(57)【要約】【課題】２つの極板の距離が均一になるように設置でき、安定した駆動力を得ることができる静電アクチュエータを提供する。【解決手段】極板１１，１２を同形状のらせん状に形成し、絶縁シール材１３を用いて、２重らせん状に貼り合わせ、極板１１，１２間を絶縁させると同時に、絶縁静電アクチュエータ１全体の強度を向上させることにより、静電アクチュエータ１の自重による変形を防止して、リードＬの変化を最小限に抑え、全長にわたって均一な静電力を発生させた。【選択図】図１
2007252043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる導電性部材に電圧が印加されることにより発生する静電力を駆動力として利用する静電アクチュエータであって、
らせん状に形成され、所定の方向に伸縮可能な第１導電性部材と、
らせん状に形成され、前記所定の方向に伸縮可能であり、前記第１導電部材と交互に、２重らせん状に配置された第２導電性部材と、
前記第１及び第２導電性部材間に配置され、前記第１及び第２導電性部材間を絶縁する絶縁部材と、
を備えた静電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の静電アクチュエータにおいて、
前記絶縁部材は、前記第１及び第２導電性部材に密着するように設けられていること、
を特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の静電アクチュエータにおいて、
前記絶縁部材は、前記第１及び第２導電性部材を接着すること、
を特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、
前記第１及び第２導電性部材は、らせん状に形成された板状部材であること、
を特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４に記載の静電アクチュエータにおいて、
前記第１及び第２導電性部材は、同形状であり、
前記絶縁部材は、層状に設けられていること、
を特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、
前記第１及び第２導電性部材の外縁部を覆い、外部からの衝撃を吸収する衝撃吸収部材を備えること、
を特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、
前記第１及び第２導電性部材の外縁部を覆い、前記第１及び第２導電性部材と前記第１及び第２導電性部材の外部とを絶縁する絶縁保護部材を備えること、
を特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、
直流電源から前記第１及び第２導電性部材に電圧を印加し、前記第１及び第２導電性部材に蓄えられた電荷の量に応じて、前記第１及び第２導電性部材の伸縮量を制御する制御部を備えること、
を特徴とする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する静電アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、絶縁された２枚の極板を、重ね合わせるように折り込んで積層し、電圧をかけたときに、両極板に発生する静電力を、駆動力として利用する静電アクチュエータがあった（例えば、非特許文献１）。
しかし、このアクチュエータは、自重により極板が変形するために、上層に至る程、極板間の隙間が徐々に大きくなるために、静電力が低下し、安定した駆動力を得られないという問題がある。
一方、極板間の隙間を安定させるためには、極板の硬度を向上させて、極板の形状維持を図ることが考えられるが、この場合、極板自身の弾性力によって伸縮率が低下し、駆動ストロークが減少してしまうという問題がある。
【非特許文献１】“静電アクチュエータ”、東京工業大学  実吉研究室、［online］、［平成１８年２月７日検索］、インターネット＜URL  http://www.ric.titech.ac.jp/saneken/actuater.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、対向した２つの極板の距離が均一になるように設置でき、安定した駆動力を得ることができる静電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】
【０００４】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、異なる導電性部材に電圧が印加されることにより発生する静電力を駆動力として利用する静電アクチュエータであって、らせん状に形成され、所定の方向に伸縮可能な第１導電性部材（１１）と、らせん状に形成され、前記所定の方向に伸縮可能であり、前記第１導電部材（１１）と交互に、２重らせん状に配置された第２導電性部材（１２）と、前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）間に配置され、前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）間を絶縁する絶縁部材（１３）と、を備えた静電アクチュエータである。
