WO2007136096A1

WO2007136096A1 - 静電アクチュエータ

Info

Publication number: WO2007136096A1
Application number: PCT/JP2007/060535
Authority: WO
Inventors: Kazuyuki Minami
Original assignee: Yamaguchi University
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2007-11-29
Also published as: JP2007318861A; JP4882065B2

Abstract

　静電エネルギーを非線形ばねに蓄積することで、効率よく機械的仕事に変換でき、駆動力と駆動距離を大幅に増大できる静電アクチュエータを提供する。　平板状の基板４１と、対向方向に相対移動可能に配設された第１電極４３および第２電極４４と、基板と平行な方向に相対移動可能に設けられた第１移動部４５および第２移動部４６と、第１電極と第２電極に電圧を印加して相対移動を発生させる静電駆動手段と、第１移動部を基板に対して固定および固定解除することが可能な第１固定手段と、第２移動部を基板に対して固定および固定解除することが可能な第２固定手段と、第１電極と第２電極の相対移動によって弾性エネルギーを蓄積し、その弾性エネルギーを開放して第１移動部と第２移動部とを相対移動させる弾性手段４２，４２’と、静電駆動手段、第１固定手段および第２固定手段を順次動作させ、第２移動部に一定方向の仕事を行わせる制御手段とを有する。

Description

明細書

静電ァクチユエータ

技術分野

[0001] 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ァクチユエータに関する。

背景技術

[0002] 高効率かつ超小型のァクチユエータは、医療用機器、精密機器、マイクロマシンなどの広範囲の利用分野が考えられ、より高効率ィ匕および小型化が求められている。また、ァクチユエータとしては低消費電力であることも重要である。一般的に、電磁ァクチユエータでは駆動力を発生するために電流を流し続ける必要があるのに対し、静電ァクチユエータの場合には電圧印加直後の充電時以外には電流が流れず、静電ァクチユエータの方が低消費電力である。

[0003] また、静電ァクチユエータは、半導体製造技術を適用した、 V、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。

[0004] 従来の平行平板型静電ァクチユエータは、固定電極と可動電極とを対向配置し、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、電極間媒質の比誘電率を ε、真空の誘電率を ε 、電

0 極間隔を d、対向電極面積を S、印加電圧を Vとすれば、次の式 1によって表される。

Fe = ε · ε - S-v 2d² · · · 式

o 1

[0005] 上記の式 1より明らかなように、静電引力は電極間隔 d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。従来の静電ァクチユエータは、原理的には静電引力を効率的に仕事に変換できる可能性を持ちながら、実際には、初期発生力が弱く、十分な仕事量を取り出すことができな、と、う問題点を有して、た。

[0006] そして、可動電極の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。大きな変位量を発生させることを目的とした静電ァクチユエータとしては、下記の特許文献 1に記載されたものがある。特許文献 1には、ラチェット機構を含む板ばねのばね力を利用して大きな変位量を発生させるようにした静電ァクチユエ一タが開示されている。

特許文献 1：特開平 5— 220680号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] し力しながら、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）に消費されるなどのため、外部に取り出せる力はますます小さくなつてしまうという問題点があった。確かに、大きな変位量は得られる力外部部材を駆動するための駆動力の大きさに関しては考慮されていな力つた。

[0008] 本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものである。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ぐ機械的エネルギーを蓄積する部材として利用して、静電引力による仕事を弾性エネルギーに変換して力仕事をさせることにより、静電引力を効率良く機械的仕事に変換でき、大きな駆動力と仕事を生成する事ができる小型の静電ァクチユエータを提供することである。本発明は、さらに、静電引力を弾性体に蓄え、出力としての駆動力は静電引力の働く方向と直交する方向への取り出すことを可能とし、静電ァクチユエ一タの薄型化および小型化を図ることを目的とする。課題を解決するための手段

