特許 5935104 静電アクチュエータおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5935104

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月15日

(54)【発明の名称】静電アクチュエータおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H02N 1/00 20060101AFI20160602BHJP

【ＦＩ】

   H02N1/00

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-114029(P2012-114029)

(22)【出願日】2012年5月18日

(65)【公開番号】特開2013-243805(P2013-243805A)

(43)【公開日】2013年12月5日

【審査請求日】2015年5月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(73)【特許権者】

【識別番号】310001067

【氏名又は名称】ストローブ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100072718

【弁理士】

【氏名又は名称】古谷 史旺

(74)【代理人】

【識別番号】100116001

【弁理士】

【氏名又は名称】森 俊秀

(72)【発明者】

【氏名】實吉 敬二

(72)【発明者】

【氏名】中村 隆志

【審査官】 小林 紀和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１７２４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２０３９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７０４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−６８７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０５８３２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００７／０８０９５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−５７３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２６８９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第2005/0062486（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００４−５０２５６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

同一平面状に所定の間隔を置いて並行に配置された複数の帯状電極からなる電極群で、互いに逆極性の電圧が印加される第１の電極群と第２の電極群とを交差させ編んで形成される複数の第１の構造体と、
前記第１の電極群と第２の電極群とを交差させ、前記第１の電極面とは異なる重なり状態で編んで形成される複数の第２の構造体とを備え、
前記第１の構造体と前記第２の構造体とは、前記第１の構造体と第２の構造体とにおける前記第１の電極群と第２の電極群との交差位置が互いにそれぞれ一致するように交互に積層され、
隣接する前記第１の構造体と第２の構造体とにおける前記交差位置において、隣接して対向する一対の帯状電極は、印加される前記電圧の極性が同じ場合に、前記交差位置で接合される
ことを特徴とする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、
前記第１の構造体および第２の構造体は、平織りで形成され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または請求項２に記載の静電アクチュエータにおいて、
前記帯状電極は、誘電体で覆われてい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３に記載の静電アクチュエータにおいて、
前記誘電体は、前記交差位置において前記交差位置以外より厚く前記帯状電極を覆うことを特徴とする静電アクチュエータ。

【請求項5】

所定の厚みを有する誘電体に挟み込まれた複数の帯状電極を形成し、
前記複数の帯状電極のうち一部を第１の電極群として所定の間隔を置いて並行に配置し、
前記複数の帯状電極のうちの残りを第２の電極群として、前記第１の電極群と交差するように前記所定の間隔を置いて並行に配置し、前記第１の電極群と編んで複数の第１の構造体を形成し、
前記第１の電極群と第２の電極群とを交差させ、前記第１の構造体とは異なる重なり状態で編んで複数の第２の構造体を形成し、
前記第１の構造体と前記第２の構造体を、前記第１の構造体と第２の構造体とにおける前記第１の電極群と第２の電極群との交差位置が互いにそれぞれ一致するように交互に積層し、
隣接する前記第１の構造体と第２の構造体とにおける前記交差位置において、隣接して対向する一対の帯状電極に印加される前記電圧の極性が同じ場合に、前記一対の帯状電極を前記交差位置で接合する
ことを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、静電アクチュエータおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

静電アクチュエータは、軽量でありながら大きな駆動力を得ることができるため、磁力を利用したモータ等に代わるものとして期待されている。

【0003】

静電アクチュエータの一例として、特許文献１には、多数の電極を積層し、電極と電極の間に印加される電圧に応じて伸縮させる構成の積層型静電アクチュエータが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−２５９６６３号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来技術では、極板面積を増やすには、多くの積層型静電アクチュエータを並列に配置する必要があるが、積層型静電アクチュエータを大量に製造するには時間およびコストがかかる。

