JP2007318861A

JP2007318861A - 静電アクチュエータ

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Publication number: JP2007318861A
Application number: JP2006143875A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Minami; 和幸南
Original assignee: Yamaguchi University NUC
Current assignee: Yamaguchi University NUC
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-24
Also published as: JP4882065B2; WO2007136096A1

Abstract

【課題】静電エネルギーを非線形ばねに蓄積することで、効率よく機械的仕事に変換でき、大きな変位を得ることができる静電アクチュエータを提供する。
【解決手段】第１電極と、前記第１電極に対向し、相対的に前記対向する方向に移動可能に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電極との間の静電引力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、前記弾性手段の前記弾性エネルギーの開放により駆動される出力部とを備えた動作部と、前記動作部が表面上に配置された基板と、前記基板表面に沿っての前記動作部と前記基板との間欠的な相対的移動を制御する制御手段と、を備え、前記動作部と前記基板との相対的移動を可能とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、電極間の静電引力を効率良く機械的仕事に変換することができる超小型の静電アクチュエータに関する。

従来の電磁アクチュエータの場合には電流を流し放しの状態となるのに対し、静電アクチュエータの場合には、初期の充電時のみに電流が流れるため省エネルギーにも寄与するものである。

また、静電アクチュエータは、半導体製造技術を適用した、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）技術を適用することによって、低コスト、高精度の製作が期待できる。

従来の平行平板型静電アクチュエータは、固定電極Ｋと可動電極Ｍとを対向配置し、両者に電圧を印加して電極間隔を小さくする方向の静電駆動力を得るものである。この場合の静電駆動力Ｆｅはεを比誘電率、真空の誘電率をε_０、ｄを電極間隔、Ｓを対向電極面積、Ｖを印加電圧とすれば、
Ｆｅ＝ε・ε_０・Ｓ・Ｖ^２／２ｄ^２・・・・（１）
として表される。

上記（１）式より明らかなように、静電引力は電極間隔が小さくなるにつれて、急激に増加していく特性を持っている。従来は静電引力を仕事に変換することができるポテンシャルを持ちながら、初期発生力が弱く、実際には十分な仕事量を取り出すことが出来ない問題を有していた。

そして、変位量が極めて小さいためその適用範囲や用途が制限されていた。そこで、特許文献１では、大きな変位量を発生させることを目的として、ラチエット機構を含む板ばねのばね力を利用した静電式アクチュエータが開示されている。

即ち、可動部材と、板ばねを持ち前記可動部材を第１の方向に変位させる１対の第１駆動部材と、板ばねを持ち前記可動部材を第２の方向に変位させる１対の第２駆動部材とを固定部材上に配置し、前記各駆動部材と固定部材との静電力を利用して可動部材を双方向に変位可能とし、前記固定部材と可動部材との間の静電力を利用して一定位置に保持させる静電式アクチュエータが開示されている。

しかしながら、特許文献１の装置では、駆動力が、可動部材を支持する部材の変形（弾性エネルギー）に消費されているため、外部に取り出せる力はどんどん弱くなるものである。そして、単に大きな変位を得ようとしたものであり、駆動の為の発生力に関しては考慮されていなかった。
特開平５−２２０６８０号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、ばね、好ましくは非線形ばね、非線形伸び縮みばね、ゴム等の弾性体を支持体としてだけでなく、機械的エネルギーを蓄積する部材として利用することにより、静電引力による仕事を弾性エネルギーに変換してから仕事をさせることを可能とし、静電引力を効率良く機械的仕事に変換でき、大きな力と仕事を生成する事ができる小型の静電アクチュエータを提供することである。更に垂直方向の静電引力をばねに蓄え、出力時は静電引力の働く方向と直交する方向への取り出しを可能とし、省スペース化を図ることを目的とする。

請求項１に係る発明は、第１電極と、前記第１電極に対向し、相対的に前記対向する方向に移動可能に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電極との間の静電引力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、前記弾性手段の前記弾性エネルギーの開放により駆動される出力部と、を備えた動作部と、前記動作部が表面上に配置された基板と、前記基板表面に沿っての前記動作部と前記基板との間欠的な相対的移動を制御する制御手段と、を備える静電アクチュエータである。

