(57)【要約】【課題】変形部を変形させたい向きに変位させることが可能なアクチュエータを提供する。【解決手段】この静電アクチュエータ１（アクチュエータ）は、上部電極２１および下部電極２２と、上部電極２１および下部電極２２への電圧印加によって変形可能なエラストマ層２３とを含み、上部電極２１、下部電極２２およびエラストマ層２３が共に変形可能である変形部２０と、上方向（Ｚ１方向）に変形部２０が変形するように変形部２０を付勢する圧縮コイルバネ５０とを備える。【選択図】図４
2010268643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、前記電極への電圧印加によって変形可能な変形層とを含み、前記電極および前記変形層が共に変形可能である変形部と、
所定の一方向からなる変形方向に前記変形部が変形するように前記変形部を付勢するバネ部材とを備える、アクチュエータ。
【請求項２】
前記電極に電圧を印加しない状態において、前記変形部は、前記バネ部材の付勢力により前記変形方向に所定量分だけ予め変形されている、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記変形部は、面方向に広がるように形成されており、
前記バネ部材のバネ定数は、前記電極に電圧を印加しない状態における前記変形部の前記面方向に働く力と前記バネ部材の付勢力との前記変形方向における力の釣り合いと、前記電極に電圧を印加しない状態における前記変形部の前記面方向と前記変形方向とがなす角度と、前記電極に電圧を印加した状態における前記変形部の前記面方向に働く力と前記バネ部材の付勢力との前記変形方向における力の釣り合いと、前記電極に電圧を印加した状態における前記変形部の前記面方向と前記変形方向とがなす角度とに基づいて設定されている、請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記変形部は、面方向に広がるように形成されており、
前記変形部および前記バネ部材は、前記バネ部材のバネ定数をｋ、前記電極に電圧を印加することにより生じる前記変形部の前記面方向に働く力をＦ、前記電極に電圧を印加することにより生じる前記変形方向の変位量をΔｘ、および、前記電極に電圧を印加しない状態において、前記変形部の前記面方向と前記変形方向とがなす角度をθとした場合に、下記の式（１）を満たすように設定されている、請求項２または３に記載のアクチュエータ。
【数１】
2010268643.tif 000013
【請求項５】
前記電極に電圧を印加しない状態において、前記変形部を前記面方向に引き伸ばした状態で前記変形部の側部を固定する側壁部をさらに備え、
前記電極に電圧を印加しない状態で、前記変形部が前記側壁部により前記面方向に引き伸ばされることによって生じる前記変形部に前記面方向の前記側壁部側に向かって働く力は、前記電極に電圧が印加されることにより生じる前記変形部に前記面方向の前記側壁部とは反対側に向かって働く力よりも大きくなるように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記バネ部材は、圧縮コイルバネであり、
前記圧縮コイルバネは、前記変形部が前記変形方向に変形するように予め圧縮されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記変形部の変形層は、前記電極に電圧が印加されることによって伸張するように構成されているとともに、絶縁性を有するエラストマからなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記変形部は、前記バネ部材と接触する部分に平坦面部を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アクチュエータに関し、特に、変形部を備えるアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、変形部を備えるアクチュエータが知られている（たとえば、特許文献１〜５参照）。
【０００３】
上記特許文献１では、圧電体の表裏面にそれぞれ電極が形成された薄板状の圧電素子（変形部）と、弾性部材からなり、湾曲した状態で圧電素子が上面に貼り合わされている補強板とを備える圧電アクチュエータが開示されている。上記特許文献１に記載の圧電アクチュエータの補強板は、外部からなんら力を受けない状態で、湾曲した状態を維持するように構成されている。
【０００４】
また、上記特許文献２では、一つの実施形態として、平坦面状に形成され、水平面内で予め力が加えられているポリマと、ポリマを側面から囲むように配置され、ポリマの動きを規制する可撓性のフレームと、ポリマの水平面内の両面（上面および下面）にそれぞれ取り付けられた一対の電極と、バネとを備えるアクチュエータが開示されている。上記特許文献２のアクチュエータは、電極間の電位差に応じて所定の方向にポリマは収縮するとともに、所定の方向と垂直な方向にポリマは膨張するように構成されている。これにより、アクチュエータは、ポリマが膨張する方向に変位を生じさせることが可能である。また、バネは、ポリマが収縮する方向に引っ張られた状態で配置されている。これにより、ポリマが収縮することによりバネの引っ張りが解消されるので、バネが設けられていない場合と比べて、ポリマが膨張する方向へのアクチュエータの変位が大きくなるように構成されている。なお、上記特許文献２のアクチュエータのポリマは、アクチュエータの中心を基準として、ポリマが膨張する方向の両方向（左右方向）に均等に膨張するように構成されている。
【０００５】
また、上記特許文献２では、別の実施形態として、穴部を有するフレームと、予め伸張させた状態で穴部を覆うようにフレームに固定されたポリマと、ポリマの上下面に取り付けられた一対の電極とを含むダイアフラム（変形部）と、穴部を覆っている部分のポリマの上面に端部が取り付けられた出力シャフトと、出力シャフトの側面およびフレームに両端部がそれぞれ固定され、出力シャフトを穴部の中心軸方向に延びるように配置させるためのバネとを備える線形アクチュエータが開示されている。上記特許文献２の線形アクチュエータは、穴部の上面に位置するダイアフラムのポリマが穴部の中心軸方向に変形することによって、穴部の中心軸方向に延びる出力シャフトが穴部の中心軸方向に変位するように構成されている。
