(57)【要約】【課題】クーロン力以外の力を利用することにより、従来に無い大きな駆動力を実現する流体アクチュエータを提供する。【解決手段】本発明の流体アクチュエータ１０は、電極間の電界によって荷電流体１１を帯電させかつ動かす流体アクチュエータにおいて、荷電流体１１を挟んで対向する前記電極としての第一の電極２１及び第二の電極２２を備えている。第一の電極２１及び第二の電極２２は、第一の電極２１と第二の電極２２との間の荷電流体１１に加えた電界の二乗に比例する力を荷電流体１１に与える。第二の電極２２は、第一の電極２１に対して互いに異なる電圧が印加される複数の電極２２１，２２２からなる。【選択図】図１
2010090787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極間の電界によって荷電流体を帯電させかつ動かす流体アクチュエータにおいて、
前記荷電流体を挟んで対向する前記電極としての第一の電極及び第二の電極を備え、
前記第一の電極及び前記第二の電極は、当該第一の電極と当該第二の電極との間の前記荷電流体に加えた電界の二乗に比例する力を前記荷電流体に与える、
ことを特徴とする流体アクチュエータ。
【請求項２】
前記第一の電極を一つ備えるとともに前記第二の電極を複数備え、複数の前記第二の電極が前記荷電流体の流れに沿って一つずつ配設され、複数の前記第二の電極の全てに対向するように一つの前記第一の電極が設けられた、
ことを特徴とする請求項１記載の流体アクチュエータ。
【請求項３】
前記第二の電極は、前記第一の電極に対して互いに異なる電圧が印加される複数の電極からなる、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の流体アクチュエータ。
【請求項４】
前記第二の電極は二つの電極からなり、これらの二つの電極は前記第一の電極に対して互いに異なる電圧が印加される、
ことを特徴とする請求項３記載の流体アクチュエータ。
【請求項５】
前記第二の電極は、前記二つの電極の間に、電圧が印加されない一つ以上の電極を有する、
ことを特徴とする請求項４記載の流体アクチュエータ。
【請求項６】
前記第二の電極は、前記二つの電極を繋ぐように設けられた抵抗膜を有する、
ことを特徴とする請求項４記載の流体アクチュエータ。
【請求項７】
前記第二の電極は、絶縁膜で覆われた領域と露出した領域とを有する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の流体アクチュエータ。
【請求項８】
前記第二の電極は前記第一の電極に対して非平行であり、
前記第二の電極のうち、前記第一の電極に遠い方が前記絶縁膜で覆われた領域であり、前記第一の電極に近い方が前記露出した領域である、
ことを特徴とする請求項７記載の流体アクチュエータ。
【請求項９】
前記露出した領域は、前記第一の電極に近いほど面積が減少する、
ことを特徴とする請求項８記載の流体アクチュエータ。
【請求項１０】
前記第二の電極は、前記第一の電極に対して非平行である、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の流体アクチュエータ。
【請求項１１】
前記第一の電極を複数備えるとともに前記第二の電極を複数備え、複数の前記第二の電極が前記荷電流体の流れに沿って一つずつ配設され、前記複数の第二の電極の一つ一つの間に位置するように複数の前記第一の電極が前記荷電流体の流れに沿って一つずつ配設され、
前記第一の電極は絶縁膜で覆われた領域と露出した領域とを有し、前記第二の電極は絶縁膜で覆われた領域と露出した領域とを有する、
ことを特徴とする請求項１記載の流体アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極間の電界によって荷電流体を帯電させかつ動かす流体アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電位をもつ電極に触れる、或いは他の物体に擦れると帯電する液体は、一部学会で電界共役液体（ＥＣＦ）と呼ばれている（特許文献１、特許文献２等）。本願では、この液体を荷電流体と定義する。この荷電流体を用いたポンプ或いはモータについての論文が多数発行されている。
【０００３】
また、特許文献３には、荷電流体中に浸漬した電極間の電界で発生するクーロン力による駆動力を前記荷電流体に付与する流体アクチュエータが開示されている。この種の流体アクチュエータは、荷電流体が帯電した後、電界により駆動力を発生し、その荷電流体が電極に到達して放電した後に駆動力を失う。このため、荷電流体のジェット流が形成される。この駆動力は、荷電流体の特性、電極の形状と種類、電極の配置、電極間の電圧などによって異なる。このジェット流のメカニズムをＥＨＤ（Electro-Hydraulic Dynamics）と言い、その駆動力を効率よく生成し、その駆動力を利用することが重要である。
【０００４】
【特許文献１】実用新案登録第３０４１９２８号公報
【特許文献２】特開平１１−２１５８６９号公報
【特許文献３】特開２００７−１９６３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した特許文献３などに開示された流体アクチュエータを分析すると、プラス電位とグランド電位を印加する対をなす電極間の間隔を狭く、前記対をなす電極の組の間隔を広く設定している。
【０００６】
したがって、従来の流体アクチュエータにおいては、間隔の狭い２つの電極にプラス電位とグランド電位を印加することにより、前記２つの電極間に電界を発生させ、その電界で発生するクーロン力を駆動力として、荷電液体に付与している。荷電液体は、前記クーロン力による駆動力を受けてジェット流として流れる。
【０００７】
