JP5283239B2

JP5283239B2 - 静電アクチュエータ

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Publication number: JP5283239B2
Application number: JP2011171655A
Authority: JP
Inventors: 和幸南
Original assignee: Yamaguchi University NUC
Current assignee: Yamaguchi University NUC
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2026-05-24
Also published as: JP2011259698A

Description

本発明は、電極間の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超小型の静電アクチュエータに関する。

従来の電磁アクチュエータの場合には電流を流し放しの状態となるのに対し、静電アクチュエータの場合には、初期の充電時のみに電流が流れるため省エネルギーにも寄与するものである。

また、静電アクチュエータは、半導体製造技術を適用した、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）技術を適用することによって、低コスト、高精度の製作が期待できる。

従来の平行平板型静電アクチュエータは、固定電極Ｋと可動電極Ｍとを対向配置し、両者に電圧を印加して電極間隔を小さくする方向の静電駆動力を得るものである。この場合の静電駆動力Ｆｅはεを比誘電率、真空の誘電率をε_０、ｄを電極間隔、Ｓを対向電極面積、Ｖを印加電圧とすれば、
Ｆｅ＝ε・ε_０・Ｓ・Ｖ^２／２ｄ^２・・・・（１）
として表される。

上記（１）式より明らかなように、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持っている。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出来ない問題を有していた。

そして、変位量が極めて小さいためその適用範囲や用途が制限されていた。そこで、特許文献１では、大きな変位量を発生させることを目的として、ラチェット機構を含む板ばねのばね力を利用した静電式アクチュエータが開示されている。

即ち、可動部材と、板ばねを持ち前記可動部材を第１の方向に変位させる１対の第１駆動部材と、板ばねを持ち前記可動部材を第２の方向に変位させる１対の第２駆動部材とを固定部材上に配置し、前記各駆動部材と固定部材との静電力を利用して可動部材を双方向に変位可能とし、前記固定部材と可動部材との間の静電力を利用して一定位置に保持させる静電式アクチュエータが開示されている。

しかしながら、特許文献１の装置では、駆動力が、可動部材を支持する部材の変形（弾性エネルギー）に消費されているため、外部に取り出せる力はどんどん弱くなるものである。そして、単に大きな変位を得ようとしたものであり、駆動の為の発生力に関しては考慮されていなかった。

特開平５−２２０６８０号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、ばね、好ましくは非線形ばね、非線形伸び縮みばね、ゴム等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、静電引力による仕事を弾性エネルギー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事ができる小型の静電アクチュエータを提供することである。更に垂直方向の静電引力をばねに蓄え、出力時は静電引力の働く方向と直交する方向への取り出しを可能とし、省スペース化を図ることを目的とする。より詳しくは、第１電極と、前記第１電極に対向し、所定の間隔をもって配設された第２電極と、よりなる駆動用電極、該電極は、対向する方向に相対的に移動可能であり、且つ、前記第１電極と前記第２電極との間に静電引力を生成させるための静電気力生成手段と、前記第１電極と前記第２電極との間の静電引力による仕事を弾性エネルギーとして蓄積するための弾性部材と、前記弾性部材の前記弾性エネルギーの開放により駆動される出力部と、を備えた動作部と、前記動作部が表面上に配置された基板と、前記基板表面に沿っての前記動作部と前記基板との間欠的な相対的移動を制御する制御手段と、を備える静電アクチュエータを提供する。