【０００５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の静電アクチュエータにおいて、前記絶縁部材（１３）は、前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）に密着するように設けられていること、を特徴とする静電アクチュエータである。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の静電アクチュエータにおいて、前記絶縁部材（１３）は、前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）を接着すること、を特徴とする静電アクチュエータである。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）は、らせん状に形成された板状部材であること、を特徴とする静電アクチュエータである。
請求項５の発明は、請求項４に記載の静電アクチュエータにおいて、前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）は、同形状であり、前記絶縁部材（１３）は、層状に設けられていること、を特徴とする静電アクチュエータである。
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）の外縁部を覆い、外部からの衝撃を吸収する衝撃吸収部材（３０，１３０）を備えること、を特徴とする静電アクチュエータである。
請求項７の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）の外縁部を覆い、前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）と前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）の外部とを絶縁する絶縁保護部材（３０，１３０）を備えること、を特徴とする静電アクチュエータである。
請求項８の発明は、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、直流電源（４１）から前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）に電圧を印加し、前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）に蓄えられた電荷の量に応じて、前記第１（１１）及び第２導電性部材（１２）の伸縮量を制御する制御部を備えること、を特徴とする静電アクチュエータである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本発明は、第１及び第２導電性部材が絶縁された状態で、２重らせん状に配置され、第１及び第２導電性部材間の静電力が全長にわたって連続して働くため、大きな駆動力を得ることができる。
【０００７】
（２）本発明は、絶縁部材が第１及び第２導電性部材に密着しているため、第１及び第２導電性部材間を均一に保つことができるので、全長にわたって安定した静電力を発生させ、安定した駆動力を得ることができる。
【０００８】
（３）本発明は、絶縁部材が第１及び第２導電性部材を接着しているため、全体の強度を向上させ、自重等によって変形し、第１及び第２導電性部材間の距離が変化することを防止することができる。
【０００９】
（４）本発明は、第１及び第２導電性部材が板状部材であるので、面積が大きい面同士が対向するように配置して、この面同士間に静電力を発生させることができるので、大きな駆動力を得ることができる。
【００１０】
（５）本発明は、絶縁部材が、層状に設けられているので、第１及び第２導電性部材をより確実に接着して、全体の強度をさらに向上できると同時に、第１及び第２導電性部材間を完全に絶縁することができる。
【００１１】
（６）本発明は、第１及び第２導電性部材の外縁部を覆う衝撃吸収部材を備えるので、この静電アクチュエータを外部の衝撃から保護することができる。
【００１２】
（７）本発明は、第１及び第２導電性部材の外縁部を覆い、第１及び第２導電性部材とその外部とを絶縁する絶縁保護部材を備えるので、外部から導電部材が接触した場合に、第１及び第２導電性部材間の短絡防止をすることができる。
【００１３】
（８）本発明は、制御部が、直流電源から第１及び第２導電性部材に電圧を印加し、蓄えられた電荷の量に応じて、第１及び第２導電性部材の伸縮量を制御するので、電圧の印加を停止しても伸縮量が変わらず、省電力で駆動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、２つの極板の距離が均一になるように設置でき、安定した駆動力を得ることができる静電アクチュエータを提供するという目的を、同形状のらせん状に形成した２つの極板を、絶縁シール材を用いて２重らせん状に貼り合わせ、２つの極板間を絶縁させると同時に、絶縁静電アクチュエータ全体の強度を向上させることにより、静電アクチュエータの自重による変形を防止して、リードの変化を最小限に抑え、全長にわたって均一な静電力を発生させることによって実現した。
【実施例１】
【００１５】
以下、図面等を参照して、本発明の静電アクチュエータの実施例１をあげて、さらに詳しく説明する。
図１（ａ）、図１（ｂ）は、本実施例の静電アクチュエータ１の極板１１，１２（導電性部材）の正面図、図１（ｃ）は、静電アクチュエータ１の正面図である。図２は、極板１１，１２を組み合わせた状態の斜視図である。図３は、極板１１，１２のらせん軸Ｚ（所定の軸）を通る面による縦断面図（図２のIII−III部矢視断面図）である。