しかしながら、このようにクーロン力のみを利用する技術では、十分な駆動力を得るのに限界があった。このことは、この種の流体アクチュエータを実用化するに際しての大きな課題となっていた。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、クーロン力以外の力を利用することにより、従来に無い大きな駆動力を実現する流体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】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明に係る流体アクチュエータは、電極間の電界によって荷電流体を帯電させかつ動かす流体アクチュエータにおいて、前記荷電流体を挟んで対向する前記電極としての第一の電極及び第二の電極を備え、前記第一の電極と前記第二の電極は、当該第一の電極と当該第二の電極との間の前記荷電流体に加えた電界の二乗に比例する力を前記荷電流体に与える、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第一の電極と第二の電極との間の荷電流体に加えた電界の二乗に比例する力を荷電流体に与えることにより、電界に比例するクーロン力よりも大きな駆動力が得られる。したがって、クーロン力以外の力を利用することにより、従来に無い大きな駆動力を実現する流体アクチュエータを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
電位をもつ電極に触れる、或いは他の物体と擦れると、プラス（＋）或いはマイナス（−）に帯電する特性を備えた荷電流体として、（１）２−エチルヘキシルベンジルフタレート（商品名；プライサイザーＢ−８），（２）９，１０−エポキシブルステアレート（商品名；サンソサイザーＥ−４０３０），（３）テロラヒドフタル酸ジオクチルエステル（商品名；サンソサイザーＤＯＴＰ），（４）プロピレングリコールメチルエーテルアセテート（ＰＭＡ），（５）メチルアセチルリシレート（ＭＡＲ−Ｎ），（６）２−エチルヘキシルパルミテート（商品名；エキセパールＥＨ−Ｐ），（７）ブチルステアレート（商品名；エキセパールＢＳ），デカン二酸ジブチルなどが存在する。
【００１３】
また、荷電流体としては、そのもの自体が帯電するものに限られるものではなく、溶媒に含まれる溶質が帯電するものであってもよい。また荷電流体としては、プラス（＋）又はマイナス（−）のいずれかに単極帯電するもの、双極帯電する或いはイオン化するもののいずれであってもよい。双極帯電する荷電液体としては、電位をもつ電極に触れて、プラス及びマイナスに荷電し、プラスとマイナスの大きさの差に応じて、プラス又はマイナスのいずれかに単極荷電したと同様な効果を発揮するものであればよい。また、イオン化する荷電液体としては、電位をもつ電極に触れて、イオン化してプラス及びマイナスに荷電し、プラスとマイナスの大きさの差に応じて、プラス又はマイナスのいずれかに単極荷電したと同様な効果を発揮するものであればよい。また、荷電液体としては、それ自身が帯電特性を備えたものばかりでなく、その溶媒に含まれる溶質が帯電特性を備えているものでもよい。また、荷電流体が液体の場合についてのみ説明したが、帯電する気体であってもよい。要は、荷電流体は、電位をもつ電極に触れ、或いは他の物体と擦れて、帯電する特性をもつ流体（液体及び気体を含む）であれば、いずれのものであってもよい。以下の説明では、荷電流体の一種である荷電液体を例にとって本発明の実施形態を説明する。
【００１４】
図１［１］は、本発明に係る流体アクチュエータの第一実施形態を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００１５】
本実施形態の流体アクチュエータ１０は、電極間の電界によって荷電流体１１を帯電させかつ動かすものにおいて、荷電流体１１を挟んで対向する前記電極としての第一の電極２１及び第二の電極２２を備えている。第一の電極２１及び第二の電極２２は、第一の電極２１と第二の電極２２との間の荷電流体１１に加えた電界の二乗に比例する力を荷電流体１１に与える。第二の電極２２は、第一の電極２１に対して互いに異なる電圧が印加される複数の電極２２１，２２２からなる。本実施形態における第二の電極２２は、二つの電極２２１，２２２からなる。二つの電極２２１，２２２は、荷電流体１１の流れ１１１に沿って配設され、かつ互いに異なる電圧Ｖｐ，Ｖｑが印加される。換言すると、第一の電極２１及び第二の電極２２は、第一の電極２１と第二の電極２２との間の荷電流体１１に、荷電流体１１の流れ１１１に沿って電界強度（又は誘電率）の異なる領域（又は勾配）を形成する。
【００１６】
電極２１は絶縁基板１２上に形成され、電極２２１，２２２は絶縁基板１３上に形成されている。絶縁基板１２，１３は、例えば平板状であり、少なくとも電極２１，２２１，２２２が形成される面に絶縁性を有すればよい。絶縁基板１２，１３は互いに平行であり、絶縁基板１２，１３が形成する空隙に荷電流体１１が満たされている。電極２１，２２１，２２２は、例えば導電性を有する金属膜などからなる。
【００１７】
荷電流体１１は、正又は負の電圧で帯電するものとする。電極２１に電圧Ｖｇ、電極２２１に電圧Ｖｐ、電極２２２に電圧Ｖｑがそれぞれ印加される。Ｖｇ＝０かつＶｇ＜Ｖｐ＜Ｖｑである。そのため、電極２２１上の荷電流体１１は弱電界になり、電極２２２上の荷電流体１１は強電界になる。したがって、荷電流体１１に対する帯電の度合いは、電極２２１上の位置では低く（帯電されにくく）なり、電極２２２上の位置では高く（帯電されやすく）なる。すなわち、荷電流体１１に対する帯電の度合いが、第二の電極２２上の位置に応じて異なることになる。
【００１８】