【０００６】
また、上記特許文献３では、一対の梁のうちの一方の梁が湾曲するように形成された板バネと、湾曲していない他方の梁に接着された圧電素子とを備える圧電アクチュエータが開示されている。上記特許文献３の圧電アクチュエータは、板バネの一方の梁は、板バネの面と垂直方向に湾曲するように構成されているとともに、圧電素子は、板バネの面と垂直方向の両方向（上方向および下方向）に変形するように構成されている。これにより、圧電素子の湾曲した梁の湾曲方向と逆の方向への変位が所定の変位量に達すると、湾曲した梁の湾曲している向きが逆向き（圧電素子が変位する向き）になるとともに、変位に対する荷重の向きが逆転する（スナップアクション特性）ことにより、板バネから大きな力が得られるように構成されている。
【０００７】
また、上記特許文献４では、垂直方向に対向するように配置された一対の可動電極と、側面から見て水平方向に長い形状を有し、垂直方向に均等に圧縮されるように一対の可動電極の間に配置された非線形バネと、水平方向に延びる基板と、基板上に配置され、非線形バネの水平方向の両端部にそれぞれ固定された一対の静電用固定電極とを備えた静電アクチュエータが開示されている。上記特許文献４の静電アクチュエータの一対の静電用固定電極は、それぞれ、水平方向に移動可能であるとともに、電圧が印加されることによって基板に固定されるように構成されている。この静電アクチュエータは、可動電極間の電位差の有無により、可動電極間に配置された非線形バネが垂直方向へ圧縮されるおよび圧縮が解除される。これにより、非線形バネが水平方向に変位するので、移動可能な静電用固定電極が、非線形バネの水平方向の変位に応じて、基板上を水平方向に移動するように構成されている。
【０００８】
また、上記特許文献５では、内角が略直角になるようにトラス型（直角三角形形状）構造の２辺を構成するように配置された一対の圧電素子と、トラス型構造の略直角の交点に設けられ、ロータに接触するチップ部材と、圧電素子の交点とは反対側の端部を固定することにより一対の圧電素子と共にトラス型構造を構成するベース部材と、ベース部材に一方端が固定され、チップ部材をロータに押し付けるためのバネとを備えるアクチュエータが開示されている。上記特許文献５のアクチュエータは、圧電素子の一方を収縮させるとともに、他方を伸張させることによって、ロータを回転させるようにチップ部材がロータに間欠的に接触するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２０８１３０号公報
【特許文献２】特表２００３−５０６８５８号公報
【特許文献３】特開平５−１７５５６３号公報
【特許文献４】特開２００７−３１８８６１号公報
【特許文献５】特開２００１−１３６７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１による圧電アクチュエータでは、補強板は外部からなんら力を受けない状態で湾曲した状態を維持しており、上面に貼り合わされた圧電素子を付勢していないと考えられるため、圧電素子は、補強板の湾曲方向および補強板の湾曲方向と反対の方向の両方向に変形（振動）するという不都合があると考えられる。このため、圧電アクチュエータを変形させたい向き（湾曲方向または湾曲方向と反対の方向のいずれか一方）に変位させることができないという問題点がある。
【００１１】
また、上記特許文献２によるアクチュエータでは、ポリマは、アクチュエータの中心を基準として、ポリマが膨張する方向の両方向（左右方向）に均等に膨張するという不都合がある。このため、アクチュエータを変形させたい向き（ポリマが膨張する方向のうちの一方向）に変位させることができないという問題点がある。
【００１２】
また、上記特許文献２による線形アクチュエータでは、バネは、出力シャフトを穴部の中心軸方向に延びるように配置させるために設けられており、出力シャフトを穴部の中心軸方向の両方向（上方向および下方向）のうちの一方向に変位させるようにダイアフラムを付勢していないと考えられる。このため、線形アクチュエータを変形させたい向き（上方向または下方向のうちの一方向）に変位させることができないという問題点がある。
【００１３】
また、上記特許文献３による圧電アクチュエータでは、圧電素子が接着された板バネの湾曲していない他方の梁は上面に接着された圧電素子を付勢していないため、圧電素子は、板バネの面と垂直方向の両方向（上方向および下方向）に変形するという不都合があると考えられる。このため、圧電アクチュエータを変形させたい向き（垂直方向のいずれか一方）に変位させることができないという問題点がある。
【００１４】
また、上記特許文献４による静電アクチュエータでは、非線形バネは垂直方向に付勢しており、静電用固定電極の変位方向である水平方向のうち所定の一方向に付勢していないため、静電用固定電極は、水平方向の両方向に変形するという不都合があると考えられる。このため、静電アクチュエータを変形させたい向き（水平方向のいずれか一方）に変位させることができないという問題点がある。
【００１５】
また、上記特許文献５によるアクチュエータでは、バネは、チップ部材をロータに押し付けてロータを回転させるために設けられており、アクチュエータに変位を生じさせていないと考えられる。このため、アクチュエータを変形させたい向きに変位させることができないという問題点がある。
【００１６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、変形部を変形させたい向きに変位させることが可能なアクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【００１７】
