JP2700991B2 - 静電マイクロアクチュエ−タ− - Google Patents
静電マイクロアクチュエ−タ−Info
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- JP2700991B2 JP2700991B2 JP5286133A JP28613393A JP2700991B2 JP 2700991 B2 JP2700991 B2 JP 2700991B2 JP 5286133 A JP5286133 A JP 5286133A JP 28613393 A JP28613393 A JP 28613393A JP 2700991 B2 JP2700991 B2 JP 2700991B2
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- JP
- Japan
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- moving element
- fluid
- electrostatic microactuator
- fixed electrode
- stable
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/002—Electrostatic motors
- H02N1/004—Electrostatic motors in which a body is moved along a path due to interaction with an electric field travelling along the path
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、移動子と固定電極との
間に高粘性流体を封入することにより移動子の運動を著
しく安定化した静電マイクロアクチュエ−タ−に関す
る。
間に高粘性流体を封入することにより移動子の運動を著
しく安定化した静電マイクロアクチュエ−タ−に関す
る。
【０００２】
【従来技術とその問題点】静電気を駆動力として応用す
る電子電気機器は、現在まで殆ど開発がなされていな
い。その最も大きな理由は、電磁気を応用する電子電気
機器に比較してエネルギ−密度がオ−ダ−違いで小さく
なる為である。
る電子電気機器は、現在まで殆ど開発がなされていな
い。その最も大きな理由は、電磁気を応用する電子電気
機器に比較してエネルギ−密度がオ−ダ−違いで小さく
なる為である。
【０００３】 この問題に関しては、機器自体のマイク
ロサイズ化により、その欠点を補えることが近年判明し
た為、最近はマイクロアクチュエーターの駆動源として
静電気を利用することが検討されつつある。しかしなが
ら、静電気を利用したシステムは必ず運動不安定性を持
つという、アーンショウの定理によって、システム内の
安定性を求める何らかの手段が必要になってくる。
ロサイズ化により、その欠点を補えることが近年判明し
た為、最近はマイクロアクチュエーターの駆動源として
静電気を利用することが検討されつつある。しかしなが
ら、静電気を利用したシステムは必ず運動不安定性を持
つという、アーンショウの定理によって、システム内の
安定性を求める何らかの手段が必要になってくる。
【０００４】そこで、静電マイクロアクチュエ−タ−内
の移動子の移動方向に対して、その垂直方向に働くク−
ロン力に対抗してシステムの安定化を図る為に従来より
種々の方法が提案されている。
の移動子の移動方向に対して、その垂直方向に働くク−
ロン力に対抗してシステムの安定化を図る為に従来より
種々の方法が提案されている。
【０００５】例えば、機械的ベアリングを設ける方法が
あるが、これはシステムのサイズがマイクロ化するに従
って実現性も信頼性も乏しくなる。また、磁力浮上を用
いる方法もあるが、この方法は磁力自体がマイクロ領域
では本質的に有力な力にはならない。その点、超電導物
質によるマイスナ−効果を利用する方法では、マイスナ
−効果自体はマイクロ領域では本質的に有力な力となる
が、液体ヘリウムや液体窒素等の準備でコスト高とな
る。また、超音波浮上を利用する方法もあるが、これは
波長が数ｍｍである為、システムのマイクロサイズ化に
制限が生じてしまう等の問題がある。
あるが、これはシステムのサイズがマイクロ化するに従
って実現性も信頼性も乏しくなる。また、磁力浮上を用
いる方法もあるが、この方法は磁力自体がマイクロ領域
では本質的に有力な力にはならない。その点、超電導物
質によるマイスナ−効果を利用する方法では、マイスナ
−効果自体はマイクロ領域では本質的に有力な力となる
が、液体ヘリウムや液体窒素等の準備でコスト高とな
る。また、超音波浮上を利用する方法もあるが、これは
波長が数ｍｍである為、システムのマイクロサイズ化に
制限が生じてしまう等の問題がある。
【０００６】 本発明は、そこで移動子と固定電極との
間に誘電率の高い高粘度流体を封入すると共に、移動子
を流体安定形状に形成することにより、１０ｍｍ／ｓｅ
ｃ以下の低速度でも移動子の安定運動を保持することの
可能な静電マイクロアクチュエーターを提供するもので
ある。
間に誘電率の高い高粘度流体を封入すると共に、移動子
を流体安定形状に形成することにより、１０ｍｍ／ｓｅ
ｃ以下の低速度でも移動子の安定運動を保持することの
可能な静電マイクロアクチュエーターを提供するもので
ある。
【０００７】その為に本発明の静電マイクロアクチュエ
−タ−では、基本的には移動子と固定電極との間に高粘
性流体を封入し、この移動子を流体安定形状に形成する