[0009] 上記目的を達成するために、本発明の静電ァクチユエータは、平板状の基板と、互いに対向して配置され、当該対向方向に相対移動可能に所定の間隔をもって配設された第 1電極および第 2電極と、前記基板の上面と平行な方向に可動であり、相互に相対移動可能に設けられた第 1移動部および第 2移動部と、前記第 1電極と前記第 2 電極との間に電圧を印加して、前記第 1電極と前記第 2電極に静電引力による相対移動を発生させる静電駆動手段と、前記第 1移動部を前記基板に対して固定すること、および、当該固定を解除することが可能な第 1固定手段と、前記第 2移動部を前記基板に対して固定すること、および、当該固定を解除することが可能な第 2固定手段と、前記第 1電極と前記第 2電極との相対移動によって弾性エネルギーを蓄積するとともに、当該弾性エネルギーを開放して前記第 1移動部と前記第 2移動部とを相対移動させる弾性手段と、前記静電駆動手段、前記第 1固定手段および前記第 2固定手段を順次動作させ、前記第 2移動部に一定方向の仕事を行わせる制御手段とを有するものである。

[0010] また、上記の静電ァクチユエータにおいて、前記第 1電極と前記第 2電極の両方を前記基板に対して移動可能に設けることができる。

[0011] また、上記の静電ァクチユエータにおいて、前記第 1電極と前記第 2電極のいずれか一方を前記基板に対して移動可能に設け、他方は前記基板に対して固定して設けることができる。

[0012] また、上記の静電ァクチユエータにおいて、前記弾性手段は非線形ばねであることが好ましい。

[0013] また、上記の静電ァクチユエータにおいて、前記弾性手段は、前記第 1電極および前記第 2電極の外方に付設されたものとすることができる。

[0014] また、上記の静電ァクチユエータにおいて、前記基板上に配置され、中央に中空部が形成された中空移動体と、前記中空移動体の中空部に配置された第 1電極とを有するものとし、前記弾性手段は、前記第 1電極と前記中空移動体との間に配設されたちのとすることがでさる。

[0015] また、上記の静電ァクチユエータにおいて、前記弾性手段は、前記第 1電極または前記第 2電極と一体的に形成されたものとすることができる。

[0016] また、上記の静電ァクチユエータにおいて、前記第 2移動部は、前記弾性手段と分離可能に接続されたものとすることができる。

[0017] また、上記の静電ァクチユエータにおいて、前記基板は、所定間隔を設けて平行に配置された第 1基板および第 2基板からなり、前記第 1電極は、前記 1基板の中央に形成された開口部に配置されたものであり、前記第 2電極は、前記 2基板の中央に形成された開口部に配置されたものであり、前記第 1移動部、前記第 2移動部および前記弾性手段は、前記第 1基板と前記第 2基板との間に配置されたものとすることができる。

[0018] また、上記の静電ァクチユエータにおいて、前記第 1固定手段および前記第 2固定手段は、電極間に電圧を印加し静電引力により電極同士を吸引固定するものであることが好ましい。

発明の効果

[0019] 本発明により提供される静電ァクチユエータによれば、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力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、し力も小型に作ることが可能である。

[0020] 前述の式 1において、電極面積 Sを 1 X 10— ⁶[m²]、電圧 Vを 10 [V]、比誘電率 εを空気の比誘電率にした場合の、電極間隔 dと発生力 Feとの関係を図 1に示す。図 1 の横軸が電極間隔 dを示し、縦軸が発生力 Feを示す。通常の構造の静電ァクチユエータにおいては、図 1に示すように、例えば初期電極間隔 d= 5 [ m]の時に初期発生力が 1. 77 X 10— ⁵ [N]であり、これ以上の負荷は動力せないからこれが利用できる最大の発生力となる。従ってこの力で電極間隔 dが減少する方向にァクチユエータが動くので、静電ァクチユエータだけでできる仕事 W1は、領域 W1の面積で示される。

[0021] 一方、本発明の静電ァクチユエータのように、静電引力力弾性エネルギーへの変換を用いた場合には、例えば電極間隔 d=0. 2 [ /z m]から dが増加する方向にァクチユエータが動くことになるので、 d=0. 4 [ m]まで動かす場合には 2. 77 X 10"³ [ N]の負荷、 d= l [ m]まで動かすなら 4. 43 X 10— ⁴ [N]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。なされる仕事の比は W2ZW1 =4. 17倍、 W3ZW1 = 6. 5倍となり、本発明による静電ァクチユエータは、静電引力のみのァクチユエータよりなし得る仕事を大幅に増大することができる。また、領域 W2, W3での発生力も、それぞれ領域 W1 の 25倍、 156倍と大幅に増大することができる。