次に、流体アクチュエータ１０の動作について説明する。荷電流体１１に高電圧を印加すると、その荷電流体１１中に発生する電界と流れの相互作用によって、前述のＥＨＤと呼ばれるポンピング力が発生する。電界によって発生する体積力（以下、本明細書では「駆動力」という。）ｆは、次式で表わされる。
【００１９】
ｆ＝ρeＥ−（１／２）Ｅ2∇ε＋（１／２）∇［Ｅ2（∂ε／∂ρ）Tρ］  ・・・<1>
ここで、ρeは電荷密度、Ｅは電界、εは誘電率、ρは荷電流体の密度を表す。ｆ，Ｅ，∇はベクトル量、他はスカラ量である。
【００２０】
式<1>の右辺において、第１項はクーロン力を示し、第２項及び第３項は分極した荷電分子に起因する力を示す。なお、第３項は、荷電流体１１が圧縮された場合に発生する電気歪に起因する力を示し、一般的な荷電流体すなわち非圧縮性流体の場合には無視することができる。従来の流体アクチュエータ（特許文献３など）では、式<1>の右辺第１項で示されるクーロン力を利用していた。
【００２１】
本実施形態では、荷電流体１１を挟んで対向する第一の電極２１と第二の電極２２とを備え、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）を第二の電極２２上の位置に応じて異ならせている。このとき、電界によって発生する駆動力ｆは、式<1>の右辺第２項の力が大きく作用することが明らかとなった（後述する実施例参照）。これは、荷電流体１１の電界（又は帯電の度合い）が第二の電極２２上の位置に応じて異なることにより、第一の電極２１と第二の電極２２との間の荷電流体１１に誘電率の不均一性が生じるためと考えられる。一般に、荷電流体１１の誘電率は、荷電流体１１に加える電界を強くしていくと、あるところまではほぼ一定であるが、分極が飽和するにつれて減少し始める。また、荷電流体１１は、電界に応じて誘電率が変化するものであればどのようなものでもよく、例えば電界が強くなるにつれて誘電率が増加するものでもよい。式<1>の右辺第１項のクーロン力が電界に比例するのに対して、式<1>の右辺第２項の力は電界の二乗に比例するのでより大きな駆動力が得られる。
【００２２】
なお、荷電流体１１に対する第二の電極２２の表面の電界強度を第二の電極２２の表面の位置によって異なるようにすると、換言すると第二の電極２２の表面の位置によって電子の授受が行われるようにすると、帯電の度合いが第二の電極２２上の位置に応じて異なることになる。
【００２３】
また、本実施形態では、電極２２１に電圧Ｖｐを与え、電極２２２に電圧Ｖｑ（＞Ｖｐ）を与えることにより、二段階の電界の強さの変化で＋帯電分子を電極２１の方へ向けて斜め上へ加速する。Ａ点からＢ点にかけて引き寄せた−帯電分子をＣ点でＢ点→Ｄ点の方向に加速し、Ｄ点からＢ点に向かう帯電分子をほとんど無くしている（Ｄ点からＢ点に向かう電界よりも、Ｄ点から電極２１へ向かう電界の方が強い。）。Ａ点の電界はＥ点の電界より弱いので、分子の荷電の度合いは少なく、かつ、Ａ点及びＣ点で荷電流体１１を逆向きに加速することを抑えている。ＡＢＣＤＥの各点を含む全領域では、ヘテロチャージ層（電極の極性と反対の電荷の層）ができており、電極２２から電極２１へ帯電分子を直接加速することを妨げる力が働いている。
【００２４】
換言すると、荷電流体１１の液体分子は、高電位の電極２２１，２２２に触れたら必ず帯電するのではなく、荷電流体１１の種類によって決まった電界以上になった電極２２１，２２２に触れると帯電する。よって、電圧Ｖｐ，Ｖｑの値を調整して、電極２２１のＡ，Ｂ点近傍では既に帯電している帯電分子を吸引かつ誘電作用で集積し、電界の強いＤ，Ｅ点近傍では荷電かつクーロン力で加速することにより、誘電率の大きな変化による加速力を出すことができる。
【００２５】
流体アクチュエータ１０の駆動力は、誘電率変化と電界の二乗との積で発生する力（式<1>右辺第２項）と、クーロン力（式<1>右辺第１項）と、の和である。クーロン力は、電界が集中し帯電が起きやすい電極２２２のエッジＥ点で最も強く働く。エッジＥ点で電界が強くなるように、電極２２２へ印加する電圧Ｖｑを適当に選ぶ。すると、電極２２２の表面Ｆ点ではエッジＥ点よりも電界が弱くなるので荷電流体１１の誘電率が大きくなり、エッジＥ点では電界が強くなるので荷電流体１１の誘電率が小さくなる。そのため、エッジＥ点で発生する力は、荷電流体１１の誘電率の右向き下り勾配と電界の二乗との積に比例するから、右向きに大きな値となる。更にエッジＥ点から上方へ離れるにつれて、荷電流体１１の誘電率が右向き上り勾配を持つが、荷電流体１１に加わる電界が小さくなるので、電界の二乗の積に比例する力は左向きではあるが急速に小さくなる。なお、エッジＤ点では、電極２２１に印加される電圧Ｖｐによって電界が緩和されているので、エッジＥ点のような現象は起きない。
【００２６】
更に、流体アクチュエータ１０は、第一の電極２１を一つ備えるとともに第二の電極２２を複数備え、複数の第二の電極２２が荷電流体１１の流れ１１１に沿って一つずつ配設され、複数の第二の電極２２の全てに対向するように一つの第一の電極２１が設けられた、としてもよい。この場合、一つの第一の電極２１に対して複数の第二の電極２２が対向し、かつ一つの第一の電極２１及び複数の第二の電極２２が荷電流体１１の流れ１１１に沿って配設される。そのため、第一の電極２１と第二の電極２２全体との間で発生する駆動力は、第二の電極２２が一つしかない場合に比べてその複数倍になる。換言すると、二本のストライプ状の電極２２１，２２２を適当に接近させてこれを一組とし、多数組を適当な間隔を置いて配置することにより、ＥＨＤポンプを構成してもよい。この二組のストライプ状の電極２２１，２２２を多数配列することで、低電圧で効率よくポンプ効果を出すことができる。
【００２７】
