(57)【要約】【課題】初動時に大きな推力を得ることができるアクチュエータを提供する。【解決手段】絶縁体中に、導電体による複数の電極１２を所定の間隔で配置し、前記複数の電極１２は、極性の異なる電荷を、交互に帯電する移動子２および固定子３を有し、少なくとも、前記移動子２における絶縁体は、圧電セラミックス１１であることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体中に、導電体による複数の電極を所定の間隔で配置し、
前記複数の電極は、極性の異なる電荷を、交互に帯電する移動子および固定子を有してなるアクチュエータであって、
少なくとも、前記移動子における絶縁体は、圧電素子であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記電極は、前記移動子および前記固定子の対向面に対する法線方向に、前記絶縁体を貫いていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電素子における圧電定数は、１００ｐｍ／Ｖ以上であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記電極に、電荷を帯電させる電源は、多相交流電源であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアクチュエータにおける前記移動子の移動距離を計測する移動距離算出システムであって、
前記アクチュエータと、
前記アクチュエータへ、入力する電圧である入力電圧を測定する入力電圧計測手段と、
前記アクチュエータの移動子が移動することによって、圧電素子に生じる起電力と、前記入力電圧との合計値である駆動電圧を測定する駆動電圧測定手段と、
前記入力電圧と、前記駆動電圧との差分を算出する差分算出手段と、
当該差分を基に、前記移動子の移動距離を算出する移動距離算出手段とを有してなることを特徴とする移動距離算出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータおよび移動距離算出システムの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、フィルム状の絶縁体層および抵抗体層からなる移動子とを有する静電アクチュエータが提示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、セラミック誘電体を用いて構成された静電アクチュエータも提示されている（例えば、特許文献２，３参照）。
【０００３】
図１４は、特許文献１に記載の静電アクチュエータの動作原理を示す図である。
特許文献１の静電アクチュエータ１００は、移動子１０１および固定子１０２からなる。移動子１０１および固定子１０２のそれぞれは、絶縁体のフィルム（絶縁フィルム１０３）中に、帯状電極１０４（１０４ａ〜１０４ｈ）が埋め込まれた構造となっている。そして、移動子１０１および固定子１０２の間は、絶縁液体１０６によって満たされている。そして、それぞれの帯状電極１０４に電源１０５から電圧が加えられることにより、各帯状電極１０４は、＋ｑ［Ｃ］もしくは−ｑ［Ｃ］に帯電する。このとき、移動子１０１内の帯状電極１０４ａ〜ｄおよび固定子１０２内の帯状電極１０４ｅ〜１０４ｈには、＋ｑ［Ｃ］および−ｑ［Ｃ］の電荷が交互に帯電されるようにする。すなわち、となり合う帯状電極１０４は、極性の異なる電荷を帯電する。
【０００４】
例えば、＋ｑ［Ｃ］に帯電している帯状電極１０４ａと、＋ｑ［Ｃ］に帯電している帯状電極１０４ｅとの間には、斥力が働く。そして、帯状電極１０４ａと、固定子１０２内において帯状電極１０４ｆとの間には、引力が働く。さらに、−ｑ［Ｃ］に帯電している帯状電極１０４ｂと、帯状電極１０４ｆとの間には、斥力が働く。そして、帯状電極１０４ｂと、＋ｑ［Ｃ］に帯電している帯状電極１０４ｇとの間には、引力が働く。他の帯状電極１０４においても、同様の力が働き、全体として図１３に向かって右方向の推力が移動子１０１に働き、移動子１０１は、この方向へ移動する。推力の値は、移動子１０１におけるすべての帯状電極１０４にはたらく斥力と引力との合計値である。
【特許文献１】特開平２−２８５９７８号公報（第１図および第２図）
【特許文献２】特開平５−９１７６１号公報（請求項３）
【特許文献３】特開２００１−１７８１５３号公報（請求項１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一般に、静電アクチュエータの推力を増加させるためには、電極の静電容量を多くすることが必要である。
次に、図１４および図１５を参照しつつ、特許文献１の静電アクチュエータの課題を説明する。
特許文献１の静電アクチュエータ１００で、推力を増加させるために帯状電極１０４の面積を増加させるためには、静電アクチュエータ１００の面方向に帯状電極１０４を広げる必要がある。ここで、面方向とは、移動子１０１と固定子１０２とが重畳している方向を、３次元座標におけるＺ軸方向としたときの、ＸＹ平面のことである。しかしながら、帯状電極１０４間は、一定の間隔で配置しなければならないため、帯状電極の面方向への拡張には限界があり、単位長さあたりの十分な推力を得ることが困難である。
