特許 7566337 静電アクチュエータ

(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】2024-10-04

(45)【発行日】2024-10-15

(54)【発明の名称】静電アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   H02N 1/00 20060101AFI20241007BHJP

【ＦＩ】

H02N1/00

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021528276

(86)(22)【出願日】2020-06-17

(86)【国際出願番号】 JP2020023659

(87)【国際公開番号】W WO2020255977

(87)【国際公開日】2020-12-24

【審査請求日】2023-02-06

(31)【優先権主張番号】P 2019112669

(32)【優先日】2019-06-18

(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

(72)【発明者】

【氏名】実吉 敬二

(72)【発明者】

【氏名】奥田 一雄

【審査官】服部 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－０５７３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第０４１２７８６０（ＤＥ，Ａ１）

【文献】特開２００３－１９９３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／２０７７０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０２１３６４１８（ＥＰ，Ａ２）

【文献】特表２０１８－５２７８７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｎ １／００

Ｈ０１Ｌ ４１／０９

Ｈ０１Ｌ ４１／１９３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

リボン状の第１の電極フィルムとリボン状の第２の電極フィルムとを備えた静電アクチュエータにおいて、
前記第１の電極フィルムで形成された複数の第１の電極と前記第２の電極フィルムで形成された複数の第２の電極とが前記静電アクチュエータの一端と他端との間で折り重なって積層されており、
複数の前記第１の電極は、前記第１の電極フィルムと前記第２の電極フィルムとが積層されたときに前記一端と前記他端とにそれぞれ位置する一対の端部電極と、前記第１の電極フィルムと前記第２の電極フィルムとが積層されたときに一対の前記端部電極の間に位置する中間電極とで構成され、
前記第１の電極フィルムは、折り重ねられる前の真っ直ぐなリボン状の状態で、一対の前記端部電極に相当する部分が前記第１の電極フィルムがリボン状に延びる方向に沿って隣り合うとともに、前記中間電極に相当する部分が一対の前記端部電極に相当する部分の間には位置しておらず、
前記第１の電極フィルムは、リボン状に延びる方向に沿って繰り返し同じ向きに折れ曲がって渦巻き形状を有して、一対の前記端部電極間に前記中間電極が形成され、
前記第２の電極フィルムは、リボン状に延びる方向に沿って山折り及び谷折りに交互に折れ曲がってジグザグ形状を有して、前記第１の電極フィルムの前記第１の電極の各々の間を通る複数の前記第２の電極が形成され、
渦巻き形状の前記第１の電極フィルムとジグザグ形状の前記第２の電極フィルムとが交互に配列されるように、前記第２の電極フィルムが前記第１の電極フィルムの前記中間電極間を順次通るように設けられたことを特徴とする、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の電極フィルムは、リボン状に延びる方向に沿って繰り返し同じ向きに折れ曲がって、複数の前記中間電極が重なるように形成されたことを特徴とする、静電アクチュエータ。

【請求項3】

請求項１または２に記載の静電アクチュエータにおいて、前記第１の電極フィルムの先端は、前記一端と前記他端との中間位置で前記第２の電極フィルムに接合されたことを特徴とする、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、静電アクチュエータに関する。

【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、２本のリボン状の電極フィルムを折り重ねて構成された静電アクチュエータでは、リボン状の電極フィルムの電極部を厚くするとともにヒンジ部を薄くすることにより、電圧を印加したときに収縮する駆動領域では柔らかく，大きな荷重が掛かると伸びる過負荷領域では硬くなるばね特性を実現している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】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２本のリボン状の電極フィルムを折り重ねて構成された静電アクチュエータは、紙ばね状の構造を有することから，長いストロークを得ることはできるが、大きな静電力を発生させることは困難であった。

【0006】

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、リボン状の電極フィルムで構成されていても大きな静電力を発生させることのできる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】

