JPH09121562A

JPH09121562A - 静電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH09121562A
Application number: JP30053995A
Authority: JP
Inventors: Shinji Konno; 信次今野; Hisashi Fukuyama; 尚志福山
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1995-10-25
Filing date: 1995-10-25
Publication date: 1997-05-06

Abstract

(57)【要約】【課題】円滑に駆動し得る様に改良された静電アクチュ
エータを提供する。【解決手段】絶縁性支持体（１）上に相互に絶縁されて
所定方向に且つ所定の間隔で配置された複数の駆動電極
（２）を備えた第１の部材（３）と絶縁性薄葉体（４）
に正負の電荷を付与した第２の部材（６）とが接する様
に配置されており、上記の駆動電極への印加電圧の切り
替えにより生じる第１の部材と第２の部材との間の静電
気の作用による吸引・反発力によって上記の両者を相対
移動させるための駆動手段を具備して成る静電アクチュ
エータにおいて、第１の部材と第２の部材との何れかの
対向面に絶縁性バインダー（１０）によって固着された
導電性ビーズ（１１）の分散層を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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、円滑に駆動し得る様
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、絶縁性支持体上
に相互に絶縁されて所定方向に且つ所定の間隔で配置さ
れた複数の駆動電極を備えた第１の部材と絶縁性薄葉体
に正負の電荷を付与した第２の部材とが接する様に配置
されており、上記の駆動電極への印加電圧の切り替えに
より生じる第１の部材と第２の部材との間の静電気の作
用による吸引・反発力によって上記の両者を相対移動さ
せるための駆動手段を具備して構成される（特開平２−
２８５９７８号公報など参照）。

【０００３】上記の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、力密度を大きく出
来、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様な小型駆動装置、
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２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の理解を容
易にするために添付された静電アクチュエータの駆動原
理の説明図であり、具体的には、絶縁性フイルムにて第
１の部材（移動子）を構成した静電アクチュエータ（静
電フイルムアクチュエータ）の駆動原理の説明図であ
る。図中、符号（１）は絶縁性支持体、（２）は帯状電
極、（３）は第２の部材（固定子）、（４）は絶縁性フ
イルム、（５）は抵抗体層、（６）は移動子、（７）〜
（９）は電線を示す。

【０００５】先ず、図２（ａ）に示す様に、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）の絶縁性フイルム
（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２（ｂ）の
点線で示した鏡像電荷で置き換えることが出来る。そし
て、この電荷、の極性は、それぞれ電荷、の極
性と異なるため、図２（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２（ｃ）に示す様に、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）により、右方向の駆動力が発生する。

【０００７】図２（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２（ｃ）に示すパターン）は、図２（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２（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
とを繰り返す次の様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２（ａ）に示す状態、最初の（Ａ）は図２
（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
チ毎に安定に連続駆動させるには、移動子（６）（抵抗
体層（５））の表面固有抵抗率は、１０¹²〜１０¹⁵Ω／
□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２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イルムの抵抗値が大き過ぎるた
め、上記の様な抵抗体層を当該絶縁性フイルムに設けて
僅かな導電性を付与する必要がある。なお、図２に示し
た公知の静電アクチュエータにおいて、絶縁性フイルム
（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、移動子と固定子の間の接触表面には、常温、
常湿状態で少なくともｎｍオーダーの厚さで水分が吸着
されており、そして、固定子と移動子の間に橋かけ構造
を形成した上記の吸着水の表面張力により、移動子が円
滑に移動しなくなるという問題がある。

【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、固定子と移動子との接触
表面を特定状態にするならば、上記の問題を効果的に解
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、その目的は、円滑に駆動し得る様
に改良された静電アクチュエータを提供することにあ
る。

【００１３】すなわち、本発明の要旨は、絶縁性支持体
上に相互に絶縁されて所定方向に且つ所定の間隔で配置
された複数の駆動電極を備えた第１の部材と絶縁性薄葉
体に正負の電荷を付与した第２の部材とが接する様に配
置されており、上記の駆動電極への印加電圧の切り替え
により生じる第１の部材と第２の部材との間の静電気の
作用による吸引・反発力によって上記の両者を相対移動
させるための駆動手段を具備して成る静電アクチュエー
タにおいて、第１の部材と第２の部材との何れかの対向
面に絶縁性バインダーによって固着された導電性ビーズ
の分散層を設けたことを特徴とする静電アクチュエータ
に存する。

