(57)【要約】【課題】  多様な形態でアクチュエータ出力を取出せるようにし、応用範囲を広げた波形静電アクチュエータを提供する。【解決手段】  電極がすくなくとも片面が絶縁面で弾性を有する波形の導電シートから成り、その電極の２つまたは２つ以上の複数がすくなくとも片面が絶縁面となるように対向し、それら対向する電極の各波形の位相が互いに１８０度ずれて配置し、それら配置する電極が各波形の近接する部位において接合した構成を有し、導電シートの電極は波形の波長方向において相違する電位を加えることができるように電気的に領域分割されており、その領域分割された電極間における電極間電圧に応じて変化する波形の波長の変化をアクチュエータ出力とするようにした波形静電アクチュエータ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極がすくなくとも片面が絶縁面で弾性を有する波形の導電シートから成り、その電極の２つまたは２つ以上の複数がすくなくとも片面が前記絶縁面となるように対向し、それら対向する電極の各波形の位相が互いに１８０度ずれて配置し、それら配置する電極が前記各波形の近接する部位において接合した構成を有し、電極間電圧に応じて変化する前記波形の波長の変化をアクチュエータ出力とするようにしたことを特徴とする波形静電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載の波形静電アクチュエータにおいて、前記導電シートの電極は前記波形の波長方向において相違する電位を加えることができるように電気的に領域分割されており、その領域分割された電極間における電極間電圧に応じて変化する前記波形の波長の変化をアクチュエータ出力とするようにしたことを特徴とする波形静電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２記載の波形静電アクチュエータにおいて、前記対向する電極における前記弾性の大きさおよび／または前記波形の振幅が相違しており、電極間電圧に応じて変化する前記対向する電極における各波形の波長の変化が異なることにより前記電極が曲がる変化をアクチュエータ出力とするようにしたことを特徴とする波形静電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項３記載の波形静電アクチュエータにおいて、前記電極は３つであって、中央の電極に対して対向する両側の２つの電極における前記弾性の大きさおよび／または前記波形の振幅は、前記中央の電極におけるそれとは相違しており、前記３つの電極間における電極間電圧を変化させることにより前記電極が曲がる変化をアクチュエータ出力とするようにしたことを特徴とする波形静電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は静電力によって駆動される静電アクチュエータの技術分野に属する。特に、電極がすくなくとも片面が絶縁面で弾性を有する波形の導電シートによりなる波形静電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットにおいては電磁力によって駆動される電磁アクチュエータが使用されることが多い。電磁アクチュエータは、一般的には、変位量と発生力がともに大きいという特徴がある。しかし、電磁コイル、強磁性体コア、永久磁石、伝達系、制御系、等の多数のパーツを必要とし、さらに、それらの多数のパーツを組合わせた複雑で精密な構造となっている。そのため、マイクロロボットのように微小化するほどに電磁アクチュエータを使用することが技術的に困難となっている。また人間サイズのロボットであっても、介護ロボットのような用途では、人間の柔らかな筋肉と同様な性質がアクチュエータに求められており、電磁アクチュエータに替わるアクチュエータの出現が待望されている。
【０００３】
電磁力を駆動原理としないアクチュエータとしては、たとえば、静電力によって駆動される静電アクチュエータ、圧電素子に電圧を加えたときの幾何歪によって駆動される圧電アクチュエータ、超音波振動素子（圧電素子）で発生した固体表面の振動を接触面の摩擦力を利用して回転または直線運動に変換する超音波アクチュエータ、形状記憶合金の加熱により記憶形状に戻る力によって駆動される形状記憶アクチュエータ、電解液に浸漬した高分子が加える電圧の極性によりイオンを吸収放出することで伸び縮みする導電性高分子アクチュエータ、等が知られている。中でも、静電アクチュエータについては、発生力が小さいものの小型化、軽量化、高速応答性、柔軟性、等において有利であるとの認識がある。また、発生力についても、静電力を発生する要素の大個数化や大面積化により解決できるとの見方がある。
【０００４】
