JP2896123B2 - Electrostatic microactuator - Google Patents
Electrostatic microactuatorInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrostatic microactuator in which the movement of a moving element is remarkably stabilized by sealing a highly viscous fluid between the moving element and a fixed electrode.
【0002】[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。2. Description of the Related Art There has been almost no development of electronic and electrical equipment which applies static electricity as a driving force. The most important reason is that the energy density is smaller in order than in electronic and electrical equipment that applies electromagnetism.
【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−タ−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−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。[0003] In recent years, it has been found that the problem can be compensated for by making the device itself micro-sized, and the use of static electricity as a drive source for a micro-actuator has been studied recently. However, according to the Arnshaw's theorem that a system using static electricity always has motion instability, some means for obtaining stability in the system is required.
【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。[0004] Therefore, a clutch acting in a direction perpendicular to the moving direction of the moving element in the electrostatic microactuator.
Conventionally, various methods have been proposed for stabilizing the system against the Ron force.
【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。[0005] For example, there is a method of providing a mechanical bearing, but this becomes less feasible and less reliable as the size of the system becomes smaller. In addition, there is a method using magnetic levitation, but this method does not become a predominantly strong magnetic force in a micro region. In this respect, in the method using the Meissner effect by the superconducting substance, the Meissner effect itself is essentially a powerful force in the micro region, but the cost increases due to the preparation of liquid helium, liquid nitrogen or the like. There is also a method of utilizing ultrasonic levitation, but since the wavelength is several mm, there is a problem that the micro size of the system is limited.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】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/sec以下の低速度でも移動子の安定運動を
保持することができ且つ人造筋肉にも応用可能な静電マ
イクロアクチュエ−タ−を提供するものである。According to the present invention, a high-viscosity fluid having a high dielectric constant is sealed between a moving element and a fixed electrode, and the moving element is formed into a fluid-stable shape.
An object of the present invention is to provide an electrostatic microactuator which can maintain a stable movement of a moving element even at a low speed of 10 mm / sec or less and can be applied to artificial muscles.
【0007】その為に本発明の静電マイクロアクチュエ
ーターでは、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
うに構成した場合に、封入された高粘性流体の中に配置
された複数の移動子を互いの移動方向が反対となるよう
に所要の間隙で平行に配列し、これらの同一向きの移動
子の各一端はそれぞれ両側の支持体に各別に支持され、
この両支持体間をスプリング部品で連結し、前記移動子
を介して前記支持体を拡張・収縮させるように構成した
ものである。For this reason, in the electrostatic microactuator of the present invention, basically, a high-viscosity fluid is sealed between the movable element and the fixed electrode, and the movable element is formed into a fluid-stable shape, whereby the movable element is formed. When configured to maintain stable movement even at low speeds, multiple movers arranged in the enclosed high-viscosity fluid are arranged in parallel with the required gap so that the directions of movement are opposite to each other Each end of these movers in the same direction is separately supported by supports on both sides, respectively.
The two supports are connected by a spring part, and
It is obtained by configuration so that to expand and contract the support via.
【0008】[0008]
【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。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. In the electrostatic microactuator according to the present invention, a high-viscosity fluid having a high dielectric constant is sealed between the moving element and the fixed electrode, and the moving element is formed into a fluid-stable shape to move the moving element. The feature is that the stable state of the moving element can be maintained even if the moving velocity of the moving element is not high.
【0009】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。For example, a head of a hard disk drive or the like achieves a relatively stable state by floating the head by increasing the rotation speed of the disk even in a low-viscosity gas. According to the present invention, the same stability as that of the head of a hard disk drive is obtained for the motion stability of a moving element in an electrostatic microactuator by maintaining the Reynolds number of the system in a stable range. It is.
【0010】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。As a practical example, the speed of the moving element is 1 to 10 m.
m / sec, kinematic viscosity of high viscosity fluid is 10-3 m2 / sec
In the case of (1), if the gap is on the order of 100 μm or less, the Reynolds number in the system becomes sufficiently smaller than the critical Reynolds number (〜1000), so that the gap becomes sufficiently laminar and the motion stability of the moving element can be expected. There was found.