この発明の一の局面によるアクチュエータは、電極と、電極への電圧印加によって変形可能な変形層とを含み、電極および変形層が共に変形可能である変形部と、所定の一方向からなる変形方向に変形部が変形するように変形部を付勢するバネ部材とを備える。
【００１８】
この発明の一の局面によるアクチュエータでは、上記のように、所定の一方向からなる変形方向に変形部が変形するように変形部を付勢するバネ部材を備えることによって、変形部が変形する際に、予めバネ部材により付勢力が加えられている向きに変形部を変位させるようにすることができるので、変形部を変形させたい向きに変位させることができる。
【００１９】
上記一の局面によるアクチュエータにおいて、好ましくは、電極に電圧を印加しない状態において、変形部は、バネ部材の付勢力により変形方向に所定量分だけ予め変形されている。このように構成すれば、変形させたい向きと同一の向きである予め変形している向きに、変形部をより変形しやすくすることができるので、より確実に、変形部を変形させたい向きに変位させることができる。
【００２０】
この場合、好ましくは、変形部は、面方向に広がるように形成されており、バネ部材のバネ定数は、電極に電圧を印加しない状態における変形部の面方向に働く力とバネ部材の付勢力との変形方向における力の釣り合いと、電極に電圧を印加しない状態における変形部の面方向と変形方向とがなす角度と、電極に電圧を印加した状態における変形部の面方向に働く力とバネ部材の付勢力との変形方向における力の釣り合いと、電極に電圧を印加した状態における変形部の面方向と変形方向とがなす角度とに基づいて設定されている。このように設定すれば、上記パラメータによって定められたバネ部材を用いて、変形部の変形させたい向きにおける変位量を正確に制御することができる。
【００２１】
変形部が予め変形されているアクチュエータにおいて、好ましくは、変形部は、面方向に広がるように形成されており、変形部およびバネ部材は、バネ部材のバネ定数をｋ、電極に電圧を印加することにより生じる変形部の面方向に働く力をＦ、電極に電圧を印加することにより生じる変形部の変形方向の変位量をΔｘ、および、電極に電圧を印加しない状態において、変形部の面方向と変形方向とがなす角度をθとした場合に、下記の式（１）を満たすように設定されている。このように設定すれば、下記の式（１）を満たすことによって、より確実に、変形部を変形させたい向きに変位させることができる。
【００２２】
【数１】
2010268643.tif 000003
【００２３】
上記一の局面によるアクチュエータにおいて、好ましくは、電極に電圧を印加しない状態において、変形部を面方向に引き伸ばした状態で変形部の側部を固定する側壁部をさらに備え、電極に電圧を印加しない状態で、変形部が側壁部により面方向に引き伸ばされることによって生じる変形部に面方向の側壁部側に向かって働く力は、電極に電圧が印加されることにより生じる変形部に面方向の側壁部とは反対側に向かって働く力よりも大きくなるように構成されている。このように構成すれば、電極に電圧を印加しない状態で、変形部において、側壁部により面方向に引き伸ばされることによって生じる変形部に面方向の側壁部側に向かって働く力が、電極に電圧が印加されることにより生じる変形部に面方向の側壁部とは反対側に向かって働く力以下になる場合と異なり、バネ部材の長さが自然長以上になることにより、バネ部材が変形部を変形させたい向きに付勢しなくなるのを防止することができる。この結果、変形部の変形させたい向きの変位量が小さくなるのを抑制することができる。
【００２４】
上記一の局面によるアクチュエータにおいて、好ましくは、バネ部材は、圧縮コイルバネであり、圧縮コイルバネは、変形部が変形方向に変形するように予め圧縮されている。このように構成すれば、変形部が変形する際に、予め圧縮コイルバネが圧縮される向きに変形部を変位させるようにすることができるので、容易に、変形部を変形させたい向きに変位させることができる。
【００２５】
上記一の局面によるアクチュエータにおいて、好ましくは、変形部の変形層は、電極に電圧が印加されることによって伸張するように構成されているとともに、絶縁性を有するエラストマからなる。このように構成すれば、エラストマを用いた静電アクチュエータにおいて、変形部を変形させたい向きに変位させることができるとともに、変形部の変形させたい向きの変位量を十分に得ることができる。
【００２６】
上記一の局面によるアクチュエータにおいて、好ましくは、変形部は、バネ部材と接触する部分に平坦面部を有する。このように構成すれば、変形部のバネ部材と接する面が平坦面状でない場合と比べて、より確実に、バネ部材に変形部を付勢させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態による静電アクチュエータの構成を示した上面図である。
【図２】図１の１０００−１０００線および２０００−２０００線に沿った、圧縮コイルバネが配置される前の静電アクチュエータの構成を示した断面図である。
【図３】図１の１０００−１０００線および２０００−２０００線に沿った静電アクチュエータの構成を示した断面図である。
【図４】図１の１０００−１０００線および２０００−２０００線に沿った静電アクチュエータに電圧を印加した状態を示した断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による静電アクチュエータの構成を示した上面図である。
【図６】図５の３０００−３０００線に沿った静電アクチュエータの構成を示した断面図である。
【図７】図５の３０００−３０００線に沿った静電アクチュエータに電圧を印加した状態を示した断面図である。
【図８】本発明の第１および第２実施形態の第１変形例による静電アクチュエータの構成を示した断面図である。
【図９】本発明の第１および第２実施形態の第１変形例による静電アクチュエータに電圧を印加した状態を示した断面図である。
【図１０】本発明の第１および第２実施形態の第２変形例による静電アクチュエータの構成を示した上面図である。
【図１１】図１０の４０００−４０００線に沿った静電アクチュエータの構成を示した断面図である。
