JP2012196041A - 静電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の実施形態は、プルイン電圧の低減、あるいはクリープ耐性の確保、あるいはホットスイッチング性の向上を実現できる静電アクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明の実施態様によれば、基板と、電極部と、膜体部と、付勢部と、を備えた静電アクチュエータが提供される。前記電極部は、前記基板上に設けられている。前記膜体部は、前記電極部と対向して設けられ導電性を有する。前記付勢部は、前記基板と接続された接続部と、前記接続部と前記膜体部とのあいだに設けられた弾性部と、を有し前記膜体部を支持する。前記電極部と前記膜体部とは、前記電極部に印加される電圧に応じて接触した状態と離隔した状態とが可能とされている。前記弾性部は、前記接続部に接続された一端と、前記膜体部に接続された複数の他端と、のあいだに分岐部を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、静電アクチュエータに関する。

アクチュエータを構成する固定子と可動子との間に静電気力を作用させ、その吸引力により可動子を駆動する静電アクチュエータが知られている。また、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）分野などにおいては、いわゆる半導体プロセス技術（半導体装置の製造技術）を用いて非常に小型の静電アクチュエータが開発されている。また、ＭＥＭＳ分野などにおいては、静電アクチュエータを利用したいわゆるＭＥＭＳスイッチが知られている。
静電駆動型のＭＥＭＳスイッチにおいては、プルイン電圧の低減、あるいはクリープ耐性の確保、あるいはホットスイッチング性等の信頼性の向上が望まれている。

特開２００８−２７８６３４号公報

本発明が解決しようとする課題は、信頼性の向上を実現できる静電アクチュエータを提供することである。

本発明の実施態様によれば、基板と、電極部と、膜体部と、付勢部と、を備えた静電アクチュエータが提供される。前記電極部は、前記基板上に設けられている。前記膜体部は、前記電極部と対向して設けられ導電性を有する。前記付勢部は、前記基板と接続された接続部と、前記接続部と前記膜体部とのあいだに設けられた弾性部と、を有し前記膜体部を支持する。前記電極部と前記膜体部とは、前記電極部に印加される電圧に応じて接触した状態と離隔した状態とが可能とされている。前記弾性部は、前記接続部に接続された一端と、前記膜体部に接続された複数の他端と、のあいだに分岐部を有する。

本発明の実施の形態にかかる静電アクチュエータを表す平面模式図ある。 本実施形態にかかる静電アクチュエータを表す斜視模式図である。 本実施形態にかかる静電アクチュエータの駆動を説明する平面模式図である。 図４は、静電アクチュエータの駆動特性のシミュレーション結果の一例を例示するグラフ図である。 比較例にかかる静電アクチュエータを表す平面模式図である。 本実施形態にかかる静電アクチュエータを表す平面模式図である。 比較例にかかる静電アクチュエータの応力分布のシミュレーション結果の一例を例示する平面模式図である。 本実施形態にかかる静電アクチュエータの応力分布のシミュレーション結果の一例を例示する平面模式図である。 本発明の他の実施の形態にかかる静電アクチュエータを例示する平面模式図である。 本実施形態の他の弾性部を例示する平面模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。また、図中の矢印Ｘ、Ｙ、Ｚは、互いに直交する方向を表している。
図１は、本発明の実施の形態にかかる静電アクチュエータを表す平面模式図ある。
また、図２は、本実施形態にかかる静電アクチュエータを表す斜視模式図である。
また、図３は、本実施形態にかかる静電アクチュエータの駆動を説明する平面模式図である。
なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）に表したＢ部の拡大模式図である。図３は、本実施形態にかかる静電アクチュエータ１０を図１に表した矢視Ａの方向にみたときの平面模式図である。
図３（ａ）は、本実施形態の膜体部３０がアップステートの状態にある場合を表す平面模式図である。図３（ｂ）は、本実施形態の膜体部３０が撓んだ状態を表す平面模式図である。図３（ｃ）は、本実施形態の膜体部３０がダウンステートの状態にある場合を表す平面模式図である。

本実施形態にかかる静電アクチュエータ１０は、電極部２０と、膜体部３０と、付勢部４０と、を備える。図３に表したように、電極部２０は、基板１００上に設けられている。

電極部２０は、例えば、金属などの導電性材料により形成されている。この場合、電極部２０の材料は、導電性材料の中でも抵抗値の低いものであることが好ましい。あるいは、電極部２０の材料は、いわゆる半導体プロセス（半導体装置の製造技術）における成膜やエッチングなどにおいて使用可能なものであることが好ましい。そのようなものとしては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、またはこれらを含む合金などが挙げられる。

また、電極部２０の主面は、絶縁性材料で覆われている。この場合、絶縁性材料は、いわゆる半導体プロセス（半導体装置の製造技術）における成膜やエッチングなどにおいて使用可能なものであることが好ましい。そのようなものとしては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯやＳｉＯ_２など）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などが挙げられる。

電極部２０には、図示しない直流電源が接続されている。図示しない直流電源は、電極部２０に正電荷あるいは負電荷を与えることができる。そのため、電極部２０は、膜体部３０を静電的に吸引することができる。
また、電極部２０には、図示しない信号発生部が接続されている。図示しない信号発生部は、電極部２０に信号電圧を印加することができる。すなわち、電極部２０には、膜体部３０を静電的に吸引するための駆動電圧と、信号電圧と、が足し合わされた電圧が印加される。