また、厚さ方向（前記したＺ軸方向）に帯状電極１０４の厚みを増すことで、静電容量の増加を図っても、特許文献１に記載の静電アクチュエータ１００は、フィルム状の構造を有しているため、帯状電極１０４の厚みを増すことは不可能である。
【０００６】
また、一般に、静止している物体を動かすとき（初動時）には、運動している物体を運動させるより大きな力を必要とする。
これに対し、特許文献１に記載の静電アクチュエータは、前記した理由から、初動時に十分な推力を得ることができないといった問題がある。
特に、図１４に示すように、一般に静電アクチュエータ１００の移動子１０１および固定子１０２の間は、絶縁液体１０６で満たされていることが多い。しかしながら、移動子１０１および固定子１０２との間を絶縁液体１０６で満たすと、移動子１０１および固定子１０２の間を空気で満たした場合より、摩擦力が大きくなり、大きな推力を必要とする。特に、初動時における摩擦力が、空気で満たされている場合より大きくなるため、初動時に、特に大きな推力を必要とする。
また、特許文献１に記載の静電アクチュエータ１００において、大きな推力を得るための方法として、図１４に示すような移動子１０１および固定子１０２を、上下方向に複数積層する方法がある。しかしながら、これに伴って積層された静電アクチュエータ１００が巨大化し、重量が増加してしまうといった問題がある。
【０００７】
図１５は、特許文献１に記載の静電アクチュエータの課題を説明するための図である。
図１５において、図１４と同様の要素に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。
さらに、特許文献１に記載の静電アクチュエータは、フィルム状の構造を有しているため、移動子１０１に推力がかかると、図１５に示すように容易にたわんでしまう。このように、移動子１０１がたわんでしまうと、帯状電極１０４間の距離が変化してしまい、静電アクチュエータの駆動が不可能となってしまう。
このように、特許文献１に示すような静電アクチュエータ１００は、全体として柔らかい構造を有しているため、この静電アクチュエータ１００を使用する際には、周囲をフレームで囲って、強度を補強する必要がある。しかしながら、このようなフレームによって、重量が増加してしまうという問題がある。
【０００８】
特許文献２および特許文献３に記載の静電アクチュエータにおいても、初動時における十分な推力を得ることができないといった問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、初動時に大きな推力を得ることができるアクチュエータおよびアクチュエータにおける移動子の移動距離を算出する移動距離算出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、絶縁体中に、導電体による複数の電極を所定の間隔で配置し、前記複数の電極は、極性の異なる電荷を、交互に帯電する移動子および固定子を有し、少なくとも、前記移動子における絶縁体は、圧電素子であることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、圧電素子の伸張力を初動時における推力とすることができ、初動時に大きな推力を得ることが可能となる。
【００１２】
また、請求項２に係る発明によれば、前記電極は、前記移動子および前記固定子の対向面に対して、垂直な方向に前記絶縁体を貫いていることと特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明は、有効断面積を大きくすることができ、電極に帯電する電荷量を増加させることができるため、初動時以外の推力を大きくすることができる。
【００１４】
そして、請求項３に係る発明は、前記圧電素子における圧電定数は、１００ｐｍ／Ｖ以上であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明によれば、圧電素子による伸張力を、一定の値以上に保つことができる。
【００１６】
さらに、請求項４に係る発明は、前記電極に、電荷を帯電させる電源は、多相交流電源であることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る発明によれば、移動子の移動に伴って、電極間の斥力と、引力とが、逆転することによって、推力がマイナス、すなわち推力が進行方向に対して、逆向きとなるような状況になっても、電極に帯電している電荷の極性を反転させることで、常に推力をプラスに保つことができる。
【００１８】
そして、請求項５に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアクチュエータにおける移動子の移動距離を計測する移動距離算出システムであって、前記アクチュエータと、前記アクチュエータへ、入力する電圧である入力電圧を測定する入力電圧測定手段と、前記アクチュエータの移動子が移動することによって、圧電素子に生じる起電力と、前記入力電圧との合計値である駆動電圧を測定する駆動電圧測定手段と、前記入力電圧と、前記駆動電圧との差分を算出する差分算出手段と、当該差分を基に、前記移動子の移動距離を算出する移動距離算出手段とを有してなることを特徴とする。