請求項２に係る発明は、前記第１電極と前記第２電極が共に可動電極であることを特徴する請求項１記載の静電アクチュエータである。

請求項３に係る発明は、前記第１電極と前記第２電極の一方が固定電極、他方が可動電極であることを特徴する請求項１記載の静電アクチュエータである。

請求項４に係る発明は、前記弾性手段は、前記第１電極と前記第２電極との間に配設された非線形ばねであることを特徴する請求項２又は請求項３記載の静電アクチュエータである。

請求項５に係る発明は、前記弾性手段は、前記可動電極の外方に付設された非線形ばねであることを特徴する請求項２記載の静電アクチュエータである。

請求項６に係る発明は、前記弾性手段は、前記可動電極を挟んで前記固定電極と対向する支持部と前記可動電極との間に配設された非線形ばねであることを特徴する請求項３記載の静電アクチュエータである。

請求項７に係る発明は、前記弾性手段が前記可動電極と一体的に形成されていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項記載の静電アクチュエータである。

請求項８に係る発明は、前記出力部が前記弾性手段に脱着可能に設けられていることを特徴とする請求項４記載の静電アクチュエータである。

請求項９に係る発明は、前記出力部が前記動作部に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の静電アクチュエータである。

また、請求項１０に係る発明は、基板上に配された第１電極と、前記第１電極に対向し、前記対向する方向に移動可能に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電極との間に配され静電引力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、前記弾性手段の前記弾性エネルギーの開放により駆動される前記弾性手段に接続された出力部と、前記基板表面に沿っての前記弾性手段と前記基板との間欠的な相対的移動を制御する制御手段と、を備える静電アクチュエータである。

請求項１１に係る発明は、前記弾性手段と前記第２電極とが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１０記載の静電アクチュエータである。

さらに、請求項１２に係る発明は、所定の間隔をもって隔離され対向する下基板及び上基板と、前記下基板の中央開口に配した第１可動電極と、前記上基板の中央開口に配した前記第１可動電極に対向する第２可動電極と、前記第１可動電極と前記第２可動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可動電極と前記第２可動電極との間の静電引力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、前記弾性手段の前記弾性エネルギーの開放により駆動される前記弾性手段に接続された出力部と、前記下基板表面に沿っての前記弾性手段と前記下基板との間欠的な相対的移動を制御する制御手段と、を備える静電アクチュエータである。

本発明により提供される静電アクチュエータによれば、静電引力による仕事をばね、特に非線形伸び縮みばね等を利用した弾性エネルギーに変換してから仕事をさせることが出来るため、静電引力を効率良く機械的仕事に変換でき、大きな力と仕事を生成する事ができ、しかも小型に作ることが可能である。

上記（１）式において、電極面積を１ｍｍ^２、電圧１０Ｖ、誘電率を空気の値にした場合の、電極間隔と仕事量との関係を図１に示す。通常の構造の静電アクチュエータにおいては、図１のように例えば初期電極間隔d=5μmの時には初期発生力が1.77×10^-5Nであり、これ以上の負荷は動かせないからこれが利用できる最大の発生力となる。従ってこの力でdが減少する方向にアクチュエータが動くので、静電アクチュエータだけでできる仕事量Ｗ１は、領域Ｗ１で示される。一方、本発明による静電アクチュエータにおける静電引力から弾性エネルギーへの変換を用いた場合には、たとえばd=0.2μmからdが増加する方向にアクチュエータが動くことになるので、d=0.4μmまで動かす場合には2.77×10^-3Nの負荷、d=1μmまで動かすなら4.43×10^-4Nの負荷のものを動かすことが出来る。従って、その仕事量は、電極間隔の変化に応じて領域Ｗ２、領域Ｗ３のようになる。即ち、仕事量はＷ２／Ｗ１＝４．１６倍、Ｗ３／Ｗ１＝６．５倍となり、静電引力のみよりかなり大きな仕事をすることが出来る。また、発生力は、それぞれ２５倍、１５６倍にすることが出来る。

以下に本発明の実施例について説明する。

図２は本発明の静電アクチュエータを示すもので、図２（イ）は平面図、図２（ロ）は図２（イ）のＡ−Ａ断面図、図２（ハ）は分解図である。

図２において、静電アクチュエータ１０は、互いに所定間隔をもって配置された基板としての上固定部材３と下固定部材４にはそれぞれ中央部に可動電極１と可動電極２を備えた可動部材１５，１６が支持部材１３，１４（可動部材１６に関する支持部材は図示していないがこれと同様である。）を介して取り付けられている。可動電極１と可動電極２の間または可動部材１５，１６の間には、非線形ばね５，６が配されている。

