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(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】
(24)【登録日】2023-10-18
(45)【発行日】2023-10-26
(54)【発明の名称】積層型静電アクチュエータ
(51)【国際特許分類】
H02N 11/00 20060101AFI20231019BHJP
H02N 1/00 20060101ALI20231019BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20231019BHJP
【ＦＩ】
H02N11/00 Z
H02N1/00
B81B3/00
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021522255
(86)(22)【出願日】2020-05-20
(86)【国際出願番号】 JP2020019838
(87)【国際公開番号】W WO2020241386
(87)【国際公開日】2020-12-03
【審査請求日】2022-11-30
(31)【優先権主張番号】P 2019102852
(32)【優先日】2019-05-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(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】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】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100119426
【弁理士】
【氏名又は名称】小見山 泰明
(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
【審査官】上野 力
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－０２２９２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０１７２８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２４３８０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００４－５０２５６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１１８８５２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｎ １１／００
Ｈ０２Ｎ １／００
Ｂ８１Ｂ ３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１絶縁層と導体層と第２絶縁層の３層構造を有する複数の電極フィルムからなる積層型静電アクチュエータであって、各電極フィルムは、当該電極フィルムの前記第１絶縁層上に他の電極フィルムと接合できるように表面加工した接合領域Ｐと、当該他の電極フィルムと接合しない非接合領域Ｑとを有し、当該接合領域Ｐと当該非接合領域Ｑとの境界Ｃは少なくとも１つ以上の有限な値の曲率半径を用いて定義できる波状パターンを有し、
第１の電極フィルムの前記接合領域Ｐと、当該第１の電極フィルムのすぐ下にある第２の電極フィルムの前記接合領域Ｐとが積層方向に互いに重ならないように、且つ、当該第１の電極フィルムの境界Ｃの波状パターンと当該第２の電極フィルムの境界Ｃの波状パターンとは軸線が平行となるように積層配置されて、当該第１の電極フィルムと当該第２の電極フィルムとが当該第２の電極フィルムの前記第１絶縁層の当該接合領域Ｐにおいて接合され、
これにより前記複数の電極フィルムは、積層方向から見て、２つの前記電極フィルムが接合された電極部と、接合されていないヒンジ部とを有し、
外力により積層方向に引っ張られるとき、前記ヒンジ部が弾性変形して前記電極部同士が離間して積層方向に伸長し、
前記複数の電極フィルムの前記導体層間に電圧が印加されるとき、離間した前記電極部同士が静電力により収縮して積層方向に収縮するように構成された、積層型静電アクチュエータ。
【請求項2】
第１絶縁層と導体層と第２絶縁層の３層構造を有する複数の電極フィルムからなる積層型静電アクチュエータであって、各電極フィルムは、当該電極フィルムの前記第１絶縁層上に他の電極フィルムと接合できるように表面加工した接合領域Ｐと、当該他の電極フィルムと接合しない非接合領域Ｑとを有し、当該接合領域Ｐは前記第１絶縁層上で互いに離間した分銅繋ぎ文様状に形成され、
第１の電極フィルムの前記第１絶縁層上の分銅文様と、当該第１の電極フィルムのすぐ下にある第２の電極フィルムの前記第１絶縁層上の分銅文様とが積層方向に互いに重ならないように、且つ、当該分銅文様が互いに９０度回転した向きで積層配置されて、当該第１の電極フィルムと当該第２の電極フィルムとが当該第２の電極フィルムの前記第１絶縁層の当該接合領域Ｐにおいて接合され、
これにより前記複数の電極フィルムは、積層方向から見て、２つの前記電極フィルムが接合された電極部と、接合されていないヒンジ部とを有し、
外力により積層方向に引っ張られるとき、前記ヒンジ部が弾性変形して電極部同士が離間して積層方向に伸長し、