【００１９】
請求項５に係る発明によれば、駆動電圧と、入力電圧との差分を基に、移動子の移動距離を算出可能であるため、アクチュエータの移動距離を計測する装置を省略することで、システム全体を小型にでき、アクチュエータにおける最適な制御を容易にすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、初動時に大きな推力を得ることができるアクチュエータおよびアクチュエータにおける移動子の移動距離を算出する移動距離算出システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明を実施するための最良の形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
（全体構造）
図１は、本実施形態に係るアクチュエータの模式的な構造を示す斜視図である。
アクチュエータ１は、移動子２（第１の部材）、固定子３（第２の部材）および固定部４ａ，４ｂを有してなる。
移動子２は、固定部４ａに一体的に固定されており、固定子３は、固定部４ｂに一体的固定されている。
アクチュエータ１は、複数の移動子２および固定子３が積層された構造となっており、各移動子２間および各固定子３間は、所定の間隔で配置されている。ここで、所定の間隔とは、移動子２または固定子３の厚みより、若干大きい値であり、各移動子２は、固定子３と固定子３との間に嵌合可能となっている。
移動子２および固定子３には、所定の間隔で、図示しない電源により電荷を帯電する電極１２が配置されている。移動子２および固定子３の構造の詳細は、図２を参照して後記する。
なお、図１に示すように、３次元座標を定義すると、移動子２は、Ｘ軸方向に移動可能となっている。以降、このＸ軸方向を、移動方向と記述することとする。
なお、図１におけるドット部分についての説明は後記する。
【００２３】
（移動子および固定子の構造）
次に、図２を参照して、移動子２および固定子３の詳細な構造を説明する。
図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図における移動子および固定子の構造を示す模式図である。
移動子２および固定子３は、圧電セラミックス１１（圧電素子）と、電極１２とが、移動方向に対して、交互に配置された構造となっている。本実施形態では、電極１２の中心と、隣の電極１２の中心との間をピッチと記述することとする。移動子２および固定子３におけるピッチは、同じ値であることが望ましい。
電極１２は、移動子２または固定子３を上下方向（図１におけるＺ軸方向）に貫いている。
そして、移動子２および固定子３の間は、絶縁液体１３で満たされている。
なお、移動子２が静止しているときでの、移動子２の電極１２および固定子３の電極１２の相対的な位置関係は、特に規定するものではないが、一方の電極１２の中心が、他方のピッチの中心に位置することが望ましい。
【００２４】
ここで、圧電セラミックス１１の特性を示す数値として、圧電定数［ｐｍ／Ｖ］がある。圧電定数は、単位ボルトあたりにおける圧電セラミックス１１の変形率で表される数値である。
圧電セラミックス１１の材料種ごとの圧電定数が、表１に示されている。なお、本実施形態に用いられる圧電セラミックス１１の圧電定数は、１００［ｐｍ／Ｖ］以上であることが好ましい。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
（作用１）
次に、図２を参照しつつ、図３に沿って、本実施形態に係るアクチュエータ１の第１の作用を説明する。
第１の作用によって、本実施形態に係るアクチュエータ１は、初動時に大きな推力を生じる効果を得ることができる。
図３は、本実施形態に係るアクチュエータの第１の作用を説明するための図である。
図２で説明したように移動子２を構成し、少なくとも両端を電極１２で挟まれた圧電セラミックス１１が伸張するように、図示しない電源で当該圧電セラミックス１１の両側の電極１２に電圧を加える。例えば、両端を電極１２ａ，１２ｂで挟まれている圧電セラミックス１１ｂを、伸張するように、電極１２ａ，１２ｂに電圧を加える。すると、圧電セラミックス１１ｂは、矢印３０１方向に伸長する。伸長した圧電セラミックス１１ｂは、圧電セラミックス１１ａを固定部４ｂに向けて、押し付ける。圧電セラミックス１１ａは、両端を電極１２で挟まれていないので、伸張も伸縮もしない。従って、圧電セラミックス１１ａは、固定部４ｂを矢印３０２の方向に押す。このとき、移動子２と、固定部４ｂとの間に働く力３０２の反作用により、移動子２には、矢印３０３方向の推力が生じる。
この矢印３０３方向の推力が、初動時の推力となる。この推力は、図４で後記する電極１２の間に働く静電気力による推力が算されることによって、絶縁液体１３との間の摩擦力を上回る。このため、アクチュエータ１は、初動時に大きな推力を得ることが可能となる。
【００２７】
（作用２）
次に、図２を参照しつつ、図４および図５に沿って、本実施形態に係るアクチュエータ１の第２の作用を説明する。