非線形ばね５，６は分解図にも示すように一対の２つの弓幹状ばねを逆向きに合わせた形状をしており、その両端部には静電吸着用電極７，８を備えている。該静電吸着用電極７と対応する下固定部材４上には静電吸着用電極１１が設けられている。

非線形ばねは、変形（変位）量に従っ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出来る。図１２のように、パンタグラフ式リンク機構などを利用して非線形伸び縮みばねを接続することも可能である。

また、ポリイミドフィルム等からなる出力シート１７が、上固定部材３と下固定部材４との間で、かつ弓幹状ばねの両端部の下方で下固定部材４との間に挿入配置され、図示で水平方向に移動可能に設けられている。そして、出力シート１７の端部にも静電吸着用電極８に対応する静電吸着用電極１８が設けられており、さらに静電吸着用電極１８に対応する静電吸着用電極１２が固定部材４上に設けられている。

また、可動電極１と可動電極２として説明したが、どちらか一方を固定電極としても良いことは当然である。

次に、出力シート１７の動作を図３（イ）〜図３（ト）を参照して詳述する。

図３（イ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図３（ロ）の如く、下固定部材４の静電吸着用電極１２と出力シート１７の静電吸着用電極１８との間に電圧を印加すると、出力シート１７は下固定部材４に固定される。この状態で、図３（ハ）の如く、可動電極１と可動電極２との間に電圧を印加すると両者間に静電引力が発生し、図３（ニ）の如く非線形ばね５，６は圧縮され、非線形ばねは弾性エネルギーを蓄積する。同時に非線形ばね５，６の両端部は左右に延びる。次に図３（ホ）の如く、非線形ばね５，６の両端部の静電吸着用電極７と下固定部材４の静電吸着用電極１１の間、および非線形ばね５，６の両端部の静電吸着用電極８と出力シート１７の静電吸着用電極１８の間にも電圧を印加する。

この時、非線形ばね５，６の出力シート１７側の端部は、出力シート１７、非線形ばねの両端部、下固定部材４の３者が同時に固定された状態にある。次に、図３（ヘ）の如く、静電吸着用電極７と１１の間に電圧を印加した状態で、可動電極１と可動電極２との間の電圧を解放すると同時に、静電吸着用電極８と１８の間には電圧を印加したままで、静電用吸着用電極１２と１８の間の電圧の印加を解放する。すると、非線形ばね５，６に蓄積された弾性エネルギーが解放され、出力シート１７を吸着した状態のまま、左方へ移動する。図３（ト）の状態で、出力シート１７は１ステップ進行したことになる。この状態では、非線形ばね５，６の位置が左方にずれているが、可動電極１，２の範囲内で、図３（ロ）〜図３（ト）の工程を繰り返すことにより、出力シート１７はいわゆるラチエット運動を繰り返し間欠的に尺取り虫のように左方へ進行する。又は、非線形板ばねを連続的に連結してある板ばねを用いることにより、１つの非線形板ばねが可動電極間から出ていくと次の非線形板ばねが可動電極間に入ってくるように構成することで、前記と同様に出力シートはいわゆるラチエット運動を繰り返し間欠的に左方へ進行する。

ここで、静電吸着用電極７，８，１１，１２，１８は、いずれも弓幹状非線形板ばねおよび出力シート１７を一時的に固定させる為に用いられ、弓幹状非線形板ばねおよび出力シート１７にいわゆるラチエット運動を起こさせるためのもので、以下このような電極をラチエット電極と称する。

図４は、本発明の第２の実施例の静電アクチュエータ２０を示すもので、基板２１上には固定電極２７がベタ付けで全面的に設置されている。非線形弓幹状板ばね２２には、中央部の弓幹形状部分から右端部にかけて可動電極２３が形成されており、弓幹状板ばねの左端部には、可動電極部分と分離した状態で弓幹状板ばねの端部を基板に固定する際に利用される静電吸着固定用の電極２４が形成されている。