前記複数の電極フィルムの前記導体層間に電圧が印加されるとき、離間した電極部同士が静電力により収縮して積層方向に収縮するように構成された、積層型静電アクチュエータ。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、各電極フィルムの前記ヒンジ部は、外周の曲率半径Ｒe、内周の曲率半径Ｒiの円弧状領域として形成され、
前記円弧状領域は、当該円弧状領域の開角θOAごとに凸の向きを変えて連なった形状を有する、積層型静電アクチュエータ。
【請求項4】
請求項１に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、各電極フィルムの前記ヒンジ部は、外周の曲率半径Ｒe、内周の曲率半径Ｒiの円弧状領域として形成され、
前記円弧状領域の開角θOAは１８０度以上である、積層型静電アクチュエータ。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、前記積層型静電アクチュエータの伸縮方向における、前記ヒンジ部の一方の境界Ｃに対する他方の境界Ｃの移動量を前記ヒンジ部の変位と定義し、アクチュエータの発生力から規定される、対面する前記電極部間の最大許容距離に対応する前記ヒンジ部の変位を最大変位と定義すると、当該ヒンジ部の最大変位は、前記電極フィルムの厚さの√２倍以上である、積層型静電アクチュエータ。
【請求項6】
請求項１又は２に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、前記ヒンジ部は、均一な幅を有する、積層型静電アクチュエータ。
【請求項7】
請求項６に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、前記ヒンジ部の前記幅と前記電極フィルムの厚さとの比は５以上である、積層型静電アクチュエータ。
【請求項8】
請求項１又は２に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、２つの前記電極フィルムの間に前記ヒンジ部が形成する空間は、外部との間で流体連通し、
前記積層型静電アクチュエータが伸縮するとき、前記空間と外部との間で流体の流出入を可能とするように構成された、積層型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、積層型静電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【0002】
第１のパターンで接着剤が一方の面に塗布された複数の第１の電極板と、第１のパターンと異なる第２のパターンで接着剤が一方の面に塗布された複数の第２の電極板とを備え、第１の電極板と第２の電極板とは、接着剤が塗布された面を対向させずに交互に積層される構成を有する積層型静電アクチュエータに関する公報開示の技術が存在する（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－２２９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の積層型静電アクチュエータは、大きな外力で引っ張られたときに電極間隔が開き過ぎて充分な静電引力、即ち、収縮力が得られないという課題があった。かかる課題に対して、硬い弾性材料を採用して電極間隔の開き過ぎを抑制する構造では軽負荷時に電極間隔が広がらずアクチュエータの収縮率が低下するという課題があった。アクチュエータは非常に薄い電極板で構成されており、電極間隔の広がりを物理的に抑制することは困難であった。
【0005】
発明者は、電極間隔が開き過ぎを物理的に抑制する替わりにヒンジ部の形状を工夫して、皿ばねのばね効果と同様な効果を得ることができることを発見し、本発明に至った。本発明は、大きな外力で引っ張られたときにも充分な収縮力を発揮し、且つ、軽負荷時にも収縮率が低下しない積層型静電アクチュエータの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の積層型静電アクチュエータは、
第１絶縁層と導体層と第２絶縁層の３層構造を有する複数の電極フィルムからなる積層型静電アクチュエータであって、
各電極フィルムは、電極フィルムの第１絶縁層上に他の電極フィルムと接合できるように表面加工した接合領域Ｐと、他の電極フィルムと接合しない非接合領域Ｑとを有し、接合領域Ｐと非接合領域Ｑとの境界Ｃは少なくとも１つ以上の有限な値の曲率半径を用いて定義できる波状パターンを有し、
第１の電極フィルムの接合領域Ｐと、第１の電極フィルムのすぐ下にある第２の電極フィルムの接合領域Ｐとが積層方向に互いに重ならないように、且つ、第１の電極フィルムの境界Ｃの波状パターンと第２の電極フィルムの境界Ｃの波状パターンとは軸線が平行となるように積層配置されて、第１の電極フィルムと第２の電極フィルムとが第２の電極フィルムの第１絶縁層の接合領域Ｐにおいて接合され、
これにより複数の電極フィルムは、積層方向から見て、２つの電極フィルムが接合された電極部と、接合されていないヒンジ部とを有し、
外力により積層方向に引っ張られるとき、ヒンジ部が弾性変形して電極部同士が離間して積層方向に伸長し、
複数の電極フィルムの導体層間に電圧が印加されるとき、離間した電極部同士が静電力により収縮して積層方向に収縮するように構成される。
第１絶縁層と導体層と第２絶縁層の３層構造を有する複数の電極フィルムからなる積層型静電アクチュエータであって、