図１（ｃ）に示すように、静電アクチュエータ１は、極板１１（第１導電性部材）と、極板１２（第２導電性部材）と、端子２１，２２と、スリーブ３０とを備えている。
極板１１，１２は、図１（ａ）、図１（ｂ）、図２に示すように、導電性を有する材料（例えば、りん青銅等）により形成された、らせん状の板状部材である。極板１１，１２の強度は、これら単体では、形状を維持することができない程度の剛性（例えば、自重により変形する程度）である。極板１１，１２は、リードＬ（らせん軸Ｚ回りにひとまわりしたときに進む距離）が一定の長さなるように形成されている。
【００１６】
極板１１，１２の組み合わせは、図１（ａ）、図１（ｃ）に示すように、極板１１上面に、例えば、シリコン樹脂系の絶縁シール材１３（絶縁部材）を塗布し、この上に、極板１２を、２重らせん状に貼り合わせることにより行われる。これにより、シール材１３は、層状にされるので、極板１１，１２の表面に密着して極板１１，１２を強力に接着すると同時に、極板１１，１２間を完全に絶縁することができる。このように、極板１１，１２は、シール材１３により、面同士が全長にわたって接着されるため、極板１１，１２単品では強度が低くても全体の強度を向上することができるので、らせん軸Ｚが鉛直方向になるように配置されても、自重による変形を防止することができる。これにより、静電アクチュエータ１は、リードＬを全長にわたって均一にできるため、対向する極板１１，１２（図３に示す対向する極板１１Ａ，１２Ａ及び極板１１Ｂ，１２Ｂ参照）間の距離の変化を少なくでき、全長にわたって均一な静電力を発生させることができる。
【００１７】
また、極板１１，１２は、板状部材であり、その縦断面の形状は、図３に示すように、径方向（矢印Ｒ方向）の長さｄ１が、らせん軸Ｚ方向（らせん軸Ｚに沿った方向）の長さｄ２よりも大きい。このため、極板１１，１２は、配置されたときに、面積が大きい面１１ａ，１２ａ同士が対向する。このように、極板１１，１２は、表面同士が、全長にわたって等間隔に対向配置されることにより、大きな静電力を全長にわたって連続して発生させることができる。これより、静電アクチュエータ１は、大きな駆動力、十分な伸縮量を得ることができる。
極板１１，１２の大きさは、静電アクチュエータ１の用途によって異なる。後述するように、静電力によって、極板間の距離が変化すればよいので、例えば、直径又はらせん軸方向の長さが１ｍｍ以下の小型のものから、５０ｍｍ程度の大型のものまで可能である。
端子２１，２２は、直流電源４１（後述する）に接続されたケーブルを、極板１１，１２に接続するための部材であり、極板１１，１２の終端部に設けられている。
【００１８】
スリーブ３０は、図１（ｃ）に示すように、静電アクチュエータ１に外部から衝撃があった場合に、この衝撃を吸収し、さらに、外部から導電体が接触した場合に、極板１１，１２が短絡することを防止するための部材である（図中、スリーブ３０は、断面で示す。）。スリーブ３０は、その中心軸がらせん軸Ｚと同軸の円筒状の部材であり、その内径が極板１１，１２の直径とほぼ等しく、その内周面に、極板１１，１２の外縁部が、接着材３１を用いて固定されている。スリーブ３０は、絶縁性を有し、柔軟性を有する弾性体（例えば、シリコンゴム等の高分子材料等）から形成される。これにより、スリーブ３０は、外部から導電体が接触した場合に、極板１１，１２が短絡することを防止する絶縁保護部材として機能し、また、静電アクチュエータ１に外部から衝撃があった場合に、この衝撃を吸収する衝撃吸収部材として機能する。なお、スリーブ３０の柔軟性は、極板１１，１２の伸縮を阻害しない程、十分なものである。
【００１９】
次に、静電アクチュエータ１の動作について説明する。
図４は、本実施例の静電アクチュエータ１の動作を示す図であり、図４（ａ）は、標準の状態、図４（ｂ）は、縮んだ状態、図４（ｃ）は、伸びた状態を示す図である。
図４（ａ）に示すように、静電アクチュエータ１は、端子２１，２２が、ケーブル４１により短絡されＧｎｄに接続された状態では、極板１１，１２が同電位となり、極板１１，１２間に静電力が働かないため、リードＬを保った標準の状態となる。
【００２０】
図４（ｂ）に示すように、端子２１が直流電源４１のマイナス端子に電気的に接続されると、極板１１には、マイナスの電荷が蓄えられ、一方、端子２２が直流電源４１のプラス端子に電気的に接続されると、極板１２には、プラスの電荷が蓄えられる。そして、図３に示すように、対向する極板１１，１２間には、静電力による引力Ｆが発生し、極板１１，１２間の距離が小さくなり、極板１１，１２は、全長が小さくなる。リードＬは、全長にわたって等しいため、引力Ｆは、静電アクチュエータ１の全長にわたって等しい。これにより、静電アクチュエータ１は、安定した駆動力を得ることができる。
【００２１】
図４（ｂ）に示すように、極板１１，１２が縮むと、これにともなって、静電アクチュエータ１は、縮んで、らせん軸Ｚ方向の長さが短くなる。スリーブ３０は、十分な柔軟性を有しているので、波状に変形し、極板１１，１２の外縁部に追従して縮む。これにより、静電アクチュエータ１は、十分な縮み量を確保することができる。
なお、電極の極性を逆にして、極板１１にプラスの電荷、極板１２にマイナスの電荷が蓄えられた場合にも、極板１１，１２間には、同様に引力が働き、静電アクチュエータ１は、縮むことができる。
【００２２】