第２の作用によって、本実施形態に係るアクチュエータ１は、初動時以外でも大きな推力を生じる効果を得ることができる。
図４は、本実施形態に係るアクチュエータの作用を説明するための図である。
図１４と同様に、隣接する複数の電極１２（１２ａ〜１２ｈ）に対し、極性の異なる電圧が電源によって交互に加えられることにより、各電極１２は、＋ｑ［Ｃ］もしくは−ｑ［Ｃ］の電荷が交互に帯電する。すなわち、となり合う電極１２は、極性の異なる電荷を帯電する。
【００２８】
例えば、＋ｑ［Ｃ］に帯電している電極１２ａと、＋ｑ［Ｃ］に帯電している電極１２ｅとの間には、斥力が働く。そして、電極１２ａと、−ｑ［Ｃ］に帯電している電極１２ｆとの間には、引力が働く。さらに、−ｑ［Ｃ］に帯電している電極１２ｂと、電極１２ｆとの間には、斥力が働く。そして、電極１２ｂと、＋ｑ［Ｃ］に帯電している電極１２ｇとの間には、引力が働く。電極１２ｃ、１２ｄにおいても、同様の力が働き、全体として矢印４０１の方向の推力が移動子２に働き、移動子２は、この方向へ移動する。
【００２９】
なお、本実施形態では、各電極１２に加える電圧を一定としたが、例えば、移動子２の電極１２ａ〜１２ｄと、固定子３の電極１２ｅ〜１２ｈに加える電圧を変えてもよい。この場合、移動子２の電極１２ａ〜１２ｄに帯電する電荷量と、固定子３の電極１２ｅ〜１２ｈに帯電する電荷量とは、異なる値となる。
また、本実施形態では、移動子２および固定子３に加える電圧は、直流電圧を想定しているが、これに限らず、単相交流電圧や、３相交流電圧などの多相交流電圧を加えてもよい。
【００３０】
ここで、各電極１２に帯電する電荷量は、電極１２の面積（有効断面積）に比例する。推力は、各電極１２に帯電する電荷量に依存するため、アクチュエータ１の推力を増加させるためには、電極１２の有効断面積を増加することが必要である。
【００３１】
次に、図２を参照しつつ、図５に沿って、本実施形態に係るアクチュエータ１と、特許文献１および特許文献２における静電アクチュエータとの比較を示す。
図５は、本実施形態に係るアクチュエータと、比較例としての特許文献１および特許文献２に記載の静電アクチュエータとの比較を示す図であり、（ａ）は、本実施形態に係るアクチュエータ、（ｂ）は、比較例としての特許文献１に記載の静電アクチュエータ、（ｃ）は、比較例としての特許文献２に記載の静電アクチュエータを示す図である。
図５（ｂ）に示すように、特許文献１に記載の静電アクチュエータにおける移動子または固定子５０１は、絶縁フィルム５０２と、この絶縁フィルム５０２に埋め込まれている電極５０３とからなる。
そして、図５（ｃ）に示すように、特許文献２に記載の静電アクチュエータにおける移動子または固定子５０４は、絶縁フィルム５０７上のセラミック誘電体５０５と、このセラミック誘電体５０５に埋め込まれている電極５０６とからなる。
【００３２】
図５（ａ）に示すように、本実施形態に係るアクチュエータ１の電極１２の有効断面積をＳ０とする。そして、図５（ｂ）に示すように、特許文献１に記載の静電アクチュエータの電極５０３の有効断面積をＳ１とし、図５（ｃ）に示すように、特許文献２に記載の静電アクチュエータの電極５０４の有効断面積をＳ２とする。ここで、Ｓ０，Ｓ１およびＳ２の関係は、Ｓ０＞Ｓ１，Ｓ２となる。従って、本実施形態に係るアクチュエータ１は、特許文献１および特許文献２に記載の静電アクチュエータよりも、電極１２の有効断面積を大きくとることが可能となる。従って、本実施形態に係るアクチュエータ１は、初動時以外でも、特許文献１および特許文献２に記載の静電アクチュエータより大きな推力を得ることができる。
【００３３】
さらに、特許文献１などに記載の静電アクチュエータにおいて電極の面積を大きくする場合には、前記したように移動子および固定子の面方向（すなわち、図１におけるＸＹ方向）に伸展させる必要がある。そのため、各帯状電極間のピッチの長さを短くすることは、困難である。
しかしながら、本実施形態に係るアクチュエータ１では、電極１２が、移動子２または固定子３を上下方向に貫いた構造となっている、すなわち移動方向（図１におけるＸ軸方向）に関しては、電極１２同士を近づけても、電極１２間に圧電セラミックス１１が存在するため電極１２同士が接触することがない。そのため、ピッチを狭くすることが容易にできる。これにより、特許文献１などの静電アクチュエータよりも、多くの電極１２を配置することができ、結果として大きな推力を得ることが可能となる。
【００３４】
次に、図２を参照しつつ、図６および図７に沿って、本実施形態に係るアクチュエータ１の第１の作用および第２の作用を示す実験を説明する。
図６は、本実施形態に係るアクチュエータの作用を調べるための実験システムの構成を示す図である。
実験システム６０１は、アクチュエータ１を挿入可能な容器６０２、アクチュエータ１の基部（固定部４ｂ）を固定するロードセル台６０３、荷重伝達ジグ６０４を介して伝えられる力（移動子２（固定部４ａ）が荷重伝達ジグ６０４を押し上げる力）（すなわち、推力：図６における矢印）を計測するロードセル６０５、レーザ変位計６０６およびアクチュエータ１の各電極１２に電圧を加える電源（図示せず）を有してなる。