本発明は、リボン状の第１の電極フィルムとリボン状の第２の電極フィルムとを備えた静電アクチュエータにおいて、前記第１の電極フィルムで形成された複数の第１の電極と前記第２の電極フィルムで形成された複数の第２の電極とが前記静電アクチュエータの一端と他端との間で折り重なって積層されており、複数の前記第１の電極は、前記第１の電極フィルムがリボン状に延びる方向に沿って隣り合うとともに積層されたときに前記一端と前記他端とにそれぞれ位置する一対の端部電極と、積層されたときに前記端部電極間に位置する中間電極とを含むことを特徴とする。

【0008】

この場合において、前記第１の電極フィルムは、リボン状に延びる方向に沿って繰り返し同じ向きに折れ曲がって、一対の前記端部電極間に前記中間電極が形成されていてもよい。前記第１の電極フィルムは、リボン状に延びる方向に沿って繰り返し同じ向きに折れ曲がって、複数の前記中間電極が重なるように形成されていてもよい。前記中間電極は、リボン状に延びる方向に沿って山折り及び谷折りに交互に折れ曲がって、複数の前記第１の電極が重なるように形成されていてもよい。前記第２の電極フィルムは、リボン状に延びる方向に沿って山折り及び谷折りに交互に折れ曲がって、前記第１の電極フィルムの前記第１の電極の各々の間を通る複数の前記第２の電極が形成されていてもよい。前記第１の電極フィルムの先端は、前記一端と前記他端との中間位置で前記第２の電極フィルムに接合されていてもよい。

【発明の効果】

【0009】

本発明では、リボン状の電極フィルムで構成されていても大きな静電力を発生させることのできる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】

【0010】

【図1】第１実施形態に係る静電アクチュエータの斜視図を示す。

【図2】図２（ａ）は静電アクチュエータの正面図を示し、図２（ｂ）は静電アクチュエータの側面図を示す。

【図3】静電アクチュエータが縮んだ様子の斜視図を示す。

【図4】静電アクチュエータが伸びた様子の斜視図を示す。

【図5】静電アクチュエータのばね特性のグラフを示す。

【図6】第１実施形態に係る静電アクチュエータの斜視図を示す。

【図7】図７（ａ）は静電アクチュエータの正面図を示し、図７（ｂ）は静電アクチュエータの側面図を示す。

【図8】静電アクチュエータが縮んだ様子の斜視図を示す。

【図9】静電アクチュエータが伸びた様子の斜視図を示す。

【図10】静電アクチュエータのばね特性のグラフを示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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の斜視図を示し、図２は、図２（ａ）に静電アクチュエータの正面図を示すとともに図２（ｂ）に静電アクチュエータの側面図を示す。
本実施形態に係る静電アクチュエータ１０は、図１に示すように、リボン状の第１の電極フィルム１１とリボン状の第２の電極フィルム１２とを折り重ねたり接合したりして積層させた積層型静電アクチュエータである。

【0012】

第１の電極フィルム１１及び第２の電極フィルム１２は、電気伝導体を電気絶縁体で絶縁したフィルム状の電極であり、リボン状に細長く形成されている。すなわち、第１の電極フィルム１１及び第２の電極フィルム１２は、折り重ねられていない状態では細長い矩形形状に形成されている。電気伝導体には、例えば、銅箔等が使用されており、また電気絶縁体には、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）等が使用されている。

【0013】

静電アクチュエータ１０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１０は、積層された第１の電極フィルム１１及び第２の電極フィルム１２に電圧が印加されたときに、第１の電極フィルム１１及び第２の電極フィルム１２間に静電力が発生し、第１の電極フィルム１１及び第２の電極フィルム１２に印加された電圧の極性に応じて静電アクチュエータ１０の全体が伸びたり縮んだりするようになっている。

【0014】

以下、本実施形態に係る静電アクチュエータ１０の構造について具体的に説明する。
静電アクチュエータ１０は、リボン状の第１の電極フィルム１１とリボン状の第２の電極フィルム１２とが、静電アクチュエータ１０の一端１３と他端１４との間で折り重なって形成されている。これにより、静電アクチュエータ１０は、第１の電極フィルム１１で形成された複数の第１の電極１と第２の電極フィルム１２で形成された複数の第２の電極２とが積層された構造を有している。第１の電極１どうしは、第１の電極１と同様に第１の電極フィルム１１の一部であるヒンジ部３で接続されている。同様に第２の電極２どうしは、第２の電極２と同様に第２の電極フィルム１２の一部であるヒンジ部４で接続されている。