各電極フィルムは、電極フィルムの第１絶縁層上に他の電極フィルムと接合できるように表面加工した接合領域Ｐと、他の電極フィルムと接合しない非接合領域Ｑとを有し、接合領域Ｐと非接合領域Ｑとの境界Ｃは少なくとも１つ以上の有限な値の曲率半径を用いて定義できる波状パターンを有し、
第１の電極フィルムの接合領域Ｐと、第１の電極フィルムのすぐ下にある第２の電極フィルムの接合領域Ｐとが積層方向に互いに重ならないように、且つ、第１の電極フィルムの境界Ｃの波状パターンと第２の電極フィルムの境界Ｃの波状パターンとは軸線が平行となるように積層配置されて、第１の電極フィルムと第２の電極フィルムとが第２の電極フィルムの第１絶縁層の接合領域Ｐにおいて接合され、
これにより複数の電極フィルムは、積層方向から見て、２つの電極フィルムが接合された電極部と、接合されていないヒンジ部とを有し、
外力により積層方向に引っ張られるとき、ヒンジ部が弾性変形して電極部同士が離間して積層方向に伸長し、
複数の電極フィルムの導体層間に電圧が印加されるとき、離間した電極部同士が静電力により収縮して積層方向に収縮するように構成される。
【0007】
上記課題を解決するために、請求項２に記載の積層型静電アクチュエータは、
第１絶縁層と導体層と第２絶縁層の３層構造を有する複数の電極フィルムからなる積層型静電アクチュエータであって、
各電極フィルムは、電極フィルムの第１絶縁層上に他の電極フィルムと接合できるように表面加工した接合領域Ｐと、他の電極フィルムと接合しない非接合領域Ｑとを有し、接合領域Ｐは第１絶縁層上で互いに離間した分銅繋ぎ文様状に形成され、
第１の電極フィルムの第１絶縁層上の分銅文様と、第１の電極フィルムのすぐ下にある第２の電極フィルムの第１絶縁層上の分銅文様とが積層方向に互いに重ならないように、且つ、分銅文様が互いに９０度回転した向きで積層配置されて、第１の電極フィルムと第２の電極フィルムとが第２の電極フィルムの第１絶縁層の接合領域Ｐにおいて接合され、
これにより複数の電極フィルムは、積層方向から見て、２つの電極フィルムが接合された電極部と、接合されていないヒンジ部とを有し、
外力により積層方向に引っ張られるとき、前記ヒンジ部が弾性変形して電極部同士が離間して積層方向に伸長し、
複数の電極フィルムの導体層間に電圧が印加されるとき、離間した電極部同士が静電力により収縮して積層方向に収縮するように構成される。
第１絶縁層と導体層と第２絶縁層の３層構造を有する複数の電極フィルムからなる積層型静電アクチュエータであって、
各電極フィルムは、電極フィルムの第１絶縁層上に他の電極フィルムと接合できるように表面加工した接合領域Ｐと、他の電極フィルムと接合しない非接合領域Ｑとを有し、接合領域Ｐは第１絶縁層上で互いに離間した分銅繋ぎ文様状に形成され、
第１の電極フィルムの第１絶縁層上の分銅文様と、第１の電極フィルムのすぐ下にある第２の電極フィルムの第１絶縁層上の分銅文様とが積層方向に互いに重ならないように、且つ、分銅文様が互いに９０度回転した向きで積層配置されて、第１の電極フィルムと第２の電極フィルムとが第２の電極フィルムの第１絶縁層の接合領域Ｐにおいて接合され、
これにより複数の電極フィルムは、積層方向から見て、２つの電極フィルムが接合された電極部と、接合されていないヒンジ部とを有し、
外力により積層方向に引っ張られるとき、前記ヒンジ部が弾性変形して電極部同士が離間して積層方向に伸長し、
複数の電極フィルムの導体層間に電圧が印加されるとき、離間した電極部同士が静電力により収縮して積層方向に収縮するように構成される。
【0008】
請求項３に記載の積層型静電アクチュエータは、請求項１又は２に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
各電極フィルムのヒンジ部は、外周の曲率半径Ｒe、内周の曲率半径Ｒiの円弧状領域として形成され、
円弧状領域は、円弧状領域の開角θOAごとに凸の向きを変えて連なった形状を有する。
各電極フィルムのヒンジ部は、外周の曲率半径Ｒe、内周の曲率半径Ｒiの円弧状領域として形成され、
円弧状領域は、円弧状領域の開角θOAごとに凸の向きを変えて連なった形状を有する。
【0009】
請求項４に記載の積層型静電アクチュエータは、請求項１に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
各電極フィルムのヒンジ部は、外周の曲率半径Ｒe、内周の曲率半径Ｒiの円弧状領域として形成され、
円弧状領域の開角θOAは１８０度以上である。
各電極フィルムのヒンジ部は、外周の曲率半径Ｒe、内周の曲率半径Ｒiの円弧状領域として形成され、
円弧状領域の開角θOAは１８０度以上である。
【0010】
請求項５に記載の積層型静電アクチュエータは、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
積層型静電アクチュエータの伸縮方向における、ヒンジ部の一方の境界Ｃに対する他方の境界Ｃの移動量をヒンジ部の変位と定義し、アクチュエータの発生力から規定される、対面する電極部間の最大許容距離に対応するヒンジ部の変位を最大変位と定義すると、ヒンジ部の最大変位は、電極フィルムの厚さの√２倍以上である。
積層型静電アクチュエータの伸縮方向における、ヒンジ部の一方の境界Ｃに対する他方の境界Ｃの移動量をヒンジ部の変位と定義し、アクチュエータの発生力から規定される、対面する電極部間の最大許容距離に対応するヒンジ部の変位を最大変位と定義すると、ヒンジ部の最大変位は、電極フィルムの厚さの√２倍以上である。