図面の簡単な説明

[0022] [図 1]本発明の静電ァクチユエータの発生力を示す図である。

[図 2]本発明の第 1実施例の静電ァクチユエータ 10を示す平面図である。

[図 3]第 1実施例の静電ァクチユエータ 10を示す断面図である。

[図 4]第 1実施例の静電ァクチユエータ 10を分解した状態を示す斜視図である。

[図 5]第 1実施例の静電ァクチユエータの動作説明図である。 [図 6]本発明の第 2実施例の静電ァクチユエータ 20とその動作を示す図である。

[図 7]本発明の第 3実施例の静電ァクチユエータ 30とその動作を示す図である。

[図 8]本発明の第 4実施例の静電ァクチユエータ 40を示す斜視図である。

[図 9]第 4実施例の静電ァクチユエータ 40の動作を示す図である。

[図 10]本発明の第 5実施例の静電ァクチユエータのばねの動作原理を説明するための図である。

[図 11]第 5実施例の静電ァクチユエータ 50の動作を示す図である。

[図 12]本発明の第 6実施例の静電ァクチユエータ 60とその動作を示す図である。

[図 13]本発明の第 7実施例の静電ァクチユエータ 70を示す平面図である。

[図 14]第 7実施例の静電ァクチユエータ 70を示す断面図である。

[図 15]第 7実施例の静電ァクチユエータ 70の動作を示す図である。

[図 16]第 7実施例の静電ァクチユエータに使用される非線形板ばねの作用を説明する図である。

[図 17]第 7実施例の静電ァクチユエータに使用できる非線形板ばねの他の形態例を示す図である。

[図 18]本発明に用いられる非線形ばねの例を示す図である。

符号の説明

1 第 1電極

2 第 2電極

3 第 1基板

4 第 2基板

5, 6 非線形ばね

7, 11, 8, 18 静電吸着用電極

9 制御部

10, 20, 30, 40 静電ァクチユエータ

13, 14 支持部材

15 第 1可動部材

16 第 2可動部材 17 出力シート

19 負荷

21, 31, 41, 51 基板

22, 32, 42, 56 非線形板ばね

23, 33, 34, 43 可動電極

27, 37, 47 固定電極

28, 38, 48, 58 出力部

52, 53 支持部

65, 66 枠体

67 基板

71 基板

72 右枠体

73 左枠体

74 中空移動体

81 リンク機構

82 非線形伸縮ばね

発明を実施するための最良の形態

[0024] 以下に本発明の各実施例について図面を参照して説明する。

実施例 1

[0025] 図 2から図 4は本発明の静電ァクチユエータ 10の構成を示すものである。図 2は平面図であり、図 3は図 2の A— A矢視断面図である。また、図 4は静電ァクチユエータ 1 0を分解した状態を示す斜視図である。

[0026] 図 2から図 4に示すように、静電ァクチユエータ 10の基板として、第 1基板 3と第 2基板 4とが厚さ方向に互いに所定間隔をもって配置されている。第 1基板 3と第 2基板 4 にはそれぞれ中央部に開口部が設けられ、それらの開口部にそれぞれ第 1可動部材 15と第 2可動部材 16が配置されている。第 1可動部材 15は支持部材 13, 14によつて支持されており、図 3の上下方向（厚さ方向）に移動可能である。第 2可動部材 1 6も同様に支持されて厚さ方向に移動可能に設けられて、る。 [0027] 第 1可動部材 15には第 1電極 1が設けられ、第 2可動部材 16には第 2電極 2が設けられている。そして、第 1電極 1と第 2電極 2の間には、非線形ばね 5, 6が配置されている。非線形ばね 5, 6は、図 4に示すように 2つの円弧状ばねを逆向きに合わせた形状をしており、その両端部には静電吸着用電極 7, 8を備えている。第 2基板 4上にはその静電吸着用電極 7と対応する静電吸着用電極 11が設けられてヽる。

[0028] 非線形ばねは、変形 (変位)量に従ってばね定数が変化するようなばねである。変形量にしたがって変形形状、ばね板厚、ばね幅などを変化させたり、複数のばねを組み合わせることにより非線形ばねを実現できる。また、図 18のように、第 1電極 1および第 2電極 2と接続されたパンタグラフ型のリンク機構 81に、非線形伸縮ばね 82を組み合わせて、全体を非線形ばね 80として作動させることも可能である。