ことにより移動子が低速度でも安定な運動を保持するよ
うに構成したものである。
−タ−では、基本的には移動子と固定電極との間に高粘
性流体を封入し、この移動子を流体安定形状に形成する
ことにより移動子が低速度でも安定な運動を保持するよ
うに構成したものである。
【０００８】このような静電マイクロアクチュエ−タ−
は、直列及び並列に組み合わせることにより各種用途に
有用なマクロシステムを容易に構成することができる。
は、直列及び並列に組み合わせることにより各種用途に
有用なマクロシステムを容易に構成することができる。
【０００９】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明を更に詳述
する。本発明の静電マイクロアクチュエ−タ−に於いて
は、移動子と固定電極との間に誘電率の高い高粘度流体
を封入し、且つ、移動子を流体安定形状に形成すること
により、移動子の速度が大きくなくても、移動子の安定
状態を保持できることに特色がある。
する。本発明の静電マイクロアクチュエ−タ−に於いて
は、移動子と固定電極との間に誘電率の高い高粘度流体
を封入し、且つ、移動子を流体安定形状に形成すること
により、移動子の速度が大きくなくても、移動子の安定
状態を保持できることに特色がある。
【００１０】例えば、ハ−ドディスクドライブのヘッド
等では、粘性の低い気体中でもディスクの回転速度を上
げることにより、相対的にヘッド浮上による安定状態を
得ている。本発明では、システムのレイノルズ数を安定
域に保持することによって、ハ−ドディスクドライブの
ヘッドの安定性と同等のものを静電マイクロアクチュエ
−タ−内の移動子の運動安定性に求めるものである。
等では、粘性の低い気体中でもディスクの回転速度を上
げることにより、相対的にヘッド浮上による安定状態を
得ている。本発明では、システムのレイノルズ数を安定
域に保持することによって、ハ−ドディスクドライブの
ヘッドの安定性と同等のものを静電マイクロアクチュエ
−タ−内の移動子の運動安定性に求めるものである。
【００１１】実例としては、移動子の速度が１〜１０ｍ
ｍ／ｓｅｃ、高粘性流体の動粘性が１０-3ｍ2／ｓｅｃ
の場合、間隙が１００μｍオ−ダ−以下では、システム
内のレイノルズ数が臨界レイノルズ数（〜１０００）よ
り十分小さくなる為、間隙内は十分に層流となり、移動
子の運動安定性を望めることが判明した。
ｍ／ｓｅｃ、高粘性流体の動粘性が１０-3ｍ2／ｓｅｃ
の場合、間隙が１００μｍオ−ダ−以下では、システム
内のレイノルズ数が臨界レイノルズ数（〜１０００）よ
り十分小さくなる為、間隙内は十分に層流となり、移動
子の運動安定性を望めることが判明した。
【００１２】図１は本発明の静電マイクロアクチュエ−
タ−の概念的な構造説明図である。固定体７は複数の固
定電極１と電気的絶縁層２からなり、各固定電極１は電
気的絶縁層２の一方面に固定配置される。そして、二つ
の固定体７はそれぞれの固定電極１が対向するように所
要の間隔で平行に配置され、これらの対向配置された固
定電極１の間には移動子６が配置されている。移動子６
は電気的絶縁層３内に埋設された複数の移動子電極４を
有するように構成される。そして、移動子６が配置され
る対向固定電極１の間隙内には、シリコン系オイル又は
フッ素系オイル等からなる絶縁性の高粘性流体５が封入
される。
タ−の概念的な構造説明図である。固定体７は複数の固
定電極１と電気的絶縁層２からなり、各固定電極１は電
気的絶縁層２の一方面に固定配置される。そして、二つ
の固定体７はそれぞれの固定電極１が対向するように所
要の間隔で平行に配置され、これらの対向配置された固
定電極１の間には移動子６が配置されている。移動子６
は電気的絶縁層３内に埋設された複数の移動子電極４を
有するように構成される。そして、移動子６が配置され
る対向固定電極１の間隙内には、シリコン系オイル又は
フッ素系オイル等からなる絶縁性の高粘性流体５が封入
される。
【００１３】移動子６は、固定電極１と移動子６との間
隙で正圧分布を持つように、ステップ形状やテ−パ−形
状等に形成することにより動圧浮上効果を望める。固定
電極１と移動子６との間隙に発生する圧力は、移動子６
が板状のステップ形状の場合には図２に示すようなもの
であり、二次元モデルでは斜線で示す三角状の面積が圧
力分布８として移動子６の片面にかかる全圧力となる。
この全圧力は、間隙サイズの関数であり、間隙が小さく
なればなるほど全圧力が大きくなるという性質をシステ
ムとして保持している。
隙で正圧分布を持つように、ステップ形状やテ−パ−形
状等に形成することにより動圧浮上効果を望める。固定
電極１と移動子６との間隙に発生する圧力は、移動子６
が板状のステップ形状の場合には図２に示すようなもの
であり、二次元モデルでは斜線で示す三角状の面積が圧
力分布８として移動子６の片面にかかる全圧力となる。
この全圧力は、間隙サイズの関数であり、間隙が小さく
なればなるほど全圧力が大きくなるという性質をシステ
ムとして保持している。
【００１４】この定性的な現象は、移動子６が上下何れ
かの固定電極１に近づけば移動子６を平衡位置に押し戻
そうとする力が働く、と理解され、システムの安定化に
有益である。しかし、その復元力は、移動子６の電極４
と固定電極１との間に生じるク−ロン力を上回るもので
なければならないことは必要条件である。しかしなが
ら、ダンピング力と動圧浮上力とを加えたこの復元力
は、定性的に間隙サイズが減少すればするほど飛躍的に
増大する為、固定電極１の近傍では復元力がク−ロン力
に対してオ−ダ−違いに大きくなる。従って、マイクロ
