JP3263971B2 - 静電アクチュエーター - Google Patents

静電アクチュエーター

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electrostatic actuator
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14314Structure of ink jet print heads with electrostatically actuated membrane

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  • Micromachines (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、対向電極に電荷を帯電
させる事によりクーロン力を発生させ振動板を変位させ
る静電アクチュエーターの出力向上構造に関する。
【0002】
【従来の技術】静電アクチュエーターはクーロン力によ
り振動板に対向電極を形成するだけで振動板を駆動で
き、電圧駆動により消費電力が少ない為、マイクロマシ
ニングの分野で注目されているが、従来の静電アクチュ
エーターでは、電極間の空気の誘電率が低いことにより
大きな出力が得られず、出力を向上しょうとすると対向
電極間距離を数十ミクロンから数ミクロン以下にする
か、高電圧を電極間に加える必要があった。
【0003】
【発明が解決しょうとする課題】しかしながら従来の構
造では出力向上の為、アクチュエーターの対向電極間距
離を数ミクロン以下に狭くすると振動板の変位量が得ら
れないという課題があった。高電圧を加えると空気の絶
縁破壊により電極間で放電が起こり電極が電蝕したり、
熔けた電極の金属が電極間で短絡するなどの課題があっ
た。またなにより高電圧で駆動するには昇圧回路が必要
であり、昇圧により電力を消費したり、感電防止の為の
保護回路などが必要であった。そこで通常のコンデンサ
ーと同じように高誘電率物質を電極間に充填することに
より低電圧で電荷を蓄えることにより出力を向上しよう
としても、気体の誘電率は気体の種類に関わらずほぼ同
じ値を示すため出力の向上は望めず、誘電率の高い液体
や個体ではほとんど体積変化を示さない為、振動板間に
そのような物質を挿入しても変位が生じず機械的な仕事
を取り出すことができなかった。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1の静電アクチュ
エーターは、振動板と、該振動板と空隙を介して平行に
配置された対向電極とにそれぞれ電荷を帯電させること
によりクーロン力を発生し、該振動板を変位させる静電
アクチュエーターにおいて、該振動板と該対向電極との
間に高誘電率物質と自由空間とを配置して、この高誘電
率物質とこの自由空間の相互作用により該振動板を変位
させるときのクーロン力を高めることと、該振動板の変
位による体積変化を起き易くすることを両立させたこと
を特徴とする。請求項2の静電アクチュエーターは、請
求項1に記載の静電アクチュエーターにおいて、前記高
誘電率物質が高誘電率流体であり、前記自由空間が気泡
であることを特徴とする。請求項3の静電アクチュエー
ターは、請求項2に記載の静電アクチュエーターにおい
て、前記気泡は弾性材料で覆われてなることを特徴とす
る。請求項4の静電アクチュエーターは、請求項1に記
載の静電アクチュエーターにおいて、該振動板と該対向
電極との間に高誘電率の多孔質感光性樹脂を充填するこ
とにより、該振動板と該対向電極との間に高誘電率物質
と自由空間とを配置するようにしたことを特徴とする。
請求項5の静電アクチュエーターは、請求項4に記載の
静電アクチュエーターにおいて、前記多孔質感光性樹脂
中に多数のスリットを設けたことを特徴とする。
【0005】例えば並行平板から電極が成る静電アクチ
ュエーターの発生圧力は P=e(V/d)2 ただし P:圧力(N/m2 ) V:電圧(V) d:電極間距離(m) e:誘電率 となるから例えば比誘電率42.5のグリセリンでは空
気に比べて出力が42.5倍に比誘電率35のニトロベ
ンゼンでは35倍になることがわかる。しかしながら、
これらの液体の圧縮率は0.2から0.45(GPa)
-1でありほとんど体積は変化しないので振動板は変位し
ない。また比誘電率20のニトリルゴムの圧縮率もほぼ
同じである。そこで気泡を液中に混入したり高誘電率弾