【図１２】図１０の４０００−４０００線に沿った静電アクチュエータに電圧を印加した状態を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
（第１実施形態）
まず、図１〜図４を参照して、第１実施形態による静電アクチュエータ１の構成を説明する。なお、静電アクチュエータ１は、本発明の「アクチュエータ」の一例である。
【００３０】
本発明の第１実施形態による静電アクチュエータ１は、図１に示すように、平面的に見て略正方形の開口部を有し、上枠部材１１と下枠部材１２とからなる枠部材１０を備えている。また、静電アクチュエータ１は、図２に示すように、枠部材１０の上枠部材１１と下枠部材１２とに挟まれることによって側部が固定され、面方向に広がるように形成された変形部２０と、枠部材１０の上枠部材１１の上端に外端部が接着され、面方向に広がるように形成されたシート部材３０と、枠部材１０の下枠部材１２の下端部を固定する基板４０とを備えている。なお、枠部材１０は、本発明の「側壁部」の一例である。
【００３１】
また、変形部２０は、上部電極２１と、上部電極２１と対向するように配置された下部電極２２と、上部電極２１の下面と下部電極２２の上面との間に挟み込まれたエラストマ層２３とから構成されている。このエラストマ層２３は、絶縁性を有するとともに所定の圧縮力により所定量だけ伸張するエラストマからなる層である。このエラストマ層２３は、たとえば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂またはシリコン樹脂などからなる。なお、エラストマ層２３は、本発明の「変形層」の一例である。
【００３２】
また、上部電極２１および下部電極２２は、導電性を有するとともに、エラストマ層２３が変形するのに伴って変形可能な伸縮性を有する材料により構成されており、たとえば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）やＺｎＯ（酸化亜鉛）などの導電膜からなる。なお、上部電極２１および下部電極２２は、それぞれ、本発明の「電極」の一例である。
【００３３】
また、シート部材３０は、絶縁性を有するとともに伸縮性を有する材料からなる。また、シート部材３０は、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されていない状態において、平坦面状になるように上枠部材１１に接着されている。
【００３４】
また、第１実施形態では、上部電極２１と下部電極２２とに電位差がない状態（電圧が印加されていない状態）において、変形部２０は、枠部材１０の上枠部材１１と下枠部材１２とに引き伸ばされた状態で挟まれるように構成されている。これにより、変形部２０には、後述する圧縮コイルバネ５０が配置されていない状態において、変形部２０の面方向である水平方向（図１のＸＹ方向）に引張力Ｆ０が加えられるように構成されている。
【００３５】
また、第１実施形態では、静電アクチュエータ１は、図１に示すように、枠部材１０、変形部２０および基板４０のＸＹ方向における中央部に配置された圧縮コイルバネ５０をさらに備えている。この圧縮コイルバネ５０は、図３に示すように、変形部２０の下面に上端部が接するように配置されているとともに、圧縮コイルバネ５０の下端部は、基板４０に固定されている。また、圧縮コイルバネ５０は、垂直方向（Ｚ方向）に伸縮可能なように配置されており、変形部２０に対して下方（Ｚ２側）から上方向（Ｚ１方向）に向かって付勢力を加えるように所定量分だけ予め圧縮された状態で配置されている。なお、圧縮コイルバネ５０は、本発明の「バネ部材」の一例である。また、上方向（Ｚ１方向）は、本発明の「変形方向」の一例である。
【００３６】
また、圧縮コイルバネ５０は、バネ定数ｋを有するとともに、バネ定数ｋは、下記の式（２）を満たすように構成されている。
【００３７】
【数２】
2010268643.tif 000004
【００３８】
なお、上記の式（２）において、ｋ、Ｆ２、Δｘおよびθ１は、それぞれ、ｋ：圧縮コイルバネ５０のバネ定数、Ｆ２：上部電極２１と下部電極２２との電位差に応じて生じる変形部２０の面方向に働く力、Δｘ：上部電極２１と下部電極２２との電位差に応じて生じる変形部２０の上方向（Ｚ１方向）の変位量、θ１：上部電極２１と下部電極２２との電位差がない状態において、変形部２０の面方向αと変形方向（垂直方向（Ｚ方向））とがなす角度からなる。なお、具体的な式（２）の導出過程は後述する。
【００３９】
ここで、第１実施形態では、図３に示すように、圧縮コイルバネ５０が圧縮された状態で変形部２０の中央部の下面に配置された際に、変形部２０は、枠部材１０の上枠部材１１と下枠部材１２とに引き伸ばされた状態で挟まれることによって、変形部２０の面方向αのうち枠部材１０側に向かう方向α１に引張力Ｆ０が加えられるように構成されている。また、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されていない状態において、圧縮コイルバネ５０により変形部２０の中央部に対して下方（Ｚ２側）から上方向（Ｚ１方向）に向かって付勢力Ｆ１が加えられることによって、変形部２０は、予め上方向に凸形状に変形するように構成されている。
【００４０】
これら引張力Ｆ０および付勢力Ｆ１が変形部２０の中央部に加えられることによって、変形部２０の中央部の凸形状の頂点と変形が規制されている側部とのＺ方向の距離（高さ）がＨ１になるとともに、変形部２０の面方向αと垂直方向（Ｚ方向）とが角度θ１をなすように構成されている。また、変形部２０の枠部材１０側に向かう方向に加えられている引張力Ｆ０は、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されている状態において生じる、後述する変形部２０の中央部側に向かう方向に加えられる力よりも常に大きくなるように構成されている。
【００４１】
