JPH06296380A - 積層型伸縮アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造能率（量産性）を向上して低価格化を実
現する。 【構成】 複数の単位絶縁基板２１を折曲部２２を介し
て一体に形成する。下から奇数番目の単位絶縁基板２１
には、表面に表電極２４を形成し、偶数番目の単位絶縁
基板２１には、裏面に裏電極２５を形成する。更に、単
位絶縁基板２１及び折曲部２２の表面に形成した配線部
２６により全ての表電極２４を直列に接続し、同様に、
裏面に形成した配線部２７により全ての裏電極２５を直
列に接続する。予め、平面的に形成された各折曲部２２
を交互に表裏反対方向に折曲することで、複数の単位絶
縁基板２１を所定間隔で積層して、積層型静電アクチュ
エータを製造する。このアクチュエータは、各配線部２
６，２７を通して、各電極２４，２５間に電圧を印加す
ると、各表電極２４と裏電極２５との間に静電引力が生
じて、各電極２４，２５間の間隔が折曲部２２の弾性力
に抗して縮む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電極又はコイルが形成
された複数の単位絶縁基板を所定間隔で積層し、各電極
又はコイル間に作用する静電的又は電磁的な吸引力又は
反発力を利用して、積層方向に伸縮させて駆動力を発生
する積層型伸縮アクチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の積層型伸縮アクチュエータとし
ては、例えば特開平１−１８６１７９号公報に示すよう
な積層型静電アクチュエータが知られている。この積層
型静電アクチュエータは、所定のギャップを存して対向
する一対の電極を有する単位静電アクチュエータを複数
個積層することにより、その積層方向の伸縮変位量（駆
動力）を拡大するようにしたものである。このもので
は、各単位静電アクチュエータは、対向する電極の支持
板間を板ばね等の弾性連結部材により連結した構成とな
っている。

【０００３】このような積層型伸縮アクチュエータは、
電極間のギャップ間隔がアクチュエータの伸縮特性に大
きく影響することが知られている。例えば、上述した積
層型静電アクチュエータの場合、静電引力Ｆは、次の
（１）式で求められる。

【０００４】 Ｆ＝（ε・Ｓ・Ｖ^２）／２ｄ^２ ……（１） ここで、εは電極間のギャップの誘電率、Ｓは電極面
積、Ｖは印加電圧、ｄはギャップ間隔である。上記
（１）式から明らかなように、静電引力Ｆは、印加電圧
が一定であれば、ギャップ間隔ｄが小さくなればなるほ
ど大きくなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した公知例の積層
型静電アクチュエータは、電極間にギャップを形成する
手段として、板ばね等の弾性連結部材を採用している
が、特にギャップ間隔が数十ミクロン以下と小さくなっ
た場合、個々の弾性連結部材の弾性係数の管理や電極支
持板と弾性連結部材との接合が非常に面倒である。ま
た、このアクチュエータを伸縮させるために各電極に電
圧を印加するための配線が必要となるが、前述した公知
例の場合、各電極に対して空中配線を行うか、各弾性連
結部材に沿って配線を行う必要があり、上述した事情と
相俟って、製造工程が非常に煩雑となり、製造能率（量
産性）が低下して高価格化してしまう欠点がある。しか
も、アクチュエータの伸縮動作によって配線の接続部に
大きな応力がかかることにもなり、配線関係の信頼性を
低下させたり、この配線によってアクチュエータの伸縮
動作が邪魔されて、伸縮変位量（駆動力）が減少してし
まうおそれがある。

【０００６】本発明は、このような事情を考慮してなさ
れたもので、その目的は、製造能率（量産性）を向上し
て低価格化を実現できると共に、配線関係の信頼性を向
上でき、しかも、配線による伸縮変位量（駆動力）の低
下も防止できる積層型伸縮アクチュエータを提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の積層型伸縮アクチュエータは、表面に電極
又はコイルが形成された単位絶縁基板と、裏面に電極又
はコイルが形成された単位絶縁基板とを、交互に折曲部
を介して一体に連結すると共に、前記単位絶縁基板及び
前記折曲部の表裏各面に、各面の電極又はコイル間を電
気的に接続する配線部を形成し、前記各折曲部を交互に
表裏反対方向に折曲することで、前記各単位絶縁基板を
所定間隔で積層した構成としたものである。