性材料を多孔質とすることにより体積変化を可能として
いる。
【0006】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って説明す
る。
【0007】(実施例1)図1に本発明の第1の実施例
における静電アクチュエーターの断面図を示す。
【0008】振動板3は対向電極4との間隔を正確に得
る目的で平坦度が高く、反りや歪みの生じ難いシリコン
の単結晶基板をエッチングして作られている。シリコン
基板1に陽極を接続し、パイレックスガラス(コーニン
グ社の登録商標)から成る電極基板2に陰極を接続し摂
氏300度の温度にまでシリコン基板1と電極基板2を
加熱した後、500V〜700Vの電圧を加え陽極接合
している。陽極接合時にはパイレックスガラス(コーニ
ング社の登録商標)に含まれるNaイオンが電界により
移動するので、シリコン基板1と電極基板2の界面に強
い静電引力が働き密着する。やがてシリコンとパイレッ
クスガラス(コーニング社の登録商標)表面に付着する
OH基が水素結合し、電界と熱によって脱水縮合しSi
−O−Si結合する為極めて強固に結合する。電極基板
2にはエッチングにより一段掘り下げられた高さ数ミク
ロン程度の空隙5及び圧力解放用の通路6が設けられて
おり対向電極4が形成されている。通路6は対向電極4
の引き出し孔を兼ねており、陽極接合時対向電極4が接
合面から突出することによる接合不良を防止している。
通路6の出口はシール7で封止されており大気中の塵埃
が対向電極4に付着することを防ぐ。シール7は通路6
への流れ込みや、高誘電率流体11の流れだしを防止す
る目的で速硬化型のエポキシ樹脂を用いている。またシ
リコン基盤1の表面は対向電極4からの放電を防ぐ為、
シリコンの熱酸化膜SiO2 により絶縁膜10が生成し
てある。薄膜状態でのSiO2 の絶縁破壊電圧は500
kV/mmの為、0.1〜0.2ミクロン程度の厚さに
形成することにより、絶縁破壊による対向電極4の損傷
を防止することができる。対向電極4と振動板3の間の
空隙5には高誘電率流体であるところのグリセリンやニ
トロベンゼンなどの誘電率の高い高誘電率流体11がシ
ール7を施す際に真空吸引により封入されている。又電
極4の表面に絶縁膜を形成すれば誘電率90の水を使用
することも可能である。高誘電率流体11中には、体積
変化を吸収する目的で数ミクロンの微小な気泡12を充
填時混入している。対向電極4と振動板3との距離が数
ミクロンと極小な為、表面張力により気泡12は電極と
振動板間に挟まれ偏在することはない。気泡12が多数
混入した場合全体としての誘電率が小さくなるので出力
が低下する。故に気泡12の混入量は必要な変位量を満
たす範囲で最小としなければならない。シリコン基板1
への端子9の接続は絶縁膜10をフッ酸により処理した
後、金薄膜14をスパッタし端子9をボンディグしてい
る。
【0009】シリコン基盤1と対向電極4に電源8から
交流を加えることにより振動板3を上下に駆動すること
ができ、電極間距離を1ミクロンとし150Vの電圧を
加えると比誘電率35のニトロベンゼンの場合では約3
5気圧の圧力を発生できる。
【0010】(実施例2)図2に本発明の第2の実施例
における静電アクチュエーターの断面図を示す。
【0011】電極間には実施例1の高誘電率流体11に
微小な中空粒子13を混入することにより体積変化を中
空粒子13により吸収している。
【0012】中空粒子13はアクリル−スチレン樹脂と
水のエマルジョンから樹脂を架橋後水を蒸発させること
により0.3ミクロンの外径に対し0.2ミクロンの内
径からなる空洞を有している。この中空粒子の殻は微小
な穴を多数有しており、気体は透過するが液体は透過し
ない特性を有している。実施例1の気泡12に対し気体
が樹脂で封入されている為、温度変化により高誘電率流
体11へ気泡12の溶解度が変化することがないので、
品質のバラツキが少なく耐環境性に優れている。又、外
径0.3ミクロンと極めて微小な為ブラウン運動によ
り、高誘電率流体11中に均一に分散するので均質な特
性が得られる。
【0013】(実施例3)図3に本発明の第3の実施例
における静電アクチュエーターの断面図を示す。弾性率
が低く高誘電率を有するポジ、又はネガ型の感光性樹脂
15を電極基板2に形成された対向電極4上に数ミクロ
ンの厚さにスピンコートした後、溶媒を急激に気化させ
ることにより多孔質としている。多孔質とした感光性樹
