特開 2022-88689 静電アクチュエータ組立体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022088689

(43)【公開日】2022-06-15

(54)【発明の名称】静電アクチュエータ組立体

(51)【国際特許分類】

   H02N 1/00 20060101AFI20220608BHJP

【ＦＩ】

H02N1/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2019074534

(22)【出願日】2019-04-10

(71)【出願人】

【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】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100120112

【氏名又は名称】中西 基晴

(72)【発明者】

【氏名】実吉 敬二

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 誠

(72)【発明者】

【氏名】泉谷 輝

(72)【発明者】

【氏名】中塚 忠則

(57)【要約】

【課題】本発明は、単位面積当たりの発生力及びストローク量が大きな静電アクチュエータ組立体を提供することを目的とする。
【解決手段】
複数の静電アクチュエータ１を備えた静電アクチュエータ組立体１０において、前記複数の静電アクチュエータ１は、第１の静電アクチュエータ１と、前記第１の静電アクチュエータ１に対して直列に配置された第２の静電アクチュエータ１とを含み、前記第１の静電アクチュエータ１の駆動端５と前記第２の静電アクチュエータ１の駆動端５とはロッド部３で連結されて位置関係が保持され、前記第１の静電アクチュエータ１の固定端４と前記第２の静電アクチュエータ１の固定端４とはケース部２で連結されて位置関係が保持されるようにした。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の静電アクチュエータを備えた静電アクチュエータ組立体において、
前記複数の静電アクチュエータは、第１の静電アクチュエータと、前記第１の静電アクチュエータに対して直列に配置された第２の静電アクチュエータとを含み、
前記第１の静電アクチュエータの駆動端と前記第２の静電アクチュエータの駆動端とは第１の連結部で連結されて位置関係が保持され、
前記第１の静電アクチュエータの固定端と前記第２の静電アクチュエータの固定端とは第２の連結部で連結されて位置関係が保持されたことを特徴とする、静電アクチュエータ組立体。

【請求項2】

請求項１に記載の静電アクチュエータ組立体において、前記第２の連結部は、前記第１の連結部の移動範囲を制限する移動制限部を有することを特徴とする、静電アクチュエータ組立体。

【請求項3】

請求項２に記載の静電アクチュエータ組立体において、前記移動制限部は、前記駆動端が前記移動制限部と前記固定端との間でのみ移動可能に前記第１の連結部の移動範囲を制限することを特徴とする、静電アクチュエータ組立体。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電アクチュエータ組立体において、前記第１の連結部は、前記第１の静電アクチュエータ及び前記第２の静電アクチュエータを貫通することを特徴とする、静電アクチュエータ組立体。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか１項に記載の静電アクチュエータ組立体において、前記第１の連結部は、前記移動制限部に形成された孔を通ることを特徴とする、静電アクチュエータ組立体。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電アクチュエータ組立体において、前記複数の静電アクチュエータは、前記第１の静電アクチュエータと並列に隣り合って配置された第３の静電アクチュエータを含み、前記第１の静電アクチュエータの前記駆動端と前記第３の静電アクチュエータの駆動端とは前記第１の連結部で連結されて位置関係が保持され、前記第１の静電アクチュエータの前記固定端と前記第３の静電アクチュエータの固定端とは前記第２の連結部で連結されて位置関係が保持されたことを特徴とする、静電アクチュエータ組立体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の静電アクチュエータを備えた静電アクチュエータ組立体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、電極間に生じる静電引力に基づく発生力を駆動力として用いる静電アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の静電アクチュエータは、発生力が電極の面積に比例するため、大きな発生力を得るには電極の面積を大きくする必要があった。

【0003】

また、ストローク量を大きくすべく、２枚の銅箔をＰＥＴ等で絶縁したフィルムによるリボン状電極を交互に折り重ねた紙バネ構造により、複数の電極を積層させた積層ばね構造を有する積層型静電アクチュエータが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７‐２２９２６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記従来の技術による静電アクチュエータでは、複数の静電アクチュエータを単純に直列に連結してもストロークは伸びるが発生力は変わらないため、大きな発生力を得るためには電極の面積を大きくする必要があり、小型化が困難であった。