システムの場合、この必要条件は自動的に満たされる場
合が殆どであると考えられる。
かの固定電極１に近づけば移動子６を平衡位置に押し戻
そうとする力が働く、と理解され、システムの安定化に
有益である。しかし、その復元力は、移動子６の電極４
と固定電極１との間に生じるク−ロン力を上回るもので
なければならないことは必要条件である。しかしなが
ら、ダンピング力と動圧浮上力とを加えたこの復元力
は、定性的に間隙サイズが減少すればするほど飛躍的に
増大する為、固定電極１の近傍では復元力がク−ロン力
に対してオ−ダ−違いに大きくなる。従って、マイクロ
システムの場合、この必要条件は自動的に満たされる場
合が殆どであると考えられる。
【００１５】図３は移動子６の運動の定性的な現象を安
定性理論により証明しようと意図したフェ−ズ・プレ−
ン図である。この図に於ける解析条件としては、移動子
６のサイズが３０ｍｍ×４０ｍｍ、平均間隙サイズが７
０μｍ、また、流体５の粘性が０．８Ｐａｓ、そして、
移動子６の速度が１ｍｍ／ｓｅｃを使用した。図３の横
軸Ｐは無次元での移動子６の位置を表し、縦軸Ｖは無次
元での移動子６の速度を示し、また、中央の破線Ｓは移
動子６の平衡位置を示す。
定性理論により証明しようと意図したフェ−ズ・プレ−
ン図である。この図に於ける解析条件としては、移動子
６のサイズが３０ｍｍ×４０ｍｍ、平均間隙サイズが７
０μｍ、また、流体５の粘性が０．８Ｐａｓ、そして、
移動子６の速度が１ｍｍ／ｓｅｃを使用した。図３の横
軸Ｐは無次元での移動子６の位置を表し、縦軸Ｖは無次
元での移動子６の速度を示し、また、中央の破線Ｓは移
動子６の平衡位置を示す。
【００１６】この図によると、移動子６が−Ｙ方向に移
動すると＋Ｙ方向の速度を持ち、また移動子６が＋Ｙ方
向に移動すると−Ｙ方向の速度を持つという定性的状態
を示しており、従って、運動中の移動子６は常に平衡位
置に位置する為、移動子６の運動は安定化されるという
特性を表している。
動すると＋Ｙ方向の速度を持ち、また移動子６が＋Ｙ方
向に移動すると−Ｙ方向の速度を持つという定性的状態
を示しており、従って、運動中の移動子６は常に平衡位
置に位置する為、移動子６の運動は安定化されるという
特性を表している。
【００１７】図４は移動子６の一例による外観図を示
し、この例では移動子６は右方の移動方向９に動くよう
に板状のステップ形状に形成されているが、流体安定形
状であればテ−パ−形状や波型形状も適用できる。ま
た、往復運動の如く移動方向を特定しないように形状を
左右対称に形成することもできる。
し、この例では移動子６は右方の移動方向９に動くよう
に板状のステップ形状に形成されているが、流体安定形
状であればテ−パ−形状や波型形状も適用できる。ま
た、往復運動の如く移動方向を特定しないように形状を
左右対称に形成することもできる。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】図５は本発明を人造筋肉に応用した場合の
他の概念的なモデルである。この図の実施例では、移動
子１６はステップ状の円柱状に形成され、固定電極は円
柱状の移動子１６を取り囲むように高粘性流体５を封入
した筒状の固定体１７の内面に配置されている。また、
移動子１６の右端にはスプリング部品１０が配置されて
いる。
他の概念的なモデルである。この図の実施例では、移動
子１６はステップ状の円柱状に形成され、固定電極は円
柱状の移動子１６を取り囲むように高粘性流体５を封入
した筒状の固定体１７の内面に配置されている。また、
移動子１６の右端にはスプリング部品１０が配置されて
いる。
【００２２】この静電マイクロアクチュエ−タ−では、
円柱状の移動子１６と周囲の固定電極との間のク−ロン
力に反発して移動子１６を常に平衡位置に置き、移動子
１６の長手方向運動のみを生じるように構成される。こ
のマイクロアクチュエ−タ−は、生物筋肉を構成してい
るミオシンとアクチンからなる筋錘子と類似しているの
で、これを並列及び直列に組み合わせることにより人造
筋肉を実現できる。
円柱状の移動子１６と周囲の固定電極との間のク−ロン
力に反発して移動子１６を常に平衡位置に置き、移動子
１６の長手方向運動のみを生じるように構成される。こ
のマイクロアクチュエ−タ−は、生物筋肉を構成してい
るミオシンとアクチンからなる筋錘子と類似しているの
で、これを並列及び直列に組み合わせることにより人造
筋肉を実現できる。
【００２３】
【発明の効果】本発明の静電マイクロアクチュエ−タ−
は、移動子の運動の複雑な電気制御や機械的ベアリング
等の付帯物が不要であり、高粘性流体を流体ベアリング
のように使用することにより移動子の運動の安定化を確
実に達成できるので、この静電マイクロアクチュエ−タ
−がインテグレ−ティドされたサブシステムとしての機
能を果たすことを容易にする。
は、移動子の運動の複雑な電気制御や機械的ベアリング
等の付帯物が不要であり、高粘性流体を流体ベアリング
のように使用することにより移動子の運動の安定化を確
実に達成できるので、この静電マイクロアクチュエ−タ
−がインテグレ−ティドされたサブシステムとしての機
能を果たすことを容易にする。
【００２４】従って、このような静電マイクロアクチュ
エ−タ−は直列及び並列に組み合わせることにより、医
療機器、カメラ及び人造筋肉等に応用できる。
エ−タ−は直列及び並列に組み合わせることにより、医
療機器、カメラ及び人造筋肉等に応用できる。
【００２５】また、本発明の静電マイクロアクチュエ−
タ−によれば、移動子の安定化の為の外部からの制御が
