JP4625951B2 - Electrostatic actuator - Google Patents
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本発明は、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静電アクチュエータに関する。 The present invention relates to an electrostatic actuator that can efficiently convert electrostatic attraction to mechanical work.
従来の静電アクチュエータは、図19に示すように電極板がばね等の弾性部材で支持された構造を有している。静電引力Feはε0sV2/2d2で示される。図19は、平行平板型静電マイクロアクチュエータの発生力を示す概略図である。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もっている。従って、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できない問題を有している。これは、静電引力を有効に外に取り出す機構が無く、弾性支持は単に静電引力に逆らってエネルギーを浪費するだけに終わっているためである。 As shown in FIG. 19, the conventional electrostatic actuator has a structure in which an electrode plate is supported by an elastic member such as a spring. The electrostatic attractive force Fe is represented by ε 0 sV 2 / 2d 2 . FIG. 19 is a schematic view showing the generated force of the parallel plate electrostatic microactuator. The electrostatic attractive force has a characteristic of increasing rapidly as the electrode interval decreases. Therefore, conventionally, there is a problem that the initial generated force is weak and a sufficient work amount cannot be taken out actually while having a potential capable of converting electrostatic attraction into work. This is because there is no mechanism for effectively extracting the electrostatic attractive force to the outside, and the elastic support simply ends up wasting energy against the electrostatic attractive force.
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたもので、本発明の目的は、ばねなど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、静電引力を弾性力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ことができる小型の静電アクチュエータを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to use an elastic body such as a spring not only as a support but also as a member that accumulates mechanical energy. To provide a small electrostatic actuator that can convert an attractive force into an elastic force and then work, can efficiently convert an electrostatic attractive force into a mechanical work, and can generate a large force and work. is there.
請求項1に係る静電アクチュエータは、少なくとも一方が可動電極である第1の電極と第2の電極が、所定の間隔で配置された一対の電極と、該電極間に静電引力を発生させ、両電極を互に引き寄せるための電圧印加手段と、両電極が引き寄せられることにより、歪みを生じ、静電引力を弾性力として蓄積するための非線形ばねと、該可動電極が引き寄せられたときは同伴して移動しないが、該非線形ばねの歪みが解放されるとき、歪の解放と共に移動する出力部と、可動電極と出力部の間に介在して、該電極間に電圧が印加されたときは、該可動電極と出力部間の接続を解除し、電圧が解除されたときは、出力部と可動電極を一体として移動するための制動を制御する制動手段とを備えた静電アクチュエータである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an electrostatic actuator , wherein a first electrode and a second electrode , at least one of which is a movable electrode, generate a electrostatic attractive force between a pair of electrodes arranged at a predetermined interval. A voltage applying means for attracting both electrodes to each other; a non-linear spring for accumulating an electrostatic attractive force as an elastic force; and a movable spring when the movable electrode is attracted. When the strain of the nonlinear spring is released, but when the strain is released, when the voltage is applied between the output part moving between the release of the strain and the movable electrode and the output part Is an electrostatic actuator comprising a braking means for controlling braking for moving the output unit and the movable electrode together when the connection between the movable electrode and the output unit is released and the voltage is released .
請求項2に係る静電アクチュエータは、出力部が移動した後、その戻りを防止する制動手段を有することを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータである。
An electrostatic actuator according to a second aspect of the present invention is the actuator according to the first aspect, further comprising a braking unit that prevents the output unit from returning after the output unit has moved.
