JP2006280180A - Electrostatic actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電引力を弾性エネルギーにより補完して常に大きな発生力を出力することができる静電アクチュエータに関する。 The present invention relates to an electrostatic actuator that can always output a large generated force by complementing an electrostatic attractive force with elastic energy.
一対の対向電極に電圧を印加したときに生じる静電引力により対向電極間のギャップ間隔が変位する現象を利用する静電アクチュエータが知られている。静電アクチュエータにおいて、静電引力は、ギャップ間隔の2乗に反比例するため、大きな静電引力を達成するためには、ギャップ間隔を出来る限り微小な値に設定する必要がある。一方、大きな変位量を得るためにはギャップ間隔を広くする必要があり、トレードオフの関係がある。すなわち、アクチュエータとして十分な変位量を得ようとすると、初期状態で静電引力は小さく、大きな出力を得ることができない。また、外力と釣合うギャップ間隔を任意に設定することができない。 There is known an electrostatic actuator that utilizes a phenomenon in which a gap interval between opposing electrodes is displaced by an electrostatic attractive force generated when a voltage is applied to a pair of opposing electrodes. In the electrostatic actuator, the electrostatic attractive force is inversely proportional to the square of the gap interval. Therefore, in order to achieve a large electrostatic attractive force, it is necessary to set the gap interval as small as possible. On the other hand, in order to obtain a large amount of displacement, it is necessary to widen the gap interval, and there is a trade-off relationship. That is, if an amount of displacement sufficient as an actuator is to be obtained, the electrostatic attractive force is small in the initial state, and a large output cannot be obtained. Moreover, the gap interval that balances the external force cannot be arbitrarily set.
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたもので、本発明の目的は、静電引力と弾性力とを効率良く協働させることにより、静電引力の弱い初期状態からでも所定設定の高出力を取り出すことができ、しかも静電引力と弾性力の仕事量を可変して外力と釣合うギャップ間隔を任意に設定することができるため位置制御を精度良く行うことができる静電アクチュエータを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to achieve a predetermined setting even from an initial state where the electrostatic attractive force is weak by efficiently cooperating electrostatic attractive force and elastic force. An electrostatic actuator that can take out high output, and can set the gap interval that balances the external force by changing the work of electrostatic attraction and elastic force, so that the position control can be performed accurately. It is to provide.
請求項1に係る静電アクチュエータは、第1電極と、第1電極に対向して所定の間隔をもって配設された第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に静電引力を生成させるための静電気力生成手段と、前記第1電極と前記第2電極との距離の変化による仕事を弾性エネルギーとして蓄積するための弾性手段と、前記静電気力及び前記弾性力の力により駆動する出力部とを備える。 An electrostatic actuator according to a first aspect of the present invention is an electrostatic actuator between a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode at a predetermined interval, and the first electrode and the second electrode. An electrostatic force generating means for generating an attractive force; an elastic means for storing work due to a change in the distance between the first electrode and the second electrode as elastic energy; and the electrostatic force and the force of the elastic force. And an output unit to be driven.
請求項2に係る静電アクチュエータは、請求項1記載の静電アクチュエータにおいて、前記弾性手段が、非線形ばねであることを特徴とする。 The electrostatic actuator according to a second aspect is the electrostatic actuator according to the first aspect, wherein the elastic means is a non-linear spring.
請求項3に係る静電アクチュエータは、請求項1記載の静電アクチュエータにおいて、前記静電引力と前記弾性力との和の発生力を可変して外力と釣合うギャップ間隔を任意に設定することができる発生力可変手段を備えることを特徴とする。 An electrostatic actuator according to a third aspect is the electrostatic actuator according to the first aspect, wherein a gap generated to balance an external force by changing a generated force of the electrostatic attractive force and the elastic force is arbitrarily set. It is characterized by comprising generated force variable means capable of
本発明に係る静電アクチュエータによれば、静電引力と弾性力を効率良く協働させることができるために、静電引力の弱い初期状態からでも所定設定の高出力を取り出すことができ、しかも静電引力と弾性力の仕事量を可変することができるため位置制御を精度良く行うことができる。 According to the electrostatic actuator according to the present invention, electrostatic attractive force and elastic force can be efficiently cooperated, so that a predetermined high output can be taken out even from an initial state where the electrostatic attractive force is weak. Since the work of electrostatic attraction and elastic force can be varied, position control can be performed with high accuracy.