必要でなく、オ−プンコントロ−ルを実現できるので、
サブシステムとして独立可能であり、更にサブシステム
をマイクロサイズ化することが容易であるので、このマ
イクロサイズ化により移動子の運動の安定性を確実に達
成できる。
タ−によれば、移動子の安定化の為の外部からの制御が
必要でなく、オ−プンコントロ−ルを実現できるので、
サブシステムとして独立可能であり、更にサブシステム
をマイクロサイズ化することが容易であるので、このマ
イクロサイズ化により移動子の運動の安定性を確実に達
成できる。
【図１】本発明の静電マイクロアクチュエーターの概念
的な構造説明図。
的な構造説明図。
【図２】本発明の二次元モデルでの圧力分布図。
【図３】移動子の運動の定性的な現象を示すフェーズ・
プレーン図。
プレーン図。
【図４】移動子の一例による外観図。
【図５】本発明を人造筋肉に応用した場合の概念的モデ
ル。
ル。
Claims (2)
- 【請求項１】移動子と固定電極との間に高粘性流体を封
入し、この移動子を流体安定形状に形成することにより
該移動子が低速度でも安定な運動を保持するように構成
したことを特徴とする静電マイクロアクチュエーター。 - 【請求項２】円柱状の移動子の周囲に所要の間隙で固定
電極を配置し、この移動子と固定電極との間に高粘性流
体を封入し、この移動子を流体安定形状に形成すること
により該移動子が低速度でも安定な運動を保持するよう
に構成したことを特徴とする静電マイクロアクチュエー
ター。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5286133A JP2700991B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 静電マイクロアクチュエ−タ− |
| US08/251,782 US5477097A (en) | 1993-10-20 | 1994-05-31 | Electrostatic micro-actuator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5286133A JP2700991B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 静電マイクロアクチュエ−タ− |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32481696A Division JP2896123B2 (ja) | 1996-11-20 | 1996-11-20 | 静電マイクロアクチュエ−タ− |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07123742A JPH07123742A (ja) | 1995-05-12 |
| JP2700991B2 true JP2700991B2 (ja) | 1998-01-21 |
Family
ID=17700364
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5286133A Expired - Fee Related JP2700991B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 静電マイクロアクチュエ−タ− |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5477097A (ja) |
| JP (1) | JP2700991B2 (ja) |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6181050B1 (en) * | 1997-10-27 | 2001-01-30 | Hewlett Packard Company | Electrostatic micromotor with large in-plane force and no out-of-plane force |
| EP0913921B1 (en) | 1997-10-29 | 2006-05-03 | STMicroelectronics S.r.l. | Method for manufacturing a semiconductor material integrated microactuator, in particular for a hard disc mobile read/write head, and a microactuator obtained thereby |
| EP0955629B1 (en) | 1998-05-05 | 2004-09-15 | STMicroelectronics S.r.l. | Method for manufacturing a hard disk read/write unit, with micrometric actuation |
| US6249064B1 (en) | 1998-06-05 | 2001-06-19 | Seagate Technology Llc | Magneto-striction microactuator |
| EP0975085B1 (en) | 1998-07-22 | 2005-02-09 | STMicroelectronics S.r.l. | Integrated device comprising a structure for electrostatic transport of dielectric particles generated in devices for actuating hard discs, and electrostatic transport method |