静電アクチュエータとしては、たとえば、ポリイミドフィルムにより絶縁された波形の金属膜を多層に積層して静電力により伸縮させ、波形の振幅方向にアクチュエータ出力を取出すように構成した分布型静電アクチュエータが知られている（非特許文献１）。
また、波形の対向電極を有する分布型静電アクチュエータと回折格子を、そのアクチュエータが両側から回折格子を支持するようにシリコン基板上に一体で形成し、そのアクチュエータによって回折格子を揺動することにより入射するレーザ光線を偏向する光偏向装置の発明がある（特許文献１）。
【非特許文献１】静電型アクチュエータ、ウェアラブル情報機器の実際、１９９９年８月５日、青山尚之（電気通信大学）著、オプトエレクトロニクス社発行、１８７−１９０頁
【特許文献１】特開平９−９０２５９
【０００５】
しかしながら、この従来の方法においては、アクチュエータ出力は波形の振幅方向にだけ取出せるに過ぎない。そのため、静電型アクチュエータの応用範囲が極めて限定されるか、応用する対象によっては構成が極めて複雑となるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の問題を解決するために成されたものである。その目的は、多様な形態でアクチュエータ出力を取出せるようにし、応用範囲を広げた波形静電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】
【０００７】
本発明の請求項１に係る波形静電アクチュエータは、電極がすくなくとも片面が絶縁面で弾性を有する波形の導電シートから成り、その電極の２つまたは２つ以上の複数がすくなくとも片面が前記絶縁面となるように対向し、それら対向する電極の各波形の位相が互いに１８０度ずれて配置し、それら配置する電極が前記各波形の近接する部位において接合した構成を有し、電極間電圧に応じて変化する前記波形の波長の変化をアクチュエータ出力とするようにしたものである。
また本発明の請求項２に係る波形静電アクチュエータは、請求項１に係る波形静電アクチュエータにおいて、前記導電シートの電極は前記波形の波長方向において相違する電位を加えることができるように電気的に領域分割されており、その領域分割された電極間における電極間電圧に応じて変化する前記波形の波長の変化をアクチュエータ出力とするようにしたものである。
また本発明の請求項３に係る波形静電アクチュエータは、請求項１または２に係る波形静電アクチュエータにおいて、前記対向する電極における前記弾性の大きさおよび／または前記波形の振幅が相違しており、電極間電圧に応じて変化する前記対向する電極における各波形の波長の変化が異なることにより前記電極が曲がる変化をアクチュエータ出力とするようにしたものである。
また本発明の請求項４に係る波形静電アクチュエータは、請求項３に係る波形静電アクチュエータにおいて、前記電極は３つであって、中央の電極に対して対向する両側の２つの電極における前記弾性の大きさおよび／または前記波形の振幅は、前記中央の電極におけるそれとは相違しており、前記３つの電極間における電極間電圧を変化させることにより前記電極が曲がる変化をアクチュエータ出力とするようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の請求項１に係る波形静電アクチュエータによれば、すくなくとも片面が絶縁面で弾性を有する波形の導電シートにより成る電極の電極間電圧に応じて変化する波形の波長の変化がアクチュエータ出力とされるから、従来のものとの比較で応用範囲を広げた波形静電アクチュエータが提供される。
また本発明の請求項２に係る波形静電アクチュエータによれば、導電シートの電極が波形の波長方向において相違する電位を加えることができるように電気的に領域分割されており、その領域分割された電極間における電極間電圧に応じて変化する波形の波長の変化がアクチュエータ出力とされる。したがって、伸縮する領域と伸縮しない領域とを選択して駆動することができ、多様な形態でアクチュエータ出力が取出せる。
また本発明の請求項３に係る波形静電アクチュエータによれば、対向する電極における弾性の大きさおよび／または波形の振幅が相違しており、電極間電圧に応じて変化する対向する電極における各波形の波長の変化が異なることにより電極が曲がる変化がアクチュエータ出力される。したがって、電極が曲がる形態でアクチュエータ出力が取出せる。
また本発明の請求項４に係る波形静電アクチュエータによれば、電極は３つであって、中央の電極に対して対向する両側の２つの電極における弾性の大きさおよび／または波形の振幅が、中央の電極におけるそれとは相違しており、３つの電極間における電極間電圧を変化させることにより電極が曲がる変化がアクチュエータ出力とされる。したがって、電極の曲がる方向を選択して駆動することができ、多様な形態でアクチュエータ出力が取出せる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。本発明の波形静電アクチュエータにおける構成の一例を図１に示す。図１において、１，２は電極、３，４は誘電体（絶縁体）、５，６はリード線である。