以上説明したように本実施形態によれば、荷電流体１１を挟んで対向する第一の電極２１と第二の電極２２とを備え、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）を第二の電極２２上の位置に応じて異ならせたことにより、第一の電極２１と第二の電極２２との間の荷電流体１１に誘電率の不均一性が生じるので、電界の二乗に比例する大きな駆動力が得られる。したがって、クーロン力に加えて又はクーロン力に代えて、クーロン力以外の力を利用することにより、従来に無い大きな駆動力を実現する流体アクチュエータ１０を提供できる。また、荷電流体１１の流路は、平行平板状の絶縁基板１２，１３で構成しているが、例えば円筒などの筒状、又は円盤状など、どのような形状の絶縁体で構成してもよい。
【００２８】
図１［２］は、本発明に係る流体アクチュエータの第二実施形態を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図１［２］において図１［１］と同じ部分には図１［１］と同じ符号を付す。
【００２９】
本実施形態の流体アクチュエータ３０における第二の電極３２は、絶縁膜３４で覆われた領域３２１と、第二の電極３２が露出した領域３２２とを有する。絶縁膜３４を電荷が通り抜けることは困難であるため、荷電流体１１に対する帯電の度合いは、絶縁膜３４で覆われた領域３２１では低く、露出した領域３２２では高い。すなわち、荷電流体１１に対する帯電の度合いが、第二の電極３２上の位置に応じて異なることになる。
【００３０】
また、電極３２の絶縁膜３４で覆われた領域３２１と電極２１との間は、絶縁膜３４からなるキャパシタと荷電流体１１からなるキャパシタとの直列接続となっている。そのため、領域３２１上の荷電流体１１は、電圧Ｖｐが分圧された値の電圧が印加される。一方、露出した領域３２２上の荷電流体１１は、電圧Ｖｐがそのまま印加される。したがって、荷電流体１１に対する電界強度が、第二の電極３２上の位置に応じて異なることになる。
【００３１】
また、領域３２２のＤ点及びＥ点では帯電分子の反発噴流が起こるため、荷電流体１１は電極２１方向の真上だけでなく右向きにも流れる。最終的に帯電分子は、電極２１に吸引され、その電荷が中和される。領域３２１のＡ点及びＢ点では、荷電流体１１が帯電しないから、噴流は起こらない。むしろＡ点、Ｂ点及びＣ点では、荷電流体１１の分子を誘電力及びクーロン力で吸引しかつＤ点へ供給することにより、荷電流体１１の逆流を阻止する。ＡＢＣＤＥの各点を含む全領域では、ヘテロチャージ層（電極の極性と反対の電荷の層）ができており、電極３２から電極２１へ帯電分子を直接加速することを妨げる力が働いている。しかし、Ｅ点では、エッジのため電界が強く、帯電分子が斜め上方に加速される。
【００３２】
更に、流体アクチュエータ３０は、第一の電極２１を一つ備えるとともに第二の電極３２を複数備え、複数の第二の電極３２が荷電流体１１の流れ１１１に沿って一つずつ配設され、複数の第二の電極３２の全てに対向するように一つの第一の電極２１が設けられた、としてもよい。このとき、電極３２は適当な間隔を置いて多数並列に配置し、流路幅をなるべく小さく取り、低電圧でより多くの流量を得るように流路幅及び印加電圧を設定する。
【００３３】
その他の構成、作用及び効果は第一実施形態と同様である。本実施形態によれば、荷電流体１１を挟んで対向する第一の電極２１と第二の電極３２とを備え、荷電流体１１に対する電界強度（又は帯電の度合い）を第二の電極３２上の位置に応じて異ならせたことにより、第一の電極２１と第二の電極３２との間の荷電流体１１に誘電率の不均一性が生じるので、電界の二乗に比例する大きな駆動力が得られる。したがって、クーロン力に加えて又はクーロン力に代えて、クーロン力以外の力を利用することにより、従来に無い大きな駆動力を実現する流体アクチュエータ３０を提供できる。また、本実施形態の流体アクチュエータ３０は、第一実施形態の流体アクチュエータに比べて、第二の電極３２を構成する電極が一つでよく、そのため第二の電極３２に印加する電圧も一つでよいので、構成を簡素化できる。
【００３４】
図２［１］は、本発明に係る流体アクチュエータの第三実施形態を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図２［１］において図１［１］と同じ部分には図１［１］と同じ符号を付す。
【００３５】
本実施形態の流体アクチュエータ４０における第二の電極４２は、二つの電極２２１，２２２の間に、電圧が印加されない一つ以上の電極２２３を有する。電極２２１，２２３の全部及び電極２２２の一部は絶縁膜４４に覆われ、電極２２２の残部は露出している。図２［１］では、九個の電極２２３が示されている。
【００３６】
各電極２２３は、電圧が印加されないため、電極２２１の電圧Ｖｐと電極２２２の電圧Ｖｑとの間の電位をとり得る。すなわち、各電極２２３の電圧をＶｒとすると、Ｖｐ＜Ｖｒ＜Ｖｑが成り立つ。そして、各電極２２３の電圧Ｖｒは、電極２２１に近いほどＶｐに近く、電極２２２に近いほどＶｑに近い。ただし、一つの電極２２３の全体は同電位であるので、二つの電極２２１，２２２の間の電位勾配は概ね階段状になる。このように、二つの電極２２１，２２２の間に電極２２３が有る場合は、特有の電位勾配が得られる。
【００３７】
換言すると、本実施形態は、電極２２１と電極２２２との間に、スダレ状かつ細いストライプ上の電極２２３を配置するものである。この形状は、リソグラフィ等の技術で作製可能であるから、例えば１μｍ幅の細線を１０〜２０本、１μｍ隔ててすだれ状に入れる。０＜Ｖｐ＜Ｖｑとすると、このすだれ状かつストライプ状の電極２２３は、電極２２１と電極２２２との間に、キャパシタを直列に並べて接続したものと等価になる。その結果、電極２２１と電極２２２との間に、小さな階段状に電位分布を作る。図示するように、電極２２２以外の電極２２１と電極２２３とを絶縁膜４４で覆ってしまっても良い。絶縁膜４４は絶縁体といえども完全非導電性ではない場合もあるから、階段状の電位分布がなめらかになる。
【００３８】