【００１４】以下、添付図面に従って本発明を詳細に説
明する。図１は、本発明の静電アクチュエータにおける
第１の部材（固定子）（３）と第２の部材（移動子）
（６）の一例の模式的説明図である。本発明の静電アク
チュエータの基本的構成は、図２において、移動子
（６）の構成材料が絶縁性フイルムに限定されず、ま
た、移動子の構成がこれに抵抗体層を設けたものに限定
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２中の（４）を絶縁性薄葉体として図２を参照
する。本発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）に正負の電荷を付与した移
動子（６）から成る。

【００１５】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
料より成るフイ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出
来る。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などが挙げられる。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。

【００１６】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、駆動電圧などの駆動性能を向上
させるためには帯状電極間隔の微細化が望ましい。ま
た、図１に示す固定子（３）の場合、絶縁性を向上させ
るため、帯状電極（２）の表面に絶縁層（１３）を設け
ている。

【００１７】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
とも出来る。そして、絶縁性薄葉体（４）を絶縁性フイ
ルムで構成する場合、特に好ましいフイルムは、密度、
曲げ弾性率、耐皺性などの点からポリエチレンテレフタ
レートフイルム、ポリエチレン−２．６−ナフタレート
フイルムの様なポリエステルフイルムである。

【００１８】絶縁性薄葉体（４）に正負の電荷を付与す
る方法は、図２に示した公知の静電フイルムアクチュエ
ータと同様に、絶縁性薄葉体（４）に抵抗体層（５）を
設ける方法が挙げられる。具体的には、例えば、絶縁性
薄葉体（４）の表面に帯電防止効果の弱い帯電防止剤を
塗布する方法などを使用し得る。この場合、抵抗体層
（５）の表面固有抵抗率は、通常１０¹²〜１０¹⁵Ω／□
の範囲、好ましくは１０¹⁴Ω／□前後にすることが必要
である。そして、抵抗体層（５）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
であってもよいが、後者の面上が好ましい。

【００１９】また、絶縁性薄葉体（４）に正負の電荷を
付与する方法は、上記の方法に限られず、当業者にとっ
て自明の各種の他の方法を採用し得る。例えば、絶縁性
薄葉体（４）を絶縁性フイルムで構成する場合には、カ
ーボンブラック等の導電性物質を練り込んで絶縁性薄葉
体（４）自体を上記と同様の抵抗率を有する抵抗体とす
る方法、絶縁性薄葉体（４）に帯状電極を設ける方法、
イオン発生装置を利用する方法、絶縁性薄葉体（４）に
エレクトレット材料を利用する方法などが挙げられる。

【００２０】絶縁性薄葉体（４）に帯状電極を設ける方
法は、特に図示しないが、図２において、電線（７）及
び（８）に対応する２相構造の帯状電極を固定子の帯状
電極（２）と対応させて設け、これらの電線に常時正負
の電圧を印加する方法であって、各帯状電極に存する正
負の電荷を鏡像電荷及びの代わりに利用する方法で
ある。また、イオン発生装置を利用する方法は、固定子
（３）に接して絶縁性薄葉体（４）を配置し、電線
（７）、電線（８）に正負の電圧を印加して電荷を誘導
した後、除電器として知られているイオン発生装置（針
電極に交流電圧を印加してコロナ放電を起こさせ生じた
正負のイオン風を送風機にて帯電物体に当てる様になさ
れた装置）からのイオン風を絶縁性薄葉体（４）の表面
に当てる方法であって、絶縁性薄葉体（４）の表面に形
成されたイオン化空気層を鏡像電荷及びの代わりに
利用する方法である。そして、イオン発生装置として
は、「静電気ハンドブック」（静電気学会偏、オーム社
出版、第１版８１９頁以降）に記載の各種の除電器を使
用することが出来る。

【００２１】絶縁性薄葉体（４）の厚さは、当該絶縁性
薄葉体に電荷を付与する方法によって静電アクチュエー
タの発生力が異なるために一概には決定できないが、通
常は１０μｍ以上とされる。そして、電荷を付与する方
法として絶縁性薄葉体（４）に抵抗体層（５）を設ける
方法を採用した場合には、１０〜２００μｍの範囲とす
るのが好ましい。また、電荷の付与が何れの方法で行わ
れる場合においても、絶縁性薄葉体（４）の厚さは、絶
縁性支持体（１）に並べた帯状電極（２）の間隔をＰと
し、帯状電極（２）の表面と絶縁性薄葉体（４）と抵抗
体層（５）（絶縁性薄葉体（４）に帯状電極を設けた場
合は当該帯状電極、イオン化空気層を形成した場合はそ
れ自体）との境界面との距離をＧとした場合、０．１５
＜Ｇ／Ｐ＜０．４の関係を満足する範囲とするのが好ま
しい。