【0011】
請求項６に記載の積層型静電アクチュエータは、請求項１又は２に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
ヒンジ部は、均一な幅を有する。
ヒンジ部は、均一な幅を有する。
【0012】
請求項７に記載の積層型静電アクチュエータは、請求項６に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
ヒンジ部の幅と電極フィルムの厚さとの比は５以上である。
ヒンジ部の幅と電極フィルムの厚さとの比は５以上である。
【0013】
請求項８に記載の積層型静電アクチュエータは、請求項１又は２に記載の積層型静電アクチュエータにおいて、
２つの電極フィルムの間にヒンジ部が形成する空間は、外部との間で流体連通し、
積層型静電アクチュエータが伸縮するとき、空間と外部との間で流体の流出入を可能とするように構成される。
２つの電極フィルムの間にヒンジ部が形成する空間は、外部との間で流体連通し、
積層型静電アクチュエータが伸縮するとき、空間と外部との間で流体の流出入を可能とするように構成される。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、ヒンジ部を波状にすることで、大きな外力で引っ張られたときにも充分な収縮力を発揮し、且つ、軽負荷時にも収縮率が低下しない積層型静電アクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータの説明図である。
【図5】ヒンジ部のばね定数の解析結果を示す図である。
【図6】ヒンジ部の波状パターンの円弧の開角θOAを２７０度としたときのヒンジ部の変形モードを説明する図である。
【図7】ヒンジ部のばね定数の解析結果を示す図である。
【図8】第２実施形態に係る積層型静電アクチュエータの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１の説明図である。図１中の（ａ）は積層型静電アクチュエータ１の平面を示し、（ｂ）は積層型静電アクチュエータ１を構成する電極フィルム１０一層の断面を示す。図２は、図１に示す積層型静電アクチュエータ１全体の断面図である。ここで、図２は電極フィルム１０と接合領域Ｐとの積層構造を示す目的で作成されており、図１の（ｂ）で示した電極フィルム１０の３層構造（後述）を省略している。
図１は、第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１の説明図である。図１中の（ａ）は積層型静電アクチュエータ１の平面を示し、（ｂ）は積層型静電アクチュエータ１を構成する電極フィルム１０一層の断面を示す。図２は、図１に示す積層型静電アクチュエータ１全体の断面図である。ここで、図２は電極フィルム１０と接合領域Ｐとの積層構造を示す目的で作成されており、図１の（ｂ）で示した電極フィルム１０の３層構造（後述）を省略している。
【0017】
（積層型静電アクチュエータの構成概要）
積層型静電アクチュエータ１は、２つの端部材（図示省略）に挟まれた、多数の電極フィルム１０が接合部２０を介して積層接合されて構成される（図２、後述）。図１の（ｂ）に示すように、電極フィルム１０は、第１絶縁層１２、導体層１４、第２絶縁層１６の３層構造を有する。導体層１４は、例えば、銅等の金属膜や導電性高分子、または導電性の炭素同素体（または炭素を主体とした導電性の混合体）からなり、第１および第２絶縁層１２，１６は、絶縁性の高分子膜からなる。特に第１および第２絶縁層１２，１６に高耐電圧性が必要な場合はパリレン（登録商標）等の高耐電圧絶縁体の使用が望ましいが、これに限定されるわけではない。電極フィルム１０の厚さは、例えば数マイクロメートルである。第１絶縁層１２は他の電極フィルムの第２絶縁層と接合できるように、あるいは、第２絶縁層１６は更に他の電極フィルムの第１絶縁層と接合できるように（図２参照）、表面加工された接合領域Ｐを有する。表面加工の方法としては、第１絶縁層１２上に接着剤を塗布することで接着部を構成してもよいし、シランカップリング剤処理等による化学処理によって結合層を構成してもよい。接着部を構成する場合は２つの電極フィルムは接着剤を介して結合され、化学処理による結合層を構成する場合は２つの電極フィルムは共有結合される。
積層型静電アクチュエータ１は、２つの端部材（図示省略）に挟まれた、多数の電極フィルム１０が接合部２０を介して積層接合されて構成される（図２、後述）。図１の（ｂ）に示すように、電極フィルム１０は、第１絶縁層１２、導体層１４、第２絶縁層１６の３層構造を有する。導体層１４は、例えば、銅等の金属膜や導電性高分子、または導電性の炭素同素体（または炭素を主体とした導電性の混合体）からなり、第１および第２絶縁層１２，１６は、絶縁性の高分子膜からなる。特に第１および第２絶縁層１２，１６に高耐電圧性が必要な場合はパリレン（登録商標）等の高耐電圧絶縁体の使用が望ましいが、これに限定されるわけではない。電極フィルム１０の厚さは、例えば数マイクロメートルである。第１絶縁層１２は他の電極フィルムの第２絶縁層と接合できるように、あるいは、第２絶縁層１６は更に他の電極フィルムの第１絶縁層と接合できるように（図２参照）、表面加工された接合領域Ｐを有する。表面加工の方法としては、第１絶縁層１２上に接着剤を塗布することで接着部を構成してもよいし、シランカップリング剤処理等による化学処理によって結合層を構成してもよい。接着部を構成する場合は２つの電極フィルムは接着剤を介して結合され、化学処理による結合層を構成する場合は２つの電極フィルムは共有結合される。