以下、添付図面を参照して本発明に係る静電アクチュエータを詳述する。
図1は、本発明に係る第1実施例の静電アクチュエータを示す概略図である。図2は、図1の静電アクチュエータの部分分解図である。該図において、静電アクチュエータ10は、矩形形状の可動電極12と、可動電極に対向して所定の間隔をもって配置された、可動電極とほぼ同じ矩形形状で同じ面積の固定電極14と、可動電極12と固定電極14との距離の変化による仕事を弾性エネルギーとして蓄積するための弾性手段としての非線形ばね16と、静電気力と弾性力により駆動する出力部18とを備える。出力部18は、可動電極と固定電極のほぼ中心に嵌挿され上下方向に移動可能に設けられている。なお、弾性手段は、線形ばねであってもよい。
Hereinafter, an electrostatic actuator according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic view showing an electrostatic actuator of a first embodiment according to the present invention. FIG. 2 is a partially exploded view of the electrostatic actuator of FIG. In the figure, an
可動電極12は、出力部18と一体に設けられている。固定電極14は、枠体20の上面21に設けられており、かつ枠体20の上面に設けられている4本の電動プランジャ22により上下に移動することができる。各非線形ばね16の一端は、枠体の下面23に固定して設けられ、かつ他端は、可動電極12に当接されている。非線形ばねとして非線形板ばねが使用されているが、非線形板ばねは、荷重に比例してばね定数が変化するように変形形状、板厚変化、ばね幅変化、複数のばねの組み合わせ等により実現できる。例えば、非線形ばねとして、有効スパンを減少させることによりばね定数を増大させる、プログレッシブスプリングを使用する。
The
可動電極と固定電極に電圧が印可されると、可動電極と固定電極との間に静電引力Feが生じる。静電引力は、可動電極と固定電極の間隔に依存して生じる。弾性手段としての非線形ばねは、固定電極と可動電極との距離の変化による仕事を弾性力Fsとして蓄積する。かくして、出力部は、静電引力と弾性力により移動する。 When a voltage is applied to the movable electrode and the fixed electrode, an electrostatic attractive force Fe is generated between the movable electrode and the fixed electrode. The electrostatic attractive force is generated depending on the distance between the movable electrode and the fixed electrode. The non-linear spring as the elastic means accumulates work due to a change in the distance between the fixed electrode and the movable electrode as an elastic force Fs. Thus, the output unit moves due to electrostatic attraction and elastic force.
以下に出力部の動作を図3−図5を参照して詳述する。
工程1、電圧印加;可動電極及び固定電極をOFF状態とする。可動電極は、非線形ばねを圧縮した状態にある(図3)。この結果、可動電極と固定電極との間隔が大きく静電引力は小さいが、一方弾性力は圧縮されて大きい。
The operation of the output unit will be described in detail below with reference to FIGS.
工程2、電圧印加;可動電極及び固定電極をON状態にする。可動電極は、固定電極に向けて上方へ移動して、固定電極に到達する(図4―図5)。この結果、可動電極と固定電極との間隔が狭くなり静電引力は大きくなり、一方弾性力は解放されて小さくなる。 Step 2, voltage application; the movable electrode and the fixed electrode are turned on. The movable electrode moves upward toward the fixed electrode and reaches the fixed electrode (FIGS. 4 to 5). As a result, the distance between the movable electrode and the fixed electrode becomes narrower and the electrostatic attractive force becomes larger, while the elastic force is released and becomes smaller.
図6は、図1の静電アクチュエータの出力を示す図である。静電アクチュエータは、固定電極と可動電極間の間隔の二乗に反比例して静電引力Feが働く。該図において、初期設定d0は、両電極の距離が十分に大きく設定しているために、静電引力Feは小さい。そして、可動電極が固定電極に向かって移動することにより、両電極間の間隔は狭くなる。これに伴い静電引力の値Feは大きくなる。一方、非線形ばねは、初期設定状態で可動電極により圧縮されているので、弾性力Fsは大きい。しかし、可動電極が、固定電極に向けて移動すると両電極間の距離は狭くなり、ばねの弾性力は小さくなる。静電アクチュエータは、静電引力とばねの弾性力で仕事をすることができるため、Fe+Fsの力を発生する。 FIG. 6 is a diagram showing the output of the electrostatic actuator of FIG. In the electrostatic actuator, the electrostatic attractive force Fe works in inverse proportion to the square of the interval between the fixed electrode and the movable electrode. In the figure, the initial setting d0 has a small electrostatic attraction Fe because the distance between both electrodes is set sufficiently large. Then, as the movable electrode moves toward the fixed electrode, the distance between the two electrodes becomes narrower. Along with this, the electrostatic attractive value Fe increases. On the other hand, since the nonlinear spring is compressed by the movable electrode in the initial setting state, the elastic force Fs is large. However, when the movable electrode moves toward the fixed electrode, the distance between the two electrodes becomes narrow, and the elastic force of the spring becomes small. Since the electrostatic actuator can work with electrostatic attraction and elastic force of the spring, it generates a force of Fe + Fs.