本発明に係る静電アクチュエータによれば、静電引力を弾性力に変換してから仕事をさせることができるため、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ことができ、しかも小型に作ることが可能である。すなわち、図1において、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、本発明における静電アクチュエータにおける静電引力から弾性力への変換を用いた場合の仕事量は、静電引力間距離に応じて領域W2、領域W3にようになる。すなわち、仕事量;W2/W1=4.16、W3/W1=6.5倍となり、静電引力のみより大きな仕事をすることができる。また、発生力は、それぞれ25倍、156倍にすることができる。 According to the electrostatic actuator according to the present invention, work can be performed after the electrostatic attraction is converted into an elastic force. Therefore, the electrostatic attraction can be efficiently converted into mechanical work, and a large force and work are generated. It can be made small. That is, in FIG. 1, the work amount W1 that can be achieved only by the electrostatic actuator is indicated by a region W1. On the other hand, the work amount in the case of using conversion from electrostatic attraction to elastic force in the electrostatic actuator according to the present invention becomes the region W2 and the region W3 according to the distance between electrostatic attraction. That is, the amount of work; W2 / W1 = 4.16, and W3 / W1 = 6.5 times, and it is possible to work larger than the electrostatic attraction alone. Further, the generated force can be 25 times and 156 times, respectively.
以下、添付図面を参照して本発明に係る静電アクチュエータを詳述する。
図2は、本発明に係る第1実施例の静電アクチュエータを示す概略図である。図3は、図2の静電アクチュエータの部分分解図である。該図において、静電アクチュエータ10は、矩形形状の可動電極12と、可動電極に対向して所定の間隔をもって配置された、可動電極とほぼ同じ矩形形状で同じ面積の固定電極14と、固定電極と可動電極との間に発生する静電引力を弾性エネルギーに変換して蓄積する、4本の固定電極の各隅部に設けられた非線形ばね16と、非線形ばね力の開放により駆動する出力部18とを備える。
Hereinafter, an electrostatic actuator according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 2 is a schematic view showing the electrostatic actuator of the first embodiment according to the present invention. FIG. 3 is a partially exploded view of the electrostatic actuator of FIG. In the figure, an
可動電極12は、枠体20の上面21に設けられている4本の電動プランジャ22に取り付けられている。電動プランジャ22は、可動電極を上下に移動する。固定電極14は、可動電極12に対向した位置で枠体の下面23に固定して配設されている。各非線形ばね16は、可動電極に対向して配置された固定電極との間に配設され、非線形ばねの一端は、枠体の下面に固定して設けられ、かつ他端は、可動電極に当接されている。非線形ばねとして非線形板ばねが使用されているが、非線形板ばねは、荷重に比例し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できる。例えば、非線形ばねとして、有効スパンを減少させることによりばね定数を増大させるプログレッシブスプリングを使用する。
The
出力部18は、可動電極と固定電極のほぼ中心を嵌挿して上下方向に移動可能に設けられている。出力部の動きは、可動電極に配設されたラチェット電極24と、下面23に配設された戻り防止電極26により制御される。該図において、ラチェット電極24は、可動電極12に固定して設けられて、非線形ばねの開放により可動電極12が出力部を伴って上方に移動する際の役目を果たす。戻り防止電極26は、枠体の下面23に固定されて設けられていて出力部18と機械的に連結され、ラチェット電極24の開放(電圧OFF)により、出力部が下方に移動するのを防止する役目を果たす。
The
可動電極と固定電極に電圧が印可されると、可動電極と固定電極との間に静電引力が生じる。静電引力は、可動電極と固定電極の間隔に依存する。可動電極と固定電極との間に生じる静電引力により可動電極は固定電極へと移動するが、この時の仕事が、非線形ばねの弾性力へ変換される。出力部は、変換された非線形ばねの開放による弾性力により上方に移動する。 When a voltage is applied to the movable electrode and the fixed electrode, an electrostatic attractive force is generated between the movable electrode and the fixed electrode. The electrostatic attractive force depends on the distance between the movable electrode and the fixed electrode. The movable electrode moves to the fixed electrode due to the electrostatic attractive force generated between the movable electrode and the fixed electrode, but the work at this time is converted into the elastic force of the nonlinear spring. The output unit moves upward by the elastic force generated by opening the converted nonlinear spring.
以下に出力部の動作を、図4〜図7を参照して詳述する。 Hereinafter, the operation of the output unit will be described in detail with reference to FIGS.