図４（ｃ）に示すように、静電アクチュエータ１は、端子２１，２２が直流電源４１のマイナス端子に電気的に接続されると、極板１１，１２にマイナスの電荷が蓄えられ、対向する極板１１，１２間には、静電力により斥力が発生し、極板１１，１２は、伸びる。これにともなって、静電アクチュエータ１は、伸びて、らせん軸Ｚ方向の長さが長くなる。スリーブ３０は、柔軟性を有しているので、極板１１，１２の外縁部に追従して伸びる。これにより、静電アクチュエータ１は、十分な伸び量を確保することができる。
このとき、静電アクチュエータ１は、縮むときと同様に、極板１１，１２に発生する斥力が全長にわたって等しく、安定した駆動力を得ることができる。
【００２３】
また、静電アクチュエータ１は、電圧駆動であり電流消費が少ないため、省電力で駆動することができる。さらに、直流電源４１から極板１１，１２に印加される電圧を制御する制御部（図示せず）を設け、極板１１，１２に蓄えられた電荷の量に応じて、極板１１，１２の伸縮量を制御してもよい。静電力は、極板に電荷が蓄えられている限り働くという性質を有するので、この制御部が、極板１１，１２に蓄えられた電荷の量に応じて、電圧の印加を停止しても、極板１１，１２の伸縮量が変わらず、さらに省電力で駆動することができる。
【００２４】
静電アクチュエータ１の駆動ストロークは、例えば、極板１１，１２のらせんの内径１０ｍｍ、外径５０ｍｍ、全長３ｍｍ、３巻き、印加電圧が５００Ｖのとき、０．０１Ｎ程度である。
【００２５】
以上説明したように、本実施例の静電アクチュエータ１は、同形状のらせん状に形成された極板１１（第１導電部材）と極板１２（第２導電性部材）とが、２重らせん状に配置され、絶縁シール材１３（絶縁部材）が、極板１１，１２に密着して極板１１，１２を強力に接着する。これにより、静電アクチュエータ１は、全体の強度を向上し、対向する極板１１，１２間の距離が自重等によって変化することを防止できるので、安定した静電力を発生させ、安定した駆動力を得ることができる。
また、静電アクチュエータ１は、極板１１，１２の面積が大きい面同士が対向するように配置して、この面同士間に全長にわたって連続して静電力を発生させることができるので、大きな駆動力、十分な伸縮量を得ることができる。
【実施例２】
【００２６】
次に、本発明を適用した静電アクチュエータの実施例２について説明する。
実施例２の静電アクチュエータ１０１は、ロボットのアームを駆動するためのものである。
なお、以下の説明において、前述した実施例１と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を末尾に付して、重複する説明を適宜省略する。
図５は、本実施例の静電アクチュエータ１０１とこれを取り付けたロボット１００を示す図である。
図５に示すように、ロボット１００は、基部１０２に、第１アーム１０３が固定されており、第１アーム１０３の先端に、第２アーム１０４が軸Ｘを中心に回転可能に設けられている。第２アーム１０４の一端には、対象物を把持するためのハンド１０５が設けられている。第１アーム１０３、第２アーム１０４の全長は、ともに、約３００ｍｍ程度である。
【００２７】
静電アクチュエータ１０１は、スリーブ１３０内に、実施例１と同様な極板が収容されており、らせん軸Ｚ２が、第１アーム１０３の長手方向になるように配置される。また、静電アクチュエータ１０１は、スリーブ１３０の両端部に、ロッド１３１，１３２が、設けられている。ロッド１３１，１３２の軸方向は、らせん軸Ｚ２と同軸である。ロッド１３１の先端は、基部１０２に回転可能に接続され、ロッド１３２の先端は、第２アーム１０４のハンド１０５とは反対側に設けられた取り付け孔１０４ａに、回転可能に接続される。静電アクチュエータ１０１の全長は、約２００ｍｍ程度である。
【００２８】
ロボット１００及び静電アクチュエータ１０１の動作を説明する。
スリーブ１３０内の極板に、実施例１と同様に電源（図示せず）から電圧が供給されると、静電アクチュエータ１０１は、らせん軸方向に伸縮し（矢印Ｚ３参照）、ロッド１３１，１３２がらせん軸方向に移動する。これともない、ロボット１００の第２アーム１０４は、軸Ｘを中心に矢印θ２方向に回転することができる。
【００２９】
以上説明したように、本実施例の静電アクチュエータ１０１は、ロボット１００の第２アーム１０４を、軸Ｘを中心に回転駆動することができる。つまり、静電アクチュエータ１０１は、機械を駆動する駆動源として、用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による静電アクチュエータ及び極板の実施例１の正面図である。
【図２】実施例１の極板を組み合わせた状態の斜視図である。
【図３】実施例１の極板の縦断面図である。
【図４】実施例１の静電アクチュエータの動作を示す図である。
【図５】本発明による静電アクチュエータの実施例２を取り付けたロボットを示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１，１０１    静電アクチュエータ
１１，１２    極板
１３    絶縁シール材
２１，２２    端子
３０，１３０    スリーブ
１００    ロボット
１０３    第１アーム
１０４    第２アーム
１３１，１３２    ロッド
Ｌ    リード
Ｚ，Ｚ２    らせん軸
【図１】
2007252043.tif 000003
【図２】
2007252043.tif 000004
【図３】
2007252043.tif 000005
【図４】
2007252043.tif 000006
【図５】
2007252043.tif 000007