レーザ変位計６０６は、レーザ光を発し、ミラー６０７を利用することによって、荷重伝達ジグ６０４の支台６０４ａの端面に、レーザ光を照射する。そして、荷重伝達ジグ６０４の支台６０４ａの端面において反射したレーザ光は、ミラー６０７を介することによって、レーザ変位計６０６に戻る。発したレーザ光の位相と、受光したレーザ光の位相とを比較することによって、レーザ変位計６０６は、移動子２の移動距離（ｓ：実際には、荷重伝達ジグ６０４の支台６０４ａの移動距離）を計測する。
【００３５】
この実験では、本実施形態に示すアクチュエータ１と、比較例として特許文献１に記載の静電アクチュエータとを、図６に示す実験システム６０１に適用することにより、本実施形態と比較例との初動時の推力の違いと、初動時以外（定格推力領域）の推力の違いとを調べる。
この実験で使用した本実施形態のアクチュエータ１と、比較例の静電アクチュエータとのスペック表を表２に示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
表２において、「定格推力」は、定格推力領域における推力である。「初動推力」は、初動時における推力である。「移動距離」は、移動子２が移動した距離である。「出力」は、定格推力に移動距離を乗算した値である。「電極ピッチ」は、電極１２間の距離であり、有効電極面積とは、固定子と移動子の作動状態も含めたＸＹ平面での最小重なり面積である（図１のドット部分）。「積層数」は、移動子２または固定子３の上下方向（図１におけるＺ軸方向）の積層数である。「主な素材」は、アクチュエータ１を構成する主な素材であり、本実施形態では、圧電セラミックス１１にチタン酸バリウム、電極１２に、ニッケルを適用していることを示す。また、比較例では、絶縁フィルムに、ＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）を使用し、帯状電極には、銅を用いていることを示す。駆動電圧は、アクチュエータ１を駆動するための入力電圧と、移動子２が移動することによって圧電セラミックス１１より生じた起電力を加算した電圧である。なお、比較例において、駆動電圧は、入力電圧と等しくなる。
【００３８】
次に、図６を参照しつつ、図７に沿って、実験システム１による実験の結果を説明する。
図７は、図６に示す実験システムによる実験の結果を示すグラフである。
図７に示すグラフにおいて、横軸は、図６のレーザ変位計６０６が計測した移動子２の移動距離を示し、縦軸は、ロードセル６０５が計測した移動子２が荷重伝達ジグ６０５を押し上げる力（推力）を示す。
また、図７において、実線７０１は、本実施形態に係るアクチュエータ１の実験結果を示し、破線７０２は、比較例における静電アクチュエータの実験結果を示す。
図７において、明らかなように定格推力領域７０３では、本実施形態に係るアクチュエータ１の方が、比較例における静電アクチュエータよりも大きな推力を出力していることがわかる。
また、比較例における静電アクチュエータの初動領域７０４での推力が、定格推力領域７０３と変わらない値を示しているのに対し、本実施形態のアクチュエータ１では、定格推力領域７０３より大きな推力を示している。すなわち、本実施形態のアクチュエータ１では、初動時に大きな推力を出力していることが分かる。
【００３９】
（作用３）
次に、図２を参照しつつ、図８〜図１０を参照して、本実施形態に係るアクチュエータ１の第３の作用を説明する。
第３の作用によって、本実施形態に係るアクチュエータ１は、移動子２の移動距離を計測する位置センサとしての効果を得ることができる。
図８は、本実施形態に係るアクチュエータの第３の作用を説明するための図である。
なお、図８において、図４と同様の要素については、同様の名称および符号を付し、説明を省略する。
前記したように、定格推力領域において、移動子２の推力は、移動子２内の電極１２と、固定子３内の電極１２との間に働く斥力および引力の合計値となる。
ところで、移動子２内の電極１２と、固定子３内の電極１２の相対的な位置は、移動子２の移動に伴って変化するため、推力（ｆ）の値も移動子２の移動に伴って変化する。すなわち、図８に示す移動子２の移動距離（ｌ）の値に依存して、推力（ｆ）も変化する。なお、ここで、移動距離（ｌ）は、固定子３の電極１２の中心と、移動子２の電極１２の中心との距離である。
【００４０】
図９は、移動子の移動距離と、推力との関係を示すグラフである。
図９に示すグラフにおいて、横軸は、移動距離（ｌ）を示し、縦軸は、移動子２に生じる推力（ｆ）を示す。
なお、図９において、ピッチの長さをＴとした。
図９に示すように、移動距離（ｌ）が、０のとき、推力（ｆ）は、０となる。その後、移動子２の移動に伴って推力（ｆ）は、徐々に増していく。そして、移動距離（ｌ）が、Ｔ／２となったとき、すなわち、移動子２内の電極１２の中心が、固定子３内の電極１２と電極１２との間の中心に位置するとき、最も大きな推力（Ｆｍａｘ）を生じる。移動距離（ｌ）が、Ｔ／２を過ぎると、徐々に推力（ｆ）が減衰する。移動距離（ｌ）が、Ｔとなったとき、すなわち移動子２内の電極１２の中心と、固定子３内の電極１２の中心とが、厚さ方向（図１におけるＺ方向）に対して、再び重なったとき、推力（ｆ）は再び０となる。