【０００８】

【作用】本発明は、積層型静電アクチュエータと積層型
電磁アクチュエータのいずれにも適用可能であるが、例
えば、積層型静電アクチュエータに適用した場合には、
表面側の電極（以下「表電極」という）と裏面側の電極
（以下「裏電極」という）とが交互に配列され、これら
表電極と裏電極との間にギャップが存在した構成とな
る。そして、各表電極間及び各裏電極間は、それぞれ折
曲部に形成された別々の配線部で接続されているので、
各配線部を通して全ての表電極と裏電極との間に電圧を
印加することができる。この電圧印加により、各表電極
と裏電極との間に静電引力が生じて、各電極間の間隔が
折曲部の弾性力に抗して縮み変位し、この縮み変位量の
積算値分だけ、アクチュエータ全体が縮むように動作す
る。この後、電圧の印加を解除すれば、このアクチュエ
ータは折曲部の弾性により元の状態に戻る。このアクチ
ュエータを組み立てる場合、折曲という単純な作業で、
複数の単位絶縁基板の積層組立を行うことができると共
に、この積層組立後の各電極への配線作業が不要とな
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を積層型静電アクチュエータに
適用した第１実施例について図１及び図２を参照して説
明する。図１は積層型伸縮アクチュエータの斜視図、図
２は後述する折曲工程前の状態を表面側から見た展開図
である。

【００１０】この積層型静電アクチュエータは、ほぼ正
方形状の複数の単位絶縁基板２１を所定間隔で積層して
構成されている。これら各単位絶縁基板２１は、それら
の間を連結する折曲部２２と共に、所定のばね性を有す
る板状若しくはフィルム状の絶縁体（例えばポリイミ
ド）により一体に形成され、後述する折曲工程前の状態
では、図２に示すように、複数の単位絶縁基板２１が折
曲部２２を介して横一列に連結された構成となってい
る。更に、一端側（図２において左端側）に位置する単
位絶縁基板２１には、上記折曲部２２とほぼ同形状の口
出部２３が形成されている。

【００１１】また、図２において、左側から数えて奇数
番目の単位絶縁基板２１には、表面に正方形状の電極
（以下「表電極」という）２４が印刷又は蒸着等の導体
パターンにより形成され、偶数番目の単位絶縁基板２１
には、裏面に正方形状の電極（以下「裏電極」という）
２５が同様に形成されており、これにより、表電極２４
と裏電極２５とが交互に配列された構成となっている。
各表電極２４は、単位絶縁基板２１及び折曲部２２の表
面に導体パターンで形成された配線部２６により直列に
接続され、同様に、各裏電極２５は、単位絶縁基板２１
及び折曲部２２の裏面に形成された配線部２７により直
列に接続されている。各配線部２６，２７は口出部２３
にまで延長され、この口出部２３で電源ライン（図示せ
ず）と電気的に接続されるようになっている。

【００１２】この場合、予め平面的に形成された各折曲
部２２を、その中央の折曲線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ（図２参
照）で交互に表裏反対方向に１８０°折曲して（Ａ−Ａ
線は谷折り線、Ｂ−Ｂ線は山折り線を示す）、図１に示
すように、複数の単位絶縁基板２１を所定間隔で積層し
て積層型静電アクチュエータを製造するものであり、各
単位絶縁基板２１はその両側に位置する各折曲部２２に
より弾性支持された構成となっている。また、折曲線Ａ
−Ａ，Ｂ−Ｂでの折曲を容易に且つ精度良く行うため
に、各折曲部２２の片面には、一対のダミー電極２８が
折曲線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂを挟んでその両側に所定間隔をあ
けて線対称となるように形成されている。これにより、
折曲部２２のうち折曲線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ部分は、その両
側のダミー電極２８が形成されている部分よりも曲げ剛
性が相対的に低くなって、折曲部２２を折曲線Ａ−Ａ，
Ｂ−Ｂで曲げ易くなっている。

【００１３】以上のような構成の積層型静電アクチュエ
ータにおいて、口出部２３の両面に導出された各配線部
２６，２７に正負の電圧を印加すると、各配線部２６，
２７を通して全ての表電極２４と裏電極２５との間に電
圧が印加される。この電圧印加により、各表電極２４と
裏電極２５との間に前述した（１）式により求められる
静電引力が生じて、各電極２４，２５間の間隔が折曲部
２２の弾性力と釣り合う位置まで縮み変位し、その縮み
変位量の積算値分だけ、アクチュエータ全体が縮むよう
に動作する。この後、電圧の印加を解除すれば、このア
クチュエータは折曲部２２の弾性により元の状態に戻
る。