[0029] ポリイミドフィルム等力もなる出力シート 17が、第 1基板 3と第 2基板 4との間に挿入配置されている。出力シート 17は、図 3に示すように静電吸着用電極 8と第 2基板 4との間に配置されている。この出力シート 17は図 3の水平方向に移動可能に設けられている。そして、出力シート 17の端部にも静電吸着用電極 8に対応する静電吸着用電極 18が設けられており、さらに静電吸着用電極 18に対応する静電吸着用電極 12 が第 2基板 4上に設けられている。また、出力シート 17には静電ァクチユエータ 10の負荷 19が接続されている。

[0030] これらの、第 1電極 1、第 2電極 2、静電吸着用電極 7, 8, 11, 12, 18に電圧を印カロして、静電引力によって可動電極を移動させたり、吸着用電極を互いに吸着固定するために制御部 9 (図 2参照）が設けられている。制御部 9から各電極にはケーブル等が接続されており、各電極に対して必要な電圧の印加と印加電圧の除去が可能である。対向する静電吸着用電極に電圧を印加すれば、両電極を吸着固定することができる。なお、静電吸着用電極の表面には絶縁被膜が形成されており、対向電極間に短絡が生じることはない。また、ここでは第 1電極 1と第 2電極 2の両方を可動電極として説明したが、どちらか一方を固定電極としてもよい。

[0031] 次に、静電ァクチユエータ 10の動作を図 5を参照して詳述する。図 5 (a)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。次に、図 5 (b)のように、第 2基板 4の静電吸着用電極 12と出力シート 17の静電吸着用電極 1 8との間に電圧を印加すると、出力シート 17は第 2基板 4に固定される。

[0032] この状態で、図 5 (c)のように、第 1電極 1と第 2電極 2との間に電圧を印加すると両者間に静電引力が発生する。そして、図 5 (d)のように非線形ばね 5, 6は圧縮され、この非線形ばねに弾性エネルギーが蓄積される。同時に非線形ばね 5, 6の両端部は左右に延びる。次に、図 5 (e)のように、非線形ばね 5, 6の左側端部の静電吸着用電極 7と第 2基板 4の静電吸着用電極 11の間、および非線形ばね 5, 6の右側端部の静電吸着用電極 8と出力シート 17の静電吸着用電極 18の間にも電圧を印加する。

[0033] この時、非線形ばね 5, 6の出力シート 17側の端部は、出力シート 17に接続固定される。そして、非線形ばね 5, 6の両端部と出力シート 17は、全てが第 2基板 4に固定された状態である。次に、図 5 (f)のように、静電吸着用電極 7と静電吸着用電極 11 の間に電圧を印加した状態で、第 1電極 1と第 2電極 2との間の電圧を除去する。また、静電吸着用電極 8と静電吸着用電極 18の間には電圧を印加したままで、静電吸着用電極 12と静電吸着用電極 18の間の電圧を除去する。すると、非線形ばね 5, 6に蓄積された弾性エネルギーが解放され、非線形ばね 5, 6端部に出力シート 17を吸着した状態のまま、出力シート 17を左方へ移動させる。図 5 (g)の状態で、出力シート 17は 1ステップ分だけ左方へ進行したことになる。

[0034] この状態では、非線形ばね 5, 6の位置が左方にずれている。非線形ばね 5, 6が第 1電極 1と第 2電極 2の間隙内にあれば、図 5 (b)〜図 5 (g)の工程を繰り返すことにより、出力シート 17はいわゆる歩進運動を繰り返し間欠的に尺取り虫のように左方へ進行する。または、複数の非線形板ばねを連続的に連結した連結板ばねを用いることにより、 1つの非線形板ばねが電極間から出ていくと次の非線形板ばねが電極間に入ってくるように構成できる。この場合も同様に、出力シートに繰り返し歩進運動をさせ、間欠的に左方へ進行させることができる。そして、出力シートの運動行程を連結数だけ延長することができる。

[0035] ここで、静電吸着用電極 7, 8, 11, 12, 18は、いずれも円弧状の非線形板ばねおよび出力シート 17を一時的に固定させるために用いられる。制御部 9により、各電極に対して必要な電圧の印加と印加電圧の除去を適切なタイミングで行！ヽ、電極間の吸着固定と固定解除を行うことができる。これにより、非線形ばね 5, 6および出力シート 17に、間欠的に 1ステップずつ 1方向に進行する運動（歩進運動）をさせ、負荷 1 9を 1方向に駆動することができる。