【0018】
図１の（ｂ）に示すように、各電極フィルム１０は接合領域Ｐ以外に、第１絶縁層１２上に他の電極フィルム（図２参照）と接合するための表面加工を施していない非接合領域Ｑを有し、接合領域Ｐと非接合領域Ｑとの境界Ｃは少なくとも１つの有限な値の曲率半径から規定できる波状パターンを有する（図１の（ａ）参照）。このとき、隣り合う２つの接合領域Ｐの間隔（即ち、非接合領域Ｑの幅）が接合領域Ｐの幅よりも大きくなるように接合領域Ｐは配置される。ここで、図１の（ａ）では、ある電極フィルム（以下「第１の電極フィルム１０ａ」とする）の第１絶縁層１２ａ上の接合領域Ｐａの輪郭を実線で表し、第２絶縁層１６ａの下にある（第１の電極フィルム１０ａの下にある電極フィルム（以下「第２の電極フィルム１０ｂ」とする）の第１絶縁層１２ｂ上の）接合領域Ｐｂの輪郭を破線で表している（後述）。
【0019】
図２に示すように、第１の電極フィルム１０ａ上の接合領域Ｐａと、第２の電極フィルム１０ｂ上の接合領域Ｐｂ（第１の電極フィルム１０ａの下にある接合領域）とは、積層方向に互いに重ならないように積層配置されて、第１の電極フィルム１０ａと第２の電極フィルム１０ｂとは、第２の電極フィルム１０ｂ上の接合領域Ｐｂにおいて接合される。上述したように、第１の電極フィルム１０ａにおいて、隣り合う２つの接合領域Ｐａの間隔（即ち、非接合領域の幅）が接合領域Ｐａの幅より大きくなるように接合領域Ｐａが形成されるので、積層型静電アクチュエータ１を積層方向から見たとき、第２の電極フィルム１０ｂと接合されない領域が形成される（図１の（ａ））。以下では、この領域をヒンジ部２２と定義する。このとき、図１の（ａ）に表されているように、ヒンジ部２２の両側に位置する、第１の電極フィルム１０ａの境界Ｃの波状パターンと第２の電極フィルム１０ｂの境界Ｃの波状パターンとは軸線が平行となるように配置される。
【0020】
（積層型静電アクチュエータの動作概要）
図３は、図２において丸で囲んだ領域ＩＩＩを拡大した断面図であり、積層型静電アクチュエータ１の動作を説明するための説明図である。図３中の（ａ）は導体層間に電圧が印加されて電極フィルムの間隔が収縮した状態を示し、（ｂ）は２つの端部材（図示省略）の間に積層を離そうとする向きの外力が作用し、電極フィルムの間隔が伸長した状態を示す。
図３は、図２において丸で囲んだ領域ＩＩＩを拡大した断面図であり、積層型静電アクチュエータ１の動作を説明するための説明図である。図３中の（ａ）は導体層間に電圧が印加されて電極フィルムの間隔が収縮した状態を示し、（ｂ）は２つの端部材（図示省略）の間に積層を離そうとする向きの外力が作用し、電極フィルムの間隔が伸長した状態を示す。
【0021】
図３の（ａ）に示すように、接合領域Ｐでは第１及び第２の電極フィルム１０ａ，１０ｂが接合され一体となっているので、ヒンジ部２２よりも剛性を有して硬い。また、接合領域Ｐと、接合領域Ｐにおいて接合された２つの電極フィルム１０ａ，１０ｂとを電極部２４と定義すると、特に積層型静電アクチュエータ１の端部材（図示省略）近傍の電極部を除いて、電極部２４に積層方向に作用する外力による力のモーメントはほぼ０であるため、電極部２４はほとんど変形しない。これに対して、ヒンジ部２２は電極フィルム１０が一層なので電極部２４に比して剛性が低い。さらに、ヒンジ部２２に積層方向に作用する外力による力のモーメントは０ではない、すなわち、ヒンジ部２２の一方の境界Ｃに発生する力と、他方の境界Ｃに発生する力は互いに逆向きであるため、ヒンジ部２２は電極部２４に比べて変形しやすい。以上の理由から、各電極フィルム１０ａ，１０ｂを離そうとする向きの外力を受けると、ヒンジ部２２が弾性変形して第１の電極フィルム１０ａと第２の電極フィルム１０ｂとの間隔が伸長し空間２６が形成される（図３の（ｂ））。図２に示すように、接合領域Ｐは千鳥状に配列されているので、電極フィルム１０ａ，１０ｂ間に形成される空間２６も千鳥状の配置となる。図３の（ｂ）に示す伸長状態のときに第１及び第２の電極フィルム１０ａ，１０ｂの導体層の間に電圧が印加されると、第１及び第２の電極フィルム１０ａ，１０ｂの間に静電引力が発生して、対向する電極部２４ａ，２４ｃが互いに引き合い、空間２６は積層方向に収縮する（図３の（ａ）に示す収縮状態となる）。その結果、積層型静電アクチュエータ１は、外力に抗して積層方向に収縮する。逆に導体層間の電圧を０にすると、外力によってヒンジ部２２が弾性変形して、電極部２４ａ，２４ｃ間は伸長する（図３の（ｂ）の伸長状態に戻る）。従って、印加する電圧をオン／オフすることにより積層型静電アクチュエータ１を伸縮運動させることができる。
【0022】
（本実施形態の作用）