２つの電極部２０の間の隙間の寸法２０ｃの一例は、例えば１５μｍ程度である。なお、図１および図２に表した静電アクチュエータ１０は、２つの電極部２０を備えるが、電極部２０の設置数は、これだけに限定されるわけではない。

基板１００は、例えば、ガラスのような絶縁性材料により形成されている。あるいは、基板１００は、導電性材料や、シリコン（Ｓｉ）などの半導体材料により形成されたものの表面が絶縁性材料で覆われたものであってもよい。

膜体部３０は、電極部２０と対向して設けられている。
また、膜体部３０は、金属などの導電性材料により形成されている。この場合、膜体部３０の材料は、いわゆる半導体プロセス（半導体装置の製造技術）における成膜やエッチングなどにおいて使用可能なものであることが好ましい。そのようなものとしては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、またはこれらを含む合金などが挙げられる。

膜体部３０は、矩形形状を有し、膜体部３０の長辺の少なくとも一部を形成する第１の周縁部および第２の周縁部と、膜体部３０の短辺の少なくとも一部を形成する第３の周縁部３３および第４の周縁部３４と、を有する。第１の周縁部と第２の周縁部とは、互いに対向している。第３の周縁部３３と第４の周縁部３４とは、互いに対向している。

膜体部３０には、第１の孔部６１と第２の孔部６２とが設けられている。また、膜体部３０は、第３の周縁部３３、第４の周縁部３４、および略中央部において連接部３６をそれぞれ有する。つまり、膜体部３０は、３つの連接部３６を有する。そのため、膜体部３０には、２つの第１の孔部６１が設けられている。但し、第１の孔部６１および連接部３６の設置数は、これだけに限定されるわけではない。

第１の孔部６１は、矩形形状を有し、第１の方向に延在している。第１の孔部６１は、膜体部３０の短手方向における略中心部に設けられている。膜体部３０の長手方向と、第１の孔部６１の長手方向（第１の方向）と、は略平行である。そのため、図３（ｂ）に表したように、膜体部３０は、長手方向よりも短手方向において撓みやすい。これにより、プルイン電圧を低減することができる。また、ホットスイッチング性を向上させることができる。これらについては、後に詳述する。
第２の孔部６２は、矩形形状を有し、第２の方向に延在している。第２の孔部６２は、第１の孔部６１と第１の周縁部３１との間、および第１の孔部６１と第２の周縁部３２との間にそれぞれ設けられている。第２の孔部６２の長手方向（第２の方向）と、膜体部３０の長手方向と、は略直交している。そのため、膜体部３０は、長手方向においても比較的撓みやすい。

膜体部３０、第１の孔部６１、および第２の孔部６２の寸法の一例は、例えば以下の如くである。
膜体部３０の長手方向（Ｘ方向）の寸法３０ｘは、例えば約２７５μｍ（マイクロメートル）程度である。膜体部３０の短手方向（Ｙ方向）の寸法３０ｙは、例えば約１１０μｍ程度である。膜体部３０の厚さ方向（Ｚ方向）の寸法３０ｚは、例えば約２μｍ程度である。
第１の孔部６１の長手方向（Ｘ方向）の寸法６１ｘは、例えば約１２４．５μｍ程度である。第１の孔部６１の短手方向（Ｙ方向）の寸法６１ｙは、例えば約１０μｍ程度である。
第２の孔部６２の短手方向（Ｘ方向）の寸法６２ｘは、例えば約１０μｍ程度である。第２の孔部６２の長手方向（Ｙ方向）の寸法６２ｙは、例えば１６μｍ程度である。

膜体部３０の第１の周縁部３１および第２の周縁部３２には、付勢部４０がそれぞれ接続されている。第１の周縁部３１に接続された付勢部４０と、第２の周縁部３２に接続された付勢部４０と、は互いに対向する位置に設けられている。図１および図２に表したように、複数の付勢部４０が第１の周縁部３１および第２の周縁部３２にそれぞれ接続される場合には、第１の周縁部３１に接続された複数の付勢部４０のそれぞれと、第２の周縁部３２に接続された複数の付勢部４０のそれぞれと、は互いに対向する位置に設けられる。

付勢部４０は、接続部４１と弾性部４２とを有する。
接続部４１の一端は、基板１００と接続されており、接続部４１の他端は、弾性部４２と接続されている。弾性部４２の一端は、接続部４１と接続されており、弾性部４２の他端は、第１の周縁部３１または第２の周縁部３２と接続されている。図１および図２に表したように、弾性部４２は、複数の他端において第１の周縁部３１または第２の周縁部３２と接続されている。付勢部４０は、弾性材料により形成されている。そのため、付勢部４０は、いわゆる弾性梁となる。また、弾性部４２は、緩衝部としての機能も有する。

弾性部４２は、熱膨張などにより発生した熱応力を低減させるために設けられている。そして、Ｘ方向、Ｙ方向における熱膨張が発生した場合には、弾性部４２は、変形することで熱応力を低減させることができる。図１および図２に表したように、弾性部４２は、接続部４１に接続された一端と、膜体部３０に接続された複数の他端と、の間において分岐部４２ａを有する。すなわち、弾性部４２は、途中で分岐している。