【００４１】
なお、移動距離が、Ｔを超えると、推力がマイナスとなってしまう。しかし、移動子３に入力する電源として３相交流電源などの多相交流電源を用いて、移動距離がＴに達した瞬間に、電極１２に帯電している電荷の極性を逆転させることによって、常に推力をプラスの状態に保つことが可能である。なお、このときの多相交流電源の周期は、電極１２がピッチを通る時間の２倍であることが好ましい。
【００４２】
図１０の（ａ）は、アクチュエータの推力と、圧電セラミックスの起電力との関係を示す図であり、（ｂ）は、移動子の移動距離と、圧電セラミックスの起電力との関係を示す図である。
移動子２が、移動すると、移動子２が固定部４ａに押し付けられる状態となるため、圧電セラミックス１１の性質により、圧電セラミックス１１の両端に起電力が生じる。この起電力は、圧電セラミックス１１にかかる力に比例する。従って、アクチュエータ１の推力（ｆ）と、圧電セラミックス１１の起電力（Ｖ１）とは、図１０（ａ）に示すように、比例の関係となる。
なお、アクチュエータ１の起電力（Ｖ１）は、アクチュエータ１の駆動電圧（入力電圧に、圧電セラミックス１１の変形によって生じる起電力（Ｖ１）を加えたもの）から、入力電圧を減算することによって算出する。
【００４３】
図１１は、本実施形態に係る移動距離算出システムの例を示すブロック図である。
移動距離算出システムは、移動距離算出手段１１０１と、差分算出手段１１０２と、駆動電圧計測手段１１０３と、入力電圧計測手段１１０４と、アクチュエータ１とからなる。
入力電圧計測手段１１０４は、アクチュエータ１に入力される入力電圧を計測する機能を有する。駆動電圧計測手段１１０３は、アクチュエータ１の駆動電圧を測定する機能を有する。差分算出手段１１０２は、駆動電圧と、入力電圧との差分を算出する機能を有する。
移動距離算出手段１１０１は、図１０（ｂ）に示すようなグラフを記憶しておき、差分算出手段１１０２が算出した差分の値と、当該グラフとを比較することによって、移動子２の移動距離を算出する機能を有する。
【００４４】
圧電セラミックス１１の起電力（Ｖ１）の測定は、具体的には、例えば、以下のようにして行う。
まず、図８におけるＢ点とＣ点との電位差を測るための電圧計（図示せず）を設置する。ここで、図８におけるＤ点をグラウンド（図示せず）の電位とする。
移動子２が移動することによって、移動子２と一体的に接続している固定部４ａに移動子２が押し付けられると、移動子２の圧電セラミックス１１に歪みが生じる。その結果、移動子２の圧電セラミックス１１の圧電作用によって電極１２に電荷が生じる。生じた電荷は、圧電セラミックス１１の両側の電極１２を介して、電極１２と電源とを接続している接続線に流れ込む。これによって、Ｂ点の電位が変化する。移動子２の電極１２に接続している電源と、固定子３に接続している電源との起電力が同じ値であれば、このときのＢ−Ｄ間の電位差は、駆動電圧となっており、Ｃ−Ｄ間の電位差は、入力電圧となっている。従って、電圧計には、Ｂ−Ｃ間の電位差の変化が現れる。すなわち、電圧計には、Ｂ−Ｄ間の電位差（駆動電圧）から、Ｃ−Ｄ間の電位差（入力電圧）を減算した電位差が現れている。そして、例えば、図１０（ｂ）のようなグラフを記憶しているコンピュータ（図示せず）が、この電圧計の数値を取得し、当該グラフと比較することによって、移動距離を算出する。
移動子２と固定子３とに接続されている電源の起電力が異なる場合でも、例えば、以下のようにしてアクチュエータの起電力を測定することが可能となる。すなわち、図示しないコンピュータが、Ｂ−Ｄ間およびＣ−Ｄ間の入力電圧の差を記憶しておき、電圧計において変動している電圧値から、記憶しておいたＢ−Ｄ間およびＣ−Ｄ間の入力電圧の差を減算することで、アクチュエータの起電力、すなわち駆動電圧から入力電圧を減算した値を測定することが可能となる。
【００４５】
なお、この例では、図８のＢ点と、Ｃ点に接続されている電圧計が、図１１における入力電圧計測手段１１０４、駆動電圧計測手段１１０３および差分算出手段１１０２に相当し、コンピュータが、移動距離算出手段に相当することとなる。
【００４６】
このような移動距離算出システムによれば、駆動電圧と、入力電圧との差分を基に、移動子の移動距離を算出可能であるため、アクチュエータの移動距離を計測する装置を省略することで、システム全体を小型にでき、アクチュエータにおける最適な制御を容易にすることができる。
【００４７】
（具体例）
次に、図１２を参照して、本実施形態におけるアクチュエータ１の具体例を示す。
図１２は、本実施形態に係るアクチュエータの具体例を示す斜視図である。
アクチュエータ１’は、移動子２’、固定子３’および固定部４ａ’，４ｂ’を有してなる。
移動子２’は、固定部４ａ’に一体的に固定されており、固定子３’は、固定部４ｂ’に一体的に固定されている。
アクチュエータ１’は、複数の移動子２’および固定子３’が積層された構造となっており、各移動子２’間および各固定子３’間は、所定の間隔で配置されている。ここで、所定の間隔とは、移動子２’または固定子３’の厚みより、若干大きい値となっており、各移動子２’は、固定子３’と固定子３’との間に嵌合可能となっている。移動子２’と、固定子３’との間には、間隙が形成されており、この間隙は、絶縁液体（図示せず）で満たされている。