また、圧縮コイルバネ５０のバネ定数ｋは、図３に示す上部電極２１と下部電極２２とに電位差がない状態における、変形部２０の面方向αに働く力と圧縮コイルバネ５０の付勢力との垂直方向（Ｚ方向）における力の釣り合いおよび変形部２０の面方向αと垂直方向（Ｚ方向）とがなす角度θ１と、図４に示す後述する上部電極２１と下部電極２２とに電圧を印加した状態における、変形部２０の面方向β（図４参照）に働く力と圧縮コイルバネ５０の付勢力との垂直方向（Ｚ方向）における力の釣り合いおよび変形部２０の面方向βと垂直方向（Ｚ方向）とがなす角度θ２（図４参照）とに基づいて設定される。具体的なバネ定数ｋは後述する式（６）を満たす。
【００４２】
また、変形部２０の中央部の凸形状の頂点の上面は、シート部材３０の平坦面状の下面と接するように構成されている。これにより、上部電極２１と下部電極２２とに電位差がない状態において、シート部材３０を平坦な状態に保つことが可能であるとともに、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されている状態において生じる変形部２０のＺ１方向への変位を、シート部材３０の上方向（Ｚ１方向）への変位に確実に反映させることが可能なように構成されている。
【００４３】
次に、図３および図４を参照して、本発明の第１実施形態における静電アクチュエータ１の動作および式（２）の導出過程を説明する。
【００４４】
上部電極２１と下部電極２２とに電位差がない状態において、図３に示すように、変形部２０は、圧縮コイルバネ５０により上方向（Ｚ１方向）に付勢力Ｆ１が加えられるとともに、変形部２０の枠部材１０側に向かう方向α１に引張力Ｆ０が加えられることによって、面方向αと垂直方向（Ｚ方向）とが角度θ１をなしている。この際、垂直方向（Ｚ方向）の力の釣り合いは、下記の式（３）によって表される。
【００４５】
【数３】
2010268643.tif 000005
【００４６】
ここで、上部電極２１および下部電極２２に所定の電圧を印加することにより上部電極２１と下部電極２２とに電位差を与えると、上部電極２１と下部電極２２とは、エラストマ層２３を挟んで静電引力により互いに引き合わされる。この際、エラストマ層２３は所定の圧縮力により所定量だけ伸張することが可能であるので、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されて互いに引き合わされるのに伴い、エラストマ層２３は変形部２０の面方向に伸張しようとする。しかし、変形部２０の側部は枠部材１０に固定されているため、変形部２０の面方向への伸張は規制されるとともに、変形部２０のＸＹ方向における略中央部に配置された圧縮コイルバネ５０から上方向（Ｚ１方向）に付勢力が加えられていることによって、エラストマ層２３は、より上方向に変形させられる。これに伴い、上部電極２１および下部電極２２はエラストマ層２３と同様に変形させられることによって、変形部２０はより上方向に変形させられる。
【００４７】
これにより、図４に示すように、変形部２０に対して、変形部２０の面方向βのうち枠部材１０側に向かう方向β１に加えられている引張力Ｆ０とは別に、上部電極２１と下部電極２２との電位差に応じて変形部２０の面方向βのうち中央部側に向かう方向β２に加えられる力Ｆ２が働く。この結果、予め上方向（Ｚ１方向）に凸形状に変形していた変形部２０は、より凸形状の高さが大きくなるように変形させられる。この際、圧縮コイルバネ５０の長さが変化することによって、圧縮コイルバネ５０による上方向の付勢力はＦ３になる。また、変形部２０の中央部の凸形状の頂点と変形が規制されている側部とのＺ方向の距離（高さ）はＨ２になり、変形部２０の面方向βと垂直方向（Ｚ方向）とは、角度θ２をなす。この際、垂直方向（Ｚ方向）の力の釣り合いは、変形部２０の面方向βのうち枠部材１０側に向かう方向β１に加えられている引張力Ｆ０が、変形部２０の面方向βのうち中央部側に向かう方向β２に加えられる力Ｆ２よりも大きいことにより、下記の式（４）によって表される。
【００４８】
【数４】
2010268643.tif 000006
【００４９】
ここで、圧縮コイルバネ５０は、バネ定数ｋを有するとともに、上部電極２１と下部電極２２との電位差に応じて生じる変形部２０の上方向（Ｚ１方向）の変位量Δｘは、（Ｈ２−Ｈ１）であるので、上部電極２１と下部電極２２とに電圧が印加されていない状態の圧縮コイルバネ５０による上方向（Ｚ１方向）の付勢力Ｆ１と、上部電極２１と下部電極２２とに所定の電圧が印加された際の圧縮コイルバネ５０による上方向（Ｚ１方向）の付勢力Ｆ３とは下記の式（５）を満たす。
【００５０】
【数５】
2010268643.tif 000007
【００５１】
ここで、第１実施形態における圧縮コイルバネ５０のバネ定数ｋは、上記の式（３）、式（４）および式（５）に基づいて、下記の式（６）を満たす。
【００５２】
【数６】
2010268643.tif 000008
【００５３】
また、上端部が接している変形部２０の中央部が上方向（Ｚ１方向）に変形することに伴って、圧縮されていた圧縮コイルバネ５０の圧縮される長さが小さくなることにより、上部電極２１と下部電極２２とに所定の電圧が印加された際の圧縮コイルバネ５０による上方向（Ｚ１方向）の付勢力Ｆ３は、上部電極２１と下部電極２２とに電圧が印加されていない状態の圧縮コイルバネ５０による上方向の付勢力Ｆ１（図３参照）と比べて小さくなる。すなわち、Ｆ１−Ｆ３＞０になる。また、上部電極２１と下部電極２２とに所定の電圧が印加された際の変形部２０の凸形状の高さＨ２および変形部２０の面方向βと垂直方向（Ｚ方向）とがなす角度θ２は、それぞれ、上部電極２１と下部電極２２とに電圧が印加されていない状態の変形部２０の凸形状の高さＨ１（図３参照）および変形部２０の面方向αと垂直方向（Ｚ方向）とがなす角度θ１（図３参照）よりも小さくなる。すなわち、ｃｏｓθ２＞ｃｏｓθ１になることにより、上記の式（４）は下記の式（７）に書き換えられる。
【００５４】
【数７】
2010268643.tif 000009
【００５５】
上記の式（７）は上記の式（３）とＦ１−Ｆ３＞０とに基づいて、下記の式（８）に書き換えられる。
【００５６】
【数８】