すなわち、請求項１に係る発明は、基板上に、一端が出力部と接続され、且つ両端部或いはこれら端部と一体化した部材を介して静電吸着用電極がそれぞれ設けられた弾性部材と第１電極及び第２電極よりなる一対の駆動用電極とが載置されており、該一対の駆動用電極は、電圧を印加することにより、静電引力を生じ相対的に距離を狭め前記弾性部材に歪みを与えエネルギーが蓄積される如く構成されており、更に基板上には前記静電吸着用電極に対向する位置にそれぞれ対極が設けられ、各電極には、静電気力を発生する手段（電圧印加手段）が接続されており、該駆動用電極に電圧を印加し弾性部材に歪みを与える時は、出力部が接続された弾性部材の端部にある静電吸着用電極とその対極間に電圧が印加され、出力部が接続された弾性部材の端部が基板に吸着固定され、他端の静電吸着用電極は解放された状態であり、また該駆動用電極の電圧が解放され弾性部材の歪みが復元する時は、出力部が接続している側の電圧は解放され他端の静電吸着用電極とその対極間に電圧が印加され吸着固定される機構を備えること特徴とする静電アクチュエータである。
請求項２に係る発明は、基板上に、基板に沿って全長が伸長又は縮むと共にエネルギーを蓄積し得る弾性部材と、該弾性部材の一端（後方端）には、出力部が接続されており、且つ弾性部材の両端（後方端と先方端）あるいはこれと一体になった部材には、それぞれ第１の静電吸着用電極（後方端側）と第２の静電吸着用電極（先方端側）とが固定されており、且つ該弾性部材に歪を与えるための第１及び第２電極からなる駆動用の可動電極が存在するとともに、この少なくとも一方が該弾性部材に接続されており、各静電吸着用電極に対向して、それぞれ対極が基板上に設置されており、更に各電極及び対極間には、それぞれ独立して電圧を印加する手段が備えられた請求項１記載の静電アクチュエータである。
請求項３に係る発明は、前記弾性部材は非線形ばねよりなることを特徴とする請求項１又は２記載の静電アクチュエータである。
請求項４に係る発明は、前記弾性部材が板ばねであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の静電アクチュエータである。
請求項５に係る発明は、前記弾性部材が弓幹状ばねであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の静電アクチュエータである。
請求項６に係る発明は、駆動用電極である第１電極及び第２電極が共に移動可能に構成されていることを特許とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の静電アクチュエータである。
更に、請求項７に係る発明は、前記駆動用電極である第１電極及び第２電極のうち一方が基板に固定され、他方が移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の静電アクチュエータである。

本発明により提供される静電アクチュエータによれば、静電引力による仕事をばね、特に非線形伸び縮みばね等を利用した弾性エネルギーに変換してから仕事をさせることが出来るため、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事ができ、しかも小型に作ることが可能である。

上記（１）式において、電極面積を１ｍｍ^２、電圧１０Ｖ、誘電率を空気の値にした場合の、電極間隔と仕事量との関係を図１に示す。通常の構造の静電アクチュエータにおいては、図１のように例えば初期電極間隔d=5μmの時には初期発生力が1.77×10^-5Ｎであり、これ以上の負荷は動かせないからこれが利用できる最大の発生力となる。従ってこの力でdが減少する方向にアクチュエータが動くので、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、本発明による静電アクチュエータにおける静電引力から弾性エネルギーへの変換を用いた場合には、たとえばd=0.2μmからdが増加する方向にアクチュエータが動くことになるので、d=0.4μmまで動かす場合には2.77×10^-3Ｎの負荷、d=1μmまで動かすなら4.43×10^-4Ｎの負荷のものを動かすことが出来る。従って、その仕事量は、電極間隔の変化に応じて領域Ｗ２、領域Ｗ３のようになる。即ち、仕事量はＷ２／Ｗ１＝４．１６倍、Ｗ３／Ｗ１＝６．５倍となり、静電引力のみよりかなり大きな仕事をすることが出来る。また、発生力は、それぞれ２５倍、１５６倍にすることが出来る。

本発明に係る静電アクチュエータの発生力を示す図である。本発明に係る第１実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第２実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第３実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第４実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第５実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第６実施例の静電アクチュエータ、及びその動作を示す図である。本発明に係る第７実施例の静電アクチュエータに使用される非線形板ばねを説明する図である。本発明に係る第８実施例の静電アクチュエータに使用される非線形板ばねの例を示す図である。本発明に用いられる非線形板ばねの例を示す図である。