実施例 2

[0036] 図 6は、本発明の第 2の実施例の静電ァクチユエータ 20を示す図である。基板 21 の上面は全面に固定電極 27が設けられている。非線形板ばね 22は、中央部の円弧状部分力も右端部にかけて可動電極 23が形成されている。また、非線形板ばね 22 の左端部には、可動電極 23とは絶縁された状態で静電吸着用電極 24が形成されている。静電吸着用電極 24は非線形板ばね 22の左端部を基板 21に固定するためのものである。

[0037] そして、非線形板ばね 22の右端には負荷として出力部 28が固定されている。また、図示してはいないが、各電極には実施例 1と同様に制御部力ものケーブル等が接続されており、各電極に対して必要な電圧の印加と印加電圧の除去が可能となっている。なお、この実施例 2では第 1電極としての可動電極 23は弾性手段としての非線形板ばね 22と一体的に設けられており、第 2電極としての固定電極 27は基板 21と一体的に設けられている。

[0038] 次に、静電ァクチユエータ 20の動作を図 6 (a)〜図 6 (f)を参照して詳述する。図 6 ( a)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 (b) , (c)のように、可動電極 23と基板 21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 21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は固定電極 27との間の静電引力により引っぱられる。非線形板ばね 22は、左方側が滑りながら基板 21に接近し、より扁平な状態となる。

[0039] その後、図 6 (d)のように、左方端部の静電吸着用電極 24と基板 21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 6 (e)のように、可動電極 23と基板上の固定電極 27との間の電圧を除去すると、非線形板ばね 22に蓄積された弾性エネルギーが解放され、出力部 28を左方へ移動する。図 6 (f)は出力部 28が 1ステップ分だけ左方へ移動した状態を示す。図 6 (f)の状態から、静電吸着用電極 24と固定電極 27間の電圧を除去すれば、図 6 (b)と同等の状態となる。その後は以上の図 6 (b)〜 (f)の操作を繰り返すことにより、大きな駆動力と仕事を生成する事が可能となる。

[0040] この実施例 2の静電ァクチユエータ 20は、 SDA (スクラッチ ·ドライブ ·ァクチユエ一タ）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 6 (b)の状態から図 6 ( c) , (d)の状態に移行する際に、非線形板ばね 22と固定電極 27の間に摩擦力が働くことが若干問題となる。

実施例 3

[0041] 図 7は、本発明の第 3の実施例の静電ァクチユエータ 30を示す図である。基板 31 の上面は全面に固定電極 37が設けられている。この実施例 3では、第 1電極および第 2電極としての可動電極 33, 34力弾性手段としての非線形板ばね 32と一体的に設けられている。

[0042] 非線形板ばね 32は、 2つの円弧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力もなる。中央部の円弧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 33, 34とは絶縁された状態でそれぞれ静電吸着用電極 35, 36が設けられている。そして、非線形板ばね 32の延長部右端には負荷として出力部 38が固定されている。

[0043] 次に、静電ァクチユエータ 30の動作を図 7 (a)〜図 7 (g)を参照して詳述する。図 7 ( a)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 (b)のように、非線形板ばね 32の出力部 38が固定されている側の静電吸着用電極 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。

[0044] その後、図 7 (c)に示すように、可動電極 33, 34の間に電圧を印加すると、これらの電極は静電引力により引き合い、 2つの円弧状板ばね力もなる非線形板ばね 32の中央部は扁平に押しつぶされる。非線形板ばね 32の右方は固定されているので、非線形板ばね 32は弾性エネルギーを蓄積しながら左方に移動する。この際の下方側の非線形板ばね 32と基板 31上の固定電極 37との間の摩擦は無視できる。そして、非線形板ばね 32の中央部が完全に押しつぶされると、図 7 (d)に示すような状態となる。

[0045] 次に、図 7 (e)のように、左方側の静電吸着用電極 35と固定電極 37との間に電圧を印加して非線形板ばね 32の左方側を固定する。その後、図 7 (f)のように、可動電極 33と可動電極 34との間、および、右方側の静電吸着用電極 36と固定電極 37との間の電圧を除去すると、非線形板ばね 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。