2010268643.tif 000010
【００５７】
これにより、上記の式（８）は上記の式（５）に基づいて、下記の式（９）に書き換えられる。
【００５８】
【数９】
2010268643.tif 000011
【００５９】
この結果、上記の式（２）が導出される。つまり、上記の式（２）は、上部電極２１と下部電極２２とに電圧が印加されることによって、θ２がθ１よりも小さくなる（変形部２０が上方向（Ｚ１方向）へ変形する）場合に満たす式を示している。
【００６０】
なお、上記の式（６）を用いて、圧縮コイルバネ５０のバネ定数ｋの値を直接的に設定することによって、上方向の変位量Δｘが所定の設定値である静電アクチュエータ１を得ることが可能であるとともに、上記の式（２）を用いて、バネ定数ｋの範囲を満たす圧縮コイルバネ５０を選択した後に、上部電極２１および下部電極２２に印加されている電圧を上記の式（６）を満たすように調整することによっても、選択した圧縮コイルバネ５０を用いて上方向の変位量Δｘが所定の設定値である静電アクチュエータ１を得ることが可能である。
【００６１】
第１実施形態では、上記のように、変形部２０の変形方向である変形部２０に対して下方（Ｚ２側）から上方向（Ｚ１方向）に向かって付勢力を加えるように予め圧縮された状態で圧縮コイルバネ５０を配置することによって、変形部２０を変形させたい向き（上方向（Ｚ１方向））に付勢することによって、変形部２０が変形する際に、予め圧縮コイルバネ５０が圧縮される向き（上方向（Ｚ１方向））に変形部２０を変位させるようにすることができるので、容易に、変形部２０を変形させたい上方向に変位させることができる。
【００６２】
また、第１実施形態では、上記のように、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されていない状態において、変形部２０を圧縮コイルバネ５０の付勢力により変形する向き（上方向（Ｚ１方向））に所定量分だけ予め変位させることによって、変形させたい向き（上方向）と同一の向きである予め変形している上方向に、変形部２０をより変形しやすくすることができるので、より確実に、変形部２０を変形させたい上方向に変位させることができる。
【００６３】
また、第１実施形態では、上記のように、圧縮コイルバネ５０のバネ定数ｋを、上記の式（６）を満たすように設定することによって、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されていない状態における変形部２０の面方向αに働く引張力Ｆ０の垂直方向（Ｚ方向）の成分と圧縮コイルバネ５０の付勢力Ｆ１との力の釣り合いと、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されていない状態における変形部２０の面方向αと垂直方向とがなす角度θ１と、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されている状態における変形部２０の面方向βに働く引張力Ｆ０および力Ｆ２の垂直方向の成分と圧縮コイルバネ５０の付勢力Ｆ３との力の釣り合いと、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されている状態における変形部２０の面方向βと垂直方向とがなす角度θ２とによって定められた圧縮コイルバネ５０を用いて、変形部２０の上方向（Ｚ１方向）における変位量Δｘを正確に制御することができる。
【００６４】
また、第１実施形態では、上記のように、静電アクチュエータ１を、上記の式（２）を満たすように設定することによって、より確実に、変形部２０を上方向（Ｚ１方向）へ変位させることができる。
【００６５】
また、第１実施形態では、上記のように、変形部２０の枠部材１０側に向かう方向に加えられている引張力を、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されている状態において生じる、変形部２０の中央部側に向かう方向に加えられる力よりも常に大きくなるように構成することによって、上部電極２１および下部電極２２に電圧を印加しない状態で、変形部２０において、枠部材１０により面方向に引き伸ばされることにより生じる面方向の枠部材１０側に向かって働く引張力が、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されることにより生じる変形部２０の中央部側に向かう方向に加えられる力以下になる場合と異なり、圧縮コイルバネ５０の長さが自然長以上になることにより、圧縮コイルバネ５０が変形部２０を上方向（Ｚ１方向）に付勢しなくなるのを防止することができる。この結果、変形部２０の変形する上方向への変位量が小さくなるのを抑制することができる。
【００６６】
また、第１実施形態では、上記のように、変形部２０のエラストマ層２３が、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されることによって伸張するように構成されているとともに、絶縁性を有するエラストマからなることによって、エラストマを用いた静電アクチュエータ１において、変形部２０を変形させたい上方向に変位させることができるとともに、変形部２０の変形する上方向への変位量を十分に得ることができる。
【００６７】
（第２実施形態）
次に、図５〜図７を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態による静電アクチュエータ１００では、上記第１実施形態と異なり、変形部１２０の中央に平坦面状に形成されたバネ受部材１２４が配置されている場合について説明する。
【００６８】
まず、図５〜図７を参照して、第２実施形態による静電アクチュエータ１００の構成を説明する。なお、静電アクチュエータ１００は、本発明の「アクチュエータ」の一例である。
【００６９】
本発明の第２実施形態による静電アクチュエータ１００は、図５に示すように、平面的に見て略円形の開口部を有し、上枠部材１１１と下枠部材１１２とからなる枠部材１１０を備える。なお、枠部材１１０は、本発明の「側壁部」の一例である。