【0011】図1は本発明の静電マイクロアクチュエ−
タ−の概念を説明する図であって、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。FIG. 1 shows an electrostatic microactuator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the concept of a heater, in which a fixed body 7 includes a plurality of fixed electrodes 1 and an electrically insulating layer 2, and each fixed electrode 1 is fixedly arranged on one surface of the electrically insulating layer 2. The two fixed bodies 7 are arranged in parallel at a required interval so that the fixed electrodes 1 face each other, and the moving element 6 is arranged between the fixed electrodes 1 arranged facing each other. Mover 6
Is configured to have a plurality of moving element electrodes 4 embedded in the electrically insulating layer 3. An insulating high-viscosity fluid 5 made of silicon-based oil, fluorine-based oil, or the like is sealed in the gap between the opposed fixed electrodes 1 where the movers 6 are arranged.
【0012】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。The moving element 6 can be expected to have a dynamic pressure floating effect by being formed in a step shape or a taper shape so as to have a positive pressure distribution in the gap between the fixed electrode 1 and the moving element 6. The pressure generated in the gap between the fixed electrode 1 and the moving element 6 is
Is a plate-like step shape, as shown in FIG. 2. In the two-dimensional model, a triangular area indicated by oblique lines is a pressure distribution 8 and is a total pressure applied to one surface of the moving element 6.
This total pressure is a function of the gap size, and the system retains the property that the smaller the gap, the greater the total pressure.
【0013】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。[0013] This qualitative phenomenon is understood that when the moving element 6 approaches one of the upper and lower fixed electrodes 1, a force is exerted to push the moving element 6 back to the equilibrium position, which is useful for stabilizing the system. It is. However, the restoring force depends on the electrode 4 of the moving element 6.
It is a requirement that it be greater than the Coulomb force generated between the electrode and the fixed electrode 1. However, this restoring force, which is the sum of the damping force and the dynamic pressure levitation force, increases dramatically as the gap size decreases qualitatively. On the other hand, the order becomes larger. Thus, in the case of microsystems, this requirement is almost always met automatically.
【0014】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。FIG. 3 shows a phase play intended to prove a qualitative phenomenon of the movement of the moving element 6 by stability theory.
FIG. As the analysis conditions in this figure, the size of the moving element 6 is 30 mm × 40 mm, and the average gap size is 7 mm.
0 μm, the viscosity of the fluid 5 is 0.8 Pas, and
The speed of the moving element 6 was 1 mm / sec. The horizontal axis P in FIG. 3 represents the dimensionless position of the moving element 6, the vertical axis V represents the dimensionless velocity of the moving element 6, and the broken line S at the center represents the equilibrium position of the moving element 6. .
【0015】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。According to this figure, there is shown a qualitative state in which the moving element 6 has a velocity in the + Y direction when it moves in the -Y direction, and has a velocity in the -Y direction when the moving element 6 moves in the + Y direction. Accordingly, since the moving element 6 during the movement is always located at the equilibrium position, the movement of the moving element 6 is stabilized.
【0016】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。FIG. 4 shows an external view of an example of the movable element 6. In this example, the movable element 6 is formed in a plate-like step shape so as to move in the rightward moving direction 9. If so, a tapered shape or a corrugated shape can be applied. Further, the shape can be formed symmetrically so that the moving direction is not specified unlike the reciprocating motion.
【0017】図5は本発明を人造筋肉に応用した場合の
概念的モデルである。このモデルでは、サブシステムと
しての各移動子6が互いに反対向きになるように多数並
列に配置され、その同一向きの移動子6はそれぞれ左右
の支持体11に接し、それらの支持体11は上下に配置
したスプリング部品10に連結されて、発生力を繋げた
サブシステムの数量分増大するマクロシステムを構成し
ている。高粘性流体5はこれらの構成部品間に封入され
る。FIG. 5 is a conceptual model when the present invention is applied to artificial muscle. In this model, a large number of movers 6 as subsystems are arranged in parallel so as to be opposite to each other, and the movers 6 in the same direction contact the left and right supports 11, respectively. And a macro system which is increased by the number of subsystems connected with the generated force. The high viscosity fluid 5 is enclosed between these components.