[0046] 次に、図 7 (g)のように、静電吸着用電極 36と固定電極 37の間に再び電圧を印加して、非線形板ばね 32の右方側を固定する。そして、静電吸着用電極 35と固定電極 37間の電圧を除去すれば、図 7 (b)と同様の状態となる。その後は以上の図 7 (b) 〜(g)操作を繰り返すことにより、大きな駆動力と仕事を生成する事が可能となる。実施例 4

[0047] 図 8は、本発明の第 4の実施例の静電ァクチユエータ 40を示す斜視図である。この実施例 4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。一対の非線形板ばね 42, 42'は、実施例 3と同様の 2つの円弧状板ばねを合わせた形状の中央部とそれ力左右に延びる延長部からなるものである。一対の非線形板ばね 42, 42'間を橋渡しする状態で、対向する可動電極 43および可動電極 44が設けられる。基板 41の上面は全面に固定電極 47が設けられている。

[0048] 2つの非線形板ばね 42, 42'の左右の延長部には、これらの非線形板ばね 42, 42 ，と一体的に静電吸着用電極 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。

[0049] 次に、静電ァクチユエータ 40の動作を図 9 (a)〜 (g)を参照して詳述する。動作は実施例 3と類似している。図 9 (a)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 9 (b)のように、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静電吸着用電極 46と固定電極 47との間に電圧を印加すると、静電吸着用電極 46は基板 41上に固定される。

[0050] その後、図 9 (c)に示すように、可動電極 43, 44間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る。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、静電吸着用電極 45は左方に移動する。この際の静電吸着用電極 45と基板 41上の固定電極 47との間の摩擦は無視できる。そして、非線形板ばね 42, 42'の中央部が完全に押しつぶされると、図 9 (d)に示すような状態となる。

[0051] 次に、図 9 (e)のように、左方側の静電吸着用電極 45と固定電極 47との間に電圧を印加して静電吸着用電極 45を固定する。その後、図 9 (f)のように、可動電極 43と可動電極 44との間、および、右方側の静電吸着用電極 46と固定電極 47との間の電圧を除去すると、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。

[0052] 図 9 (g)のように出力部 48の移動が終了したら、次に、静電吸着用電極 46と固定電極 47との間に電圧を再び印加し、静電吸着用電極 45と固定電極 47間の電圧を除去すれば、図 9 (b)と同様の状態となる。その後は以上の図 9 (b)〜(g)操作を繰り返すことにより、大きな駆動力と仕事を生成する事が可能となる。

実施例 5

[0053] 図 11は、本発明の第 5の実施例の静電ァクチユエータ 50を示すものである。この実施例の静電ァクチユエータ 50は非線形板ばねが斜めに支持された湾曲した板ばねカゝらなるものである。図 10により斜めに支持された板ばねの動作原理を説明する。図 10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荷重点を変位させると、支持部と荷重点の水平距離 Sが大きくなることから、ばね定数 kは減少する。逆に、荷重点を下方に変位させると、支持部力もの水平距離 Sが小さくなることから、ばね定数 kは増加する。このように、斜めに支持された板ばねは非線形ばねとして動作する。

[0054] 静電ァクチユエータ 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 'および 57, 57'が設けられている。ここで、支持部 52および支持部 53の下部と基板 51には、それぞれ静電吸着用電極（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が連結されている。

[0055] 次に、出力部 58の動作を、図 11 (a)〜（c)を参照して詳述する。図 11 (a)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 11 ( b)のように、出力部 58が接続された支持部 53と基板 51の静電吸着用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、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。

[0056] 次に、図 11 (c)のように、進行方向後方の支持部 52と基板 51の静電吸着用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 間の静電吸着用電極の電圧を除去する。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、大きな駆動力と仕事を生成する事が可能となる。

[0057] なお、可動電極 54, 55のいずれか一方を固定電極としても良い。また、この実施例 5の場合には、可動電極 54, 55が基板 51の上面と垂直方向に移動するように配置されている力可動電極 54, 55を基板 51の上面と平行に移動するように配置することちでさる。

実施例 6

[0058] 図 12は、本発明の第 6の実施例の静電ァクチユエータ 60を示すものである。この実施例 6の静電ァクチユエータ 60は、実施例 5の静電ァクチユエータ 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改善したものである。