【0015】

複数の第１の電極１は、図２（ａ）に示すように、一対の端部電極１ａ，１ａと５つの中間電極１ｂとで構成されている。

【0016】

端部電極１ａ，１ａは、第１の電極フィルム１１と第２の電極フィルム１２とが積層されたときに静電アクチュエータ１０の一端１３と他端１４とにそれぞれ位置するようになっている。これら端部電極１ａ，１ａは、第１の電極フィルム１１のリボン状に延びる方向に沿って隣り合っている、すなわち第１の電極フィルム１１を折り重ねる前の真っ直ぐなリボン状の状態で端部電極１ａ，１ａに相当する部分どうしの間に中間電極１ｂに相当する部分が位置しないように第１の電極フィルム１１上に形成されている。

【0017】

中間電極１ｂは、第１の電極フィルム１１と第２の電極フィルム１２とが積層されたときに端部電極１ａ，１ａ間に位置するように第１の電極フィルム１１上に形成されている。

【0018】

第１の電極フィルム１１は、リボン状に延びる方向に沿って繰り返し同じ向きに折れ曲がって、一対の端部電極１ａ，１ａ間に中間電極１ｂが形成されている。すなわち、第１の電極フィルム１１は、側方から見たときに渦巻き状に巻かれた形状を有している。ここで、第１の電極フィルム１１は、リボン状に延びる方向に沿ってさらに繰り返し同じ向きに渦巻き状に折れ曲がっていることにより、複数の中間電極１ｂが重なるように形成されている。

【0019】

静電アクチュエータ１０は、外側の外側ヒンジ部３ａで結合された一対の端部電極１ａで構成された外側部分５と、内側の内側ヒンジ部３ｂで結合された複数の中間電極１ｂで構成された内側部分６とが入れ子式に構成されている。

【0020】

一方、第２の電極フィルム１２は、図２（ｂ）に示すように、第２の電極フィルム１２のリボン状に延びる方向に沿って山折り及び谷折りにより交互に折れ曲がっている。すなわち、第２の電極フィルム１２は、側方から見たときにジグザグに折り返された形状を有している。第２の電極フィルム１２は、第１の電極フィルム１１の第１の電極１の各々の間を通る６つの第２の電極２が形成されている。

【0021】

第１の電極フィルム１１の先端１１ａ（図２（ａ）参照）は、静電アクチュエータ１０の一端１３と他端１４との中間位置で第２の電極フィルム１２に接合されている。すなわち、第１の電極フィルム１１と第２の電極フィルム１２とは、折り重ねられる前の接合された状態で、第１の電極フィルム１１の先端１１ａが第２の電極フィルム１２の中央に垂直に接合されてＴ字形状になっている。

【0022】

図３は静電アクチュエータが縮んだ様子の斜視図を示し、図４は静電アクチュエータが伸びた様子の斜視図を示す。このシミュレーションに用いたリボン状の電極フィルムは、幅０．５ｍｍ，厚さ４μｍのものを用いている。

【0023】

静電アクチュエータ１０は、第１の電極フィルム１１及び第２の電極フィルム１２に異なる極性の電圧が印加されたときに、図３に示すように、第１の電極１と第２の電極２とが静電力で引っ張られて縮むようになっている。

【0024】

一方、静電アクチュエータ１０は、第１の電極フィルム１１及び第２の電極フィルム１２に同じ極性の電圧が印加されたときに、図４に示すように、第１の電極１と第２の電極２とが静電力で反発して伸びるようになっている。