【００１４】以上説明した第１実施例によれば、積層型
静電アクチュエータを組み立てる場合、予め、折曲部２
２で連結された複数の単位絶縁基板２１に、表電極２
４，裏電極２５，配線部２６，２７，ダミー電極２８を
パターニングしておき、各折曲部２２を交互に表裏反対
方向に折曲することにより、単位絶縁基板２１を所定間
隔で積層して、積層型静電アクチュエータを製造するも
のである。このため、折曲という単純な作業で、複数の
単位絶縁基板２１の積層組立を行うことができると共
に、この積層組立後の各電極２４，２５への配線作業が
不要となり、製造能率（量産性）を大幅に向上できて、
低価格化を実現できる。しかも、各電極２４，２５間
は、各単位絶縁基板２１と折曲部２２にパターニングさ
れた配線部２６，２７で電気的に接続されているので、
従来の外部配線とは異なり、配線部２６，２７が積層型
静電アクチュエータの伸縮動作の邪魔にならず、配線に
よる伸縮変位量（駆動力）の低下を防止できると共に、
配線関係の信頼性も向上することができる。

【００１５】尚、各折曲部２２の折曲後のスプリングバ
ック（曲げ戻し）を防止するため、各折曲部２２を折曲
工程で加熱処理するようにしても良い。

【００１６】上記第１実施例では、展開状態（折曲工程
前の状態）において、複数の単位絶縁基板２１と折曲部
２２とが横一列に並ぶように連結されているが、連結形
式はこれに限定されず、例えば図３及び図４に示す本発
明の第２実施例のように、単位絶縁基板２１の連結方向
（折曲部２２の位置）を例えば９０°ずつ変えて、複数
の単位絶縁基板２１を全体としてその対角線方向に配列
するように連結しても良い。この第２実施例において
も、各折曲部２２を、その中央の折曲線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ
（図４参照）で交互に表裏反対方向に１８０°折曲して
（Ａ−Ａ線は谷折り線、Ｂ−Ｂ線は山折り線を示す）、
図３に示すように、複数の単位絶縁基板２１を所定間隔
で積層して積層型静電アクチュエータを製造するもので
ある。これ以外の構成は、前述した第１実施例と同じで
あり、第１実施例と同一符号を付して説明を省略する。

【００１７】この第２実施例では、図３に示すように、
折曲後の折曲部２２の位置が順番に９０°ずつ変化し
て、積層型静電アクチュエータの４辺に折曲部２２がバ
ランス良く配分されるようになる。このため、折曲部２
２による折曲誤差がアクチュエータの片側に偏ることな
く、複数の単位絶縁基板２１を積層軸方向に沿って容易
に真っ直ぐに積層できる利点がある。

【００１８】一方、図５乃至図７は、本発明を積層型静
電アクチュエータに適用した第３実施例を示すものであ
る。ここで、図５は積層型静電アクチュエータの斜視
図、図６は後述するスペーサ部材３１の接着前の状態を
表面側から見た展開図、図７は折曲工程直前の状態を表
面側から見た展開図（電極２４，２５と配線部２６，２
７の図示を省略）である。

【００１９】この第３実施例では、折曲部２２，３０を
折曲したときの各単位絶縁基板２１間のギャップ間隔を
正確に管理するために、スペーサ部材３１を単位絶縁基
板２１間に挟み込ませている。この場合、図６及び図７
に示すように、折曲工程前に表電極２４のある単位絶縁
基板２１には、例えば表面の両側部にそれぞれスペーサ
部材３１を１本ずつ連結方向に沿って接着し、裏電極２
５のある単位絶縁基板２１には、例えば裏面の中心に１
本のスペーサ部材３１を連結方向に沿って接着してい
る。更に、図６及び図７において、左側から数えて偶数
番目の折曲部２２は、第１実施例と同じく１本のみであ
るが、奇数番目の折曲部３０は単位絶縁基板２１の両端
にそれぞれ形成され、これら２本の折曲部３０により単
位絶縁基板２１の片側を２箇所で連結する構成となって
いる。この構成により、折曲部２２，３０を折曲したと
きに、それぞれの折曲部２２，３０に対応してスペーサ
部材３１が１本ずつ位置するようになっている。尚、２
本の折曲部３０については、表面側の配線部２６と、裏
面側の配線部２７とが別々の折曲部３０に形成されてい
る。