【００２２】本発明の特徴は、第１の部材（固定子）
（３）と第２の部材（移動子）（６）との何れかの対向
面に絶縁性バインダーによって固着された導電性ビーズ
の分散層を設けた点にある。図１に示した例において
は、移動子（６）と接触する側の固定子（３）の表面に
絶縁性バインダー（１０）によって固着された導電性ビ
ーズ（１１）の分散層を設けている。

【００２３】絶縁性バインダー（１０）としては、例え
ば、ニトロセルロース、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合
体、塩化ビニル−酢酸ビニル−ビニルアルコール共重合
体、塩化ビニル−プロピオン酸ビニル共重合体、塩化ビ
ニリデン−塩化ビニル共重合体、塩化ビニリデン−アク
リロニトリル共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン
共重合体、アセタール樹脂、ブチラール樹脂、ホルマー
ル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリア
ミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂などが挙げら
れる。

【００２４】導電性ビーズ（１１）としては、各種金属
または炭素材料から成り、通常２〜５０μｍ、好ましく
は１０〜２０μｍのビーズが使用される。炭素材料から
成る導電性ビーズとしては、例えば、球状に形成された
合成樹脂を炭化して得られる十分な高度を有するビーズ
が挙げられる。導電性ビーズ（１１）の形状は、球状で
あることが好ましいが、必ずしも、完全な球状に限定さ
れない。

【００２５】導電性ビーズ（１１）の分散層は、例え
ば、次の様にして形成することが出来る。先ず、移動子
（６）と接触する側の固定子（３）表面に絶縁性バイン
ダー溶液を塗布し、次いで、当該塗布層の表面に導電性
ビーズを適宜の手段で散布した後に塗布層を乾燥する。
勿論、絶縁性バインダー溶液に導電性ビーズを分散させ
て塗布してもよい。斯かる方法は、導電性ビーズの全表
面が絶縁性バインダーによって完全被覆されない様にす
るため、絶縁性バインダー溶液に対する導電性ビーズの
濡れ性は小さいが分散性は良好である場合に利用され
る。そして、上記の何れの方法による場合も、導電性ビ
ーズ（１１）を実質的に分散させて相互に接触させない
様にすることが肝要である。

【００２６】上記の溶液を調製するために使用する溶媒
としては、例えば、アルコール類、ケトン類、芳香族化
合物、塩素系溶媒などが適宜使用される。絶縁性バイン
ダー溶液または導電性ビーズを分散した絶縁性バインダ
ー溶液の塗布には、ディップ法、スピンコート法、スプ
レー法、グラビア法、ナイフコート法、ロールコート法
などを採用することが出来る。塗布層の厚さは、固定子
（３）表面に導電性ビーズ（１１）を固着し得る範囲で
且つ導電性ビーズ（１１）を埋没させない範囲から適宜
選択される。

【００２７】導電性ビーズ（１１）の分散層は、必ずし
も、固定子（３）表面の全体に渡って形成する必要はな
い。また、導電性ビーズ（１１）の間隔は特に限定され
るものではない。

【００２８】本発明においては、第１の部材（固定子）
（３）と第２の部材（移動子）（６）との何れかの対向
面に潤滑剤層を設けるのが好ましい。図１に示した例に
おいては、移動子（６）の表面に潤滑剤層（１２）を設
けている。そして、潤滑剤としては、常温で固体状態ま
たは液体状態の何れの潤滑剤であってもよい。

【００２９】固体潤滑剤としては、例えば、ステアリン
酸ナトリウム、ステアリン酸マグネシウム、パルミチン
酸マグネシウムの様な脂肪酸金属塩、ステアリン酸エチ
ル、パルミチン酸メチル等の脂肪酸エステル、ステアリ
ン酸トリグリセライド、パルミチン酸トリグリセライド
等の油脂、ステアリルアルコール、ヘキサデカノール等
の高級アルコール、コレステロール、シトステロール等
のステロイド化合物などが使用され、その他、テフロ
ン、二硫化モリブデン、グラファイト等も使用可能であ
る。

【００３０】また、液体潤滑剤としては、通常のマシン
油やエンジンオイル等の炭化水素鉱油系潤滑油の他に、
ジメチルポリシロキサン等のシリコンオイル、パーフル
オロポリエーテル等のフッ化オイル、リン酸エステル等
を使用することが出来る。