【0006】

また、発生力を大きくするために、電極間隔が広がり過ぎないように硬い静電アクチュエータを用いた構成が考えられるが、このような構成では発生力が大きくなる半面、ストローク量が短くなってしまう。これにより、硬い静電アクチュエータを用いた構成では、発生力が大きくて十分なストローク量を得ることができないため、細長い空間での使用には向いていなかった。

【0007】

さらに、静電アクチュエータは人工筋肉とも呼ばれており、静電アクチュエータの発生力は筋力と同じように電極の断面積に比例しており、生物学者アーチボルト・ヒルの筋収縮モデルによると、筋繊維をモデル化した「収縮要素」（収縮力は静電アクチュエータの電極間の面積に比例しており、従来技術では、並列化により水平方向の面積を増加させて収縮力を増大させていた）と、腱組織をモデル化した「直列弾性要素」（静電アクチュエータの電極積層枚数を増やしていた）と、その他結合組織をモデル化した「並列弾性要素」との３つの要素がある。ここで、従来技術による静電アクチュエータでは、人工筋肉の３つの要素のうち、水平方向の面積に比例して収縮力を増加させる「収縮要素」と、積層によりストローク量を増加させる「直列弾性要素」とを実現しているが、残りの１つの要素であり、単位面積あたりの発生力を増加させる「並列弾性要素」は実現されていなかった。

【0008】

静電アクチュエータの発生力は筋力と同じように電極の断面積に比例しているため、従来技術では、水平方向に静電アクチュエータを並列に配置して電極面積を増加させることにより収縮力（静電気力）を増加させていた。しかしながら、従来技術による並列化では「収縮要素」のみを考慮しているため、十分な発生力を得るためには、例えば１ｍ^２といった電極面積が必要であり、小型化が困難であった。すなわち、十分な単位面積当たりの発生力を得ることができないという課題があった。この課題は、単純に鉛直方向に静電アクチュエータどうしを接続した場合では、ストローク量は静電アクチュエータの個数に比例して増加するが、電極面積に依存する発生力は変わらないため、解決することができなかった。

【0009】

本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、ストローク量が大きくても単位面積当たりの発生力が大きな静電アクチュエータ組立体を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、複数の静電アクチュエータを備えた静電アクチュエータ組立体において、前記複数の静電アクチュエータは、第１の静電アクチュエータと、前記第１の静電アクチュエータに対して直列に配置された第２の静電アクチュエータとを含み、前記第１の静電アクチュエータの駆動端と前記第２の静電アクチュエータの駆動端とは第１の連結部で連結されて位置関係が保持され、前記第１の静電アクチュエータの固定端と前記第２の静電アクチュエータの固定端とは第２の連結部で連結されて位置関係が保持されたことを特徴とする。

【0011】

前記第２の連結部は、前記第１の連結部の移動範囲を制限する移動制限部を有していてもよい。前記移動制限部は、前記駆動端が前記移動制限部と前記固定端との間でのみ移動可能に前記第１の連結部の移動範囲を制限してもよい。前記第１の連結部は、前記第１の静電アクチュエータ及び前記第２の静電アクチュエータを貫通してもよい。前記第１の連結部は、前記移動制限部に形成された孔を通ってもよい。前記複数の静電アクチュエータは、前記第１の静電アクチュエータと並列に隣り合って配置された第３の静電アクチュエータを含み、前記第１の静電アクチュエータの前記駆動端と前記第３の静電アクチュエータの駆動端とは前記第１の連結部で連結されて位置関係が保持され、前記第１の静電アクチュエータの前記固定端と前記第３の静電アクチュエータの固定端とは前記第２の連結部で連結されて位置関係が保持されていてもよい。

【発明の効果】

【0012】

本発明では、ストローク量が大きくても単位面積当たりの発生力が大きな静電アクチュエータ組立体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態に係る静電アクチュエータ組立体の断面図を示す。

【図2】第２実施形態に係る静電アクチュエータ組立体の断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る静電アクチュエータ組立体の断面図を示す。
本実施形態に係る静電アクチュエータ組立体１０は、図１に示すように、複数の静電アクチュエータ１（第１乃至３の静電アクチュエータ）と、ケース部（第２の連結部）２と、ロッド部（第１の連結部）３とを備えている。