【００７０】
ここで、第２実施形態では、図６に示すように、面方向に広がるように形成された変形部１２０は、上部電極１２１と、下部電極１２２と、エラストマ層１２３と、バネ受部材１２４とから構成されている。このバネ受部材１２４は、伸縮性を有さないとともに、上部電極１２１、下部電極１２２およびエラストマ層１２３よりも硬質の部材からなり、たとえばプラスチックなどからなる。また、バネ受部材１２４は、上部電極１２１、下部電極１２２およびエラストマ層１２３の変形に伴って変形しないように構成されている。これにより、変形部１２０が変形する際においても、バネ受部材１２４の後述する上下面の平坦面を平坦な状態に維持することが可能である。
【００７１】
また、図５に示すように、バネ受部材１２４は、変形部１２０の中央に平面的に見て略円形に形成されているとともに、圧縮コイルバネ５０の外径よりも大きい直径を有するように構成されている。また、図６に示すように、バネ受部材１２４の上面および下面は、それぞれ、平坦面状になるように構成されているとともに、バネ受部材１２４の外周部は、上部電極１２１、下部電極１２２およびエラストマ層１２３とにそれぞれ接着されている。これにより、圧縮コイルバネ５０の上端部の略全面をバネ受部材１２４の平坦面状の下面に接触させることが可能であるので、確実に、圧縮コイルバネ５０に変形部１２０を上方向（Ｚ１方向）に付勢させることが可能である。また、変形部１２０は、枠部材１１０の上枠部材１１１と下枠部材１１２とに引き伸ばされた状態で挟まれている。なお、上部電極１２１および下部電極１２２は、それぞれ、本発明の「電極」の一例であり、エラストマ層１２３は、本発明の「変形層」の一例である。また、バネ受部材１２４は、本発明の「平坦面部」の一例である。
【００７２】
また、第２実施形態では、図６に示すように、圧縮コイルバネ５０が圧縮された状態で変形部１２０のバネ受部材１２４の下面に接するように配置された際に、変形部１２０は、枠部材１１０の上枠部材１１１と下枠部材１１２とに引き伸ばされた状態で挟まれることによって、変形部１２０の面方向αのうち枠部材１１０側に向かう方向α２に引張力Ｆ４が加えられるように構成されている。また、上部電極１２１および下部電極１２２に電圧が印加されていない状態において、圧縮コイルバネ５０により変形部１２０のバネ受部材１２４に対して下方（Ｚ２側）から上方向（Ｚ１方向）に向かって付勢力Ｆ５が加えられることによって、変形部１２０は、予め上方向に凸形状に変形するように構成されている。これら引張力Ｆ４および付勢力Ｆ５が変形部１２０に加えられることによって、変形部１２０のバネ受部材１２４と変形が規制されている側部とのＺ方向の距離（高さ）がＨ３になるとともに、変形部１２０の面方向αと垂直方向（Ｚ方向）とが角度θ３をなすように構成されている。また、変形部１２０の枠部材１１０側に向かう方向に加えられている引張力Ｆ４は、上部電極１２１および下部電極１２２に電圧が印加されている状態において生じる、後述する変形部１２０のバネ受部材１２４に向かう方向に加えられる力よりも常に大きくなるように構成されている。なお、第２実施形態において、圧縮コイルバネ５０は、図６および図７に示すパラメータを用いて下記の式（１０）を満たすように構成されている。
【００７３】
【数１０】
2010268643.tif 000012
【００７４】
また、図６に示すように、バネ受部材１２４の上面は、面方向に広がるように形成されたシート部材１３０の下面と接するように構成されている。なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００７５】
次に、図６および図７を参照して、本発明の第２実施形態における静電アクチュエータ１００の動作を説明する。
【００７６】
上部電極１２１と下部電極１２２とに電位差がない状態において、図６に示すように、変形部１２０は、圧縮コイルバネ５０により上方向（Ｚ１方向）に付勢力Ｆ５が加えられるとともに、変形部１２０の枠部材１１０側に向かう方向α２に引張力Ｆ４が加えられることによって、面方向αと垂直方向（Ｚ方向）とが角度θ３をなしている。
【００７７】
ここで、上部電極１２１および下部電極１２２に所定の電圧を印加することにより上部電極１２１と下部電極１２２とに電位差を与えると、上部電極１２１と下部電極１２２とは、エラストマ層１２３を挟んで静電引力により互いに引き合わされて、変形部１２０の面方向に伸張しようとする。しかし、変形部１２０の側部は枠部材１１０に固定されているため、変形部１２０の面方向への伸張は規制されるとともに、変形部１２０のバネ受部材１２４の平坦面状の下面に配置された圧縮コイルバネ５０から上方向（Ｚ１方向）に付勢力が加えられていることによって、変形部１２０はより上方向に変形させられる。
【００７８】
これにより、図７に示すように、変形部１２０に対して、変形部１２０の面方向βのうち枠部材１１０側に向かう方向β３に加えられている引張力Ｆ４とは別に、上部電極１２１と下部電極１２２との電位差に応じて変形部１２０の面方向βのうちバネ受部材１２４に向かう方向β４に加えられる力Ｆ６が働く。この結果、バネ受部材１２４が頂点にくるように予め上方向（Ｚ１方向）に凸形状に変形していた変形部１２０は、よりバネ受部材１２４の高さが大きくなるように変形させられる。この際、圧縮コイルバネ５０の長さが変化することによって、圧縮コイルバネ５０による上方向の付勢力はＦ７になる。また、変形部１２０のバネ受部材１２４と変形が規制されている側部とのＺ方向の距離（高さ）はＨ４になり、変形部１２０の面方向βと垂直方向（Ｚ方向）とは、角度θ４をなす。
【００７９】