【0006】

上記従来技術が有する問題に鑑み、本発明の目的は、大面積の静電アクチュエータを容易に製造することができる技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明を例示する静電アクチュエータの一態様は、同一平面状に所定の間隔を置いて並行に配置された複数の帯状電極からなる電極群で、互いに逆極性の電圧が印加される第１の電極群と第２の電極群とを交差させ編んで形成される複数の第１の構造体と、第１の電極群と第２の電極群とを交差させ、第１の電極面とは異なる重なり状態で編んで形成される複数の第２の構造体とを備え、第１の構造体と第２の構造体とは、第１の構造体と第２の構造体とにおける第１の電極群と第２の電極群との交差位置が互いにそれぞれ一致するように交互に積層され、隣接する第１の構造体と第２の構造体とにおける交差位置において、隣接して対向する一対の帯状電極は、印加される電圧の極性が同じ場合に、交差位置で接合される。

【0008】

また、第１の構造体および第２の構造体は、平織りで形成されてもよい。

【0009】

また、帯状電極は、誘電体で覆われていてもよい。

【0010】

また、誘電体は、交差位置において交差位置以外より厚く帯状電極を覆ってもよい。

【0011】

本発明を例示する静電アクチュエータの製造方法の一態様は、所定の厚みを有する誘電体に挟み込まれた複数の帯状電極を形成し、複数の帯状電極のうち一部を第１の電極群として所定の間隔を置いて並行に配置し、複数の帯状電極のうちの残りを第２の電極群として、第１の電極群と交差するように所定の間隔を置いて並行に配置し、第１の電極群と編んで複数の第１の構造体を形成し、第１の電極群と第２の電極群とを交差させ、第１の構造体とは異なる重なり状態で編んで複数の第２の構造体を形成し、第１の構造体と第２の構造体を、第１の構造体と第２の構造体とにおける第１の電極群と第２の電極群との交差位置が互いにそれぞれ一致するように交互に積層し、隣接する第１の構造体と第２の構造体とにおける交差位置において、隣接して対向する一対の帯状電極に印加される電圧の極性が同じ場合に、一対の帯状電極を交差位置で接合する。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、大面積の静電アクチュエータを容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一の実施形態に係る静電アクチュエータを示す図

【図2】ＸＺ平面における静電アクチュエータの断面図

【図3】電極テープの構造の一例を示す図

【図4】第１の平織り構造体および第２の平織り構造体の一例を示す図

【図5】電極テープの形成方法の一例を説明する図

【図6】本発明の他の実施形態に係る静電アクチュエータのＸＺ平面における断面図

【図7】積層電極部の形成方法の一例を説明する図

【図8】積層電極部の形成方法の別例を説明する図

【発明を実施するための最良の形態】

【0014】

《一の実施形態》
図１は、本発明の一の実施形態に係る静電アクチュエータ１００の外観図を示し、図２は、図１の線分Ａ−Ａ’におけるＸＺ平面の静電アクチュエータ１００の断面図を示す。

【0015】

本実施形態に係る静電アクチュエータ１００は、図３に示すように、銅等の金属膜を誘電体膜で挟んで形成された厚さｄの帯状の電極である電極テープ１０を用いて積層して形成された積層型静電アクチュエータである。なお、Ｘ方向およびＹ方向に延在する電極テープ１０には互いに異なる極性の電圧が印加され、そのことを白とグレーの色で示している。

【0016】

本実施形態の静電アクチュエータ１００を形成する各層は、幅Ｌの電極テープ１０を４本１組として、間隔Ｄを置いて並行に同一平面（ＸＹ平面）に配置した２組の電極テープ１０を交差させて平織りにして形成される構造体である。図４は、各層をなす構造体の電極テープ１０の平織り状態を示す。図４に示すように、静電アクチュエータ１００は、重なり状態が異なる２種類の構造体（以下、図４（ａ）を「第１の平織り構造体」、図４（ｂ）を「第２の平織り構造体」と称す）を有する。したがって、第１の平織り構造体と第２の平織り構造体とを、図１、図２に示すように、Ｘ方向とＹ方向とに延在する電極テープ１０の交差位置が積層方向（Ｚ方向）で互いにそれぞれ一致するように交互に積層されることで、静電アクチュエータ１００が形成される。