工程1、電圧印加;可動電極及び固定電極をOFF状態とし、ラチェット電極をOFF、及び戻り防止電極をONとする(図4)
工程2、電圧印加;可動電極及び固定電極をON状態にする。可動電極は、固定電極に向けて下方へ移動する(図5)。かくして、可動電極は、固定電極に向けて下方へ移動して固定電極に到達する。この移動距離、すなわち電極間距離の変化に依存して静電引力が変化する。静電引力は非線形ばねに圧縮させる力を作用させることにより、非線形ばねは弾性力を蓄積する。この時ラチェット電極はOFF、及び戻り防止電極はONとする。
Step 2, voltage application; the movable electrode and the fixed electrode are turned on. The movable electrode moves downward toward the fixed electrode (FIG. 5). Thus, the movable electrode moves downward toward the fixed electrode and reaches the fixed electrode. The electrostatic attraction changes depending on the change of the moving distance, that is, the distance between the electrodes. The electrostatic attractive force exerts a compressing force on the nonlinear spring, so that the nonlinear spring accumulates an elastic force. At this time, the ratchet electrode is OFF and the return prevention electrode is ON.
工程3、ラチェット電極をONとして、ラチェット電極を出力部に固着させる。この後、戻り電極、可動電極及び固定電極をOFF状態にする。非線形ばね力に蓄積されていた弾性力が解放されて、可動電極が、上方に移動を開始する。この可動電極の上方への移動に伴って、出力部は上方に移動する(図6)。そして、可動電極が枠体の上面に到達する。戻り防止電極をONにして、出力部が下方に戻るのを防止する(図7)。 Step 3, the ratchet electrode is turned ON, and the ratchet electrode is fixed to the output portion. Thereafter, the return electrode, the movable electrode, and the fixed electrode are turned off. The elastic force accumulated in the nonlinear spring force is released, and the movable electrode starts to move upward. As the movable electrode moves upward, the output unit moves upward (FIG. 6). Then, the movable electrode reaches the upper surface of the frame. The return prevention electrode is turned on to prevent the output unit from returning downward (FIG. 7).
図8は、本発明に係る第2実施例の静電アクチュエータを示す概略図である。
該図において、第2実施例の静電アクチュエータと第1実施例の静電アクチュエータとの相違点は、固定電極に変えて可動電極にしたこと、すなわち第1可動電極と第2可動電極を対向して配設したことにある。
FIG. 8 is a schematic view showing an electrostatic actuator according to a second embodiment of the present invention.
In the figure, the difference between the electrostatic actuator of the second embodiment and the electrostatic actuator of the first embodiment is that the movable electrode is replaced with the fixed electrode, that is, the first movable electrode and the second movable electrode are opposed to each other. It is that it has been arranged.
該図において、静電アクチュエータ30は、上部可動電極12と、上部可動電極に対向して所定の間隔をもって配置された下部可動電極32とを備える。そして、上部可動電極12と下部可動電極32との距離に応じて発生する静電引力による仕事を弾性力に変換して蓄積する非線形ばね16と、非線形ばね力の開放により駆動する出力部18とを備える。非線形ばねは、上部可動電極に対向して配置された下部可動電極との間に配設されている。
上部可動電極12は、枠体20の上面21に設けられている電動プランジャ22により下方に押される。上部可動電極12は、垂直に延出する可動電極棒を備える。
In the drawing, the
The upper
出力部18は、下面23のほぼ中心部に嵌挿して下方に延出して下部可動電極に設けられている。そして上部可動電極12と下部可動電極32とが下部可動電極側で一体になり、非線形ばねの弾性力の解放により上方へ移動する。この際、ラチェット電極をOFFにすると、出力部18は、両電極の上方への移動に追随して上方向に移動する。ラチェット電極24は、枠体の下面に固定されて設けられていて、出力部の動きを制御する。
The
以下に出力部の動作を図9〜図11を参照して詳述する。
工程1(スタート)、電圧印加;上部可動電極及び下部可動電極をOFFとし、ラチェット電極をONにする。
工程2、電圧印加;上部可動電極及び下部可動電極をONとする。上部可動電極は、下部可動電極に向けて移動して(図9)、そして上部電極は下部可動電極に固着して停止する(図10)。上部可動電極は、下部可動電極に向けて移動することにより、電極間距離に依存した静電引力が生じる。静電引力により非線形ばねは圧縮されて、非線形ばねは弾性力を蓄積する。
The operation of the output unit will be described in detail below with reference to FIGS.