そして、弓幹状板ばね２２の右端には負荷として出力部２８が固定されている。

次に、出力部２８の動作を図４（イ）〜図４（ヘ）を参照して詳述する。

図４（イ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図４（ロ）（ハ）の如く、可動電極２３と基板上の固定電極２７との間に電圧を印加すると、可動電極２３の右端は基板上に固定され、出力部２８は動かなくなる。同時に、可動電極２３は電極２７との間の静電引力により引っぱられ、弓幹状板ばね２２は左方側が滑りながらほぼ扁平状態になる。その後図４（ニ）の如く、左方進行方向端部のラチエット電極２４と基板上の固定電極２７との間に電圧を印加し、両者を吸着固定する。そして図４（ホ）の如く、可動電極２３と基板上の固定電極２７との間の電圧を解放すると弓幹状板ばね２２に蓄積された弾性エネルギーが解放され、出力部２８と共に左方へ移動する。その後は以上の図４（ロ）〜（ヘ）の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

この実施例の静電アクチュエータ２０は、ＳＤＡ（スクラッチドライブアクチュエータ）と呼ばれているものに近い動きをするものである。そして、図４（ロ）の状態から図４（ハ），（ニ）の状態に移行する際に電極２３と２７の間に摩擦力が働くことが若干問題となる。

図５は、本発明の第３の実施例の静電アクチュエータ３０を示すもので、基板３１上には、実施例２と同様に固定電極３７がベタ付けで全面的に設置されている。

非線形板ばね３２は、２つの弓幹状板ばねを合わせた形状の中央部とそれから左右に延びる延長部からなる。中央部の弓幹状板ばねには可動電極３３，３４が設けられ、左右の延長部には、可動電極とは分離した状態でそれぞれラチエット電極３５，３６が設けられている。

そして、弓幹状板ばねの右端には負荷として出力部３８が固定されている。

次に、出力部３８の動作を図５（イ）〜図５（ト）を参照して詳述する。

図５（イ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図５（ロ）の如く、弓幹状板ばねの出力部３８が固定されている側のラチエット電極３６と固定電極３７との間に電圧を印加すると、非線形板ばね３２の右端は基板３１上に固定され、出力部３８は動かなくなる。その後可動電極３３，３４の間に電圧を印加すると静電引力により引き合い、２つの弓幹状板ばねは、扁平に押しつぶされ、非線形ばね３２の右方は固定されているので、非線形ばね３２は弾性エネルギーを蓄積しながら左方に移動する（図５（ハ）、（ニ））。この際の下方側の非線形ばね３２と基板３１上の固定電極３７との間の摩擦は無視できる。次に、図５（ホ）の如く、左方側のラチエット電極３５と固定電極３７との間に電圧を印加した後に、図５（ヘ）の如く、可動電極３３と可動電極３４との間、及び右方側のラチエット電極３６と固定電極３７との間の電圧を解放すると非線形の板ばね３２に蓄積された弾性エネルギーが解放され、右方側の延長部が出力部３８と共に左方へ移動する。次に図５の（ト）の如く、ラチエット電極３６と固定電極３７の間に再び電圧を印加して、固定する。その後は以上の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

図６は、本発明の第４の実施例の静電アクチュエータ４０を示すものである。この実施例は、より大きな静電引力を取り出す為に、電極をばね要素と一体化せず、その面積を大きくしたものである。すなわち、実施例３と同様な２つの弓幹状板ばねを合わせた形状の中央部とそれから左右に延びる延長部からなる一対の非線形板ばね４２，４２’、及び一対の非線形板ばね４２，４２’間を橋渡しする形態で対向する可動電極４３及び可動電極４４が設けられる。基板４１上には、実施例３と同様に固定電極４７がベタ付けで全面的に設置されている。