【0017】

なお、第１の平織り構造体と第２の平織り構造体とを積層するにあたり、図２に示すように、第１の平織り構造体および第２の平織り構造体の交差位置に位置し、同じ極性の電圧が印加される一対の電極テープ１０の部分に接着剤を塗布して接合する。その結果、電極テープ１０自身が有する弾性力や張力等の特性により、極性の異なる電極テープ１０間の間隔が維持される。また、ＸＺ平面では、図２に示すように、Ｘ方向に延在する電極テープ１０がハニカム構造となり、ＹＺ平面では、図１に示すように、Ｙ方向に延在する電極テープ１０がハニカム構造となる。すなわち、積層された第１の平織り構造体と第２の平織り構造体とは互いにずれることなく、静電アクチュエータ１００は、外力に対して自身の構造自体で形状を安定して維持することができる。

【0018】

一方、第１の平織り構造体および第２の平織り構造体の交差位置に位置する電極テープ１０の部分を積層電極部１１とし、静電アクチュエータ１００の２組の電極テープ１０それぞれに極性の異なる電圧が印加されると、異なる極性の電圧が印加され積層方向で対向する一対の積層電極部１１の間には電界が発生する。一対の積層電極部１１の間の電界に応じた静電気力が作用し、積層電極部１１間の間隙ｄ１が収縮する。その結果、静電アクチュエータ１００は、積層方向（Ｚ方向）に収縮し、大きな駆動力を得ることができる。

【0019】

ここで、上記積層電極部１１間に作用する単位面積あたりの静電気力の大きさは、これら電極間の距離の２乗に反比例する。したがって、静電アクチュエータ１００に大きな作用力を生じさせるには、一対の積層電極部１１を互いに近接して組み合わせる必要がある。

【0020】

しかしながら、電極テープ１０間の間隔Ｄを小さくした場合、電極テープ１０の積層電極部１１間の距離Ｓが短くなり、積層方向の積層電極部１１間の隙間ｄ１は小さくなるが、静電アクチュエータ１００の伸縮動作の範囲も小さくなってしまう。一方、間隔Ｄを大きくした場合、電極テープ１０の積層電極部１１間の距離Ｓが長くなり、積層方向の積層電極部１１間の隙間ｄ１は大きくできるが、電極テープ１０の撓みが生じる。その結果、静電アクチュエータ１００は正常に動作できず、大きな駆動力を得ることができない。

【0021】

また、電極テープ１０の幅Ｌについては、小さくした場合、大面積の静電アクチュエータを製造するために、大量の静電アクチュエータ１００を製造する必要があり、時間やコストがかかってしまう。一方、幅Ｌを大きくした場合、電極テープ１０の撓みが生じ、静電アクチュエータ１００は正常に動作できず、大きな駆動力を得ることができない。

【0022】

そこで、本実施形態では、例えば、電極テープ１０の幅Ｌは２ｍｍ以下、および電極テープ１０の積層電極部１１間の距離Ｓ＝電極テープ１０の厚さｄ×６〜８とする。だたし、電極テープ１０が有する特性等に応じて適宜決められることが好ましい。

【0023】

次に、図５に基づいて、静電アクチュエータ１００の製造方法について説明する。図５は、電極テープ１０の形成方法の一例を示す。

【0024】

電極シートは、図５（ａ）に示すように、銅薄膜をＰＥＴフィルムで挟まれて作成される。電極シートは、太い破線に沿って帯状に切断される（図５（ｂ））。帯状に切断された電極シートの切断面（図５（ｃ）の矢印）をエッチングし、切断面に露出している銅薄膜が除去される。切断面が両側のＰＥＴフィルムで接合され（図５（ｄ））、電極テープ１０が生成される（図５（ｅ））。

【0025】

なお、図５（ｃ）の工程で銅薄膜の帯状電極の幅が切断面のエッチングによって幅Ｗとなるように、図５（ｂ）の工程において、所定のマージンαを予め見込んで電極シートを切断することが好ましい。