【００２０】この第３実施例においても、各折曲部２
２，３０を、その中央の折曲線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ（図６及
び図７参照）で交互に表裏反対方向にスペーサ部材３１
と単位絶縁基板２１とが接触するまで折曲して（Ａ−Ａ
線は谷折り線、Ｂ−Ｂ線は山折り線を示す）、図５に示
すように、複数の単位絶縁基板２１をスペーサ部材３１
を挟んで積層して積層型静電アクチュエータを製造する
ものである。これ以外の構成は、前述した第１実施例と
同じであり、第１実施例と同一符号を付して説明を省略
する。

【００２１】この第３実施例によれば、各配線部２６，
２７を通して全ての表電極２４と裏電極２５との間に電
圧を印加すると、各表電極２４と裏電極２５との間に前
述した（１）式により求められる静電引力が生じ、単位
絶縁基板２１のうちのスペーサ部材３１が接着してある
部分以外の部分が、自身の弾性と釣り合う位置まで湾曲
変形して、その変形量の積算値分だけ、アクチュエータ
全体が縮むように動作する。この後、電圧の印加を解除
すれば、このアクチュエータは単位絶縁基板２１自身の
弾性により元の状態に戻る。

【００２２】この第３実施例においては、伸縮動作時で
も、折曲部２２，３０は変形せずにスペーサ部材３１に
より固定されるため、折曲部２２，３０に形成されてい
る配線部２６，２７に対して伸縮動作の外力は全く作用
せず、配線関係の信頼性を一層向上できる。しかも、各
単位絶縁基板２１間のギャップ間隔がスペーサ部材３１
により正確に規制されるので、高精度なギャップ間隔の
管理が可能となり、アクチュエータの伸縮変位量（駆動
力）のばらつきを少なくすることができて、品質を向上
できる利点もある。

【００２３】以上説明した第１乃至第３の各実施例は、
いずれも、本発明を積層型静電アクチュエータに適用し
たものであるが、本発明は積層型電磁アクチュエータに
も適用可能である。以下、本発明を積層型電磁アクチュ
エータに適用した第４実施例について、図８乃至図１０
を参照して説明する。ここで、図８は積層型電磁アクチ
ュエータの斜視図、図９は折曲工程前の状態を表面側か
ら見た展開図、図１０は折曲工程前の状態を裏面側から
見た展開図である。

【００２４】この第４実施例では、第１実施例の表電極
２４に代えて、銅箔等により表薄膜コイル４１を形成
し、同様に、裏電極２５に代えて裏薄膜コイル４２を形
成している。各薄膜コイル４１，４２間は、単位絶縁基
板２１及び折曲部２２に形成された配線部４３，４４に
より直列に接続され、各配線部４３，４４は、口出部２
３にまで延長され、この口出部２３で電源ライン（図示
せず）と電気的に接続されるようになっている。

【００２５】この第４実施例においても、各折曲部２２
を、その中央の折曲線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ（図９及び図１０
参照）で交互に表裏反対方向に１８０°折曲して（Ａ−
Ａ線は谷折り線、Ｂ−Ｂ線は山折り線を示す）、図８に
示すように、複数の単位絶縁基板２１を所定間隔で積層
して積層型電磁アクチュエータを製造するものである。
これ以外の構成は、前述した第１実施例と同じであり、
第１実施例と同一符号を付して説明を省略する。

【００２６】この第４実施例によれば、各配線部４３，
４４を通して全ての表薄膜コイル４１と裏薄膜コイル４
２に電流を流すと、各薄膜コイル４１，４２から生じる
電磁力により各薄膜コイル４１，４２間に磁気吸引力又
は反発力が働き、各薄膜コイル４１，４２間の間隔が折
曲部２２の弾性力と釣り合う位置まで伸縮し、その伸縮
量の積算値分だけ、積層型電磁アクチュエータ全体が伸
縮するように動作する。この後、電流をオフすれば、こ
の積層型電磁アクチュエータは折曲部２２の弾性により
元の状態に戻る。