移動子２’および固定子３’の両側面には、Ａｇペーストなどの電極膜６’が塗布されており（図１１ではドットで表現）、電源５’から伸びるリード線は、この電極膜６’に接続している。
電極１２’は、移動子２’および固定子３’の上下方向（Ｚ軸方向）に貫通している。そして、電極１２’は、移動子２’および固定子３’の一方の側面の一端から、他方の側面の一端の手前まで形成される。すなわち、電極１２’は、一方の電極膜６’に接しているが、他方の電極膜６’には接しないよう形成される。そして、一方の電極膜６’に接している電極１２’と、他方の電極膜６’に接している電極１２’とは、交互に配置される。
電源５’によって、移動子２’の一方の電極膜６’に＋の電圧が加えられ、他方の電極膜６’に−の電圧が加えられることによって、それぞれの電極１２’に極性の異なる電荷が交互に帯電する。固定子３’も同様の方法によって、それぞれの電極１２’に極性の異なる電荷が交互に帯電する。
【００４８】
なお、図１１に示すアクチュエータ１’は、実際には、図示しないガイドケースに覆われている。そして、このガイドケースの中は、図示しない絶縁液体で満たされている。すなわち、アクチュエータ１’の周囲および移動子２’と固定子３’の間は、絶縁液体で満たされている。
【００４９】
（製造方法）
図１３は、本実施形態に係るアクチュエータの製造方法を示す図である。
なお、図１３で示す製造方法で製造されるアクチュエータは、図１３で示すアクチュエータ１’であることを前提とする。
まず、原料粉１３０１、溶剤１３０２およびバインダ１３０３が、ボールミル１３０４に投入される。そして、投入された原料粉１３０１が、ボールミル１３０４によって粉砕されると同時に、原料粉１３０１とバインダ１３０３とが均一化され、スラリが作成される（Ｓ１）。ボールミル１３０４に投入される物質としては、例えば、原料粉１３０１は、チタン酸バリウム粉５０ｍｏｌ％、溶剤１３０２は、メチルアルコールなどのアルコール系溶剤４５ｍｏｌ％、およびバインダ１３０３は、ＰＶＢ（poly vinyl butyral）バインダ５ｍｏｌ％などが用いられる。
次に、粉砕された原料粉１３０１およびバインダ１３０３などが、セラミックシート成型機１３０５に投入されることによって、圧電セラミックスシート１３０６が成型される（Ｓ２）。成型される圧電セラミックスシート１３０６は、幅が１５０ｍｍで、厚さが１５μｍであることが望ましい。
そして、フォトエッチングなどにより、ニッケルなどで構成された電極１３０７が、成型された圧電セラミックスシート１３０６上に印刷されることによって、電極１３０７が形成される（Ｓ３）。具体的には、ステップＳ２で成型された圧電セラミックスシート１３０６を、裁断機などで、１５０ｍｍ角に裁断した後、スクリーン印刷機（図示せず）で、ニッケル電極ペーストを３μｍの厚みで塗布することが望ましい。また、このとき、圧電セラミックスシート１３０６の１枚から後記する素子１３０８が、２５個取得できるようにすることが望ましい。
次に、ステップＳ３で電極１３０７が形成された圧電セラミックスシート１３０６が、複数積層され、圧着機（図示せず）などによって、熱を加えられながら上下方向より力を加えられることによって、圧着が行われる（Ｓ４）。具体的には、ステップＳ３で形成された圧電セラミックスシート１３０６を、５００シート積層し、２００℃の雰囲気下で、圧電セラミックスシート層の上下方向から２ｔの荷重をかけることで行われることが望ましい。
【００５０】
そして、ステップＳ４で圧着された圧電セラミックスシート層が、裁断機（図示せず）などによって、適度な大きさに切断される（Ｓ５）。裁断された圧電セラミックスシート層の１つ１つを素子１３０８と記述することとする。このとき、次の焼成による収縮したときに、アクチュエータ１の大きさとなるよう、圧電セラミックスシート層は裁断される。具体的には、前記したように、ステップＳ４で圧着された１つの圧電セラミックスシート層から、２５個の素子１３０８が生成されるよう裁断することが望ましい。
続いて、切断された素子１３０９が、焼成炉に投入され、バインダ１３０３を分解した（脱バインダ）後、加熱されることで、焼成が行われる（Ｓ６）。焼成が行われた素子１３０８は、焼結し、収縮して、素子１３０９となる。具体的には、脱バインダは、３００〜６００℃の雰囲気下で７２時間、本焼成としての加熱は、１１００℃〜１３００℃の雰囲気下で２４時間行われることが望ましい。
【００５１】
次に、焼結した素子１３０９は、スリット１３１０を形成される（Ｓ７）。このスリット１３０１に、移動子２および固定子３が、互いに嵌合する。具体的には、低速スライサ（図示せず）によって、５００μｍのスリット１３１０を数本形成することが望ましい。
そして、スリット１３１０を形成された素子１３０９の側面に、電極膜１３１１が形成され（Ｓ８）、形成された電極膜１３１１にリード線１３１２が接続される。具体的には、Ａｇ（銀）ペーストを当該素子１３０９の側面に塗布し、８００℃の雰囲気下で１時間、Ａｇペーストを焼き付けることで電極膜１３１１を形成することが望ましい。