かかる積層型静電アクチュエータ１では、外力を受けたときの（伸長状態の）電極部２４ａ，２４ｃ間距離（電極フィルム１０ａ，１０ｂ間に形成される空間２６の高さ）、即ち、図３の（ｂ）のｄ値が、ヒンジ部２２の曲がりの度合いによって変わる。ここで、クーロンの法則によれば、２つの電極部２４ａ，２４ｃ間の静電引力は電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄの２乗に反比例するので、電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄが大きくなると静電引力は急激に低下し、積層型静電アクチュエータ１の収縮力も弱まる。従って、積層型静電アクチュエータ１の収縮力を維持するには、伸長状態での電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄを抑制することが必要となる。一方、電極フィルム１０ａ，１０ｂに硬い弾性材料を採用して電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄを抑制する構造では、軽負荷時に電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄが充分に広がらず積層型静電アクチュエータ１の収縮率が低下する。以上の議論は、積層した電極フィルム１０ａ，１０ｂの各層でのすべての電極部２４で成り立つため、電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄが所定値のときに何かに衝突させて広がりを抑制させる構造をすべての電極部２４ａ，２４ｃ間に別部材等で構成することは困難である。よって、本発明ではヒンジ部２２の形状を操作してばね特性を操作する。
かかる積層型静電アクチュエータ１では、外力を受けたときの（伸長状態の）電極部２４ａ，２４ｃ間距離（電極フィルム１０ａ，１０ｂ間に形成される空間２６の高さ）、即ち、図３の（ｂ）のｄ値が、ヒンジ部２２の曲がりの度合いによって変わる。ここで、クーロンの法則によれば、２つの電極部２４ａ，２４ｃ間の静電引力は電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄの２乗に反比例するので、電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄが大きくなると静電引力は急激に低下し、積層型静電アクチュエータ１の収縮力も弱まる。従って、積層型静電アクチュエータ１の収縮力を維持するには、伸長状態での電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄを抑制することが必要となる。一方、電極フィルム１０ａ，１０ｂに硬い弾性材料を採用して電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄを抑制する構造では、軽負荷時に電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄが充分に広がらず積層型静電アクチュエータ１の収縮率が低下する。以上の議論は、積層した電極フィルム１０ａ，１０ｂの各層でのすべての電極部２４で成り立つため、電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄが所定値のときに何かに衝突させて広がりを抑制させる構造をすべての電極部２４ａ，２４ｃ間に別部材等で構成することは困難である。よって、本発明ではヒンジ部２２の形状を操作してばね特性を操作する。
【0023】
第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１は、ヒンジ部２２を波状パターンとしている。具体的には、皿ばねの例えば開角θOAで切り出した構造体ごとに凸の向きを変えて連続的に繋げた構造をヒンジ部２２とすることで、ヒンジ部２２が曲率を有する構成としている（後述する図４参照）。これにより、ヒンジ部２２は皿ばねのばね効果と同様の効果を得ることができる。
【0024】
皿ばねのばね力Ｆとたわみ（縮み）δの関係式は、以下に示すアルメン・ラスロの式で表されることが知られている。
ここで、ｔは皿ばねの板厚を表し、ｋは皿ばねの形状や、ヤング率やポアソン比などの材料物性から決まる係数である。
【数1】
ここで、ｔは皿ばねの板厚を表し、ｋは皿ばねの形状や、ヤング率やポアソン比などの材料物性から決まる係数である。
【0025】
積層型静電アクチュエータ１のヒンジ部２２に置き換えると、ｔが電極フィルム１０の厚さ、δが１つのヒンジ部２２の一方の境界Ｃに対する他方の境界Ｃの変位（積層型静電アクチュエータ１の積層方向の変位）である。以下では、δをヒンジ部２２の変位、または単に変位と呼称する。ここでδ＝０の状態（以下では、変位０の状態と呼称する）は、図３の（ａ）に示すように、１つの電極フィルム１０に配置されたヒンジ部２２と電極部２４が１つの平面上に位置している状態と定義する。本発明のヒンジ部２２は曲率を有した部分皿ばね構造をしているため、ヒンジ部２２に発生するばね力Ｆとヒンジ部２２の変位δの間には、近似的にアルメン?ラスロの式が成立する。上式の右辺括弧内の第１項がδ3比例項で第２項がδ比例項であるから、積層型静電アクチュエータ１の駆動範囲に３次関数的なばね特性領域が含まれることが分かる。
【0026】
ヒンジ部２２がこのようなばね特性を有している場合、変位０の状態から積層型静電アクチュエータ１が伸長し始めるときのヒンジ部２２は、外力に対して容易に変形するが、変位が増加するにつれてδ3比例項が急激に増加するため、ヒンジ部２２は急激に硬くなる。従って、大きな外力で引っ張られたときにも、δ3比例項により電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄの開き過ぎが抑制され、充分な収縮力を発揮し、且つ、変位０の状態からの伸びはじめは、δ3比例項が非常に小さいため、軽負荷時にも収縮率が低下しない積層型静電アクチュエータ１を提供することができる。
【0027】