これによれば、弾性部４２と膜体部３０との接続箇所をより増やすことができる。そのため、１つの接続箇所にかかる応力をより低減することができる。これにより、付勢部４０のクリープ耐性を確保することができる。また、弾性部４２が分岐部４２ａを有するため、弾性部４２と膜体部３０との接続箇所をより増やしつつ接続部４１の設置数を抑えることができる。これにより、静電アクチュエータ１０の小型化を図ることができる。さらに、弾性部４２が分岐部４２ａを有することで、弾性部４２の表面積をより小さくすることができる。これにより、付勢部４０において、弾性部４２の破壊確率を低減することができる。これらについては、後に詳述する。

付勢部４０の材料としては、いわゆる半導体プロセス（半導体装置の製造技術）における成膜やエッチングなどにおいて使用可能なものであることが好ましい。そのようなものとしては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ、ＳｉＯ_２など）、チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ、Ｔｉ_３Ａｌ、Ａｌ_３Ｔｉなど）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属などが挙げられる。この場合、付勢部４０の寿命（破断などするまでの屈曲回数）を考慮すると、付勢部４０は、クリープ変形に対する耐性が高い材料により形成されることが好ましい。本発明者らの得た知見によれば、付勢部４０は、クリープ変形に対する耐性がアルミニウム（Ａｌ）よりも高い材料により形成されることが好ましい。例えば、前述したものの中では、付勢部４０は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ、ＳｉＯ_２など）、チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ、Ｔｉ_３Ａｌ、Ａｌ_３Ｔｉなど）により形成されることが好ましい。

接続部４１および弾性部４２の寸法の一例は、例えば以下の如くである。接続部４１の長手方向（Ｘ方向）の寸法４１ｘは、例えば約４０μｍ程度である。接続部４１の短手方向（Ｙ方向）の寸法４１ｙは、例えば約３０μｍ程度である。弾性部４２の幅方向の寸法４２ｗは、例えば約４μｍ程度である。弾性部４２の厚さ方向（Ｚ方向）の寸法４２ｚは、例えば約１．５μｍ程度である。弾性部４２と膜体部３０との接続箇所における寸法４２ｃは、例えば約１０μｍ程度である。第１の周縁部３１に接続された弾性部４２の端部と、第２の周縁部３２に接続された弾性部４２の端部と、の間の距離４２ｙは、例えば約１６４μｍ程度である。

図３（ａ）に表したように、膜体部３０は、電極部２０に電圧が印加されていない状態において、膜体部３０の主面と電極部２０の主面との間に所定寸法の隙間５０が形成されるように付勢部４０により支持されている。電極部２０に電圧が印加されていない状態における隙間５０の寸法５０ｚの一例は、例えば約２．５μｍ程度である。

例えば、膜体部３０には、可撓性を有する図示しない接地部が接続されている。この場合には、膜体部３０は、グランド電位となっている。そのため、膜体部３０の主面と電極部２０の主面との間に形成される隙間５０の寸法を変化させることで、膜体部３０と電極部２０との間の電気容量を変化させることができる。そして、この電気容量の変化をスイッチングなどに利用することができる。なお、膜体部３０がグランド電位となっていることに限定されるわけではない。

図３を参照しつつ、本実施形態にかかる静電アクチュエータ１０の駆動についてさらに説明する。
図３（ａ）に表したように、電極部２０と膜体部３０との間に電位差が与えられていない状態では、膜体部３０は、電極部２０から離隔している。つまり、膜体部３０は、アップステートの状態にある。続いて、電極部２０と膜体部３０との間に電位差が与えられると、電極部２０および膜体部３０は、弾性部４２の弾性力（復元力）に逆らって静電引力により互いに引きつけられる。これにより、図３（ｂ）に表したように、膜体部３０は、Ｚ方向すなわち電極部２０の方向へ駆動する。

このとき、前述したように、膜体部３０は、第１の孔部６１を有する。第１の孔部６１は、膜体部３０の長手方向と第１の孔部６１の長手方向とが略並行となるように設けられている。そのため、図３（ｂ）に表したように、膜体部３０は、長手方向よりも短手方向において撓みやすい。続いて、図３（ｂ）に表した状態よりも大きい電位差が電極部２０と膜体部３０との間に与えられると、図３（ｃ）に表したように、膜体部３０は、電極部２０と接触し、ダウンステートの状態となる（プルイン）。これにより、スイッチング動作が行われる。

本実施形態にかかる静電アクチュエータ１０を駆動する際には、電極部２０および膜体部３０にバイアス電圧を印加する。例えば、電極部２０に電圧が印加され、膜体部３０に０Ｖ（ボルト）が供給される。あるいは、例えば、電極部２０に０Ｖ（ボルト）が印加され、膜体部３０に電圧が供給される。あるいは、駆動回数や容量値に応じて電解の向きが適宜入れ替わってもよい。

一方、電極部２０と膜体部３０との間に与えられる電位差をプルイン時に与えられる電位差（プルイン電圧）よりも小さくすると、電極部２０と膜体部３０との間に生ずる静電引力は、弾性部４２の弾性力よりも小さくなる。そうすると、膜体部３０は、電極部２０から離隔し、アップステートの状態となる（プルアウト）。なお、一般的に、プルイン電圧の絶対値は、プルアウト時に与えられる電位差（プルアウト電圧）の絶対値よりも大きい。