２つの非線形板ばね４２，４２’の左右の延長部には、一対の非線形板ばね４２，４２’と一体的に静電固定用電極（ラチエット電極）４５，４６が設けられている。

そして、静電固定用電極４６の右端には負荷として出力部４８が固定されている。

次に、出力部４８の動作を図６（イ）〜図６（ト）を参照して詳述する。動作は実施例３と類似である。

図６（イ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図６（ロ）の如く、一対の非線形板ばね４２，４２’の出力部４８が固定されている側のラチエット電極４６と固定電極４７との間に電圧を印加すると、ラチエット電極４６は基板４１上に固定される。その後可動電極間４３，４４に電圧を印加すると、一対の非線形板ばね４２，４２’は、扁平に押しつぶされ、非線形板ばね４２，４２’の右方は固定されているので、非線形板ばね４２，４２’は弾性エネルギーを蓄積しながらつぶれてゆき、ラチエット電極４５は左方に移動する（図６（ハ）、（ニ））。この際のラチエット電極４５と基板４１上の固定電極４７との間の摩擦は無視できる。次に、図６（ホ）の如く、左方側のラチエット電極４５と固定電極４７との間に電圧を印加した後に、図６（ヘ）の如く、可動電極４３と可動電極４４との間、及び右方側のラチエット電極４６と固定電極４７との間の電圧を解放すると非線形板ばね４２，４２’に蓄積された弾性エネルギーが解放され、右方側の延長部が出力部４８と共に左方へ移動する。その後は以上の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

図７は、本発明の第５の実施例の静電アクチュエータ５０を示すものである。この実施例の静電アクチュエータ５０は非線形板ばねが斜めに支持された湾曲した板ばねからなるものである。原理的には図７（イ）に示すように、斜めに支持された板ばねは、上方に荷重を加えて移動させられると支持部と荷重点の水平距離が大きくなることから、ばね定数ｋは低下し、逆に下方に移動させられると支持部からの水平距離が小さくなることから、ばね定数ｋは増加する。

静電アクチュエータ５０には、基板５１上の支持部５２，５３から可動電極５４，５５に向けて、非線形板ばね５６，５６’及び５７，５７’が設けられている。ここで、支持部５２及び支持部５３の下部と基板５１には、それぞれ静電吸着用のラチエット電極（図示せず）が設けられている。支持部５３には負荷としての出力部５８が支持されている。

次に、出力部５８の動作を、図７（ロ）〜図７（ニ）を参照して詳述する。

図７（ロ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図７（ハ）の如く、出力部５８が接続された支持部５３と基板５１のラチエット電極に電圧を印加して支持部５３を固定した状態で、可動電極５４と可動電極５５間に電圧を印加すると、両可動電極５４，５５は静電引力により接近し、同時に弧状の非線形板ばね５６，５６’及び弧状の非線形板ばね５７，５７’は弾性エネルギーを蓄えながら変形する。このとき、板ばねの変形に伴って支持部５２は右方に進行する。次に、図７（ニ）の如く、進行方向後方の支持部５２と基板５１のラチエット電極に電圧を印加した後に、可動電極５４と可動電極５５間、および支持部５３と基板５１のラチエット電極の電圧を解放すると非線形板ばね５６，５６’，５７，５７’に蓄積された弾性エネルギーが解放され、可動電極５４と可動電極５５が離れると同時に、支持部５３が出力部５８を押しながら共に右方に移動進行する。その後は以上の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

また、前記可動電極５４，５５のいずれか一方を固定電極としても良いことは当然である。

本実施例の場合には、この縦置きの状態の静電アクチュエータ５０を水平面上で９０度横に倒した状態で使用することもできる。

図８は、本発明の第６の実施例の静電アクチュエータ６０を示すものである。この実施例の静電アクチュエータ６０は、実施例５の静電アクチュエータ５０を改良したもので、仕事をする際に発生する可能性のある非線形板ばねの座屈の問題を解決したものである。

図８（イ）に示すように、基板６７上に左右のコの字状枠体６５，６６が滑動自在に配され、枠体６５，６６の間に可動電極６３，６４が設けられている。枠体６５及び枠体６６の下部と基板６７には、それぞれ静電吸着用のラチエット電極（図示せず）が設けられている。可動電極６３は枠体６５の上部と斜めに支持された弧状の非線形板ばね６１で接続され、同様に枠体６６の上部と弧状の非線形板ばね６１’で接続されている。また、可動電極６４は同様にして枠体６５の下部と弧状の非線形板ばね６２で接続され、枠体６６の下部と弧状の非線形板ばね６２’で接続されている。そして、枠体６６には負荷としての出力部６８が接続されている。