また、静電引力Feと弾性力Fsの和の発生力W;(Fe+Fs)を可変することができる。発生力可変手段は、可動電極及び固定電極の印加電圧を可変すること、又は固定電極の初期位置を可変することにより可動電極及び固定電極の間隔を可変することにより達成される。図7は、可動電極及び固定電極の印加電圧を可変することにより、静電引力Feと弾性力Fsの和の発生力が可変することにより得られる発生力W1、W2を示す図である。ここで、静電引力Feに合わせて弾性力Fsを設計することにより、発生力Wを直線状にすることができる。該図において、印加電圧を可変することにより、静電引力はFeからFe’ に変化する。すなわち、静電引力の値は、大きくなる。この結果、発生力は、発生力W1(電圧可変前;Fe+Fs)から発生力W2(電圧可変後;Fe’ +Fs)に変化する。発生力W2(電圧可変後)は、電圧の2乗に比例した発生力W1より高い出力曲線を有する。ここで、電極間隔は、点Xから点Yに変化させることができる。なお、該図において、横軸は間隔dを示す。ここで、間隔d0は、初期設定状態を示す。縦軸は、力Fを示す。 Further, the generated force W; (Fe + Fs) of the electrostatic attractive force Fe and the elastic force Fs can be varied. The generated force varying means is achieved by varying the applied voltage between the movable electrode and the fixed electrode, or varying the interval between the movable electrode and the fixed electrode by varying the initial position of the fixed electrode. FIG. 7 is a diagram showing generated forces W1 and W2 obtained by changing the generated force of the sum of electrostatic attractive force Fe and elastic force Fs by changing the voltage applied to the movable electrode and the fixed electrode. Here, the generated force W can be made linear by designing the elastic force Fs in accordance with the electrostatic attractive force Fe. In the figure, the electrostatic attractive force changes from Fe to Fe 'by varying the applied voltage. That is, the value of electrostatic attraction becomes large. As a result, the generated force changes from the generated force W1 (before voltage change; Fe + Fs) to the generated force W2 (after voltage change; Fe ′ + Fs). The generated force W2 (after voltage change) has a higher output curve than the generated force W1 proportional to the square of the voltage. Here, the electrode interval can be changed from the point X to the point Y. In the figure, the horizontal axis indicates the interval d. Here, the interval d0 indicates an initial setting state. The vertical axis shows the force F.
図8は、初期設定として固定電極を電動プランジャで可動電極側に向けて下方に移動させた場合の静電アクチュエータの出力を示す図である。固定電極を初期状態で距離d1移動させることにより、電極間隔は、dからd’ と小さくなり、よって静電引力Feは大きくなる。一方弾性力Fsは、変化しないが、距離d1分だけシフトしたことになる。かくして、静電アクチュエータは、静電引力Feとばねの弾性力Fs’ で仕事をするため、静電アクチュエータは、静電引力Feとばねの弾性力Fsの発生力W1に比べて高い発生力W2(静電引力Fed+ばねの弾性力Fs’)を行うことができる。 FIG. 8 is a diagram showing the output of the electrostatic actuator when the fixed electrode is moved downward toward the movable electrode side by the electric plunger as an initial setting. By moving the fixed electrode by the distance d1 in the initial state, the electrode interval decreases from d to d ', and the electrostatic attractive force Fe increases. On the other hand, the elastic force Fs does not change, but is shifted by the distance d1. Thus, since the electrostatic actuator works with the electrostatic attractive force Fe and the elastic force Fs ′ of the spring, the electrostatic actuator has a higher generated force W2 than the generated force W1 of the electrostatic attractive force Fe and the elastic force Fs of the spring. (Electrostatic attractive force Fed + spring elastic force Fs ′) can be performed.
かくして、電圧可変後の発生力の曲線により、発生力が決まれば、その発生力に応じて外力と釣合う間隔dを定めることができ、よって静電アクチュエータによって位置制御が可能となる。 Thus, if the generated force is determined by the curve of the generated force after changing the voltage, an interval d that balances with the external force can be determined according to the generated force, so that the position can be controlled by the electrostatic actuator.