[0059] 図 12 (a)〖こ示すように、基板 67上に左右のコの字状の枠体 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および枠体 66の下部と基板 67には、それぞれ静電吸着用電極（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円弧状の非線形板ばね 61で接続され、同様に枠体 66の上部と円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の下部と円弧状の非線形板ばね 62で接続され、枠体 66の下部と円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。

[0060] 次に、静電ァクチユエータ 60の動作を図 12 (b)〜（d)を参照して詳述する。この動作は実施例 5と類似している。図 12 (b)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 12 (c)のように、出力部 68が接続された枠体 66と基板 67の静電吸着用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、これらの可動電極 63, 64は静電引力で接近し、同時に非線形板ばね 61, 61 'および非線形板ばね 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。

[0061] 次に、図 12 (d)のように、進行方向の枠体 65と基板 67の静電吸着用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の静電吸着用電極の電圧を除去する。すると、非線形板ばね 61, 61 ' , 62, 62'に蓄積された弹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、大きな駆動力と仕事を生成する事が可能となる。

[0062] なお、可動電極 63, 64のいずれか一方を固定電極としても良い。また、この実施例 6の場合にも、実施例 5と同様に、可動電極 63, 64の移動方向を基板 67の上面と平行になるように配置することができる。

実施例 7

[0063] 図 13は、本発明の第 7の実施例の静電ァクチユエータ 70を示す平面図である。図 14は、図 13における B— B矢視断面図である。

[0064] 図 13に示すように、右枠体 72および左枠体 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上に配置されている。中空移動体 74の右枠体 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'が設けられている。また、右枠体 72の下部と基板 71には、それぞれ静電吸着用電極（図示せず)が設けられている。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が接続されている。

[0065] 図 16により、中央で屈曲させた非線形板ばねの動作を説明する。このような形状の非線形板ばね 76の一端を固定して、他端に荷重 Fを加えて変形させると、図示のように荷重点が鉛直方向に移動する。このように、非線形板ばね 76を中央で屈曲させてく字状とすると、荷重点が横にずれることなく直線的に移動する。このような移動はァクチユエータとしては好まし、。

[0066] 次に、静電ァクチユエータ 70の動作を、図 15 (a)〜（e)を参照して詳述する。図 13 のように、全ての電極には電圧は印加されて、な、状態では何らの作用も生じな、。図 15 (a)のように、右枠体 72と基板 71の静電吸着用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 15 (b)のように、右枠体 72と可動電極 7 5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 15 (c)のように、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。

[0067] 次に、図 15 (d)のように、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との間の電圧を除去すると共に、右枠体 72と基板 71の静電吸着用電極間の電圧を除去する。すると、図 15 (d) , (e )のように、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に接続された出力部 78も右方に移動する。その後は以上の操作を繰り返すことにより、大きな駆動力と仕事を生成する事が可能となる。

[0068] 図 13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力右枠体 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。

[0069] 図 17に、静電ァクチユエータ 70に使用できる非線形ばねの形態例を示す。図 17 ( a)は、一対のく字状板ばねの両端部が互いに離れている形態を示す。図 17 (b)は、一対のく字状板ばねの両端部が互いに結合され、菱形形状とされた形態例である。図 17 (c)は、菱形ばねの両端部に直線状の接続部を設けた形態例である。図 17 (d )は、楕円形状の板ばねの長軸方向両端部に直線状の接続部を設けた形態例である。図 17 (e)は、楕円形状の板ばねの形態例である。

[0070] なお、以上の実施例 2から実施例 7では、図示は省略しているが、実施例 1と同様に制御部が設けられている。各実施例の各電極には、実施例 1と同様に、制御部からのケーブル等が接続されており、各電極に対して必要な電圧の印加と印加電圧の除去が可能となっている。

[0071] 以上説明したように、本発明によれば、板ばねの蓄積力を利用し、間欠的に 1ステップずつ 1方向に進行する歩進機構を備えているので、簡単な構成で駆動力および駆動距離を大幅に増大させることができ、高効率で低消費電力かつ超小型の静電ァクチユエータを提供することができる。