【００２７】尚、図示はしないが、この積層型電磁アク
チュエータについても、単位絶縁基板２１の連結方向
（折曲部２２の位置）を適宜変更したり、各単位絶縁基
板２１間にスペーサ部材を挟み込む構成としても良いこ
とは言うまでもない。

【００２８】また、前述した第１実施例では、各折曲部
２２に“一対”のダミー電極２８を折曲線Ａ−Ａ，Ｂ−
Ｂに関して線対称となるように形成して、Ａ−Ａ，Ｂ−
Ｂ線での折曲を容易に且つ精度良く行うようにしたが、
図１１に示す本発明の第５実施例のように、各折曲部２
２の両側部に“二対”のダミー電極４５を折曲線Ａ−
Ａ，Ｂ−Ｂに関して線対称となるように形成して、各折
曲部２２の両側部の剛性を均一化するようにしても良
い。

【００２９】或は、図１２に示す本発明の第６実施例の
ように、ダミー電極２８，４５に代えて、折曲線Ａ−
Ａ，Ｂ−Ｂ上に切欠部４６を形成し、この切欠部４６に
より折曲線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ部分の曲げ剛性を低下させる
ことで、Ａ−Ａ線，Ｂ−Ｂ線での折曲を容易に且つ精度
良く行うようにしても良い。但し、これら切欠部４６や
ダミー電極２８，４５が設けられていない構成として
も、本発明の所期の目的は十分に達成できることは言う
までもない。

【００３０】その他、本発明は、これら各実施例に限定
されるものではなく、アクチュエータの用途に応じて、
単位絶縁基板２１の形状（電極２４，２５や薄膜コイル
４１，４２の形状）を、長方形，三角形，円形等の他の
形状に変更したり、単位絶縁基板２１の積層枚数を変更
したり、或は、積層された単位絶縁基板２１を枠状のガ
イドレールに収納して、各単位絶縁基板２１の変位方向
をガイドするようにしても良い等、要旨を逸脱しない範
囲内で、種々変更して実施できることは言うまでもな
い。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の積層型伸縮アクチュエータによれば、折曲という単純
な作業で、複数の単位絶縁基板の積層組立を行うことが
できると共に、この積層組立後の各電極（又はコイル）
への配線作業が不要となるので、製造能率（量産性）を
大幅に向上できて、低価格化を実現できる。しかも、各
電極（各コイル）間は、各単位絶縁基板と折曲部に形成
された配線部で電気的に接続されているので、従来の外
部配線とは異なり、配線部がアクチュエータの伸縮動作
の邪魔にならず、配線による伸縮変位量（駆動力）の低
下を防止できると共に、配線関係の信頼性も向上でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す全体の斜視図

【図２】第１実施例における折曲工程前の状態を表面側
から見た展開図

【図３】本発明の第２実施例を示す全体の斜視図

【図４】第２実施例における折曲工程前の状態を表面側
から見た展開図

【図５】本発明の第３実施例を示す全体の斜視図

【図６】第３実施例におけるスペーサ部材の接着前の状
態を表面側から見た展開図

【図７】第３実施例における折曲工程前の状態を表面側
から見た展開図（電極と配線部の図示を省略）

【図８】本発明の第４実施例を示す全体の斜視図

【図９】第４実施例における折曲工程前の状態を表面側
から見た展開図

【図１０】第４実施例における折曲工程前の状態を裏面
側から見た展開図

【図１１】本発明の第５実施例を示す折曲部周辺の展開
図

【図１２】本発明の第６実施例を示す折曲部周辺の展開
図

【符号の説明】

２１…単位絶縁基板、２２…折曲部、２３…口出部、２
４…表電極（電極）、２５…裏電極（電極）、２６，２
７…配線部、２８…ダミー電極、３０…折曲部、３１…
スペーサ部材、４１…表薄膜コイル（コイル）、４２…
裏薄膜コイル（コイル）、４３，４４…配線部、４５…
ダミー電極、４６…切欠部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に電極又はコイルが形成された単位
   絶縁基板と、裏面に電極又はコイルが形成された単位絶
   縁基板とを、交互に折曲部を介して一体に連結すると共
   に、前記単位絶縁基板及び前記折曲部の表裏各面に、各
   面の電極又はコイル間を電気的に接続する配線部を形成
   し、前記各折曲部を交互に表裏反対方向に折曲すること
   で、前記各単位絶縁基板を所定間隔で積層した構成とし
   たことを特徴とする積層型伸縮アクチュエータ。