Step 1 (Start), the voltage application; and OFF the upper movable electrode and lower portions movable electrode, the ratchet electrodes to ON.
Step 2, voltage application; the upper movable electrode and the lower movable electrode are turned ON. The upper movable electrode moves toward the lower movable electrode (FIG. 9), and the upper electrode adheres to the lower movable electrode and stops (FIG. 10). The upper movable electrode moves toward the lower movable electrode, thereby generating an electrostatic attractive force depending on the distance between the electrodes. The nonlinear spring is compressed by the electrostatic attractive force, and the nonlinear spring accumulates an elastic force.
工程3、電圧印加;上部可動電極及び下部可動電極をON状態に維持し、ラチェット電極をOFFにする。かくして非線形ばね力に蓄積されていた弾性力が解放されて、上部可動電極と下部可動電極とが一体となって、上方に移動を開始する(図11)。これら可動電極の上方への移動に伴って、出力部は上方に移動する。そして、これら可動電極が枠体の上面に到達する。 Step 3, voltage application: The upper movable electrode and the lower movable electrode are maintained in the ON state, and the ratchet electrode is turned OFF. Thus, the elastic force accumulated in the non-linear spring force is released, and the upper movable electrode and the lower movable electrode are integrated to start moving upward (FIG. 11). As the movable electrodes move upward, the output unit moves upward. These movable electrodes reach the upper surface of the frame.
図12は、本発明に係る第3実施例の静電アクチュエータを示す概略図である。
該図において、第1実施例及び第2実施例の静電アクチュエータとの相違点は、各部材を平板55上に配置し、固定電極と可動部材との間の距離に依存して静電気力を弾性力として蓄積するための弾性手段が、非線形ばね43と、可動部材の非線形板ばね44で構成したことにある。なお、可動部材を線形ばねで構成してもよい。すなわち、静電アクチュエータ40は、固定電極14と、固定電極14に対向して配置された可動部材42を備える。固定電極14と可動部材42との間に発生する静電引力による仕事は、非線形ばね43と、可動部材を構成する非線形板ばね44に弾性力として変換されて蓄積される。さらに、可動部材42は、出力部の動きを制御するためのラチェット電極46を一体的に備える。可動部材42と固定電極14の間隔の調整は、間隔調整用のピエゾアクチュエータ48の動きにより行われる。戻り防止電極26が出力部18の移動の戻りを防止するために配設されている。
FIG. 12 is a schematic view showing an electrostatic actuator of a third embodiment according to the present invention.
In the figure, the difference between the electrostatic actuators of the first embodiment and the second embodiment is that each member is arranged on a
以下に出力部の動作を図13〜図16を参照して詳述する。
工程1(スタート)、電圧印加;可動電極及び固定電極をOFF状態にし、かつラチェット電極をOFF、及び戻り防止電極をONとする。
工程2、電圧印加;可動電極と固定電極間に電圧を印加すると、可動部材42は、固定電極に向けて移動する。可動電極は、固定電極に向けて移動して(図13)、そして可動部材は、固定電極に固着して停止する(図14)。かくして、可動部材は、固定電極に向けて移動することにより、電極間距離に依存して静電引力が生じる。静電引力が非線形ばね及び非線形板ばねを圧縮することにより、非線形ばねは弾性力を蓄積する。
Hereinafter, the operation of the output unit will be described in detail with reference to FIGS.
Step 1 (start), voltage application; the movable electrode and the fixed electrode are turned off, the ratchet electrode is turned off, and the return prevention electrode is turned on.