このとき、信号電圧が電極部２０に印加されている場合には、信号電圧によっても電極部２０と膜体部３０との間に静電引力が発生する。一般的に、静電アクチュエータでは、信号電圧が電極部２０に印加され、静電引力が生じている状態でも、プルアウトさせる必要がある。これは、例えばホットスイッチングなどと呼ばれている。静電アクチュエータに対しては、プルイン電圧の低減や、ホットスイッチング性の向上が望まれている。ここで、本願明細書において「ホットスイッチング性」とは、電圧が電極部２０に印加された状態において、膜体部３０が電極部２０から離隔する性能あるいは膜体部３０と電極部２０との離隔の容易性をいうものとする。

次に、本発明者が実施したシミュレーションの結果の一例について、図面を参照しつつ説明する。
図４は、静電アクチュエータの駆動特性のシミュレーション結果の一例を例示するグラフ図である。
また、図５は、比較例にかかる静電アクチュエータを表す平面模式図である。
また、図６は、本実施形態にかかる静電アクチュエータを表す平面模式図である。
なお、図６（ｂ）に表した静電アクチュエータの構造は、図１〜図３に関して前述した静電アクチュエータの構造と同様である。

図４は、静電アクチュエータの駆動特性をＦＥＭ（Finite Element Method：有限要素法)シミュレーションにより求めたものである。縦軸は、静電容量を表し、横軸は、駆動電圧を表している。この場合、静電引力は駆動電圧の他に信号電圧によっても発生するが、本シミュレーションにおいては駆動特性にとって最も厳しい条件とした。すなわち、プルイン時には信号電圧を０Ｖ（ボルト）とし、プルアウト時には７．５Ｖ（ボルト）の信号電圧が印加されるものとして計算を行った。

図４に表したように、膜体部３０を電極部２０に静電引力により引きつける場合には、図示しない電流電源により電極部２０に駆動電圧が印加される。電極部２０に駆動電圧が印加されると電極部２０には正電荷あるいは負電荷が与えられるため、膜体部３０が電極部２０に静電引力により引きつけられる。そして、図４に表した矢印（１）のように駆動電圧が上昇すると静電引力が大きくなるため、膜体部３０は、プルイン電圧において電極部２０と接触する（プルイン）。このとき、図４に表した矢印（２）のように、静電容量は、矢印（１）の部分における静電容量の変化と比較して急激に上昇する。

図５に表した比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａのプルイン電圧は、３４．５Ｖ（ボルト）である。図５に表したように、比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａは、膜体部３０ａと、付勢部４０ａ、を備える。膜体部３０ａは、図１および図２に表した膜体部３０のようには、第１の孔部６１を有していない。膜体部３０ａは、第２の孔部６２を有する。付勢部４０ａは、接続部４１と弾性部４３を有する。本比較例の弾性部４３は、図１および図２に表した弾性部４２のようには、接続部４１に接続された一端と、膜体部３０ａに接続された複数の他端と、の間において分岐部を有していない。つまり、本比較例の弾性部４３は、途中で分岐しているわけではない。

本比較例の弾性部４３の剛性は、図６（ａ）〜図６（ｃ）に表した本実施形態の弾性部４２、４４の剛性よりも低い。言い換えれば、図６（ａ）〜図６（ｃ）に表した本実施形態の弾性部４２、４４の剛性は、本比較例の弾性部４３の剛性よりも高い。この理由の１つは、例えばホットスイッチング性の向上を図るためである。つまり、例えば駆動電圧が０Ｖ（ボルト）の状態であって、７．５Ｖ（ボルト）の信号電圧が電極部２０に印加された状態でのホットスイッチングを可能にするためである。静電アクチュエータ１０ａのその他の構造は、図１〜図３に関して前述した静電アクチュエータ１０の構造と同様である。

図６（ａ）に表した本実施形態にかかる静電アクチュエータ１０ｂのプルイン電圧は、４７．５Ｖ（ボルト）である。図６（ａ）に表したように、静電アクチュエータ１０ｂは、膜体部３０ｂを備える。膜体部３０ｂは、第１の孔部６１の代わりに第３の孔部６３を有する。図６（ａ）に表したように、第３の孔部６３は、膜体部３０ｂの長手方向と第３の孔部６３の長手方向とが略並行となるようには設けられていない。そして、複数の第３の孔部６３が、短手方向における略中心位置であって長手方向に略沿うように配置されている。静電アクチュエータ１０ｂのその他の構造は、図１〜図３に関して前述した静電アクチュエータ１０の構造と同様である。

図６（ｂ）に表した本実施形態にかかる静電アクチュエータ１０のプルイン電圧は、３６．５Ｖ（ボルト）である。静電アクチュエータ１０の構造は、図１〜図３に関して前述した如くである。