脂15をフォトマスクにより露光し対向電極4と同形状
に現像し、振動板3が感光性樹脂15と密着するように
シリコン基板1を電極基板2に接着する。固体であると
ころの感光性樹脂15を使用することにより液体である
ところの実施例1、2の高誘電率流体11に比べ漏れな
どの信頼性が改善できる。
【0014】(実施例4)図4に本発明の第4の実施例
における静電アクチュエーターの断面図を示す。
【0015】実施例3の感光性樹脂15を数ミクロン幅
のマスクパターンで露光することにより、多数のスリッ
ト16を感光性樹脂15に設けている。スリット16の
幅と間隔を変えることにより多孔質の場合よりも振動板
3の変位量を大きく変化させることが可能である。
【0016】(実施例5)図5に本発明の第5の実施例
における静電アクチュエーターの断面図を示す。
【0017】実施例3の感光性樹脂15は固体であり数
ミクロンの厚さに均質な膜厚で成膜できる為、高価なシ
リコン基板を使わずとも金属を電極基板2上にメッキす
ることにより振動板3を対向電極4と数ミクロンの間隔
で作製することが可能である。感光性樹脂15の孔は数
ミクロン以下の為、メッキが孔の中に入らず孔を塞ぐ様
に成長する。対向電極4の表面には、スパッタによりS
iO2 の絶縁膜10が成膜してあり短絡を防いでいる。
電気抵抗の低い金属を使える為、シリコンより電荷の移
動が早いので応答性が向上する。又、多段に積層するこ
とにより出力や変位量を向上することが容易にできる。
【0018】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、対向電極
間に様々な流体や弾性体を封入しても変位可能となり低
電圧、あるいはより高出力駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例における断面を示す図
である。
【図2】 本発明の第2の実施例における断面を示す図
である。
【図3】 本発明の第3の実施例における断面を示す図
である。
【図4】 本発明の第4の実施例における断面を示す図
である。
【図5】 本発明の第5の実施例における断面を示す図
である。
【符号の説明】
1 シリコン基盤 2 電極基盤 3 振動板 4 対向電極 5 空隙 6 通路 7 シール 8 電源 9 端子 10 絶縁膜 11 高誘電率流体 12 気泡 13 中空粒子 14 金薄膜 15 感光性樹脂 16 スリット

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 振動板と、該振動板と空隙を介して平行
    に配置された対向電極とにそれぞれ電荷を帯電させるこ
    とによりクーロン力を発生し、該振動板を変位させる静
    電アクチュエーターにおいて、該振動板と該対向電極と
    の間に高誘電率物質と自由空間とを配置して、この高誘
    電率物質とこの自由空間の相互作用により該振動板を変
    位させるときのクーロン力を高めることと、該振動板の
    変位による体積変化を起き易くすることを両立させたこ
    とを特徴とする静電アクチュエーター。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の静電アクチュエーター
    において、前記高誘電率物質が高誘電率流体であり、前
    記自由空間が気泡であることを特徴とする静電アクチュ
    エーター。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の静電アクチュエーター
    において、前記気泡は弾性材料で覆われてなることを特
    徴とする静電アクチュエーター。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の静電アクチュエーター
    において、該振動板と該対向電極との間に高誘電率の多
    孔質感光性樹脂を充填することにより、該振動板と該対
    向電極との間に高誘電率物質と自由空間とを配置するよ
    うにしたことを特徴とする静電アクチュエーター。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の静電アクチュエーター
    において、前記多孔質感光性樹脂中に多数のスリットを
    設けたことを特徴とする静電アクチュエーター。
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