また、第１項（δ3比例項）が第２項（δ比例項）より大きくなるのは、（δ3比例項）＞（δ比例項）のとき、つまりδ＞（√２）ｔのときである。即ち、積層型静電アクチュエータ１の静電引力によって規定される電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄの最大値をｄmaxとし、電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄの最大値ｄmaxに対応するヒンジ部２２の変位δの最大値を最大変位δmaxと定義すると、ヒンジ部２２の最大変位δmaxが、電極フィルム１０の厚さｔの√２倍以上となるように電極フィルム１０の厚さｔを設計することで、δ3比例項の効果を活用したばね特性を得ることができる。なお、電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄと、１つのヒンジ部２２の変位δは、ｄ＝２δの関係で表される。
【0028】
図４は、図１において丸で囲んだ領域ＩＶを抽出した図であり、ヒンジ部２２の波状パターンを説明するための図である。ヒンジ部２２の波状パターンは、外径Ｒe、内径Ｒiの円弧が開角θOAごとに凸の向きを変えて連なった形状を有するパターンである。各境界Ｃで曲率が一定（曲率半径が、外径Ｒeまたは内径Ｒiのいずれかの定数）であるから、変形時にヒンジ部２２の応力集中が少なく、これにより、積層型静電アクチュエータ１の信頼性を向上させることができる。
【0029】
ヒンジ部２２の波状パターンの円弧の開角θOAを１８０度以上とすると（図６、後述）、電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄの増大に応じてヒンジ部２２のばね定数の増加が大きくなり、軽負荷ではより大きなストロークが得られ、重負荷では電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄの開き過ぎを抑制できる。
【0030】
ここで、図５は、ヒンジ部２２のばね定数の解析結果を示す図である。横軸は円弧の開角θOAで、縦軸は円弧の開角θOAが１８０度のときの値で規格化したヒンジ部２２のばね定数である。変位０のときのばね定数はすべて同じとしている。ｑ10%とｑ20%はそれぞれヒンジ部２２の変位δがヒンジ部２２の幅ＨL（＝外径Ｒe－内径Ｒi）に対して１０％，２０％変位時のばね定数である。図５から、円弧の開角θOAが１８０度のときの形状を境にして、ヒンジ部２２変形時のばね定数が急激に増加していることが分かる。つまり、円弧の開角θOAが１８０度より大きいとき、積層型静電アクチュエータ１は伸びはじめが柔らかく容易に変形して大きなストロークが得られ、伸びるに従って急激に硬くなって電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄの開き過ぎを抑制できることが分かる。
【0031】
図６は、ヒンジ部２２の波状パターンの円弧の開角θOAを１８０度以上としたときのヒンジ部２２の変形モードを説明する図である。積層型静電アクチュエータ１が伸びるとき、図６中の丸で囲んだ領域ａは主にせん断変形と曲げ変形をする。円弧の開角θOAを１８０度以上とすると、新たに領域ｂが現れる。領域ｂはせん断力と曲げモーメントの他に引張力も受けるため、領域ｂの存在によりヒンジ部２２の変形モードが変わり、ヒンジ部２２が大きく変形したときのばね定数（ｑ10%、ｑ20%など）は増加する。即ち、円弧の開角θOAを１８０度以上にすると、ヒンジ部２２の特性は皿ばね構造により近づくことが分かる。
【0032】
図７は、ヒンジ部２２のばね定数の解析結果を示す図である。横軸はヒンジ部２２の幅ＨLとヒンジ部２２の厚さＨt（電極フィルムの厚さ）との比（アスペクト比）ＨL／Ｈtで、縦軸は変位０のときのばね定数の値で規格化したヒンジ部２２のばね定数である。変位０のときのばね定数はすべて同じとしている。ｑ10%とｑ20%はそれぞれヒンジ部２２の変位δがヒンジ部２２の幅ＨLに対して１０％，２０％変位時のばね定数である。図７から、アスペクト比ＨL／Ｈtが５のときの形状を境にして、２０％変位時のばね定数が急激に増加していることが分かる。つまり、アスペクト比ＨL／Ｈtが５以上のとき、積層型静電アクチュエータ１は伸びはじめが柔らかく容易に変形して大きなストロークが得られ、伸びるに従って急激に硬くなって電極部２４ａ，２４ｃ間距離ｄの開き過ぎを抑制できることが分かる。
【0033】
積層型静電アクチュエータ１は、ヒンジ部２２が均一な幅を有する構成としてもよい。ヒンジ部の幅が均一でない場合、積層型静電アクチュエータが伸長したとき、ヒンジ部の幅の狭い箇所が最初に伸長してほとんどの荷重を支えることとなり、応力集中により積層型静電アクチュエータが破断する恐れがある。これに対して、ヒンジ部２２が均一な幅を有する構成とすることにより、ヒンジ部２２での応力集中を緩和させて、破断の危険性を軽減できる。
【0034】
また、積層された電極部間に形成される空間が密閉される構造では、積層型静電アクチュエータの伸縮時に空間と外部との間で流体の流出入ができず伸縮動作を妨げることもあった（例えば、特許文献１の図１参照）。これに対して、第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１は、図１に示されるように、ヒンジ部２２が波状パターンを構成して外部との間で流体連通しているので、積層型静電アクチュエータ１の伸縮時に電極部２４ａ，２４ｃ間の空間２６（図３参照）と外部との間で流体の流出入が可能となり、伸縮動作を妨げることなく充分な伸縮量が確保できる。