また、流体アクチュエータ４０は、第一の電極２１を一つ備えるとともに第二の電極４２を複数備え、複数の第二の電極４２が荷電流体１１の流れ１１１に沿って一つずつ配設され、複数の第二の電極４２の全てに対向するように一つの第一の電極２１が設けられた、としてもよい。
【００３９】
その他の構成、作用及び効果は第一実施形態と同様である。本実施形態によれば、荷電流体１１を挟んで対向する第一の電極２１と第二の電極４２とを備え、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）を第二の電極４２上の位置に応じて異ならせたことにより、第一の電極２１と第二の電極４２との間の荷電流体１１に誘電率の不均一性が生じるので、電界の二乗に比例する大きな駆動力が得られる。したがって、クーロン力に加えて又はクーロン力に代えて、クーロン力以外の力を利用することにより、従来に無い大きな駆動力を実現する流体アクチュエータ４０を提供できる。
ある。
【００４０】
図２［２］は、本発明に係る流体アクチュエータの第四実施形態を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図２［２］において図１［１］と同じ部分には図１［１］と同じ符号を付す。
【００４１】
本実施形態の流体アクチュエータ５０における第二の電極５２は、二つの電極２２１，２２２を繋ぐように設けられた抵抗膜５５を有する。電極２２１及び抵抗膜５５は全体が絶縁膜５４に覆われ、電極２２２は一部が絶縁膜５４に覆われている。
【００４２】
抵抗膜５５は、二つの電極２２１，２２２に接するため、電極２２１の電圧Ｖｐと電極２２２の電圧Ｖｑとの間の電圧をとり得る。すなわち、抵抗膜５５の電圧をＶｒとすると、Ｖｐ＜Ｖｒ＜Ｖｑが成り立つ。そして、抵抗膜５５の各部分の電圧Ｖｒは、電極２２１に近いほどＶｐに近く、電極２２２に近いほどＶｑに近い。そのため、二つの電極２２１，２２２の間の電圧Ｖｒの勾配は概ね直線状になる。このように、二つの電極２２１，２２２の間に抵抗膜５５が有る場合は、特有の電位分布が得られる。
【００４３】
換言すると、本実施形態では、電極２２１と電極２２２との間を高抵抗率の抵抗膜５５にすることにより、電極２２１，２２２間の電位に勾配を付ける。連続的な電位勾配を得ることで、第三実施形態と同様の効果が得られる。
【００４４】
また、流体アクチュエータ５０は、第一の電極２１を一つ備えるとともに第二の電極５２を複数備え、複数の第二の電極５２が荷電流体１１の流れ１１１に沿って一つずつ配設され、複数の第二の電極５２の全てに対向するように一つの第一の電極２１が設けられた、としてもよい。
【００４５】
その他の構成、作用及び効果は第一実施形態と同様である。本実施形態によれば、荷電流体１１を挟んで対向する第一の電極２１と第二の電極５２とを備え、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）を第二の電極５２上の位置に応じて異ならせたことにより、第一の電極２１と第二の電極５２との間の荷電流体１１に誘電率の不均一性が生じるので、電界の二乗に比例する大きな駆動力が得られる。したがって、クーロン力に加えて又はクーロン力に代えて、クーロン力以外の力を利用することにより、従来に無い大きな駆動力を実現する流体アクチュエータ５０を提供できる。
【００４６】
図３［１］は、本発明に係る流体アクチュエータの第五実施形態を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図３［１］において図１［１］と同じ部分には図１［１］と同じ符号を付す。
【００４７】
本実施形態の流体アクチュエータ６０は、一つの第一の電極２１と複数の第二の電極６２１，…とを備え、複数の第二の電極６２１，…が荷電流体１１の流れ１１１に沿って一つずつ配設され、複数の第二の電極６２１，…の全てに対向するように一つの第一の電極２１が設けられている。図３［１］では、六個の第二の電極６２１〜６２６が示されている。
【００４８】
第二の電極６２１，…は、第一の電極２１に対して非平行になっているため、第一の電極２１に遠い領域６２ａと、第一の電極２１に近い領域６２ｂとを有する。そのため、第一の電極２１に遠い領域６２ａ上の荷電流体１１は弱電界となり、第一の電極２１に近い領域６２ｂ上の荷電流体１１は強電界となる。したがって、荷電流体１１に対する帯電の度合いは、第一の電極２１に遠い領域６２ａでは低くなり、第一の電極２１に近い領域６２ｂでは高くなる。すなわち、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）が、第二の電極６２１，…上の位置に応じて異なることになる。また、第二の電極６２１，…は板状であるので、その裏面６２ｃで発生する駆動力も利用することができる。
【００４９】
また、ストライプ状の電極６２１，…を図示するように傾斜させると電界の傾きができ、電圧によっては電極６２１，…の右端のみで帯電が起きるように設定できる。つまり、電極６２１，…の右端で帯電分子の噴出が起こることにより、荷電流体１１は右向きに流れる。換言すると、電極６２１，…の両面に接している荷電分子は、ヘテロチャージ層を形成すると同時に電極６２１，…に接して帯電し、電極６２１，…のエッジからＧＮＤ電極に向かって噴流する。
【００５０】
その他の構成、作用及び効果は第一乃至第四実施形態と同様である。本実施形態によれば、荷電流体１１を挟んで対向する第一の電極２１と第二の電極６２１，…とを備え、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）を第二の電極６２１，…上の位置に応じて異ならせたことにより、第一の電極２１と第二の電極６２１，…との間の荷電流体１１に誘電率の不均一性が生じるので、電界の二乗に比例する大きな駆動力が得られる。したがって、クーロン力に加えて又はクーロン力に代えて、クーロン力以外の力を利用することにより、従来に無い大きな駆動力を実現する流体アクチュエータ６０を提供できる。