本発明の特徴は、駆動用電極による静電引力による仕事を弾性部材の歪により蓄積し、弾性エネルギーとして効率よく機械的仕事に変換するものである。この場合、弾性部材としては、ばねやゴムなどの弾性体であり、特にばね中でも非線形ばねが好ましい。非線形ばねとは、変形（変位）量に従ってばね定数が変化するよう変形形状、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出来る。図１０のようにパンタグラフ式リンク機構などを利用して非線形伸び縮みばねを接続することも可能である。
本発明の基本的構造は、基板に載置された第１及び第２の２枚の駆動用電極が存在すること。勿論、基板上に載置とは、基板の表面上又は下に接するのみならず、その表面の空間中に所定の間隔で平行になるよう配設されることを意味する。すなわち、該駆動用電極の一対は、基板に対して垂直又は平行に所定の間隔をもって存在していることを意味する。
また、該駆動用電極間に弾性部材が配設されていること、該弾性部材の両端部には、静電吸着用電極が存在していること、但し、図２に示す如く出力部が、弾性部材に一方の駆動用電極が一体に構成されている場合は出口部側の静電吸着用電極は駆動用電極と一体化させることができる。
以下の実施例に示す通り、本発明の特徴は、駆動用電極による静電引力により該電極を移動させ、その力により、弾性部材、好ましくは非線形ばねを歪ませ、エネルギーを蓄積すると共に該弾性部材両端間の距離に変化を与え、該弾性部材に負荷された電圧が解放されることにより、歪として蓄えられたエネルギーが開放され弾性部材は元の形状に戻る。その時の弾性部材の長さの復元力により、出力部を駆動するのである。具体的には、弾性部材の両端に吸着電極を備え、また該弾性部材を支える基板には、前記弾性部材の各端部に存在する静電吸着用電極（第１及び第２）に対応する位置に、それぞれ対極となる電極を備えている。場合によっては、該対極は、一体化されていてもよいが、第２静電吸着用電極に対する対極は独立していることが好ましい。
また、該弾性部材に歪を与えるための駆動用電極並びに静電吸着用電極に対して静電気力発生手段が接続されているのである。
本発明のアクチュエータの作動方法は、例えばまず、弾性部材の両端にある吸着電極のうち、出力部を駆動させる側の端部にある吸着電極（第１の静電吸着用電極）及びその対極である基板上の電極間に電圧を印加し、弾性部材の当該端部を基板上に固定し、同時に又は、次いで駆動用電極間に電圧を印加し、弾性部材に歪を与えると共に該弾性部材の端部間の距離に変化を与える。その後、弾性部材の端部のうち、出力部の存在しない方の端部にある静電吸着用電極（第２の静電吸着用電極）及び、その対極である基板上の電極間に電圧を印加し、当該個所を固定する。次いで、第２の静電吸着用電極及び駆動用電極に印加されていた電圧を解放し、該弾性部材の復元力によって、出力部を駆動するのである。
以下に、本発明の実施例について説明する。

図２は、本発明の代表的実施例である静電アクチュエータ２０を示すもので、基板２１上には固定電極２７がベタ付けで全面的に設置されている。非線形弓幹状板ばね２２には、中央部の弓幹形状部分から右端部にかけて可動電極２３が形成されており、右端で第１の静電吸着用電極を兼ねている。弓幹状板ばねの左端部には、可動電極部分と分離した状態で弓幹状板ばねの端部を基板に固定する際に利用される第２の静電吸着固定用の電極２４が形成されている。また、基板には対極が存在する。

そして、弓幹状板ばね２２の右端には負荷として出力部２８が固定されている。

次に、出力部２８の動作を図２（イ）〜図２（へ）を参照して詳述する。

図２（イ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図２（ロ）（ハ）の如く、可動電極２３と基板上の固定電極２７との間に電圧を印加すると、可動電極２３の右端は基板上に固定され、出力部２８は動かなくなる。同時に、可動電極２３は電極２７との間の静電引力により引っぱられ、弓幹状板ばね２２は左方側が滑りながらほぼ扁平状態になる。その後図２（ニ）の如く、左方進行方向端部の第２静電吸着用電極２４と基板上の固定電極２７との間に電圧を印加し、両者を吸着固定する。そして図２（ホ）の如く、可動電極２３と基板上の固定電極２７との間の電圧を解放すると弓幹状板ばね２２に蓄積された弾性エネルギーが解放され、出力部２８と共に左方へ移動する。その後は以上の図２（ロ）〜（ヘ）の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