【0035】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１０１の平面図である。第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１との同一又は類似の要素については、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。図８に示すように、第１の電極フィルムにおいて、表面加工した第１接合領域Ｐａは、第１絶縁層上で互いに離間した分銅繋ぎ文様状に第１絶縁層上に形成される。第１の電極フィルムのすぐ下にある第２の電極フィルムにおいて、表面加工した第２接合領域Ｐｂは、第１絶縁層上で互いに離間した分銅繋ぎ文様状に第１絶縁層上に形成される。ここで、分銅文様は、図８に示すように、円の外周の一部が切除された形状、または、円周の一部が中心に向かってくびれた形状である。そして、第１の電極フィルムの分銅文様と、第２の電極フィルムの分銅文様とが積層方向に互いに重ならないように、且つ、分銅文様が互いに９０度回転した向きで積層配置される。その結果、分銅繋ぎ文様の中において、他の電極フィルムと接合しない非接合領域Ｑが波状パターンのヒンジ部１２２を構成する。ヒンジ部１２２は均一な幅を有し、波状パターンの軸線は互いに９０度回転した向きで交差した構成（波状パターンが縦横に延びた構成）となる。第１接合領域Ｐａと第２接合領域Ｐｂとは、伸縮時に積層方向に対して逆向きに動く。第２実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１０１は、交差した２つの波状パターンを分銅繋ぎ文様の中に有するので、第１実施形態で説明したように、ヒンジ部１２２は皿ばねのばね効果と同様の効果を得ることができる。
図８は、第２実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１０１の平面図である。第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１との同一又は類似の要素については、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。図８に示すように、第１の電極フィルムにおいて、表面加工した第１接合領域Ｐａは、第１絶縁層上で互いに離間した分銅繋ぎ文様状に第１絶縁層上に形成される。第１の電極フィルムのすぐ下にある第２の電極フィルムにおいて、表面加工した第２接合領域Ｐｂは、第１絶縁層上で互いに離間した分銅繋ぎ文様状に第１絶縁層上に形成される。ここで、分銅文様は、図８に示すように、円の外周の一部が切除された形状、または、円周の一部が中心に向かってくびれた形状である。そして、第１の電極フィルムの分銅文様と、第２の電極フィルムの分銅文様とが積層方向に互いに重ならないように、且つ、分銅文様が互いに９０度回転した向きで積層配置される。その結果、分銅繋ぎ文様の中において、他の電極フィルムと接合しない非接合領域Ｑが波状パターンのヒンジ部１２２を構成する。ヒンジ部１２２は均一な幅を有し、波状パターンの軸線は互いに９０度回転した向きで交差した構成（波状パターンが縦横に延びた構成）となる。第１接合領域Ｐａと第２接合領域Ｐｂとは、伸縮時に積層方向に対して逆向きに動く。第２実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１０１は、交差した２つの波状パターンを分銅繋ぎ文様の中に有するので、第１実施形態で説明したように、ヒンジ部１２２は皿ばねのばね効果と同様の効果を得ることができる。
【0036】
さらに、第２実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１０１は、交差した２つの波状パターンを有するので、アクチュエータ１０１が外力を受けて変形する際に、ヒンジ部１２２はせん断力と曲げモーメントの他に引張力も受けるため、ヒンジ部２２が大きく変形したときのばね定数（ｑ10%、ｑ20%など）は増加する。即ち、第１実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１において、ヒンジ部２２の波状パターンの円弧の開角θOAを１８０度以上にした場合と同等の効果を、第２実施形態に係る積層型静電アクチュエータ１０１の、交差した２つの波状パターンで得ることができ、ヒンジ部１２２の特性は皿ばね構造により近づくことが分かる。
【0037】
ヒンジ部１２２が均一な幅を有する構成とすることで、ヒンジ部１２２での応力集中を緩和させて、破断の危険性を軽減できる。また、他の電極フィルムと接合されないヒンジ部１２２が外部との間で流体連通するので、積層型静電アクチュエータ１０１の伸縮時に電極部間の空間と外部との間で流体の流出入が可能となり、伸縮動作を妨げることなく充分な伸縮量が確保できる。
【符号の説明】
【0038】
１：積層型静電アクチュエータ、１０：電極フィルム、１０ａ：第１の電極フィルム、１０ｂ：第２の電極フィルム、１２，１２ａ，１２ｂ：第１絶縁層、１４，１４ａ，１４ｂ：導体層、１６，１６ａ：第２絶縁層、２０：接合部、２２：ヒンジ部、２４，２４ａ，２４ｃ：電極部、２６：空間
１０１：積層型静電アクチュエータ
１０１：積層型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】