【００３１】上記の潤滑剤は、必要に応じて溶媒に溶解
または分散させて使用されるが、溶媒としては、前述の
溶媒を使用することが出来る。また、潤滑剤溶液の塗布
には、前述の方法を採用することが出来る。そして、潤
滑剤層の膜厚は、通常１〜４０ｎｍの範囲、好ましくは
２〜１０ｎｍの範囲とされる。

【００３２】本発明の静電アクチュエータは、上記の様
にして構成された第１の部材（固定子）（３）と第２の
部材（移動子）（６）からなり、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。図１に示し
た例においては、第２の部材移動子（６）が移動する。
そして、上記の例においては、第１の部材（固定子）
（３）の表面が導電性ビーズ（１１）の分散層により粗
面化されているため第２の部材（移動子）（６）が極め
て円滑に移動する。しかも、ビーズ（１１）の導電性に
より、駆動時の静電気による気中放電の恐れが確実に防
止されるために安全性に優れ、更に、駆動時の摩擦によ
る帯電も確実に防止されるため、設計された仕様に従っ
て高精度に駆動制御することが出来る等の利点を有す
る。

【００３３】

【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。

【００３４】実施例１先ず、ポリエチレンテレフタレートフイルム（ダイアホ
イル社製「Ｓタイプ」厚さ２５μｍ）の片方の面に帯電
防止効果の弱い帯電防止剤をスプレー塗布することによ
り抵抗体層を形成して移動子を作製した（抵抗体層の表
面抵抗率１×１０¹⁴Ω／□）。上記の移動子の抵抗体層
を形成しなかった面にパーフルオロポリエーテル（モン
テフロス社性の液体潤滑剤：商品名ＡＭ２００１）を３
ｎｍの厚さに塗布した。パーフルオロポリエーテルの塗
布は、溶媒としてフロン１１３を使用し、ディップ法に
よって行った。

【００３５】次に、厚さ１２５μｍのポリエチレンテレ
フタレートフイルムの表面に、幅０．２ｍｍ、ピッチ
０．４ｍｍの帯状電極を形成し、当該帯状電極の表面に
厚さ６０μｍのポリエステル樹脂製絶縁層を設け、当該
絶縁層の表面に導電性ビーズ（粒径２０μｍの炭素ビー
ズ）を分散させたポリエステル樹脂溶液を乾燥後の厚さ
が１２μｍとなる様にスピンコト法によって塗布した後
に乾燥して固定子を作成した。塗布液の調製には、溶媒
としてメチルエチルケトンを使用し、ポリエステル樹脂
に対する導電性ビーズの割合は０．０６重量比、ポリエ
ステル樹脂に対する溶媒の割合は４重量比とした。

【００３６】上記の固定子と移動子とを接する様に配置
して静電アクチュエータを構成した。このアクチュエー
タのＧ／Ｐ＝０．２６である（Ｐは帯状電極の間隔、Ｇ
は帯状電極表面と絶縁性フイルムと抵抗体層との境界面
との距離を表す）。

【００３７】上記の静電アクチュエータを図２（ａ）〜
図２（ｄ）に示す要領に従って、以下の表２に示す駆動
条件で駆動したところ、移動子は１０時間以上連続的か
つ円滑に移動した。なお、駆動試験は、２０ｃｍ間の往
復運動によって行い、また、雰囲気条件は、２３℃，６
０％ＲＨである。

【００３８】

【表２】＜駆動条件＞初期充電時間：１０ｓ充電時間：３．６ｍｓ移動時間：０．４ｍｓ駆動周波数：２５０Ｈｚ駆動電圧：±５００ｖ

【００３９】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、円滑に駆
動し得る様に改良された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
寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の静電アクチュエータにおける第１の部
材（固定子）と第２の部材（移動子）の一例の模式的説
明図である。

【図２】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）：第１の部材（固定子）（４）：絶縁性フイルム又は絶縁性薄葉体（５）：抵抗体層（６）：第１の部材（移動子）（７）〜（９）：電線（10）：絶縁性バインダー（11）：導電性ビーズ（12）：潤滑剤層（13）：絶縁層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性支持体上に相互に絶縁されて所定
方向に且つ所定の間隔で配置された複数の駆動電極を備
えた第１の部材と絶縁性薄葉体に正負の電荷を付与した
第２の部材とが接する様に配置されており、上記の駆動
電極への印加電圧の切り替えにより生じる第１の部材と
第２の部材との間の静電気の作用による吸引・反発力に
よって上記の両者を相対移動させるための駆動手段を具
備して成る静電アクチュエータにおいて、第１の部材と
第２の部材との何れかの対向面に絶縁性バインダーによ
って固着された導電性ビーズの分散層を設けたことを特
徴とする静電アクチュエータ。