーサ、 ３１〜３６，７２…第１の電極群、 ３８〜４３，７３…第２の電極群、 ４５，６３，７５…通電装置、 ５０，５１…コイル状電極、 ５２，５３…絶縁膜、 ６１…電極群、 ６２，７４…スイッチ群、 ６５…膜状電極。

フロントページの続き (72)発明者 村山 知寛 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 斉藤 伸一 千葉県市原市中288番地31

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２つの電極間に静電力を発生
   させる静電アクチュエータにおいて、 少なくとも前記各電極間に高い比誘電率を有する液晶を
   充填することを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 少なくとも２つの電極間に可動子を配置
   し、これら電極間に発生する静電力により前記可動子に
   対して推力を働かせる静電アクチュエータにおいて、 少なくとも前記各電極間に高い比誘電率を有する液晶を
   充填することを特徴とする静電アクチュエータ。
3. 【請求項３】 液晶は、可動子に働く推力を所定値とす
   るように各電極と可動子とのギャップに応じた比誘電率
   を持つことを特徴とする請求項２記載の静電アクチュエ
   ータ。
4. 【請求項４】 対向する各電極面にそれぞれ高分子化さ
   れた液晶から成る保護膜を形成したことを特徴とする請
   求項２記載の静電アクチュエータ。
5. 【請求項５】 保護膜を形成する液晶は、各電極間に充
   填する液晶の比誘電率よりも高い比誘電率を有すること
   を特徴とする請求項４記載の静電アクチュエータ。
6. 【請求項６】 少なくとも２つの電極間の吸引力により
   これら電極間のギャップを変位させる静電アクチュエー
   タにおいて、 少なくとも前記各電極間に高い比誘電率を有する液晶を
   充填することを特徴とする静電アクチュエータ。
7. 【請求項７】 対向配置された２つの電極うち少なくと
   も一方の電極を電極群とした静電アクチュエータにおい
   て、 少なくとも前記電極と前記電極群との間に高い比誘電率
   を有する液晶を充填することを特徴とする静電アクチュ
   エータ。
8. 【請求項８】 他方の電極は、弾性を有する膜状電極で
   あることを特徴とする請求項７記載の静電アクチュエー
   タ。
9. 【請求項９】 対向配置された各電極間に比誘電率の高
   い液晶を充填してこれら電極間に吸引力を発生させる単
   位アクチュエータを複数形成し、これら単位アクチュエ
   ータを変位方向に積層して成ることを特徴とする静電ア
   クチュエータ。
10. 【請求項１０】 固定された第１の電極群と、 弾性を有する電極支持体と、 この電極支持体に対して前記第１の電極群と対応する位
    置に配置された第２の電極群と、 少なくともこれら第１と第２の電極群の間に充填された
    比誘電率の高い液晶と、 前記電極支持体に載置された可動子と、 前記第１と第２の電極群に対して選択的に通電を行う通
    電手段と、を具備したことを特徴とする静電アクチュエ
    ータ。
11. 【請求項１１】 絶縁膜を介して互いに接着された一対
    のコイル状電極と、 このコイル状電極のコイルピッチ間を満たす比誘電率の
    高い液晶と、 前記コイル状電極に通電を行う通電手段と、を具備した
    ことを特徴とする静電アクチュエータ。
12. 【請求項１２】 複数の電極を配列した電極群と、 この電極群に対して絶縁膜を介して配置された弾性を有
    する膜状電極と、 少なくとも前記電極群と前記膜状電極との間に充填され
    た比誘電率の高い液晶と、 前記膜状電極と前記電極群の各電極との間を選択的に通
    電する通電手段と、を具備したことを特徴とする静電ア
    クチュエータ。
13. 【請求項１３】 複数の電極を配列した第１の電極群
    と、 この第１の電極群に対して対向配置された複数の電極か
    ら成る第２の電極群と、 これら第１と第２の電極群との間に配置され、電界が加
    わることにより変形する高分子材料から成る可動子と、 これら第１と第２の電極群との間に充填された比誘電率
    の高い液晶と、を具備したことを特徴とする静電アクチ
    ュエータ。
14. 【請求項１４】 液状又はゲル状の液晶であることを特
    徴とする請求項１、２、６、７、９乃至１３項のうちい
    ずれか１項記載の静電アクチュエータ。
15. 【請求項１５】 液晶は、ネマチック相、又はコレステ
    リック相であることを特徴とする請求項１、２、６、
    ７、９乃至１３項のうちいずれか１項記載の静電アクチ
    ュエータ。