【００５１】
更に、図３［１］に示す絶縁基板１３及び第二の電極６２１，…を、図３［２］に示す絶縁基板１３’及び第二の電極６２１’，…のように形成してもよい。絶縁基板１３’は断面が鋸歯状であり、その鋸歯状の同じ向きの面に第二の電極６２１’，…が成膜されている。このような構造は、フォトリソグラフィ、スパッタリング（又は蒸着）、エッチング等の微細加工技術を用いて、容易に得られる。
【００５２】
換言すると、図３［２］に示す例では、図３［１］に示す傾斜型の電極６２１，…と同じ効果を得るため、すなわち対向する電極間に電界の勾配を付けるため、絶縁基板１３’に凹凸を付けて、その上の電極６２１’，…を作製する。例えば、絶縁基板１３を言わば洗濯板状に加工し、その面にスパッタ技術などで金属の電極６２１’，…を形成しても良い。これにより、電極６２１’，…の頂点から、荷電流体１１の噴流を起こすことができる。当然、対向する平板状の電極２１は配置する。
【００５３】
図４［１］は、本発明に係る流体アクチュエータの第六実施形態を示す平面図である。図４［２］は、図４［１］におけるＩ−Ｉ線縦断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図４において図１と同じ部分は図１と同じ符号を付す。
【００５４】
図４［１］では、絶縁基板１２及び第一の電極２１を除去した状態を示している。本実施形態の流体アクチュエータ７０は、一つの第一の電極２１と複数の第二の電極７２とを備え、複数の第二の電極７２が荷電流体１１の流れ１１１に沿って一つずつ配設され、複数の第二の電極７２の全てに対向するように一つの第一の電極２１が設けられている。図示しないが、第一の電極２１及び第二の電極７２には電圧が印加され、第一の電極２１が電圧Ｖｇ、第二の電極７２が電圧Ｖｐ（＞Ｖｇ）になっている。
【００５５】
第二の電極７２は、第一の電極２１に対して非平行であり、第一の電極２１に遠い領域７２１が絶縁膜７４で覆われ、第一の電極２１に近い領域７２２が露出している。第二の電極７２の露出した領域７２２は、平面形状が三角形になっており、第一の電極２１に近いほど面積が減少する。絶縁基板７３は断面が鋸歯状であり、その鋸歯状の同じ向きの面に第二の電極７２が成膜されている。
【００５６】
次に、流体アクチュエータ７０の動作を説明する。第二の電極７２の絶縁膜７４で覆われた領域７２１は第一の電極２１に遠く、第二の電極７２の露出した領域７２２は第一の電極２１に近い。このとき、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）は、領域７２１では弱くなり、領域７２２では強くなる。これに加え、領域７２２では、第一の電極２１に近いほど形状が先鋭化するので、第一の電極２１に近いほど強電界となる。すなわち、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）が、第二の電極７２上の位置に応じて異なることになる。
【００５７】
換言すると、本実施形態は、単純なストライプ状の電極７２を加工して、部分的に強電界を作り、荷電流体１１に対する帯電及び噴流をし易くしたものである。図示するように、＋となる電極７２の一部を絶縁膜７４で覆い、絶縁膜７４に覆われた領域７２１で−帯電分子を吸引し、その−帯電分子を露出した領域７２２で＋に帯電させかつ噴流させる。
【００５８】
その他の構成、作用及び効果は第一乃至第五実施形態と同様である。本実施形態によれば、荷電流体１１を挟んで対向する第一の電極２１と第二の電極７２とを備え、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）を第二の電極７２上の位置に応じて異ならせたことにより、第一の電極２１と第二の電極７２との間の荷電流体１１に誘電率の不均一性が生じるので、電界の二乗に比例する大きな駆動力が得られる。したがって、クーロン力に加えて又はクーロン力に代えて、クーロン力以外の力を利用することにより、従来に無い大きな駆動力を実現する流体アクチュエータ７０を提供できる。
【００５９】
図５［１］は、本発明に係る流体アクチュエータの第七実施形態を示す平面図である。図５［２］は、図５［１］におけるII−II線縦断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図５において図１又は図４と同じ部分は図１又は図４と同じ符号を付す。
【００６０】
図５［１］は、絶縁基板１２及び第一の電極２１を除去した状態を示している。本実施形態の流体アクチュエータ８０は、一つの第一の電極２１と複数の第二の電極８２とを備え、複数の第二の電極８２が荷電流体１１の流れ１１１に沿って一つずつ配設され、複数の第二の電極８２の全てに対向するように一つの第一の電極２１が設けられている。図示しないが、第一の電極２１及び第二の電極８２には電圧が印加され、第一の電極２１が電圧Ｖｇ、第二の電極８２が電圧Ｖｐ（＞Ｖｇ）になっている。
【００６１】
第二の電極８２は、第一の電極２１に対して非平行であり、第一の電極２１に遠い領域８２１が絶縁膜８４で覆われ、第一の電極２１に近い領域８２２が露出している。第二の電極８２の露出した領域８２２は、基端の平面形状が三角形かつ先端の平面形状が長方形になっており、第一の電極２１に近いほど概ね面積が減少する。絶縁基板８３は断面が鋸歯状であり、その鋸歯状の同じ向きの面に第二の電極８２が成膜されている。
【００６２】