図9は、本発明に係る第2実施例の静電アクチュエータを示す概略図である。該図において、静電アクチュエータ10は、可動電極12と、可動電極に対向して所定の間隔をもって固定配置された固定電極14と、可動電極12と固定電極14との距離の変化による仕事を弾性エネルギーとして蓄積するための弾性手段としての非線形ばね16と、静電引力と弾性力により駆動する出力部18とを備える。出力部18は、可動電極と固定電極のほぼ中心を嵌挿して上下方向に移動可能に設けられている。
FIG. 9 is a schematic view showing an electrostatic actuator of a second embodiment according to the present invention. In the figure, the
可動電極12は、出力部18と一体に設けられている。固定電極14は、枠体20の上面21固定して設けられており、可動電極は、枠体20の下面に設けられて、4本の電動プランジャ22により上方に押される。この場合、静電引力とばね力との関係を一定に保ったまま可動電極の動作範囲を変化できるようにすることにより、荷重に対してアクチュエータの最適な特性範囲で使用することができる。
The
図10は、各部材が平板31上に配置され、固定電極と可動電極との間隔を調整するために可動電極に設けられたピエゾアクチュエータを備えた静電アクチュエータの概略図を示す。該図において、静電アクチュエータ10は、可動電極12と、可動電極に対向して所定の間隔をもって固定配置された固定電極14と、可動電極12と固定電極14との距離の変化による仕事を弾性エネルギーとして蓄積するための弾性手段としての非線形ばね16と、静電引力と弾性力により駆動する出力部18と、可動電極12の初期仕事を変化させるピエゾアクチュエータ24を備える。
FIG. 10 shows a schematic diagram of an electrostatic actuator in which each member is disposed on a
以下に静電アクチュエータの出力部の動作を図11−図13を参照して詳述する。
工程1(スタート)、電圧印加;可動電極及び固定電極をOFF状態に設定する。
Hereinafter, the operation of the output unit of the electrostatic actuator will be described in detail with reference to FIGS.
Step 1 (start), voltage application; the movable electrode and the fixed electrode are set to the OFF state.
工程2、電圧印加;ピエゾアクチュエータをONにする。可動電極は、固定電極に向けて移動する(図12)、そして可動電極は、固定可動電極に固着して停止する(図13)。かくして、可動電極は、固定電極に向けて移動することにより、電極間距離に依存して静電引力が生じる。一方、非線形ばねは弾性力を開放する。 Step 2, voltage application; the piezo actuator is turned on. The movable electrode moves toward the fixed electrode (FIG. 12), and the movable electrode adheres to the fixed movable electrode and stops (FIG. 13). Thus, when the movable electrode moves toward the fixed electrode, an electrostatic attractive force is generated depending on the distance between the electrodes. On the other hand, the non-linear spring releases the elastic force.
図14及び図15は、静電アクチュエータにおける可動電極の非線形及び線形構造をそれぞれ示す概略図である。図14において、静電アクチュエータは、可動電極12の下方に所定の間隔をもって平板31上に配設された固定電極14を備え、静電引力と電極間隔の変化を非線形な変位に変換する構造を有する。すなわち、可動電極12は、板ばね28と非線形形状ばね押し案内部26、ここでは案内部は、図6の非線形ばねの曲線を有する。
14 and 15 are schematic views showing the nonlinear and linear structures of the movable electrode in the electrostatic actuator, respectively. In FIG. 14, the electrostatic actuator includes a fixed
図15において、線形形状のばね押し案内部30、ここでは所定の角度の傾斜面を有して、可動電極の下方向の変位を線形な横方向の変位に変換する。
In FIG. 15, the spring-shaped
発生力、変位の大きい実用的で、かつ省エネルギー、環境負荷の小さな静電アクチュエータ、位置制御アクチュエータ、ナノ静電アクチュエータ、近接場静電アクチュエータ Practical and energy saving with large generation force and displacement, electrostatic actuator with low environmental load, position control actuator, nano electrostatic actuator, near field electrostatic actuator
10 静電アクチュエータ
12 可動電極
14 固定電極
16 非線形ばね
18 出力部
20 枠体
22 電動プランジャ
24 ピエゾアクチュエータ
26 非線形形状のばね押しガイド部
28 板ばね
30 線形形状のばね押しガイド部
31 平板
DESCRIPTION OF
Claims (3)
第1電極に対向して所定の間隔をもって配設された第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に静電引力を生成させるための静電引力生成手段と、
前記第1電極と前記第2電極との距離の変化による仕事を弾性エネルギーとして蓄積するための弾性手段と、
前記静電引力及び前記弾性力により駆動する出力部と、
を備える静電アクチュエータ。 A first electrode;
A second electrode disposed at a predetermined interval facing the first electrode;
Electrostatic attraction generating means for generating an electrostatic attraction between the first electrode and the second electrode;
Elastic means for accumulating work due to a change in the distance between the first electrode and the second electrode as elastic energy;
An output unit driven by the electrostatic attractive force and the elastic force;
An electrostatic actuator comprising:
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