【0015】

静電アクチュエータ１は、電極を積層させた積層型静電アクチュエータである。この静電アクチュエータ１は、例えば、電気伝導体を電気絶縁体で絶縁したフィルム状の電極を、折り重ねや接合によって積層した構造を有している。電気伝導体には、例えば、銅箔等を使用することが可能であり、また電気絶縁体には、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）等を使用することが可能である。これにより、静電アクチュエータ１は、積層数に比例した複数の電極を有した構造になっている。静電アクチュエータ１単体のストローク量は、電極積層枚数に比例するため、複数の電極を積層させることによりロングストロークを得ることができる。静電アクチュエータ１は、一端の固定端４がケース部２に固定され、他端の駆動端５がロッド部３に固定されている。静電アクチュエータ１の固定端４は、ケース部２や駆動端５と固定し易くするために、強度の高い板状部材で形成されていてもよい。静電アクチュエータ１は、積層された各々の電極間に電圧が印加されたときに、電極間にクーロン力が発生し、電極間の空気層が積層された方向Ｓに収縮できるようになっている。なお、本実施形態では、同じ構造の複数の静電アクチュエータ１を用いている。

【0016】

ケース部２は、壁部６と天井部（移動制限部）７とを有している。このケース部２内には、２つの静電アクチュエータ１，１が並列に隣り合って並んでおり、これら２つの静電アクチュエータ１，１は、図中に伸縮方向Ｓで示す同じ方向に伸縮するように配置されている。静電アクチュエータ組立体１０は、静電アクチュエータ１，１の伸縮方向Ｓに複数のケース部２が直列に積層されており、各ケース部２の静電アクチュエータ１は全て同じ伸縮方向Ｓに伸縮するように配置されている。これにより、各ケース部２内の静電アクチュエータ１の固定端４どうしはケース部２で連結されて位置関係が保持されるようになっている。すなわち、１つの静電アクチュエータ１の駆動端５が移動したときに、全てのケース部２内の静電アクチュエータ１の固定端４は同じ間隔を維持したまま同じように移動するようになっている。

【0017】

静電アクチュエータ組立体１０は、伸縮方向Ｓの一端側はケース部２の天井部７が位置している一方、伸縮方向Ｓの他端側は底部パネル１２がケース部２に取り付けられて塞がれている。これにより、各静電アクチュエータ１は、底部パネル１２または隣接するケース部２の天井部７にそれぞれ固定されている。

【0018】

ロッド部３は、剛体で形成されており、伸縮方向Ｓに延在する軸部８と、軸部８に対して垂直方向に直径が広がる複数の拡径部９とを有している。ロッド部３は、ケース部２内に配置されている。

【0019】

軸部８は、直列に積層された各ケース部２の天井部７に形成された孔７ａを貫通して伸縮方向Ｓに延在しており、先端１１が外部に突出している。

【0020】

拡径部９は、それぞれ各ケース部２内に設けられており、各ケース部２内に配置された２つの静電アクチュエータ１，１のそれぞれの駆動端５に接着剤等で固定されている。これにより、各ケース部２内の静電アクチュエータ１の駆動端５どうしはロッド部３で連結されて互いに対する位置関係が保持されるようになっている。すなわち、いずれか１つの静電アクチュエータ１の駆動端５が移動するときは、他のケース部２内の静電アクチュエータ１の駆動端５も同じ量だけ移動するようになっている。

【0021】

ロッド部３は、静電アクチュエータ１が伸びたときに駆動端５が拡径部９を介して天井部７に当たることにより、ケース部２によって移動範囲が制限されるように設けられている。すなわち、ロッド部３及び駆動端５は、固定端４と天井部７との間の範囲内でのみ移動するようになっている。

【0022】

拡径部９は、同じケース部２内に配置された２つの静電アクチュエータ１，１のそれぞれの駆動端５に固定されていることにより、同じケース部２内で隣り合う静電アクチュエータ１，１の駆動部５どうしの互いに対する位置関係を保持するようになっている。

【0023】

拡径部９は、軸部８の同じ位置から広がっており、同じケース部２内の静電アクチュエータ１，１は常に同じ全長になっている。また、拡径部９は、静電アクチュエータ１，１が伸びたときに、天井部７に当接するように設けられている。このとき、拡径部９は、同じケース部２内の静電アクチュエータ１，１の駆動端５，５と天井部７との間隔が同じ長さになるように設けられており、例えば、各静電アクチュエータ１，１の駆動端５，５に固定される面と天井部７に当接する面とが略平行に形成されている。