【0018】この静電マイクロアクチュエ−タ−によれ
ば、その動作中は筋肉構造が筋拡張状態にあり、そのエ
ネルギ−はスプリング部品10にリストアされる。そし
て、動作が停止すると、スプリング部品10にリストア
されたエネルギ−が解放されて初期状態まで各移動子6
が戻って筋収縮状態となる。According to the electrostatic microactuator, the muscular structure is in a muscular expansion state during its operation, and its energy is restored to the spring component 10. Then, when the operation is stopped, the energy restored to the spring component 10 is released, and each movable element 6 is returned to the initial state.
Returns to the muscle contraction state.
【0019】この繰り返し可能な動作中に、互いの移動
子6はそのステップ形状により反発しあう作用力が働い
てそれぞれの位置を保持しようとする。これにより、移
動子6がク−ロン力により引き合う為に生じる不安定運
動を避けることができる。During this repeatable operation, the moving elements 6 try to maintain their respective positions due to the repulsive acting force due to their step shapes. As a result, it is possible to avoid unstable movement caused by the mover 6 being attracted by the Coulomb force.
【0020】[0020]
【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。The electrostatic microactuator of the present invention
Does not require complicated electrical control of the movement of the mover or any additional equipment such as mechanical bearings, and can stabilize the movement of the mover reliably by using a highly viscous fluid like a fluid bearing. , Making it easier for the electrostatic microactuator to function as an integrated subsystem.
【0021】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。Therefore, by combining such electrostatic microactuators in series and in parallel, they can be applied to medical equipment, cameras, artificial muscles and the like.
【0022】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。Also, the electrostatic microactuator of the present invention
According to the table, external control for stabilizing the moving element is not required, and an open control can be realized.
Since it is possible to be independent as a subsystem and it is easy to make the subsystem micro-sized, it is possible to reliably achieve the stability of the movement of the moving element by this micro-sized.
【図1】 本発明の静電マイクロアクチュエ−タ−の概
念的な説明図。FIG. 1 is a conceptual explanatory view of an electrostatic microactuator according to the present invention.
【図2】 本発明の二次元モデルでの圧力分布図。FIG. 2 is a pressure distribution diagram in a two-dimensional model of the present invention.
【図3】 移動子の運動の定性的な現象を示すフェ−ズ
・プレ−ン図。FIG. 3 is a phase plane diagram showing a qualitative phenomenon of the movement of the moving element.
【図4】 移動子の一例による外観図。FIG. 4 is an external view of an example of a moving element.
【図5】 本発明を人造筋肉に応用した場合の概念的モ
デル。FIG. 5 is a conceptual model when the present invention is applied to artificial muscle.
1 固定電極 2 電気的絶縁層 3 電気的絶縁層 4 移動子電極 5 高粘性流体 6 移動子 7 固定体 10 スプリング部品 11 支持体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fixed electrode 2 Electrical insulating layer 3 Electrical insulating layer 4 Moving element electrode 5 High viscous fluid 6 Moving element 7 Fixed body 10 Spring parts 11 Support
Claims (1)
数の移動子を互いの移動方向が反対となるように所要の
間隙で平行に配列し、これらの同一向きの移動子の各一
端はそれぞれ両側の支持体に各別に支持され、この両支
持体間をスプリング部品で連結するように構成し、前記
移動子を介して前記支持体を拡張・収縮させるように構
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。1. A plurality of moving elements arranged in a sealed high-viscosity fluid are arranged in parallel with a required gap so that the moving directions are opposite to each other. one end is supported to each other on both sides of the support, respectively, comprise between the two support to couple a spring component, wherein
The support is configured to expand and contract through a mover.
The micro electromechanical actuator, characterized in that formed was.
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---|---|---|---|
JP32481696A JP2896123B2 (en) | 1996-11-20 | 1996-11-20 | Electrostatic microactuator |
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JP32481696A JP2896123B2 (en) | 1996-11-20 | 1996-11-20 | Electrostatic microactuator |
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JP5286133A Division JP2700991B2 (en) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | Electrostatic microactuator |
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JPH09168285A JPH09168285A (en) | 1997-06-24 |
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