この実施例の静電アクチュエータ２０は、ＳＤＡ（スクラッチドライブアクチュエータ）と呼ばれているものに近い動きをするものである。そして、図２（ロ）の状態から図２（ハ），（ニ）の状態に移行する際に電極２３と２７の間に摩擦力が働くことが若干問題となる。

図３は、本発明の第２の実施例の静電アクチュエータ３０を示すもので、基板３１上には、実施例１と同様に固定電極３７がベタ付けで全面的に設置されている。

非線形板ばね３２は、２つの弓幹状板ばねを合わせた形状の中央部とそれから左右に延びる延長部からなる。中央部の弓幹状板ばねには可動電極３３，３４が設けられ、左右の延長部には、可動電極とは分離した状態でそれぞれラチェット電極３５，３６が設けられている。

そして、弓幹状板ばねの右端には負荷として出力部３８が固定されている。

次に、出力部３８の動作を図３（イ）〜図３（ト）を参照して詳述する。

図３（イ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図３（ロ）の如く、弓幹状板ばねの出力部３８が固定されている側のラチェット電極３６と固定電極３７との間に電圧を印加すると、非線形板ばね３２の右端は基板３１上に固定され、出力部３８は動かなくなる。その後可動電極３３，３４の間に電圧を印加すると静電引力により引き合い、２つの弓幹状板ばねは、扁平に押しつぶされ、非線形ばね３２の右方は固定されているので、非線形ばね３２は弾性エネルギーを蓄積しながら左方に移動する（図３（ハ）、（ニ））。この際の下方側の非線形ばね３２と基板３１上の固定電極３７との間の摩擦は無視できる。次に、図３（ホ）の如く、左方側のラチェット電極３５と固定電極３７との間に電圧を印加した後に、図３（ヘ）の如く、可動電極３３と可動電極３４との間、及び右方側のラチェット電極３６と固定電極３７との間の電圧を解放すると非線形の板ばね３２に蓄積された弾性エネルギーが解放され、右方側の延長部が出力部３８と共に左方へ移動する。次に図３の（ト）の如く、ラチェット電極３６と固定電極３７の間に再び電圧を印加して、固定する。その後は以上の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

図４は、本発明の第３の実施例の静電アクチュエータ４０を示すものである。この実施例は、より大きな静電引力を取り出す為に、電極をばね要素と一体化せず、その面積を大きくしたものである。すなわち、実施例２と同様な２つの弓幹状板ばねを合わせた形状の中央部とそれから左右に延びる延長部からなる一対の非線形板ばね４２，４２’、及び一対の非線形板ばね４２，４２’間を橋渡しする形態で対向する可動電極４３及び可動電極４４が設けられる。基板４１上には、実施例２と同様に固定電極４７がベタ付けで全面的に設置されている。

２つの非線形板ばね４２，４２’の左右の延長部には、一対の非線形板ばね４２，４２’の両端に設けられた第１及び第２の静電吸着用電極（以後、両電極をラチェット電極とも言う。）４５，４６が設けられている。