電極１と電極２の各々はすくなくとも片面が絶縁面で弾性を有する波形の導電性シートによりなる電極である。その電極の２つまたは２つ以上の複数がすくなくとも片面が絶縁面となるように対向し、それら対向する電極の各波形の位相が互いに１８０度ずれて配置する。それら配置する電極は各波形の近接する部位において接合している。電極１と電極２には導電性の良い材料、たとえば、銅、アルミニウム、銀、金、等の金属材料が用いられる。電極１と電極２に加える電位は同一とすることも相違するものとすることもできる。なお、図１に示す一例においては、電極１と電極２の絶縁面は誘電体３と誘電体４によって被覆された構成となっている。なお、ここでは、誘電体と絶縁体とは同じものを意味する。
【００１０】
誘電体３と誘電体４の各々は電極１と電極２のすくなくとも片面を絶縁面とするための誘電体である。図１に示す一例においては、誘電体３と誘電体４は電極１と電極２の表面を被覆しており、電極１と電極２の波形と同形状となっている。図１には誘電体３と誘電体４によって電極１と電極２の片面を絶縁面とする一例が示されているが両面を誘電体で被覆した導電性シートとしてもよい。誘電体３と誘電体４の形状は電極１と電極２の形状と必ずしも同一でなくてもよいのであるが、同一にしたほうが構造が簡単化され製造上も有利である。たとえば、金属箔の表面に絶縁性の塗料を塗布し絶縁被膜を形成したものに波形成型を行って製造する。またたとえば、導電性シートは金属箔とプラスチックフィルムをラミネート（貼合せ）したものに波形成型を行って製造する。
【００１１】
誘電体３と誘電体４の材料としてはプラスチック材料が好適である。たとえば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリ塩化ビニール（ＰＶＣ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ナイロン（ＰＡ）、等である。これらの材料をフィルム、塗料、等としたものと、金属箔とから導電性シートを製造する。
【００１２】
リード線５とリード線６は波形静電アクチュエータを駆動する電源を接続するためのリード線である。図１に示す波形静電アクチュエータの一例において、リード線５は電極１と電気的に接続されており、リード線６は電極２と電気的に接続されている。
【００１３】
導電性シートは、図１に示す一例では、すくなくとも電極１と誘電体３または電極２と誘電体４によって構成される。その導電性シートが波形であるというときの波形とは、波形状の凹凸が導電性シートの表面に形成され自然界の表面波に類似していることを意味する。凹凸の形状や周期は厳密な数学的な正弦波や三角波のようなものであってもよいが、波形静電アクチュエータの動作原理（動作について後述する）から判るように、凹凸の形状や周期については大きな許容度を有しており変形可能である。本発明の波形静電アクチュエータにおける外観形状の一例を斜視図として図２に示す。図２に示す一例においては、導電性シートの表面には平行波が形成されており、その断面は正弦波に近い形状となっている。
【００１４】
また、導電性シートが波形というときのシートとは、面積の大きさに比較して厚さが小さく弾性を有するシート状のものということであって、導電シートの絶対値としての面積、厚さとは関係ない。たとえば、導電シートの縦横寸法はメートル（ｍ）単位の寸法であってもよいしマイクロメートル（μｍ）単位の寸法であってもよい。厚さは縦横寸法の１／１０であってもよいし１／１００００であってもよい。波形の波長方向の変化をアクチュエータ出力として利用する波形静電アクチュエータにおいては、導電シートの厚さを薄くして弾性変形をし易くしたほうが、大きな伸縮率をアクチュエータ出力において得る上で有利である。
【００１５】
対向する波形の導電シートは、図１に示すように、各波形の位相が１８０度ずれるように配置している。すなわち、各波形の山と谷が近接することになり、各波形の近接する部位において接合している。この接合は、外力等が加わったときの変形に対して、対向する波形の導電シートにおける各波形の位相関係が変化しないようにするための接合である。その接合方法としては、接合する材料に適合する周知の接着剤を使用して接着することにより接合することができる。また、図１に示すように、ともにプラスチック材料の誘電体３と誘電体４を接合するのであれば、超音波等により溶着する方法を適用することができる。
【００１６】