図６（ｃ）に表した本実施形態にかかる静電アクチュエータ１０ｃのプルイン電圧は、３６Ｖ（ボルト）である。図６（ｃ）に表したように、静電アクチュエータ１０ｃは、付勢部４０ｃを備える。付勢部４０ｃは、接続部４１と弾性部４４とを有する。静電アクチュエータ１０ｃの弾性部４４は、接続部４１に接続された一端と、膜体部３０に接続された複数の他端と、の間において分岐部４４ａを有する。すなわち、弾性部４４は、途中で分岐している。図６（ｃ）に表した弾性部４４の分岐部４４ａは、図６（ａ）および図６（ｂ）に表した弾性部４２の分岐部４２ａ（図１および図２参照）よりも少ない。そのため、図６（ｃ）に表した弾性部４４と膜体部３０との接続箇所は、図６（ａ）および図６（ｂ）に表した弾性部４２と膜体部３０ｂ、３０とのそれぞれの接続箇所よりも少ない。静電アクチュエータ１０ｃのその他の構造は、図１〜図３に関して前述した静電アクチュエータ１０の構造と同様である。

これによれば、比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａと比較して、弾性部４２、４４の剛性が高い場合には、図６（ａ）に表した静電アクチュエータ１０ｂのように、プルイン電圧が高くなる場合があることが分かる。これに対して、図６（ｂ）および図６（ｃ）に表した静電アクチュエータ１０、１０ｃのように、膜体部３０が第１の孔部６１を有する場合には、第１の孔部６１を有していない場合よりも短手方向において撓みやすい。

膜体部３０が電極部２０に静電引力により引きつけられる際には、まず、第１の孔部６１が設けられた部分すなわち膜体部３０の短手方向における中心位置が撓む（図３（ｂ）参照）。そして、第１の孔部６１が設けられた部分における隙間５０の寸法が小さくなる。ここで、静電引力は、膜体部３０の主面と電極部２０の主面との間に形成される隙間５０の寸法の二乗に反比例する。そのため、隙間５０の寸法がより小さくなれば、より大きな静電引力が発生する。これにより、膜体部３０がより容易に電極部２０に引きつけられる。そして、第１の孔部６１が設けられた部分に牽引されることで、膜体部３０が湾曲するようにして撓む。続いて、隙間５０の寸法がより小さくなる部分、すなわちより大きな静電引力が発生する部分が漸次Ｙ方向に拡大していくことになる。

そのため、弾性部４２、４４の剛性が比較例の弾性部４３の剛性よりも高くとも、膜体部３０は、比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａと同等に容易に電極部２０と接触できる。これにより、第１の孔部６１は、プルイン電圧を低減する効果を有することが分かる。つまり、膜体部３０が第１の孔部６１を有する場合には、弾性部４２、４４の剛性を比較例の弾性部４３の剛性よりも高くしつつプルイン電圧の上昇を抑え、比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａと同等のプルイン電圧にまで低減できることが分かる。なお、比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａにおいても、プルイン電圧は、比較的低いことが分かる。

続いて、図４に表した矢印（３）のように駆動電圧を５０Ｖ（ボルト）まで上昇させる。この時点で、図示しない信号発生部より電極部２０に７．５Ｖ（ボルト）の信号電圧が印加される。このように、電極部２０に信号電圧が印加された場合には、駆動電圧と信号電圧とが足し合わされた電圧により静電引力が発生する。例えば、駆動電圧が５０Ｖ（ボルト）の場合には、５０Ｖ（ボルト）の駆動電圧と７．５Ｖ（ボルト）の信号電圧とが足し合わされた５７．５Ｖ（ボルト）の電圧により静電引力が発生する。

膜体部３０を電極部２０から離隔させる場合には、図示しない直流電源により電極部２０への駆動電圧の印加が停止される。電極部２０への駆動電圧の印加が停止されると、電極部２０への正電荷あるいは負電荷の供給が停止されるので、駆動電圧による静電引力が解かれる。そして、図４に表した矢印（４）のように、駆動電圧が下降すると静電引力が小さくなるため、膜体部３０は、プルアウト電圧において電極部２０から離隔する。このとき、図４に表した矢印（５）のように、静電容量は、矢印（４）の部分における静電容量の変化と比較して急激に下降する。

前述したように、比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａの弾性部４３の剛性は、本実施形態の弾性部４２、４４の剛性よりも低いため、比較例の膜体部３０ａは、電極部２０から離隔できない場合があり得る。駆動電圧が０Ｖ（ボルト）の場合でも、７．５Ｖ（ボルト）の信号電圧が電極部２０に印加されている。そのため、７．５Ｖ（ボルト）の信号電圧による静電引力が発生している。比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａでは、信号電圧による静電引力が比較例の弾性部４３の弾性力よりも大きい場合には、比較例の膜体部３０ａは、電極部２０と接触したままで離隔することができない場合があり得る。

また、弾性部４２の剛性が比較例の弾性部４３の剛性よりも高い場合でも、例えば図６（ａ）に表した静電アクチュエータ１０ｂのように、膜体部３０ｂが電極部２０から完全には離隔できない場合があり得ることが分かる。図６（ａ）に表した静電アクチュエータ１０ｂでは、膜体部３０ｂの一部は、電極部２０から離隔できる一方で、膜体部３０ｂの他部は、電極部２０から離隔できない場合があり得る。

これに対して、図６（ｂ）および図６（ｃ）に表した静電アクチュエータ１０、１０ｃのように、膜体部３０が第１の孔部６１を有する場合には、短手方向においてより撓みやすい。