そして、静電吸着用電極４６の右端には負荷として出力部４８が固定されている。

次に、出力部４８の動作を図４（イ）〜図４（ト）を参照して詳述する。動作は実施例２と類似である。

図４（イ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図４（ロ）の如く、一対の非線形板ばね４２，４２’の出力部４８が固定されている側のラチェット電極４６と固定電極４７との間に電圧を印加すると、ラチェット電極４６は基板４１上に固定される。その後可動電極間４３，４４に電圧を印加すると、一対の非線形板ばね４２，４２’は、扁平に押しつぶされ、非線形板ばね４２，４２’の右方は固定されているので、非線形板ばね４２，４２’は弾性エネルギーを蓄積しながらつぶれてゆき、ラチェット電極４５は左方に移動する（図４（ハ）、（ニ））。この際のラチェット電極４５と基板４１上の固定電極４７との間の摩擦は無視できる。次に、図４（ホ）の如く、左方側のラチェット電極４５と固定電極４７との間に電圧を印加した後に、図４（ヘ）の如く、可動電極４３と可動電極４４との間、及び右方側のラチェット電極４６と固定電極４７との間の電圧を解放すると非線形板ばね４２，４２’に蓄積された弾性エネルギーが解放され、右方側の延長部が出力部４８と共に左方へ移動する。その後は以上の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

図５は、本発明の第４の実施例の静電アクチュエータ５０を示すものである。この実施例の静電アクチュエータ５０は非線形板ばねが斜めに支持された湾曲した板ばねからなるものである。原理的には図５（イ）に示すように、斜めに支持された板ばねは、上方に荷重を加えて移動させられると支持部と荷重点の水平距離が大きくなることから、ばね定数ｋは低下し、逆に下方に移動させられると支持部からの水平距離が小さくなることから、ばね定数ｋは増加する。

静電アクチュエータ５０には、基板５１上の支持部５２，５３から可動電極５４，５５に向けて、非線形板ばね５６，５６’及び５７，５７’が設けられている。ここで、支持部５２及び支持部５３の下部と基板５１には、それぞれ静電吸着用のラチェット電極（図示せず）が設けられている。支持部５３には負荷としての出力部５８が支持されている。

次に、出力部５８の動作を、図５（ロ）〜図５（ニ）を参照して詳述する。

図５（ロ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図５（ハ）の如く、出力部５８が接続された支持部５３と基板５１のラチェット電極に電圧を印加して支持部５３を固定した状態で、可動電極５４と可動電極５５間に電圧を印加すると、両可動電極５４，５５は静電引力により接近し、同時に弧状の非線形板ばね５６，５６’及び弧状の非線形板ばね５７，５７’は弾性エネルギーを蓄えながら変形する。このとき、板ばねの変形に伴って支持部５２は右方に進行する。次に、図５（ニ）の如く、進行方向後方の支持部５２と基板５１のラチェット電極に電圧を印加した後に、可動電極５４と可動電極５５間、および支持部５３と基板５１のラチェット電極の電圧を解放すると非線形板ばね５６，５６’，５７，５７’に蓄積された弾性エネルギーが解放され、可動電極５４と可動電極５５が離れると同時に、支持部５３が出力部５８を押しながら共に右方に移動進行する。その後は以上の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

また、前記可動電極５４，５５のいずれか一方を固定電極としても良いことは当然である。

本実施例の場合には、この縦置きの状態の静電アクチュエータ５０を水平面上で９０度横に倒した状態で使用することもできる。

図６は、本発明の第５の実施例の静電アクチュエータ６０を示すものである。この実施例の静電アクチュエータ６０は、実施例４の静電アクチュエータ５０を改良したもので、仕事をする際に発生する可能性のある非線形板ばねの座屈の問題を解決したものである。

図６（イ）に示すように、基板６７上に左右のコの字状枠体６５，６６が滑動自在に配され、枠体６５，６６の間に可動電極６３，６４が設けられている。枠体６５及び枠体６６の下部と基板６７には、それぞれ静電吸着用のラチェット電極（図示せず）が設けられている。可動電極６３は枠体６５の上部と斜めに支持された弧状の非線形板ばね６１で接続され、同様に枠体６６の上部と弧状の非線形板ばね６１’で接続されている。また、可動電極６４は同様にして枠体６５の下部と弧状の非線形板ばね６２で接続され、枠体６６の下部と弧状の非線形板ばね６２’で接続されている。そして、枠体６６には負荷としての出力部６８が接続されている。