【0024】

以下、静電アクチュエータ組立体１０の動作について説明する。
静電アクチュエータ組立体１０を用いる際には、駆動させる装置がロッド部３の先端１１に連結される一方、駆動させる装置とは別の装置がケース部２の底部パネル１２に固定される。

【0025】

静電アクチュエータ１は、電圧が付与されて通電されると、積層された電極間で発生力が生じる。これにより、突出していたロッド部３の先端１１は、ケース部２内に引き込まれるように移動して静電アクチュエータ組立体１０の全長が収縮することにより、連結された装置に駆動力を生じさせるようになっている。このとき、各静電アクチュエータ１は、ロッド部３で結合されている。これにより、結合された静電アクチュエータ１の個数倍だけ、静電アクチュエータ組立体１０は１つの静電アクチュエータ１よりも発生力が大きくなっている。すなわち、Ｎ個の静電アクチュエータ１が組み込まれた静電アクチュエータ組立体１０は、１つの静電アクチュエータ１のＮ倍の発生力を生じさせるようになっている。静電アクチュエータ１に電圧を印加したときの発生力は、静電アクチュエータ１に電圧を印加していないときに電極を形成しているフィルム等により生じる弾性力よりもはるかに大きく、発生力と弾性力との差に基づく仕事が連結された装置に付与されるようになっている。

【0026】

一方、静電アクチュエータ１は、電圧が付与されていないときには発生力が生じないため、ロッド部３の先端１１が引っ張られると、先端１１がケース部２から突出する方向にロッド部３がケース部２から引っ張り出される。これにより、静電アクチュエータ組立体１０の全長は伸張するようになっている。ロッド部３は、先端１１側にある程度移動すると、各拡径部９が各ケース部２の天井部７に当接してそれ以上先端１１側に移動できないようになっている。これにより、静電アクチュエータ１のストローク量が調節されてロッド部３の位置制御を可能にしている。すなわち、静電アクチュエータ組立体１０のストローク量は、静電アクチュエータ１のストローク量と等しくなっている。また、静電アクチュエータ１が伸長する方向に最も伸びたときに、拡径部９と天井部７との間に隙間が形成されるように各寸法を設定することにより、拡径部９が天井部７に衝突するときの衝撃音の発生を防止することができる。

【0027】

本実施形態に係る静電アクチュエータ組立体１０は、複数の静電アクチュエータ１の駆動端５どうしがロッド部３で連結されて位置関係が保持され、複数の静電アクチュエータ１の固定端４どうしがケース部２で連結されて位置関係が保持されている。これにより、ロッド部３で結合された静電アクチュエータ１の個数倍だけ、静電アクチュエータ組立体１０は静電アクチュエータ１よりも発生力が大きくなるようになっている。このため、ストローク量が大きくても単位面積当たりの発生力を大きくすることができる。

【0028】

また、ロッド部３は、先端１１側にある程度移動すると、各拡径部９が各ケース部２の天井部７に当接してそれ以上先端１１側に移動できないようになっている。このため、クランクシャフト等の直動運動を回転運動に変換する機構にロッド部３の先端１１を連結したときに、回転運動の位置制御が可能になる。また、静電アクチュエータ組立体１０を直動運動のみを行う装置に連結した場合に、拡径部９がケース部２の天井部７に当接することによる位置合わせにより、静電アクチュエータ１単体が伸びすぎることを防止することができる。

【0029】

さらに、静電アクチュエータ組立体１０のストローク量は、静電アクチュエータ組立体１０内の静電アクチュエータ１のうち最もストローク量の短い静電アクチュエータ１のストローク量と同等となる。または、静電アクチュエータ組立体１０のストローク量は、静電アクチュエータ組立体１０内の静電アクチュエータ１のうち最もストローク量の短い静電アクチュエータ１のストローク量と同等となるように、拡径部９および天井部７が構成されている。静電アクチュエータ組立体１０内部の静電アクチュエータ１は、荷重により伸長する際に、並列ばねとして機能するため、静電アクチュエータ組立体１０のばね力は、各静電アクチュエータ１のばね力の総和となる。したがって、静電アクチュエータ組立体１０のばね力は、各静電アクチュエータ１のばね力よりも大きくなる。しかしながら、静電アクチュエータ組立体１０は、各静電アクチュエータ１のストローク範囲内での、静電アクチュエータ１の各電極間のばね力を小さくしておくことで、軽い負荷でも、静電アクチュエータ組立体１０が伸長する距離を長くすることができる。これにより、静電アクチュエータ組立体１０は、負荷の大きさによらず大きなストローク量を得ることができ、かつ、重い負荷でも駆動することが可能である。