ここで、上端部が接している変形部１２０のバネ受部材１２４が上方向に移動することに伴って、圧縮されていた圧縮コイルバネ５０の圧縮される長さが小さくなることにより、上部電極１２１と下部電極１２２とに所定の電圧が印加された際の圧縮コイルバネ５０による上方向（Ｚ１方向）の付勢力Ｆ７は、上部電極１２１と下部電極１２２とに電圧が印加されていない状態の圧縮コイルバネ５０による上方向（Ｚ１方向）の付勢力Ｆ５（図６参照）と比べて小さくなる。また、上部電極１２１と下部電極１２２とに所定の電圧が印加された際の変形部１２０の凸形状の高さＨ４および変形部１２０の面方向βと垂直方向（Ｚ方向）とがなす角度θ４は、それぞれ、上部電極１２１と下部電極１２２とに電圧が印加されていない状態の変形部１２０の凸形状の高さＨ３（図６参照）および変形部１２０の面方向αと垂直方向（Ｚ方向）とがなす角度θ３（図６参照）よりも小さくなる。すなわち、変形部１２０が上方向（Ｚ１方向）へ変形する。なお、第２実施形態のその他の静電アクチュエータの動作は、上記第１実施形態と同様である。
【００８０】
第２実施形態では、上記のように、変形部１２０の圧縮コイルバネ５０と接触する部分にバネ受部材１２４を設けることによって、変形部１２０の圧縮コイルバネ５０と接する面が平坦面状でない場合と比べて、より確実に、圧縮コイルバネ５０に変形部１２０を付勢させることができる。
【００８１】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００８２】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、アクチュエータの一例として、静電アクチュエータ１（１００）を示したが、本発明はこれに限らず、圧電アクチュエータなどの他のアクチュエータにも適用可能である。
【００８３】
また、上記第１および第２実施形態では、静電アクチュエータ１（１００）の圧縮コイルバネ５０を変形部２０（１２０）の下面に上端部が接するように配置した例を示したが、本発明はこれに限らず、図８および図９に示す第１変形例の静電アクチュエータ２００のように、シート部材３０（１３０）（図３および図６参考）を設けずに、変形部２０の上面の中央部に下端部が固定された引張コイルバネ２５０と、引張コイルバネ２５０の上端部を固定する梁材２６０とを備えるように構成してもよい。この際、図８に示すように、上部電極２１および下部電極２２に電圧が印加されていない状態において、引張コイルバネ２５０により変形部２０の中央部に対して上方向（Ｚ１方向）に向かって付勢力が加えられるように、引張コイルバネ２５０は、予め引っ張られた状態で、変形部２０の上面および梁材２６０に両端部がそれぞれ固定されている。このように構成することによって、図９に示すように、上部電極２１および下部電極２２に所定の電圧を印加した際に、引っ張られていた引張コイルバネ２５０の引っ張られていた長さが小さくなることにより、中央部が予め上方向に凸形状に変形していた変形部２０を、凸形状の高さが大きくなるように上方向により変位させることが可能である。
【００８４】
また、上記第１、第２実施形態および第１変形例では、バネ部材の一例として、圧縮コイルバネ５０および引張コイルバネ２５０を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、図１０〜図１２に示す第２変形例の静電アクチュエータ３００のように、バネ部材として板バネ３５０を用いるように構成してもよい。第２変形例では、図１１に示すように、板バネ３５０の下部は、枠部材１０のＸ１側において、枠部材１０の下枠部材１２と基板４０とに挟まれることによって固定されているとともに、変形部２０の下面に板バネ３５０の上部が接するように配置されている。また、板バネ３５０は、変形部２０に対して上方向（Ｚ１方向）に向かって付勢力を加えるように予め押圧された状態で配置されることによって、変形部２０の中央部を予め上方向に凸形状に変形させている。このように構成することによって、図１２に示すように、上部電極２１および下部電極２２に所定の電圧を印加した際に、中央部が予め上方向に凸形状に変形していた変形部２０を凸形状の高さが大きくなるように上方向に変位させることが可能である。また、バネ部材として、板バネの他に皿バネなどを用いてもよい。
【００８５】
また、上記第２実施形態では、バネ受部材１２４の上面および下面が、それぞれ、平坦面状になるように構成されている例を示したが、本発明はこれに限らず、バネ受部材の下面が平坦面状になるように構成されていれば、バネ受部材の上面が平坦面状でなくてもよい。また、上部電極、下部電極およびエラストマ層が変形した場合においても、変形部のばね部材と接触する部分が平坦面状を維持可能であれば、別途バネ受部材を設けなくてもよい。
【００８６】
また、上記第１および第２実施形態では、枠部材１０（１１０）（側壁部）を平面的に見て略正方形（略円形）の開口部を有するように構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、側壁部の平面的な形状は特に限定されない。また、側壁部は、変形部の側部を固定していれば、変形部を引き伸ばすように固定しなくてもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１、１００、２００、３００  静電アクチュエータ（アクチュエータ）
１０、１１０  枠部材（側壁部）
２０、１２０  変形部
２１、１２１  上部電極（電極）
２２、１２２  下部電極（電極）
２３、１２３  エラストマ層（変形層）
５０  圧縮コイルバネ（バネ部材）
１２４  バネ受部材（平坦面部）
２５０  引張コイルバネ（バネ部材）
３５０  板バネ（バネ部材）
【図１】
2010268643.tif 000014
【図２】
2010268643.tif 000015
【図３】
2010268643.tif 000016
【図４】
2010268643.tif 000017
【図５】
2010268643.tif 000018
【図６】
2010268643.tif 000019
【図７】
2010268643.tif 000020
【図８】
2010268643.tif 000021
【図９】
2010268643.tif 000022
【図１０】
2010268643.tif 000023
【図１１】
2010268643.tif 000024
【図１２】
2010268643.tif 000025