【0026】

次に、図４に示すように、電極テープ１０を４本１組として、間隔Ｄを置いて並行に同一平面（ＸＹ平面）に配置し、２組の電極テープ１０を交差させて、重なり状態が異なる２種類の第１の平織り構造体および第２の平織り構造体それぞれを複数形成する。それら第１の平織り構造体および第２の平織り構造体に対して、例えば、平織り部分からはみ出した電極テープ１０の一端が、図４に示す点線の位置で切断される。一方、切断しない他方の電極テープ１０のはみ出し部分は、エッチング等により誘電体膜を除去され、それぞれの極性の電圧が印加される電圧端子部として用いる。なお、各電極テープ１０の電圧端子部を電圧の極性ごとに一纏めに接合することが好ましい。

【0027】

そして、第１の平織り構造体と第２の平織り構造体とを積層するにあたり、図２に示すように、第１の平織り構造体および第２の平織り構造体の交差位置に位置し、同じ極性の電圧が印加される一対の電極テープ１０の部分に接着剤が塗布される。第１の平織り構造体と第２の平織り構造体とは、交互に積層して接合され、静電アクチュエータ１００が形成される。

【0028】

このように、本実施形態では、２組の電極テープ１０を交差させて平織りし、重なり状態が異なる第１の平織り構造体と第２の平織り構造体とを交互に積層させることにより、大面積の極板を有する静電アクチュエータ１００を容易に且つ低コストで製造することができる。

【0029】

また、第１の平織り構造体と第２の平織り構造体とを交互に積層させるだけで、並列に配置した複数の積層電極を形成することができ、ねじれ等の外力からの作用に対しても電極構造を維持することができる。

【0030】

さらに、静電アクチュエータ１００は、第１の平織り構造体と第２の平織り構造体という単純な構造体から形成されることから、極板の大きさや極板間の距離のバラツキを抑えることができ、静電アクチュエータ間の伸縮動作のバラツキを抑えることができる。
《他の実施形態》
本発明の他の実施形態に係る静電アクチュエータは、図１に示す一の実施形態に係る静電アクチュエータ１００と同じである。したがって、本実施形態の静電アクチュエータ１００の構成要素のうち、一の実施形態と同じものについては同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

【0031】

本実施形態の静電アクチュエータ１００と一の実施形態のものとの相違点は、図６に示すように、積層電極部１１の誘電体膜の厚さを、積層電極部１１間の電極テープ１０の誘電体膜の厚さより厚くする。つまり、積層電極部１１の誘電体膜を厚くすることにより、積層電極部１１部分での電極テープ１０の撓みを回避することができ、より大面積の積層電極部１１を形成することが可能となる。その結果、静電アクチュエータ１００は、より大きな駆動力を発生させることができる。

【0032】

一方、本実施形態の静電アクチュエータ１００の製造は、一の実施形態の製造と同じであり、積層電極部１１の誘電体膜の厚さを積層電極部１１間に位置する電極テープ１０の誘電体膜の厚さより厚くする、図７に示す工程が追加される点が異なる。

【0033】

すなわち、例えば、帯状電極をＰＥＴフィルムで挟んで形成された図５に示す各電極テープ１０は、両側のＰＥＴフィルム部分のうち、幅Ｌのプラトー部を残すようにして、図７（ａ）に網掛けして示す幅Ｓの部分を除去する。図７（ｂ）に示すように、電極テープ１０には、幅Ｌのプラトー部と幅Ｓの溝部１２とが交互に現れる構造が形成される。なお、このように積層電極部１１と溝部１２とを一体形成する方法は、例えば、リソグラフィー技術を利用して微細な静電アクチュエータを製造する場合に特に有効である。また、溝部１２の幅Ｓは可変長であり、間隔Ｓとともに、電極テープ１０が有する特性等に応じて適宜決められることが好ましい。

【0034】

このように、本実施形態では、２組の電極テープ１０を交差させて平織りし、重なり状態が異なる第１の平織り構造体と第２の平織り構造体とを交互に積層させることにより、大面積の極板を有する静電アクチュエータ１００を容易に且つ低コストで製造することができる。

【0035】

また、第１の平織り構造体と第２の平織り構造体とを交互に積層させるだけで、並列に配置した複数の積層電極を形成することができ、ねじれ等の外力からの作用に対しても電極構造を維持することができる。