次に、出力部６８の動作を図８（ロ）〜図６（ニ）を参照して詳述する。動作は実施例５と類似である。

図８（ロ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図８（ハ）の如く、出力部６８が接続された枠体６６と基板６７のラチエット電極に電圧を印加した状態で、可動電極６３と可動電極６４間に電圧を印加すると、両可動電極６３，６４は静電引力で接近し、同時に弧状の非線形板ばね６１，６１’及び弧状の非線形板ばね６２，６２’は弾性エネルギーを蓄えながら変形する。このとき、進行方向の枠体６５は左方に進行する。次に、図８（ニ）の如く、進行方向の枠体６５と基板６７のラチエット電極に電圧を印加した後に、可動電極６３と可動電極６４間の電圧および枠体６６と基板６７のラチエット電極の電圧を解放すると非線形板ばね６１，６１’，６２，６２’に蓄積された弾性エネルギーが解放され、可動電極６３と可動電極６４が離れると同時に、枠体６６が出力部６８と共に左方に移動進行する。その後は以上の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

また、前記可動電極６３，６４のいずれか一方を固定電極としても良いことは当然である。

本実施例の場合にも、実施例５と同様に、縦置きの状態の静電アクチュエータ６０を水平面上で９０度横に倒した状態で使用することもできる。

図９は、本発明の第７の実施例の静電アクチュエータ７０を示すものである。

図９（イ）は静電アクチュエータ７０の平面図である。図９（ロ）は図９（イ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図９（イ）に示すように、右枠体７２及び左枠体７３は、相互に連結されて中空移動体７４を構成している。この中空移動体７４は基板７１上に配され、中空移動体７４の左枠体７３及び右枠体７２に対向して可動電極７５が設けられ、左枠体７３と可動電極７５の間には、く字状の一対の非線形板ばね７６，７６’が配されている。ここで、右枠体７２の下部と基板７１には、それぞれ静電吸着用のラチエット電極（図示せず）が設けられている。また、右枠体７２は固定電極として作用し、左枠体７３には負荷としての出力部７８が取り付けられている。

ここで、非線形板ばね７４，７４’をく字状とすることの理由は、図１０に示すように、非線形板ばねに荷重が掛かった際に荷重点がずれることなく非線形性がでるからである。

次に、静電アクチュエータ７０の動作を、図９（イ）、図９（ハ）〜図９（ト）を参照して詳述する。

図９（イ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図９（ハ）の如く、右枠体７２と基板７１のラチエット電極間に電圧を印加し、右枠体７２を基板７１に固定する。この状態で、図９（ニ）の如く、右枠体７２と可動電極７５間に電圧を印加すると、静電引力で、可動電極７５は一対の非線形板ばね７６，７６’を伸張させながら右枠体７２に引き寄せられる。その結果、図９（ホ）の如く、一対の非線形板ばね７６，７６’には弾性エネルギーが蓄積される。次に、図９（ヘ）の如く、可動電極７５と基板７１間に電圧を印可して、可動電極７５を基板７１に固定した状態で可動電極７５と右枠体７２との間の電圧を開放すると共に、右枠体７２と基板７１のラチエット電極間の電圧を開放する。すると、図９（ト）の如く、一対の非線形板ばね７６，７６’に蓄積された弾性エネルギーが開放され、中空移動体７４が右方に移動するので、左枠体７３に取り付けられた出力部７８が移動する。その後は以上の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

図９では、左枠体７３と可動電極７５との間に一対の非線形板ばねが設けられている例で説明したが、右枠体７２と可動電極７５との間に圧縮ばねとして一対の非線形板ばねを設けてもよいことは当然である。この場合には、固定電極としての右枠体７２と可動電極７５との間の一対の非線形板ばねに蓄積される弾性エネルギーを利用することにより、上述と同様にして左枠体７３に取り付けられた出力部７８を移動させることができる。

図１１に、図９に示した静電アクチュエータ７０に使用され得る非線形ばねの例を示す。図１１（イ）は、一対のく字状板ばねの両端部が互いに離れているタイプの例である。図１１（ロ）は、一対のく字状板ばねの両端部が互いに結合され、いわゆる菱形形状のタイプの例である。図１１（ハ）は、図１１（ロ）の菱形の頂部に直線のばね部を設けたタイプのものである。図１１（ニ）は、楕円形状の板ばねの長軸部の両端に直線のばね部を設けたタイプのものである。図１１（ホ）は、楕円形状の板ばねのタイプのものである。

以上説明したように、本件発明によると、ラチエット機構を備えた板ばねの蓄積力を利用するようにしたので、簡単な構成で発生力、変位の大きい実用的で、かつ省エネルギー、超小型の静電アクチュエータを得ることが出来る。

