(57)【要約】【課題】  静電エネルギーを効率良く機械的仕事に変換でき、大きな変位を得ることができる小型の静電アクチュエータを提供する。【解決手段】  可動電極１２に対向して所定の間隔をもって配設された固定電極１４を備える。可動電極と固定電極との間に静電気力を生成させる。静電気力を弾性エネルギーとして蓄積するための非線形ばね１６を備える。出力部１８は、弾性エネルギーの開放により駆動する。出力部の制動は、ラチェット電極２４及び戻り防止電極２６で制御される。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
第１電極に対向して所定の間隔をもって配設された第２電極と、
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力として蓄積するための弾性手段と、
前記弾性力の開放により駆動する出力部と、
前記出力部の制動を制御する制動制御手段と、
を備える静電アクチュエータ。
【請求項２】
前記弾性手段は、可動電極と固定電極との間の配設された非線形ばねであることを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
【請求項３】
前記弾性手段は、第１可動電極と第２可動電極との間の配設された非線形ばねであることを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】
前記弾性手段は、非線形ばね４３と、可動部材の非線形板ばねから構成してなることを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に係る静電アクチュエータは、第１電極と、第１電極に対向して所定の間隔をもって配設された第２電極と、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力として蓄積するための弾性手段と、前記弾性力の開放により駆動する出力部と、前記出力部の制動を制御する制動制御手段とを備える。
【０００５】
請求項２に係る静電アクチュエータは、請求項１記載の静電アクチュエータにおいて、
前記弾性手段が、可動電極と固定電極との間の配設された非線形ばねであることを特徴とする。
請求項３に係る静電アクチュエータは、請求項１記載の静電アクチュエータにおいて、
前記弾性手段が、第１可動電極と第２可動電極との間の配設された非線形ばねであることを特徴とする。
【０００６】
請求項４に係る静電アクチュエータは、請求項１記載の静電アクチュエータにおいて、非線形ばねと、可動部材の非線形板ばねからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
以下に出力部の動作を、図４〜図７を参照して詳述する。
【００１３】
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。
【００１４】
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）。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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；上部可動電極及び上部可動電極を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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る静電アクチュエータの発生力を示す概略図である。
【図２】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】図２の静電アクチュエータの部分分解図である。
【図４】図２の静電アクチュエータの出力部の動作図であり、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とする場合の概略図である。
【図５】図２の静電アクチュエータの出力部の動作図であり、可動電極を固定電極に向けて下方へ移動する場合の概略図である。
【図６】図２静電アクチュエータの出力部の動作図であり、非線形ばね力に蓄積されていたエネルギーが解放されて可動電極が上方に移動を開始する場合の概略図である。
【図７】図２静電アクチュエータの出力部の動作図であり、可動電極が枠体の上面に到達した場合の概略図である。
【図８】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。
【図９】図８の静電アクチュエータの出力部の動作を説明するための概略図である。
【図１０】図８の静電アクチュエータの出力部の動作を示し、上部電極が下部可動電極に固着して停止することを説明するための説明図である。
【図１１】図８の静電アクチュエータの出力部の動作を示し、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場合の説明図である。
【図１２】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。
【図１３】図１２の静電アクチュエータの出力部の動作を示し、可動部材が固定電極に向けて移動する場合の説明図である。
【図１４】図１２の静電アクチュエータの出力部の動作を示し、可動部材が固定可動電極に固着して停止した場合の説明図である。
【図１５】図１２の静電アクチュエータの出力部の動作を示し、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エネルギーを解放させる場合の説明図である。
【図１６】図１２の静電アクチュエータの出力部の動作を示し、弾性エネルギーが全て解放された状態の説明図である。
【図１７】図１２の静電アクチュエータにおける可動電極の非線形構造を示す概略図である。
【図１８】図１２の静電アクチュエータにおける可動電極の線形構造を示す概略図である。
【図１９】従来の平行平板型静電マイクロアクチュエータを示す概略図である。
【符号の説明】
【００２７】
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
【図１】
2006280181.tif 000003
【図２】
2006280181.tif 000004
【図３】
2006280181.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006280181.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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