以上の構成について説明した。次に、本発明の波形静電アクチュエータの動作について説明する。
本発明の波形静電アクチュエータにおけるリード線５とリード線６の両方を接地したときの状態を図３に示す。リード線５とリード線６の両方を接地したときにおいては、電極１と電極２は接地電位となっており電極１と電極２の各々において電荷の過不足は存在しない（電極１と電極２の各々は帯電していない）。すなわち、電極１と電極２との間には静電力は作用しない。したがって、２つ（または２つ以上）の複数の導電性シートにおいては静電力の作用しない状態における他の力（弾性力、重力、等）が均衡しており全体としてのアクチュエータ出力はいわゆる基準の全長となる。
【００１７】
本発明の波形静電アクチュエータにおけるリード線５とリード線６が異なる電位となるように電圧を加えたときの状態を図４に示す。図３に示すような接地に続いてリード線５とリード線６の間に電圧を加えたときにおいては、電極１と電極２は異なる電位となっており電極１と電極２の各々において電荷の過不足が生じている（電極１と電極２の各々は帯電している）。すなわち、電極１と電極２との間には静電力が作用する。このとき（接地に続いて電圧を加えたとき）には電極１と電極２の極性が反対となるからこのときの静電力は引力である。導電性シートは波形であるから、２つ（または２つ以上）の複数の導電性シートにおいては静電力（引力）によってその波形の振幅方向に圧縮する力が作用する。導電性シートはその弾性率に従ってその波形の振幅方向距離を縮める変位を起こす。導電シートは曲げられるのであって長さはほとんど変化しないから、その振幅方向の距離を縮める変位は、波長方向の距離を伸ばす変位をともなう。したがって、導電シートの複数の波におけるその波長方向の変位の総和として拡大した変位、すなわち基準から全長を伸ばすアクチュエータ出力が得られる。
【００１８】
波形の導電シートに静電力が作用するときには、対向する導電シートにおける近接部位に大きな静電力が作用する。すなわち静電力は導電シートのような面電極においては電極間の距離の二乗に反比例する。したがって、近接部位には大きな静電力が作用して大きな変位が起きる。その変位はその周辺を近接させるため、図４に示すように、周辺で静電力が強まり周辺へと変位が波及することになる。この変位が波及する作用効果があるため波形静電アクチュエータにおいては大きなアクチュエータ出力が得やすくなる。
【００１９】
本発明の波形静電アクチュエータにおけるリード線５とリード線６が接地電位とは異なる同一電位となるように電圧を加えたときの状態を図５に示す。図３に示すような接地に続いて短絡したリード線５とリード線６に接地電位とは異なる電圧を加えたときにおいては、電極１と電極２は同一電位となっているが接地電位でないため電極１と電極２の各々において電荷の過不足が生じている（電極１と電極２の各々は帯電している）。すなわち、電極１と電極２との間には静電力が作用する。このとき（接地に続いて電圧を加えたとき）には電極１と電極２の極性が同一となるからこのときの静電力は斥力である。導電性シートは波形であるから、２つ（または２つ以上）の複数の導電性シートにおいては静電力（斥力）によってその波形の振幅方向に伸長する力が作用する。導電性シートはその弾性率に従ってその波形の振幅方向距離を伸ばす変位を起こす。導電シートは曲げられるのであって長さはほとんど変化しないから、その振幅方向の距離を伸ばす変位は、波長方向の距離を縮める変位をともなう。したがって、導電シートの複数の波におけるその波長方向の変位の総和として拡大した変位、すなわち基準から全長を縮めるアクチュエータ出力が得られる。
【００２０】
以上、動作について説明した。次に、本発明の波形静電アクチュエータについて他の実施例（変形例）を挙げて説明する。
（実施例１）
波形静電アクチュエータの導電シートにおける電極を電気的に領域分割した一例を斜視図として図６に示す。導電シートは、図６に示すように、波形の波長方向において領域Ａと領域Ｂと領域Ｃに領域分割されている。領域Ａの電極１，２にはリード線５，６から電圧を独立に加えることができ、領域Ｂの電極１１，１２にはリード線１５，１６から電圧を独立に加えることができ、領域Ｃの電極２１，２２にはリード線２５，２６から電圧を独立に加えることができる。したがって、リード線５，６に電圧を加えることによって領域Ａだけを伸縮させることができ、リード線１５，１６に電圧を加えることによって領域Ｂだけを伸縮させることができ、リード線２５，２６に電圧を加えることによって領域Ｃだけを伸縮させることができる。
【００２１】