さらに、弓幹状板ばねは、静電引力によりつぶれて行くに従い、該弓幹状板ばね両端部と他部材との接触域が増加するので、ばねに非線形性が出るものである。

また、非線形ばねを線形ばねとしても良いことは当然である。

本発明の静電アクチュエータは、例えば、医療用機器における内視鏡等の多自由度可撓管の駆動部、情報機器におけるＨＤＤのピックアップ、携帯機器における携帯電話のカメラのレンズ移動機構、シャッター移動機構等、各種のアクチュエータに使用可能である。

本発明に係る静電アクチュエータの発生力を示す図である。本発明に係る第１実施例の静電アクチュエータを示す図である。第１実施例の静電アクチュエータの動作説明図である。本発明に係る第２実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第３実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第４実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第５実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第６実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第７実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第７実施例の静電アクチュエータに使用される非線形板ばねを説明する図である。本発明に係る第７実施例の静電アクチュエータに使用される非線形板ばねの例を示す図である。本発明に用いられる非線形板ばねの例を示す図である。

符号の説明

１，２，２３，３３，３４，４３，４４、５４，５５，６３，６４，７５可動電極
３上固定部材
４下固定部材
５，６，２２，３２，４２，４２’，５６，５６’，５７，５７’，６１，６１’，６２，６２’，７６，７６’ 非線形板ばね
７，８，１１，１２，１８静電吸着用電極
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０静電アクチュエータ
１３，１４支持部材
１５，１６可動部材
１７出力シート
２１，３１，４１，５１，６７基板
２４電極
２７，３７，４７固定電極
２８，４８，５８，６８出力部
３５，３６，４６，４５静電固定用電極（ラチエット電極）
５２，５３支持部
６５，６６枠体

Claims

第１電極と、前記第１電極に対向し、相対的に前記対向する方向に移動可能に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電極との間の静電引力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、前記弾性手段の前記弾性エネルギーの開放により駆動される出力部と、を備えた動作部と、前記動作部が表面上に配置された基板と、前記基板表面に沿っての前記動作部と前記基板との間欠的な相対的移動を制御する制御手段と、を備える静電アクチュエータ。
前記第１電極と前記第２電極が共に可動電極であることを特徴する請求項１記載の静電アクチュエータ。
前記第１電極と前記第２電極の一方が固定電極、他方が可動電極であることを特徴する請求項１記載の静電アクチュエータ。
前記弾性手段は、前記第１電極と前記第２電極との間に配設された非線形ばねであることを特徴する請求項２又は請求項３記載の静電アクチュエータ。
前記弾性手段は、前記可動電極の外方に付設された非線形ばねであることを特徴する請求項２記載の静電アクチュエータ。
前記弾性手段は、前記可動電極を挟んで前記固定電極と対向する支持部と前記可動電極との間に配設された非線形ばねであることを特徴する請求項３記載の静電アクチュエータ。
前記弾性手段が前記可動電極と一体的に形成されていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項記載の静電アクチュエータ。
前記出力部が前記弾性手段に脱着可能に設けられていることを特徴とする請求項４記載の静電アクチュエータ。
前記出力部が前記動作部に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の静電アクチュエータ。
基板上に配された第１電極と、前記第１電極に対向し、前記対向する方向に移動可能に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電極との間に配され静電引力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、前記弾性手段の前記弾性エネルギーの開放により駆動される前記弾性手段に接続された出力部と、前記基板表面に沿っての前記弾性手段と前記基板との間欠的な相対的移動を制御する制御手段と、を備える静電アクチュエータ。
前記弾性手段と前記第２電極とが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１０記載の静電アクチュエータ。
所定の間隔をもって隔離され対向する下基板及び上基板と、前記下基板の中央開口に配した第１可動電極と、前記上基板の中央開口に配した前記第１可動電極に対向する第２可動電極と、前記第１可動電極と前記第２可動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可動電極と前記第２可動電極との間の静電引力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、前記弾性手段の前記弾性エネルギーの開放により駆動される前記弾性手段に接続された出力部と、前記下基板表面に沿っての前記弾性手段と前記下基板との間欠的な相対的移動を制御する制御手段と、を備える静電アクチュエータ。