次に、流体アクチュエータ８０の動作を説明する。第二の電極８２の絶縁膜８４で覆われた領域８２１は第一の電極２１に遠く、第二の電極８２の露出した領域８２２は第一の電極２１に近い。このとき、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）は、領域８２１では弱くなり、領域８２２では強くなる。これに加え、領域８２２では、第一の電極２１に近いほど形状が先鋭化するので、第一の電極２１に近いほど更に強電界となる。すなわち、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）が、第二の電極７２上の位置に応じて異なることになる。また、領域８２２は、先端の平面形状が長方形になっているので、過度の電界集中が抑えられる。
【００６３】
換言すると、本実施形態では、＋となる電極８２の先端形状を、三角形の頂点のようにしないで、方形に作ってある。この先端部分は、荷電流体１１を強電界によって帯電かつ噴流させる部分であるが、放電しやすく損傷しやすい部分でもある。そのため、その先端部分を広くして、耐久性が増すようにしている。また、電極８２は、荷電流体１１を帯電及び噴流させる領域を露出させ、他の領域を絶縁膜８４で覆いかつ−帯電分子を吸引しやすくするように絶縁基板７３の凸部にまで張り出させている。そのため、各電極８２においては、帯電及び噴出させる部分が互い違いの位置になり、＋帯電分子が噴出する位置と−帯電分子が吸引される位置とがぶつからないようにしている。
【００６４】
その他の構成、作用及び効果は第一乃至第六実施形態と同様である。本実施形態によれば、荷電流体１１を挟んで対向する第一の電極２１と第二の電極８２とを備え、荷電流体１１に対する電界（又は帯電の度合い）を第二の電極８２上の位置に応じて異ならせたことにより、第一の電極２１と第二の電極８２との間の荷電流体１１に誘電率の不均一性が生じるので、電界の二乗に比例する大きな駆動力が得られる。したがって、クーロン力に加えて又はクーロン力に代えて、クーロン力以外の力を利用することにより、従来に無い大きな駆動力を実現する流体アクチュエータ８０を提供できる。
【００６５】
図６は、本発明に係る流体アクチュエータの第八実施形態を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図６において図１と同じ部分には図１と同じ符号を付す。
【００６６】
本実施形態の流体アクチュエータ９０は、複数の第一の電極９１と複数の第二の電極９２とを備え、複数の第一の電極９１が荷電流体１１の流れ１１１に沿って一つずつ配設され、複数の第二の電極９２が荷電流体１１の流れ１１１に沿って一つずつ配設されている。複数の第二の電極８２の一つ一つの間に位置するように、複数の第一の電極２１の一つ一つが設けられている。第一の電極９１及び第二の電極９２には電圧が印加され、第一の電極９１が電圧Ｖｇ、第二の電極９２が電圧Ｖｐ（＞Ｖｇ）になっている。
【００６７】
第一の電極９１は、絶縁膜９１３で覆われた領域９１１と、第一の電極９１が露出した領域９１２とを有する。絶縁膜９１３を電荷が通り抜けることは困難であるため、荷電流体１１に対する帯電の度合いは、絶縁膜９１３で覆われた領域９１１では低く、露出した領域９１２では高い。すなわち、荷電流体１１に対する帯電の度合いが、第一の電極９１上の位置に応じて異なることになる。
【００６８】
同様に、第二の電極９２は、絶縁膜９２３で覆われた領域９２１と、第二の電極９２が露出した領域９２２とを有する。絶縁膜９２３を電荷が通り抜けることは困難であるため、荷電流体１１に対する帯電の度合いは、絶縁膜９２３で覆われた領域９２１では低く、露出した領域９２２では高い。すなわち、荷電流体１１に対する帯電の度合いが、第二の電極９２上の位置に応じて異なることになる。
【００６９】
また、電極９１の絶縁膜９１３で覆われた領域９１１と電極９２との間は、絶縁膜９１３からなるキャパシタと荷電流体１１からなるキャパシタとの直列接続となっている。そのため、領域９１１上の荷電流体１１は、電圧Ｖｇが分圧された値の電圧が印加される。一方、露出した領域９１２上の荷電流体１１は、電圧Ｖｇがそのまま印加される。したがって、荷電流体１１に対する電界強度が、第一の電極９１上の位置に応じて異なることになる。
【００７０】
同様に、電極９２の絶縁膜９２３で覆われた領域９２１と電極９１との間は、絶縁膜９２３からなるキャパシタと荷電流体１１からなるキャパシタとの直列接続となっている。そのため、領域９２１上の荷電流体１１は、電圧Ｖｐが分圧された値の電圧が印加される。一方、露出した領域９２２上の荷電流体１１は、電圧Ｖｐがそのまま印加される。したがって、荷電流体１１に対する電界強度が、第二の電極９２上の位置に応じて異なることになる。
【００７１】
本実施形態では、複数の第一の電極９１に対して複数の第二の電極９２が互い違いに（千鳥状に）対向し、かつ複数の第一の電極９１及び複数の第二の電極９２が荷電流体の流れに沿って配設されている。そのため、複数の第一の電極９１と複数の第二の電極９２との間で発生する全体の駆動力が、第一の電極９１及び第二の電極９２が一組しかない場合に比べてその複数倍になる。
【００７２】
換言すると、本実施形態は、一部が絶縁膜９１３で覆われたストライプ状の電極９１，と、一部が絶縁膜９２３で覆われたストライプ状の電極９２とを、流路の相対位置に交互に配置したものである。電極９２と電極９１とは、ピッチが同じで、半周期ずつずれている。したがって、電極９２の先端から見ると電極９１は真上にあり、電極９１，９２間に強電界が作られ＋に帯電した荷電流体１１が噴出・加速される。特に電極９１が絶縁膜９１３で覆われた領域９１１では、荷電流体１１が触れても放電することはない。そのため、＋に帯電した荷電流体１１は、その間加速され、露出する領域９１２で放電し、逆極性の−に帯電する。同様に、電極９１の先端から見た電極９２は真上にあり、強電界が作られ−に帯電した荷電流体１１が噴出・加速される。この構造では荷電流体１１は、＋→−→＋→−と次々に逆極性に帯電し、その都度加速される。
【００７３】