| EP0977349B1 (en) | 1998-07-30 | 2005-07-06 | STMicroelectronics S.r.l. | Remote-operated integrated microactuator, in particular for a read/write transducer of hard discs |
| EP0977180B1 (en) | 1998-07-30 | 2005-02-09 | STMicroelectronics S.r.l. | Method for assembling an actuator device for a hard disc device, comprising a read/write transducer, a microactuator and a suspension and the actuator device thus obtained |
| DE69831237D1 (de) | 1998-09-30 | 2005-09-22 | St Microelectronics Srl | Integrierter Hochleistungs-Microantrieb insbesondere für einen Lese/Schreib-Kopf in Festplattenlaufwerken |
| US6329737B1 (en) * | 1998-12-15 | 2001-12-11 | Iolon, Inc. | Rotary electrostatic microactuator |
| US6211580B1 (en) | 1998-12-29 | 2001-04-03 | Honeywell International Inc. | Twin configuration for increased life time in touch mode electrostatic actuators |
| EP1223665B1 (en) * | 2001-01-10 | 2014-04-16 | Texas Instruments Incorporated | Improvements in or relating to micro-machines |
| US20030080839A1 (en) * | 2001-10-31 | 2003-05-01 | Wong Marvin Glenn | Method for improving the power handling capacity of MEMS switches |
| CN1732609A (zh) * | 2002-12-26 | 2006-02-08 | 株式会社Iai | 驱动装置 |
| US9184676B2 (en) * | 2011-10-31 | 2015-11-10 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Varying capacitance rotating electrical machine |
| US9479085B1 (en) | 2012-09-15 | 2016-10-25 | C-Motive Technologies Inc. | Self-conforming plates for capacitive machines such as electrostatic motors and generators |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5001381A (en) * | 1987-12-08 | 1991-03-19 | Akio Takahashi | Electro-static motor |
| US5239222A (en) * | 1989-04-24 | 1993-08-24 | Fujitsu Limited | Electrostatic actuator using films |
| JPH0322886A (ja) * | 1989-06-19 | 1991-01-31 | Toshiba Corp | 静電アクチュエータ |
| JPH04285478A (ja) * | 1991-03-11 | 1992-10-09 | Toshiba Corp | 静電モ−タ |
| JP3386480B2 (ja) * | 1991-10-16 | 2003-03-17 | 株式会社東芝 | 静電リニアモ−タ |
| JP2804196B2 (ja) * | 1991-10-18 | 1998-09-24 | 株式会社日立製作所 | マイクロセンサ及びそれを用いた制御システム |
-
1993
- 1993-10-20 JP JP5286133A patent/JP2700991B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1994
- 1994-05-31 US US08/251,782 patent/US5477097A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5477097A (en) | 1995-12-19 |
| JPH07123742A (ja) | 1995-05-12 |
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