続いて、ステップＳ８で電極膜１３１１が形成された素子１３０９を、電気分極機（図示せず）に投入し、当該素子１３０９の電気分極を行う（Ｓ９）。具体的には、当該素子１３０９に対し、１６０℃の雰囲気下で２００Ｖの直流電圧を３０分印加することが望ましい。
そして、２つの素子１３０９（それぞれ移動子２’および固定子３’に相当）をスリット１３１０に合わせて組み合わせ、別途作製しておいたガイドケース１３１３に挿入することでガイドケーシングが行われる（Ｓ１０）。ガイドケース１３１３には、リード線取出口１３１４が開口しており、ステップＳ８の後で、電極膜１３１１に接続されたリード線１３１２が、ここから取り出される。ガイドケース１３１３に絶縁液体を注入し、ガイドケース１３１３のふたをすることで、本実施形態のアクチュエータ１’が完成する。
【００５２】
また、前記したようにアクチュエータ１（図２参照）の移動子２（図２参照）において、となり合う圧電セラミックス１１の分極状態は、互いに逆方向にする場合がある。
このときは、図１１におけるステップＳ３と、ステップＳ４との間において、ステップＳ３で電極１３０７を形成された圧電セラミックスシート１３０６を、図示しない電気分極機に投入することで、圧電セラミックスシート１３０６を電機分極してもよい。さらに、互いに分極方向が逆方向になるように、ステップＳ４において、電気分極された圧電セラミックスシート１３０６を積層した後、圧着を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施形態に係るアクチュエータの模式的な構造を示す斜視図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図における移動子および固定子の構造を示す模式図である。
【図３】本実施形態に係るアクチュエータの第１の作用を説明するための図である。
【図４】本実施形態に係るアクチュエータの第２の作用を説明するための図である。
【図５】本実施形態に係るアクチュエータと、比較例としての特許文献１および特許文献２に記載の静電アクチュエータとの比較を示す図であり、（ａ）は、本実施形態に係るアクチュエータ、（ｂ）は、比較例としての特許文献１に記載の静電アクチュエータ、（ｃ）は、比較例としての特許文献２に記載の静電アクチュエータを示す図である。
【図６】本実施形態に係るアクチュエータの作用を調べるための実験システムの構成を示す図である。
【図７】図６に示す実験システムによる実験の結果を示すグラフであるである。
【図８】本実施形態に係るアクチュエータの第３の作用を説明するための図である。
【図９】移動子の移動距離と、推力との関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は、アクチュエータの推力と、圧電セラミックスの起電力との関係を示す図であり、（ｂ）は、移動子の移動距離と、圧電セラミックスの起電力との関係を示す図である。
【図１１】本実施形態に係る移動距離算出システムの例を示すブロック図である。
【図１２】本実施形態に係るアクチュエータの具体例を示す斜視図である。
【図１３】本実施形態に係るアクチュエータの製造方法を示す図である。
【図１４】特許文献１に記載の静電アクチュエータの動作原理を示す図である。
【図１５】特許文献１に記載の静電アクチュエータの課題を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５４】
１，１’  アクチュエータ
２，２’  移動子（第１の部材）
３，３’  固定子（第２の部材）
４ａ，４ｂ，４ａ’，４ｂ’  固定部
５’    電源
６’    電極膜
１１    圧電セラミックス（圧電素子）
１２，１２ａ〜１２ｈ，１２’  電極
１３    絶縁液体
１００  静電アクチュエータ
１０１  移動子
１０２  固定子
１０３  絶縁フィルム
１０４，１０４ａ〜１０４ｈ  帯状電極
１０５  電源
１０６  絶縁液体
６０１  実験システム
６０２  容器
６０３  ロードセル台
６０４  荷重伝達ジグ
６０４ａ  支台
６０５  ロードセル
６０６  レーザ変位計
６０７  ミラー
１１０１  移動距離算出手段
１１０２  差分算出手段
１１０３  駆動電圧計測手段
１１０４  入力電圧計測手段
【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】
2008220091.tif 000010
【図７】
2008220091.tif 000011
【図８】
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【図９】
2008220091.tif 000013
【図１０】
2008220091.tif 000014
【図１１】
2008220091.tif 000015
【図１２】
2008220091.tif 000016
【図１３】
2008220091.tif 000017
【図１４】
2008220091.tif 000018
【図１５】
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