その他の構成、作用及び効果は第一乃至第七実施形態と同様である。本実施形態によれば、荷電流体１１を挟んで対向する第一の電極９１と第二の電極９２とを備え、荷電流体１１に対する電界強度（又は帯電の度合い）を第一の電極９１上の位置及び第二の電極９２上の位置に応じて異ならせたことにより、第一の電極９１と第二の電極９２との間の荷電流体１１に誘電率の不均一性が生じるので、電界の二乗に比例する大きな駆動力が得られる。したがって、クーロン力に加えて又はクーロン力に代えて、クーロン力以外の力を利用することにより、従来に無い大きな駆動力を実現する流体アクチュエータ９０を提供できる。
【００７４】
図７は本発明に係る流体アクチュエータの一実施例を示し、図７［１］は斜視図、図７［２］は部分平面図である。図８は、図７の流体アクチュエータの測定結果を示すグラフである。本実施例は、図１［１］に示す第一実施形態を更に具体化したものである。図７では、絶縁基板１３及び第二の電極２２のみを示す。以下、図１［１］、図７及び図８に基づき説明する。
【００７５】
本実施例では、絶縁基板１２，１３として合成石英を用いた。その合成石英上にＡｕ／Ｃｒをそれぞれ３００ｎｍ／８０ｎｍの厚みで蒸着し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって、平面形状の第一の電極２１及びくし型形状の第二の電極２２を作製した。荷電流体１１には、住友３Ｍ社製の「ＨＦＥ−７１００」を用いた。
【００７６】
図７［２］に示す、第二の電極２２の数Ｎすなわち電極２２１，２２２は１９組、電極２２１と電極２２２との間隔Ｄは６０μｍ、隣り合う第二の電極２２の間隔Ｄｐは４８０μｍ、電極２２１，２２２の幅Ｗは１２０μｍとした。また、図１［１］に示す、第二の電極２２から第一の電極２１までの高さＨは１９μｍとした。
【００７７】
このとき、第一の電極２１の電圧Ｖｇ＝０〜−７００［Ｖ］、電極２２１の電圧Ｖｐ＝０［Ｖ］、電極２２２の電圧Ｖｑ＝３６０〜６００［Ｖ］の条件で、駆動力ｆを測定した結果を図８に示す。図８において横軸は電界Ｅであり縦軸は駆動力ｆである。電界Ｅとは、第一の電極２１と第二の電極２２との間に発生する電界であり、Ｅ＝（Ｖｑ−Ｖｇ）／２で与えられる。駆動力ｆとは、荷電流体１１の圧力（静圧）であり、電界Ｅの垂直方向に発生する。駆動力ｆの方向は、荷電流体１１の流れ１１１の方向である。
【００７８】
図８から明らかなように、駆動力ｆが電界Ｅの二乗に比例する関係が得られた。このことから、次のことが導き出される。荷電流体の流れる方向に対して垂直方向に電界が発生するように電圧を印加すると、電圧が高くなるとともに静圧が増加する。その垂直方向の電界で静圧を整理すると、静圧は一つの曲線で整理でき、電界によって分極した流体分子の誘電率の違いによって力が発生している。
【００７９】
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明に係る流体アクチュエータは、例えばポンプ、モータ等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１［１］は本発明に係る流体アクチュエータの第一実施形態を示す断面図、図１［２］は本発明に係る流体アクチュエータの第二実施形態を示す断面図である。
【図２】図２［１］は本発明に係る流体アクチュエータの第三実施形態を示す断面図、図２［２］は本発明に係る流体アクチュエータの第四実施形態を示す断面図である。
【図３】図３［１］は本発明に係る流体アクチュエータの第五実施形態を示す断面図、図３［２］は本発明に係る流体アクチュエータの第五実施形態の他例を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る流体アクチュエータの第六実施形態を示し、図４［１］は平面図、図４［２］は図４［１］におけるＩ−Ｉ線縦断面図である。
【図５】本発明に係る流体アクチュエータの第七実施形態を示し、図５［１］は平面図、図５［２］は図５［１］におけるII−II線縦断面図である。
【図６】本発明に係る流体アクチュエータの第八実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明に係る流体アクチュエータの一実施例を示し、図７［１］は斜視図、図７［２］は部分平面図である。
【図８】図７の流体アクチュエータの測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８２】
１０  流体アクチュエータ
１１  荷電流体
１２  絶縁基板
１３，１３’  絶縁基板
２１  第一の電極
２２  第二の電極
２２１，２２２  二つの電極
２２３  一つ以上の電極
３０  流体アクチュエータ
３２  第二の電極
３２１  絶縁膜で覆われた領域
３２２  露出した領域
３４  絶縁膜
４０  流体アクチュエータ
４２  第二の電極
４４  絶縁膜
５０  流体アクチュエータ
５２  第二の電極
５４  絶縁膜
５５  抵抗膜
６０  流体アクチュエータ
６２１〜６２６，６２１’〜６２４’  第二の電極
７０  流体アクチュエータ
７２  第二の電極
７２１  絶縁膜で覆われた領域
７２２  露出した領域
７４  絶縁膜
７３  絶縁基板
８０  流体アクチュエータ
８２  第二の電極
８２１  絶縁膜で覆われた領域
８２２  露出した領域
８４  絶縁膜
９０  流体アクチュエータ
９１  第一の電極
９１１  絶縁膜で覆われた領域
９１２  露出した領域
９１３  絶縁膜
９２  第二の電極
９２１  絶縁膜で覆われた領域
９２２  露出した領域
９２３  絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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