静電引力が解かれた際には、まず、膜体部３０の第１の周縁部３１（図１参照）および第２の周縁部３２（図１参照）が、弾性部４２、４４の弾性力により電極部２０から離隔する。膜体部３０が電極部２０から離隔した部分においては、隙間５０の寸法が大きくなる。そのため、膜体部３０が電極部２０から離隔した部分における静電引力が小さくなり、膜体部３０が容易に電極部２０から離隔できる。そして、膜体部３０が電極部２０から離隔した部分に牽引されることで膜体部３０が湾曲するようにして撓む。続いて、隙間５０の寸法がより大きくなる部分、すなわち静電引力がより小さくなる部分が漸次Ｙ方向に拡大していくことになる。

そのため、図６（ｂ）および図６（ｃ）に表した静電アクチュエータ１０、１０ｃの膜体部３０は、より容易に電極部２０から離隔できる。言い換えれば、電極部２０に印加された電圧がより高い状態のままで膜体部３０を電極部２０から離隔させることができる。これにより、第１の孔部６１は、プルアウト電圧をより高くし、ホットスイッチング性を向上させる効果を有することが分かる。

なお、本シミュレーションでは、説明の便宜上、駆動特性にとって最も厳しい条件とした。そのため、図６（ａ）に表した静電アクチュエータ１０ｂでは、膜体部３０ｂが電極部２０から完全には離隔できない場合があり得るが、これは、図６（ａ）に表した静電アクチュエータ１０ｂが本発明の実施の形態に含まれないことを意味するものではない。図６（ａ）に表した静電アクチュエータ１０ｂの弾性部４２は、図１〜図３に関して前述した分岐部４２ａを有する。そのため、図６（ａ）に表した静電アクチュエータ１０ｂは、本発明の実施の形態に含まれる。また、比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａにおいても、プルイン電圧は、比較的低い。そのため、本実施形態の説明は、比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａが問題あることを意味するものではない。

図７は、比較例にかかる静電アクチュエータの応力分布のシミュレーション結果の一例を例示する平面模式図である。
また、図８は、本実施形態にかかる静電アクチュエータの応力分布のシミュレーション結果の一例を例示する平面模式図である。

図７および図８は、５０Ｖ（ボルト）の駆動電圧が電極部２０に印加された状態において、膜体部と弾性部との接続箇所におけるミゼス応力をＦＥＭ（Finite Element Method：有限要素法)シミュレーションにより求めたものである。図４に関して前述したように、５０Ｖ（ボルト）の駆動電圧が電極部２０に印加された状態では、膜体部３０は、電極部２０と接触している（プルイン後）。また、このときには、図示しない信号発生部より電極部２０に７．５Ｖ（ボルト）の信号電圧が印加されている。なお、ミゼス応力の値をモノトーン色の濃淡で表し、ミゼス応力が大きいほど淡く、ミゼス応力が小さいほど濃くなるように表示した。

図７に表した比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａの構造は、図５に関して前述した静電アクチュエータ１０ａと同様である。図８（ａ）〜図８（ｃ）に表した本実施形態にかかる静電アクチュエータ１０ｂ、１０、１０ｃの構造は、図６（ａ）〜図６（ｃ）に表した静電アクチュエータ１０ｂ、１０、１０ｃの構造と同様である。

図７に表した比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａでは、膜体部３０ａと弾性部４３との接続箇所におけるミゼス応力の最大値は、７６ＭＰａ（メガパスカル）である。図８（ａ）に表した本実施形態にかかる静電アクチュエータ１０ｂでは、膜体部３０ｂと弾性部４２との接続箇所におけるミゼス応力の最大値は、７６ＭＰａ（メガパスカル）である。図８（ｂ）に表した本実施形態にかかる静電アクチュエータ１０では、膜体部３０と弾性部４２との接続箇所におけるミゼス応力の最大値は、７６ＭＰａ（メガパスカル）である。図８（ｃ）に表した本実施形態にかかる静電アクチュエータ１０ｃでは、膜体部３０と弾性部４４との接続箇所におけるミゼス応力の最大値は、１７６ＭＰａ（メガパスカル）である。

図４〜図６に関して前述したように、比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａは、駆動電圧が０Ｖ（ボルト）の場合でも、７．５Ｖ（ボルト）の信号電圧が電極部２０に印加されている状態では、ホットスイッチングを行うことはできない場合があり得る。これに対して、弾性部の剛性がより高い場合には、駆動電圧が０Ｖ（ボルト）の状態であって、７．５Ｖ（ボルト）の信号電圧が電極部２０に印加された状態でのホットスイッチングが可能な場合がある。

ここで、弾性部の剛性がより高い場合には、ホットスイッチング性が向上する一方で、例えば図８（ｃ）に表した静電アクチュエータ１０ｃのように、膜体部３０と弾性部４４との接続箇所におけるミゼス応力の最大値が、比較例の膜体部３０ａと弾性部４３との接続箇所におけるミゼス応力の最大値よりも高くなる場合があり得る。