【0025】

図５は、静電アクチュエータのばね特性のグラフを示す。この図において、縦軸はばね定数をｍＮの単位で示し、横軸は一端１３または他端１４の変位量をμｍの単位で示している。
静電アクチュエータ１０は、図５に示すように、一端１３または他端１４の変位量の小さな駆動領域のバネ定数は小さく、一端１３または他端１４の変位量の大きな過負荷領域のバネ定数は大きくなる構造となっており、駆動領域と過負荷領域との比は５倍以上で皿ばねのような理想的なばね特性が得られる。

【0026】

本実施形態に係る静電アクチュエータ１０は、第１の電極フィルム１１のリボン状に延びる方向に沿って隣り合い、積層されたときに静電アクチュエータ１０の一端１３と他端１４とにそれぞれ位置する一対の端部電極１ａ，１ａと、積層されたときに端部電極１ａ，１ａ間に位置する中間電極１ｂとを含んでいる。これにより、過負荷領域のばね特性が大きく改善され、リボン状の電極フィルムも薄くすることができるため、リボン状の電極フィルムで構成されていても大きな静電力を発生させることができる。

【0027】

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る静電アクチュエータの斜視図を示し、図７（ａ）は、第２実施形態に係る静電アクチュエータの正面図を示し、図７（ｂ）は、第２実施形態に係る静電アクチュエータの側面図を示す。

【0028】

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２０は、図６に示すように、第１の電極フィルム１の外側部分５は第１実施形態と同じであるが、内側部分６が第１実施形態と異なっている。具体的には、第２実施形態に係る静電アクチュエータ２０は、図７（ａ）に示すように、内側部分６が、第１の電極フィルム１１のリボン状に延びる方向に沿って山折り及び谷折りにより交互に折れ曲がっている。このとき、図７（ｂ）に示すように、第２の電極フィルム１２もリボン状に延びる方向に沿って山折り及び谷折りにより交互に折れ曲がっている。このため、第１の電極フィルム１１の中間電極１ｂは、第２の電極フィルム１２の第２の電極２と交互に間隔を空けて積層されるように構成されている。

【0029】

図８は静電アクチュエータが縮んだ様子の斜視図を示し、図９は静電アクチュエータが伸びた様子の斜視図を示す。

【0030】

静電アクチュエータ２０は、第１の電極フィルム１１及び第２の電極フィルム１２に異なる極性の電圧が印加されたときに、図８に示すように、第１の電極１と第２の電極２とが静電力で引っ張られて縮むようになっている。

【0031】

一方、静電アクチュエータ２０は、第１の電極フィルム１１及び第２の電極フィルム１２に同じ極性の電圧が印加されたときに、図９に示すように、第１の電極１と第２の電極２とが静電力で反発して伸びるようになっている。

【0032】

図１０は、第２実施形態に係る静電アクチュエータのばね特性のグラフを示す。この図において、縦軸はばね定数をｍＮの単位で示し、横軸は一端１３または他端１４の変位量をμｍの単位で示している。
静電アクチュエータ２０は、図１０に示すように、一端１３または他端１４の変位量の小さな駆動領域のバネ定数は小さく，一端１３または他端１４の変位量の大きな過負荷領域のバネ定数は大きくなる構造となっており、駆動領域と過負荷領域との比は５倍以上で皿ばねのような理想的なばね特性が得られる。

【0033】

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、第２の電極フィルム１２は、第２の電極フィルム１２のリボン状に延びる方向に沿って山折り及び谷折りにより交互に折れ曲がっているが、これに限定されない。第２の電極フィルム１２は、第１実施形態に係る第１の電極フィルム１１と同じようにリボン状に延びる方向に沿って繰り返し同じ向きに渦巻き状に折れ曲がっていてもよい。

【符号の説明】

【0034】

１…第１の電極
１ａ…端部電極
１ｂ…中間電極
２…第２の電極
３…ヒンジ部
３ａ…外側ヒンジ部
３ｂ…内側ヒンジ部
４…ヒンジ部
５…外側部分
６…内側部分
１０…静電アクチュエータ
１１…第１の電極フィルム
１１ａ…先端
１２…第２の電極フィルム
１３…一端
１４…他端
２０…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】

【図9】

【図10】