次に、出力部６８の動作を図６（ロ）〜図６（ニ）を参照して詳述する。動作は実施例４と類似である。

図６（ロ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図６（ハ）の如く、出力部６８が接続された枠体６６と基板６７のラチェット電極に電圧を印加した状態で、可動電極６３と可動電極６４間に電圧を印加すると、両可動電極６３，６４は静電引力で接近し、同時に弧状の非線形板ばね６１，６１’及び弧状の非線形板ばね６２，６２’は弾性エネルギーを蓄えながら変形する。このとき、進行方向の枠体６５は左方に進行する。次に、図６（ニ）の如く、進行方向の枠体６５と基板６７のラチェット電極に電圧を印加した後に、可動電極６３と可動電極６４間の電圧および枠体６６と基板６７のラチェット電極の電圧を解放すると非線形板ばね６１，６１’，６２，６２’に蓄積された弾性エネルギーが解放され、可動電極６３と可動電極６４が離れると同時に、枠体６６が出力部６８と共に左方に移動進行する。その後は以上の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

また、前記可動電極６３，６４のいずれか一方を固定電極としても良いことは当然である。

本実施例の場合にも、実施例４と同様に、縦置きの状態の静電アクチュエータ６０を水平面上で９０度横に倒した状態で使用することもできる。

図７は、本発明の第６の実施例の静電アクチュエータ７０を示すものである。

図７（イ）は静電アクチュエータ７０の平面図である。図７（ロ）は図７（イ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図７（イ）に示すように、右枠体７２及び左枠体７３は、相互に連結されて中空移動体７４を構成している。この中空移動体７４は基板７１上に配され、中空移動体７４の左枠体７３及び右枠体７２に対向して可動電極７５が設けられ、左枠体７３と可動電極７５の間には、く字状の一対の非線形板ばね７６，７６’が配されている。ここで、右枠体７２の下部と基板７１には、それぞれ静電吸着用のラチェット電極（図示せず）が設けられている。また、右枠体７２は固定電極として作用し、左枠体７３には負荷としての出力部７８が取り付けられている。

ここで、非線形板ばね７４，７４’をく字状とすることの理由は、図８に示すように、非線形板ばねに荷重が掛かった際に荷重点がずれることなく非線形性がでるからである。

次に、静電アクチュエータ７０の動作を、図７（イ）、図７（ハ）〜図７（ト）を参照して詳述する。

図７（イ）では、全ての電極には電圧は印加されておらず、この状態では何らの作用も生じない。図７（ハ）の如く、右枠体７２と基板７１のラチェット電極間に電圧を印加し、右枠体７２を基板７１に固定する。この状態で、図７（ニ）の如く、右枠体７２と可動電極７５間に電圧を印加すると、静電引力で、可動電極７５は一対の非線形板ばね７６，７６’を伸張させながら右枠体７２に引き寄せられる。その結果、図７（ホ）の如く、一対の非線形板ばね７６，７６’には弾性エネルギーが蓄積される。次に、図７（ヘ）の如く、可動電極７５と基板７１間に電圧を印可して、可動電極７５を基板７１に固定した状態で可動電極７５と右枠体７２との間の電圧を開放すると共に、右枠体７２と基板７１のラチェット電極間の電圧を開放する。すると、図７（ト）の如く、一対の非線形板ばね７６，７６’に蓄積された弾性エネルギーが開放され、中空移動体７４が右方に移動するので、左枠体７３に取り付けられた出力部７８が移動する。その後は以上の操作を繰り返すことにより、大きな力と仕事を生成する事が可能となる。

図７では、左枠体７３と可動電極７５との間に一対の非線形板ばねが設けられている例で説明したが、右枠体７２と可動電極７５との間に圧縮ばねとして一対の非線形板ばねを設けてもよいことは当然である。この場合には、固定電極としての右枠体７２と可動電極７５との間の一対の非線形板ばねに蓄積される弾性エネルギーを利用することにより、上述と同様にして左枠体７３に取り付けられた出力部７８を移動させることができる。