これに対して、図８（ａ）および図８（ｂ）に表した静電アクチュエータ１０ｂ、１０のように、弾性部４２の分岐部４２ａがより多い場合には、弾性部４２と膜体部３０ｂ、３０とのそれぞれの接続箇所がより多い。そのため、弾性部４２と膜体部３０ｂ、３０とのそれぞれの１つの接続箇所にかかる応力を低減することができる。つまり、弾性部４２が分岐部４２ａを有する場合には、弾性部４２の剛性をより高めてホットスイッチング性の向上を図りつつ、弾性部４２と膜体部３０ｂ、３０とのそれぞれの１つの接続箇所にかかる応力を比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａと同等の応力にまで低減できることが分かる。これにより、弾性部４２の分岐部４２ａは、付勢部４０、４０ｃのクリープ耐性を確保できる効果を有することが分かる。また、弾性部４２の分岐部４２ａは、弾性部４２と膜体部３０ｂ、３０とのそれぞれの接続箇所を増やしつつ接続部４１の設置数を抑え、静電アクチュエータ１０、１０ｃの小型化を実現できる効果を有することが分かる。さらに、弾性部４２が分岐部４２ａを有することで、弾性部４２の表面積をより小さくすることができる。これにより、付勢部４０、４０ｃにおいて、弾性部４２の破壊確率をより低減する効果を有することが分かる。

なお、本シミュレーションでは、説明の便宜上、駆動特性にとって最も厳しい条件とした。そのため、図８（ｃ）に表した静電アクチュエータ１０ｃでは、膜体部３０と弾性部４４との接続箇所におけるミゼス応力の最大値が比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａと比較すると大きいが、これは、図８（ｃ）に表した静電アクチュエータ１０ｃが本発明の実施の形態に含まれないことを意味するものではない。図８（ｃ）に表した静電アクチュエータ１０ｃでは、弾性部４４は、分岐部４４ａ（図６（ｃ）参照）を有し、膜体部３０は、図１〜図３に関して前述した第１の孔部６１を有する。そのため、図８（ｃ）に表した静電アクチュエータ１０ｃは、本発明の実施の形態に含まれる。また、比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａにおいても、膜体部３０ａと弾性部４３との接続箇所におけるミゼス応力の最大値は、比較的低い。そのため、本実施形態の説明は、比較例にかかる静電アクチュエータ１０ａが問題あることを意味するものではない。

図９は、本発明の他の実施の形態にかかる静電アクチュエータを例示する平面模式図である。
図９（ａ）に表した静電アクチュエータ１０ｄの膜体部３０ｄは、略中央部において１つの連接部３６を有する。一方、膜体部３０ｄは、第３の周縁部３３ｄおよび第４の周縁部３４ｄにおいては連接部３６を有していない。つまり、膜体部３０ｄには２つの第１の孔部６１ｄが設けられ、第１の孔部６１ｄの一端は、第３の周縁部３３ｄおよび第４の周縁部３４ｄにおいてそれぞれ開口している。

これによれば、図９（ａ）に表した静電アクチュエータ１０ｄの膜体部３０ｄは、図１〜図３に関して前述した静電アクチュエータ１０の膜体部３０よりも短手方向において撓みやすい。これにより、プルイン電圧をさらに低減することができる。また、ホットスイッチング性をさらに向上させることができる。

図９（ｂ）に表した静電アクチュエータ１０ｅの膜体部３０ｅは、第３の周縁部３３ｅおよび第４の周縁部３４ｅにおいて連接部３６をそれぞれ有する。また、膜体部３０ｅは、第３の周縁部３３ｅと第４の周縁部３４ｅとの間において２つの連接部３６を有する。つまり、膜体部３０ｅは、４つの連接部３６を有する。そのため、膜体部３０ｅには、３つの第１の孔部６１ｅが設けられている。

これによれば、膜体部３０ｅの不必要な変形を抑え、動作の安定化を図ることができる。そのため、膜体部３０ｅが電極部２０に引きつけられる際の膜体部３０ｅの変位量（反り量）を、図１〜図３に関して前述した静電アクチュエータ１０の膜体部３０よりも安定的に制御し変化させることができる。

図１０は、本実施形態の他の弾性部を例示する平面模式図である。
図１０（ａ）に表した弾性部４６は、１つの直線部４６ｂにおいて２つの分岐部４６ａを有する。これによれば、図１〜図３に関して前述した静電アクチュエータ１０の弾性部４２と比較して、弾性部４６と膜体部３０との接続箇所を増やすことができる。これにより、弾性部４６と膜体部３０との１つの接続箇所にかかる応力を、図１〜図３に関して前述した静電アクチュエータ１０と比較してさらに低減することができる。これにより、付勢部４０のクリープ耐性をより確実に確保することができる。

図１０（ｂ）に表した弾性部４７は、１つの直線部４７ｂにおいて３つの分岐部４７ａを有する。これによれば、図１〜図３に関して前述した静電アクチュエータ１０の弾性部４２および図１０（ａ）に表した弾性部４６と比較して、弾性部４７と膜体部３０との接続箇所を増やすことができる。これにより、弾性部４７と膜体部３０との１つの接続箇所にかかる応力を、図１〜図３に関して前述した静電アクチュエータ１０および図１０（ａ）に表した弾性部４６と比較してさらに低減することができる。これにより、付勢部４０のクリープ耐性をより確実に確保することができる。