[0072] なお、本発明に使用した円弧状板ばねは、静電引力によりつぶれて行くに従い、円弧状板ばねの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、本発明の各実施例では、非線形ばねを使用するものとしたが、非線形ばねに代えて線形ばねを使用してもよい。

産業上の利用可能性

[0073] 本発明の静電ァクチユエータは、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、情報機器におけるハードディスク装置のピックアップ、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、各種のァクチユエータとして利用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 平板状の基板 (3, 4)と、

互いに対向して配置され、当該対向方向に相対移動可能に所定の間隔をもって配設された第 1電極（1)および第 2電極 (2)と、

前記基板（3, 4)の上面と平行な方向に可動であり、相互に相対移動可能に設けられた第 1移動部（7)および第 2移動部（17)と、

前記第 1電極（1)と前記第 2電極 (2)との間に電圧を印加して、前記第 1電極（1)と前記第 2電極 (2)に静電引力による相対移動を発生させる静電駆動手段（9)と、前記第 1移動部（7)を前記基板 (3, 4)に対して固定すること、および、当該固定を解除することが可能な第 1固定手段 (7, 11)と、

前記第 2移動部（17)を前記基板 (3, 4)に対して固定すること、および、当該固定を解除することが可能な第 2固定手段（12, 18)と、

前記第 1電極（1)と前記第 2電極 (2)との相対移動によって弾性エネルギーを蓄積するとともに、当該弾性エネルギーを開放して前記第 1移動部 (7)と前記第 2移動部 (

17)とを相対移動させる弾性手段 (5, 6)と、

前記静電駆動手段 (9)、前記第 1固定手段 (7, 11)および前記第 2固定手段（12,

18)を順次動作させ、前記第 2移動部（17)に一定方向の仕事を行わせる制御手段（ 9)とを有する静電ァクチユエータ。

[2] 請求項 1に記載した静電ァクチユエータであって、

前記第 1電極 (1)と前記第 2電極 (2)の両方が前記基板 (3, 4)に対して移動可能に設けられて、る静電ァクチユエータ。

[3] 請求項 1に記載した静電ァクチユエータであって、

前記第 1電極 (1)と前記第 2電極 (2)の、ずれか一方が前記基板 (3, 4)に対して移動可能に設けられており、他方は前記基板（3, 4)に対して固定されている静電ァクチユエータ。

[4] 請求項 1に記載した静電ァクチユエータであって、

前記弾性手段（5, 6)は非線形ばねである静電ァクチユエータ。

[5] 請求項 4に記載した静電ァクチユエータであって、前記弾性手段（56, 56' , 57, 57' )は、前記第 1電極および前記第 2電極の外方に付設されたものである静電ァクチユエータ。

[6] 請求項 4に記載した静電ァクチユエータであって、

前記基板 (71)上に配置され、中央に中空部が形成された中空移動体 (74)と、前記中空移動体 (74)の中空部に配置された第 1電極 (75)とを有し、

前記弾性手段 (76, 76' )は、前記第 1電極 (75)と前記中空移動体 (74)との間に配設されたものである静電ァクチユエータ。

[7] 請求項 4に記載した静電ァクチユエータであって、

前記弾性手段（22, 32)は、前記第 1電極または前記第 2電極と一体的に形成されたものである静電ァクチユエータ。

[8] 請求項 1に記載した静電ァクチユエータであって、

前記第 2移動部（17)は、前記弾性手段 (5, 6)と分離可能に接続されたものである静電ァクチユエータ。

[9] 請求項 1に記載した静電ァクチユエータであって、

前記基板は、所定間隔を設けて平行に配置された第 1基板 (3)および第 2基板 (4) からなり、

前記第 1電極（1)は、前記 1基板（3)の中央に形成された開口部に配置されたものであり、

前記第 2電極 (2)は、前記 2基板 (4)の中央に形成された開口部に配置されたものであり、

前記第 1移動部 (7)、前記第 2移動部 (8)および前記弾性手段 (5, 6)は、前記第 1 基板 (3)と前記第 2基板 (4)との間に配置されたものである静電ァクチユエータ。

[10] 請求項 1〜9のいずれか 1項に記載した静電ァクチユエータであって、

請求項 1に記載した静電ァクチユエータであって、

前記第 1固定手段（35)および前記第 2固定手段（36)は、電極間に電圧を印加し静電引力により電極同士を吸引固定するものである静電ァクチユエータ。