Step 2, voltage application; when a voltage is applied between the movable electrode and the fixed electrode, the
工程3、電圧印加;可動部材のラチェット電極をON、戻り防止電極をOFFとして可動部材を出力部に固着させて、非線形ばね力に蓄積されていた弾性力を解放させることにより、出力部材は図の左方に移動を開始する(図15)。そして弾性力が全て解放された状態で、戻り防止電極がONとなり出力部の動きを完全に停止する(図16)。
図17及び図18は、静電アクチュエータにおける他の可動電極の非線形及び線形構造をそれぞれ示す概略図である。図17において、静電アクチュエータは、可動電極42の下方に所定の間隔をもって平板55上に配設された固定電極14を備え、静電引力と電極間隔の変化を非線形な変位に変換する構造を有する。すなわち、可動電極42は、板ばね50と距離の関数である 曲線を有する非線形形状ばね押し案内部52を有し、可動電極の下方向の変位を非線形な横方向、あるいは縦方向の変位に変換する。
Step 3, voltage application; the ratchet electrode of the movable member is turned on, the return preventing electrode is turned off, the movable member is fixed to the output portion, and the elastic force accumulated in the nonlinear spring force is released, so that the output member is Starts moving to the left of (Fig. 15). Then, with all of the elastic force released, the return prevention electrode is turned on and the movement of the output unit is completely stopped (FIG. 16).
17 and 18 are schematic views showing nonlinear and linear structures of other movable electrodes in the electrostatic actuator, respectively. In FIG. 17, the electrostatic actuator includes a fixed
図18において、静電アクチュエータは、静電引力と電極間隔の変化を線形な変位に変換する構造を有する。図18において、静電アクチュエータは、可動電極42の下方に所定の間隔をもって配設された固定電極14を備え、静電引力と電極間隔の変化を線形な変位に変換する構造を有する。すなわち、可動電極42は、板ばね50と線形形状のばね押し案内部54、ここでは所定の角度の傾斜面を有して、可動電極の下方向の変位を線形な横方向の変位に変換する。
In FIG. 18, the electrostatic actuator has a structure for converting a change in electrostatic attraction force and electrode spacing into a linear displacement. In FIG. 18, the electrostatic actuator includes a fixed
可動電極を基板と平行に製作できるので、垂直な電極よりも面積の大きい電極を製作しやすい。よって、大きな静電引力を発生し易い。また、くさび効果も加わり、アクチュエータの発生力を大きくすることができ、大きな弾性力までばねを変形させることができる。なお、図17及び図18において、板ばねに換えて可動電極が上下に変位できるようなスライド式ガイドで構成してもよい。 Since the movable electrode can be manufactured parallel to the substrate, it is easier to manufacture an electrode having a larger area than the vertical electrode. Therefore, it is easy to generate a large electrostatic attraction. In addition, a wedge effect is added, so that the force generated by the actuator can be increased and the spring can be deformed to a large elastic force. In FIG. 17 and FIG. 18, a slide type guide that can move the movable electrode up and down may be used instead of the leaf spring.
発生力、変位の大きい実用的で、かつ省エネルギー、小型で環境負荷の小さな静電アクチュエータ、ナノ静電アクチュエータ、近接場静電アクチュエータに利用できる。静電アクチュエータは、医療用、情報機器に使用可能である。 It can be used for electrostatic actuators, nano electrostatic actuators, and near-field electrostatic actuators that are practical, energy-saving, energy-saving, small, and have a low environmental impact. The electrostatic actuator can be used for medical and information equipment.
10、30、40 静電アクチュエータ
12、32、42 可動電極
14 固定電極
16、43 非線形ばね
18 出力部
20 枠体
22 電動プランジャ
24、46 ラチェット電極
26 戻り防止電極
44、50 板ばね
48 ピエゾアクチュエータ
52 非線形形状のばね押しガイド部
54 線形形状のばね押しガイド部
55 平板
10, 30, 40
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