また、弾性部４２、４６、４７のそれぞれの分岐部４２ａ、４６ａ、４７ａの設置数、および設置位置などを適宜調整することにより、弾性部４２、４６、４７と膜体部３０とのそれぞれの接続箇所における応力および弾性部４２、４６、４７の剛性を互いに略均一にすることができる。あるいは、弾性部４２、４６、４７のそれぞれの分岐部４２ａ、４６ａ、４７ａの設置数および設置位置などを適宜調整することにより、弾性部４２、４６、４７と膜体部３０とのそれぞれの接続箇所における応力および弾性部４２、４６、４７の剛性を長手方向において段階的にまたは徐々に変化させることができる。この場合には、短手方向だけではなく長手方向においても、膜体部３０が電極部２０に引きつけられるタイミングをずらすことができる。例えば、弾性部４２、４６、４７と膜体部３０とのそれぞれの接続箇所における剛性が膜体部３０の中央部から長手方向の両周縁部（第３の周縁部３３および第４の周縁部３４）に向かって徐々に低くなる場合には、まず、膜体部３０の長手方向の両周縁部が撓む。これによれば、プルイン電圧をさらに低減することができる。また、ホットスイッチング性をさらに向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、膜体部３０は、第１の孔部６１を有する。第１の孔部６１は、膜体部３０の長手方向と第１の孔部６１の長手方向とが略並行となるように設けられている。これにより、プルイン電圧を低減することができる。また、ホットスイッチング性を向上させることができる。付勢部４０の弾性部４２は、接続部４１に接続された一端と、膜体部３０に接続された複数の他端と、の間において分岐部４２ａを有する。これにより、付勢部４０のクリープ耐性を確保することができる。また、静電アクチュエータ１０の小型化を図ることができる。さらに、表面積の低減による破壊確率を低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ 静電アクチュエータ、 ２０ 電極部、 ２０ｃ 寸法、 ３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｄ、３０ｅ 膜体部、 ３０ｘ、３０ｙ、３０ｚ 寸法、 ３１ 第１の周縁部、 ３２ 第２の周縁部、 ３３、３３ｄ、３３ｅ 第３の周縁部、 ３４、３４ｄ、３４ｅ 第４の周縁部、 ３６ 連接部、 ４０、４０ａ、４０ｃ 付勢部、 ４１ 接続部、 ４１ｘ、４１ｙ 寸法、 ４２ 弾性部、 ４２ａ 分岐部、４２ｃ、４２ｗ 寸法、 ４２ｙ 距離、 ４２ｚ 寸法、 ４３、４４ 弾性部、 ４４ａ 分岐部、 ４６ 弾性部、 ４６ａ 分岐部、 ４６ｂ 直線部、 ４７ 弾性部、 ４７ａ 分岐部、 ４７ｂ 直線部、 ５０ 隙間、 ５０ｚ 寸法、 ６１、６１ｄ、６１ｅ 第１の孔部、 ６１ｘ、６１ｙ 寸法、 ６２ 第２の孔部、 ６２ｘ、６２ｙ 寸法、 ６３ 第３の孔部、 １００ 基板

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた電極部と、
   前記電極部と対向して設けられ導電性を有する膜体部と、
   前記基板と接続された接続部と、前記接続部と前記膜体部とのあいだに設けられた弾性部と、を有し前記膜体部を支持する付勢部と、
   を備え、
   前記電極部と前記膜体部とは、前記電極部に印加される電圧に応じて接触した状態と離隔した状態とが可能とされ、
   前記弾性部は、前記接続部に接続された一端と、前記膜体部に接続された複数の他端と、のあいだに分岐部を有することを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 前記膜体部は、第１の方向に延在する第１の孔部を有し、
   前記第１の方向は、前記膜体部の長手方向であることを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
3. 前記第１の孔部は、前記膜体部の短手方向における中心部に設けられたことを特徴とする請求項２記載の静電アクチュエータ。
4. 複数の前記付勢部を備え、
   前記複数の付勢部のいずれかは、前記膜体部の第１の周縁部に接続され、
   前記複数の付勢部の他のいずれかは、前記第１の周縁部に対向する第２の周縁部に接続されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
5. 前記第１の周縁部に接続された前記付勢部と、前記第２の周縁部に接続された前記付勢部と、は、互いに対向する位置に設けられたことを特徴とする請求項４記載の静電アクチュエータ。
6. 前記膜体部は、第２の方向に延在する第２の孔部をさらに有し、
   前記第２の方向と、前記膜体部の長手方向と、は、直交していることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
7. 前記膜体部は、複数の前記第２の孔部を有し、
   前記複数の前記第２の孔部のいずれかは、前記第１の孔部と前記膜体部の第１の周縁部との間に設けられ、
   前記複数の前記第２の孔部の他のいずれかは、前記第１の孔部と前記第１の周縁部に対向する第２の周縁部との間に設けられたことを特徴とする請求項６記載の静電アクチュエータ。
8. 前記付勢部は、複数の前記弾性部を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
9. 前記複数の弾性部と、前記膜体部と、のそれぞれの接続箇所における前記複数の弾性部の剛性は、互いに均一であることを特徴とする請求項８記載の静電アクチュエータ。
10. 前記複数の弾性部と、前記膜体部と、のそれぞれの接続箇所における前記複数の弾性部の剛性は、それぞれの間で段階的に又は徐々に変化していることを特徴とする請求項８記載の静電アクチュエータ。