【0036】

さらに、静電アクチュエータ１００は、第１の平織り構造体と第２の平織り構造体という単純な構造体から形成されることから、極板の大きさや極板間の距離のバラツキを抑えることができ、静電アクチュエータ間の伸縮動作のバラツキを抑えることができる。

【0037】

また、積層電極部１１の誘電体を厚くすることにより、積層電極部１１部分での電極テープ１０の撓みを回避することができ、大面積の積層電極部１１を形成することができる。
《実施形態の補足事項》
（１）上記実施形態では、４本１組とする２組の電極テープ１０を用いて、第１の平織り構造体および第２の平織り構造体を形成したが、本発明はこれに限定されず、４つ以外の複数の電極テープ１０を１組とする２組から、第１の平織り構造体および第２の平織り構造体を形成してもよい。また、２組の電極テープ１０の本数は互いに異なってもよい。

【0038】

（２）上記実施形態では、２組の電極テープ１０を９０度で交差させたが、本発明はこれに限定されず、９０度以外の角度で交差させてもよい。

【0039】

（３）上記実施形態では、第１の平織り構造体および第２の平織り構造体の積層数を４つとしたが、静電アクチュエータ１００に要求される可動範囲や収縮時の力の大きさに応じて積層数を適宜決めることが好ましい。

【0040】

（４）上記実施形態では、隣接する第１の平織り構造体および第２の平織り構造体の交差位置に位置し、同じ極性の電圧が印加される一対の電極テープ１０の部分に接着剤を塗布し、第１の平織り構造体と第２の平織り構造体とを積層したが、本発明はこれに限定されない。例えば、接合される電極テープ１０の部分の接合側の誘電体膜をエッチング等により除去し、誘電体膜が除去された金属膜に伝導性の接着剤を塗布して接合したり、誘電体膜が除去された金属膜を溶着したりしてもよい。これにより、少なくとも積層方向の各電極テープ１０の電圧端子部を印加される電圧の極性ごとに一纏めに接合する必要がなくなり、静電アクチュエータ１００の構成を簡素化することができる。

【0041】

（５）上記他の実施形態では、帯状電極を挟んだＰＥＴフィルムのうち、所定の部分を除去することにより積層電極部１１および溝部１２を形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、帯状電極を薄い絶縁体フィルムで覆って形成された電極テープ１０に、図８に示すように、１辺の長さＬを持つ正方形の板状の部材を、所望の幅Ｓを有する溝部１２が形成されるように接合し、積層電極部１１と溝部１２とを交互に形成してもよい。

【0042】

また、電極テープ１０に別の部材を組み合わせて積層電極部１１を形成してもよい。例えば、シリカ（ＳｉＯ_２）等のＰＥＴ樹脂と比べて剛性の高い物質からなる板状部材を、電極テープ１０に接合して積層電極部１１を形成する場合、ＰＥＴ樹脂等を用いて積層電極部１１を形成した場合と比べて、積層電極部１１の厚みを薄くすることができる。これにより、対向する一対の積層電極部１１間の距離を短くして、静電アクチュエータ１００の作用力の増大を図ることができる。

【0043】

さらに、ガラス繊維を混ぜて硬くした樹脂からなる板状部材を上述したようにして接合して電極テープ１０を形成してもよい。また、電極テープの両面に所望の幅Ｓを有する溝部１２が形成されるように、１辺の長さＬを持つ正方形の領域に紫外線硬化樹脂を塗布し、硬化することで積層電極部１１を形成してもよい。また、電極テープ１０の両面全体に紫外線硬化樹脂を塗布し、積層電極部１１を形成したい領域のみ紫外線を照射して硬化させることで積層電極部１１を形成してもよい。

【0044】

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図する。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0045】

以上に説明した基本構成を備えた静電アクチュエータは、小型で動作範囲が大きく、しかも、大きな作用力を実現することができるので、家庭用電化製品の可動部分を動かすアクチュエータをはじめとして、ロボットの関節等を動かすアクチュエータとして利用することが可能である。

【0046】

また、上述したように構成された静電アクチュエータを圧力センサとして利用することも可能である。

【符号の説明】

【0047】

１０ 電極テープ、１１ 積層電極部、１２ 溝部、１００ 静電アクチュエータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】