【0030】

また、静電アクチュエータ１の各電極間の距離は、静電アクチュエータ１の最大の伸長時であっても、周囲の静電アクチュエータ１との距離に比べて十分短い。このため、電極間に電圧印加された際に生じる電場は、各静電アクチュエータ１のそれぞれの電極間で閉じており、この電極間から漏れる電気力線の影響は無視することができる。このため、伸縮方向Ｓまたはそれと直交するいずれの方向であっても、隣り合う静電アクチュエータ１どうしは互いのクーロン力による影響をほとんど受けず、静電アクチュエータ組立体１０全体の単位体積当たりの発生力の高集積化が可能になる。

【0031】

さらに、静電アクチュエータ組立体１０、収縮力が伸長力よりも非常に大きく、外力に対して釣り合いの関係を有している。このため、静電アクチュエータ組立体１０は、従来技術による静電アクチュエータの組立体では取り出すことができなかった仕事を体積力として取り出すことができる。さらに、従来技術による静電アクチュエータの組立体と比較して、単位面積当たりの発生力および単位面積当たりの仕事を増加させることができる。

【0032】

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る静電アクチュエータ組立体の断面図を示す。以下、第１実施形態と実質的に同じ部材に同じ符号を用いて説明する。
第２実施形態に係る静電アクチュエータ組立体２０は、図２に示すように、各ケース部２内に１つのみの静電アクチュエータ（第１及び２の静電アクチュエータ）１が組み込まれている構成が第１実施形態に係る静電アクチュエータ組立体１０（図１参照）と異なっている。

【0033】

本実施形態に係る静電アクチュエータ組立体２０に組み込まれた静電アクチュエータ１は、伸縮方向Ｓに貫通する孔１３が形成されている。これにより、ロッド部３が静電アクチュエータ１を貫通して往復移動可能になっている。第２実機形態に係るロッド部３は、静電アクチュエータ１内を貫通するため、絶縁性材料で形成されている。

【0034】

また、静電アクチュエータ１は、例えば、切り込みが形成されており、静電アクチュエータ組立体２０を、組み立てる際には、ロッド部３の軸部８がこの切り込みを通って孔１３内に差し込まれるようになっている。

【0035】

以上、実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明はこれに限定しない。例えば、上記実施形態では、真っ直ぐなロッド部３を用いているが、これに限定されない。直列に配列された複数の静電アクチュエータを用いてロッド部に発生力を付与することができれば、ロッド部は湾曲形状を有していてもよい。

【0036】

また、上記実施形態では、ケース部２は、ロッド部３の拡径部９が天井部７に当接することにより、ロッド部３の移動範囲を制限されているが、本発明はこれに限定されない。ケース部は、ロッド部の移動範囲を制限することができれば、その他の構成であってもよい。

【0037】

さらに、上記実施形態では、静電アクチュエータ１は、各ケース部２に１つまたは２つ配置されているが、これに限定されず、３つ以上が並列に配置されていてもよい。また、静電アクチュエータ１は、直列に２つ以上配置されていればよく、その個数は任意である。

【0038】

さらにまた、上記実施形態では、同じ発生力及びストローク量の静電アクチュエータ１を方向Ｓに積層させているが、これに限定されず、異なる発生力や異なるストローク量の静電アクチュエータを方向Ｓに積層させてもよい。

【符号の説明】

【0039】

１…静電アクチュエータ（第１乃至３の静電アクチュエータ）
２…ケース部（第２の連結部）
３…ロッド部（第１の連結部）
４…固定端
５…駆動端
６…壁部
７…天井部（移動制限部）
７ａ…孔
８…軸部
９…拡径部
１０…静電アクチュエータ組立体
１１…先端
１２…底部パネル
１３…孔
２０…静電アクチュエータ組立体

【図1】

【図2】