たとえば、リード線５，６、リード線１５，１６、リード線２５，２６の各々に対して位相が１２０度づつずれている３相の交流電圧を加えると、波形の波長方向に伸縮が進んでゆく進行波を生じる。波形静電アクチュエータの表面が他の表面と接触しており、その摩擦係数が波形の波長方向の前方と後方において異なるような場合には、波形静電アクチュエータがその表面における摩擦係数の小さい方向に進むような力を作用させることができる。すなわち、食道や胃の蠕動運動に類似する運動を行わせることができる。前方と後方において異なる摩擦係数を与える方法としては、前方または後方に毛並み（毛先の方向）を揃えたような植毛表面、等とすればよい。
【００２２】
（実施例２）
波形静電アクチュエータの対向する電極（２つの導電シート）における弾性の大きさと波形の振幅の少なくとも１つが相違している一例の断面図を図７に示す。このような波形静電アクチュエータにおいては、電極１と電極２に電圧を加え静電力が作用したときに、電極１と電極２では変形の程度が異なったものとなる。弾性率が大きいか波形の振幅が小さいときには変形は起き難くなり、逆に弾性率が小さいか波形の振幅が大きいときには変形は起き易くなる。
【００２３】
すなわち、電極１と電極２に電圧を加え静電力が作用したときに、このような波形静電アクチュエータにおいては電極１と電極２が曲がる変位を生じる。図７（Ａ）は電極１と電極２に加える電圧がゼロ（電極１と電極２を接地）のときに曲がりの無い状態の波形静電アクチュエータを示している。この波形静電アクチュエータにおいて、図７（Ｂ）に示すように、電極１と電極２にゼロでない変位を起こす電圧を加えると波形静電アクチュエータは曲がる。
【００２４】
（実施例３）
３つの電極（３つの導電シート）を有する波形静電アクチュエータであって、中央の電極に対して対向する両側の２つの電極における弾性の大きさと波形の振幅の少なくとも１つが相違している一例の断面図を図８に示す。３つの電極において電極３２，３１の関係および電極３２，３３の関係は、実施例２における電極１，２の関係と同じである。左右の電極３１，３３と比較して中央の電極３２は弾性が大きいか波形の振幅が小さいため電圧を加え静電力が作用したときの変形が小さい。
【００２５】
図８（Ｂ）は電極３１と電極３２と電極３３に加える電圧がゼロ（電極３１と電極３２と電極３３を接地）のときに曲がりの無い状態の波形静電アクチュエータを示している。図８（Ａ）に示すように、電極３１と電極３２に加える電圧をゼロ（電極３１と電極３２を接地）とし電極３２と電極３３にゼロでない変位を起こす電圧を加えると波形静電アクチュエータは左側に曲がる。また図８（Ｃ）に示すように、電極３２と電極３３に加える電圧をゼロ（電極３２と電極３３を接地）とし電極３１と電極３２にゼロでない変位を起こす電圧を加えると波形静電アクチュエータは右側に曲がる。このように波形静電アクチュエータにおける左右に曲がる変位は、たとえば、繊毛や鞭毛を有する微生物の繊毛や鞭毛の動作と類似する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の波形静電アクチュエータにおける構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の波形静電アクチュエータにおける外観形状の一例を示す図である。
【図３】本発明の波形静電アクチュエータにおけるリード線５とリード線６の両方を接地したときの状態を示す図である。
【図４】本発明の波形静電アクチュエータにおけるリード線５とリード線６が異なる電位となるように電圧を加えたときの状態を示す図である。
【図５】本発明の波形静電アクチュエータにおけるリード線５とリード線６が接地電位とは異なる同一電位となるように電圧を加えたときの状態を示す図である。
【図６】波形静電アクチュエータの導電シートにおける電極を電気的に領域分割した一例を示す斜視図である。
【図７】波形静電アクチュエータの対向する電極（２つの導電シート）における弾性の大きさと波形の振幅の少なくとも１つが相違している一例を示す断面図である。
【図８】３つの電極（３つの導電シート）を有する波形静電アクチュエータであって、中央の電極に対して対向する両側の２つの電極における弾性の大きさと波形の振幅の少なくとも１つが相違している一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１，２，１１，１２，２１，２２，３１，３２，３３  電極
３，４  誘電体
５，６，１５，１６，２５，２６  リード線
【図１】
2007259664.tif 000003
【図２】
2007259664.tif 000004
【図３】
2007259664.tif 000005
【図４】
2007259664.tif 000006
【図５】
2007259664.tif 000007
【図６】
2007259664.tif 000008
【図７】
2007259664.tif 000009
【図８】
2007259664.tif 000010