図９に、図７に示した静電アクチュエータ７０に使用され得る非線形ばねの例を示す。図９（イ）は、一対のく字状板ばねの両端部が互いに離れているタイプの例である。図９（ロ）は、一対のく字状板ばねの両端部が互いに結合され、いわゆる菱形形状のタイプの例である。図９（ハ）は、図９（ロ）の菱形の頂部に直線のばね部を設けたタイプのものである。図９（ニ）は、楕円形状の板ばねの長軸部の両端に直線のばね部を設けたタイプのものである。図９（ホ）は、楕円形状の板ばねのタイプのものである。

以上説明したように、本件発明によると、ラチェット機構を備えた板ばねの蓄積力を利用するようにしたので、簡単な構成で発生力、変位の大きい実用的で、かつ省エネルギー、超小型の静電アクチュエータを得ることが出来る。

さらに、弓幹状板ばねは、静電引力によりつぶれて行くに従い、該弓幹状板ばね両端部と他部材との接触域が増加するので、ばねに非線形性が出るものである。

また、非線形ばねを線形ばねとしても良いことは当然である。

本発明の静電アクチュエータは、例えば、医療用機器における内視鏡等の多自由度可撓管の駆動部、情報機器におけるＨＤＤのピックアップ、携帯機器における携帯電話のカメラのレンズ移動機構、シャッター移動機構等、各種のアクチュエータに使用可能である。

２３，３３，３４，４３，４４、５４，５５，６３，６４，７５可動電極
２２，３２，４２，４２’，５６，５６’，５７，５７’，６１，６１’，６２，６２’，７６，７６’ 非線形板ばね
３０，４０，５０，６０，７０静電アクチュエータ
３１，４１，５１，６７基板
２４電極
２７，３７，４７固定電極
２８，４８，５８，６８出力部
３５，３６，４６，４５静電固定用電極（ラチェット電極）
５２，５３支持部
６５，６６枠体

Claims

基板上に、一端が出力部と接続され、且つ両端部或いはこれら端部と一体化した部材を介して静電吸着用電極がそれぞれ設けられた弾性部材と第１電極及び第２電極よりなる一対の駆動用電極とが載置されており、該一対の駆動用電極は、電圧を印加することにより、静電引力を生じ相対的に距離を狭め前記弾性部材に歪みを与えエネルギーが蓄積される如く構成されており、更に基板上には前記静電吸着用電極に対向する位置にそれぞれ対極が設けられ、各電極には、静電気力を発生する手段（電圧印加手段）が接続されており、該駆動用電極に電圧を印加し弾性部材に歪みを与える時は、出力部が接続された弾性部材の端部にある静電吸着用電極とその対極間に電圧が印加され、出力部が接続された弾性部材の端部が基板に吸着固定され、他端の静電吸着用電極は解放された状態であり、また該駆動用電極の電圧が解放され弾性部材の歪みが復元する時は、出力部が接続している側の電圧は解放され他端の静電吸着用電極とその対極間に電圧が印加され吸着固定される機構を備えることを特徴とする静電アクチュエータ。
基板上に、基板に沿って全長が伸長又は縮むと共にエネルギーを蓄積し得る弾性部材と、該弾性部材の一端（後方端）には、出力部が接続されており、且つ弾性部材の両端（後方端と先方端）あるいはこれと一体になった部材には、それぞれ第１の静電吸着用電極（後方端側）と第２の静電吸着用電極（先方端側）とが固定されており、且つ該弾性部材に歪を与えるための第１及び第２電極からなる駆動用の可動電極が存在するとともに、この少なくとも一方が該弾性部材に接続されており、各静電吸着用電極に対向して、それぞれ対極が基板上に設置されており、更に各電極及び対極間には、それぞれ独立して電圧を印加する手段が備えられた請求項１記載の静電アクチュエータ。
前記弾性部材は、非線形ばねよりなることを特徴とする請求項１又は２記載の静電アクチュエータ。
前記弾性部材が板ばねであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の静電アクチュエータ。
前記弾性部材が弓幹状ばねであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の静電アクチュエータ。
前記駆動用電極である第１電極及び第２電極が共に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の静電アクチュエータ。
前記駆動用電極である第１電極及び第２電極のうち、一方が基板に固定され、他方が移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の静電アクチュエータ。