(57)【要約】【課題】変形制御可能な領域が広く、また、変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定したりすることが可能な静電アクチュエータを提供すること。【解決手段】対向配置した可動体電極２０と固定基板電極４０間に電圧を印加することで働く静電引力と、弾性可動体１０の機械的復元力により、弾性可動体１０の変形形状を制御する静電アクチュエータで、特に弾性可動体１０と固定基板５０の間隔が固定端から先端に向かうに従い次第に変化するカールドアップ型静電アクチュエータにおいて、弾性可動体１０の固定端から先端に向かう可動体経路の所定部位に作用する静電引力または弾性可動体１０の曲げ剛性を制御する。【選択図】      図１
2005245151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置した可動体電極と固定基板電極との間に電圧を印加することで働く静電引力と、弾性可動体の機械的復元力とにより、上記弾性可動体の変形形状を制御する静電アクチュエータであって、
上記弾性可動体の一端は、上記固定基板に固定された固定端であり、
上記弾性可動体と上記固定基板との間隔が、上記弾性可動体の固定端から先端に向かうに従い次第に変化し、
上記弾性可動体の固定端から先端に向かう可動体経路の所定部位に作用する静電引力または上記弾性可動体の曲げ剛性を制御したことを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
上記弾性可動体の幅に対する可動体電極と上記固定基板電極の対向する部位の幅の比が、上記可動体経路に沿って変化するよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における静電引力を制御することを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項３】
上記弾性可動体の幅に対する上記可動体電極及び固定基板電極の少なくとも一方の幅の比が上記可動体経路に沿って変化することを特徴とする請求項２に記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】
上記可動体電極及び固定基板電極の少なくとも一方をメッシュ状または網目状に構成することによって、上記可動体経路の所定部位における静電引力を制御することを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】
メッシュ状または網目状となっていない電極の面積に対する上記メッシュ状または網目状となっている電極の面積の比が、上記可動体経路に沿って変化することを特徴とする請求項４に記載の静電アクチュエータ。
【請求項６】
上記可動体電極と固定基板電極との間の電位差に上記可動体経路に沿って分布を持たせるよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における静電引力を制御することを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項７】
上記可動体電極または固定基板電極の何れか一方が上記可動体経路に沿って分割して形成され、
上記分割形成された各々の電極に任意の電圧を印加する手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載の静電アクチュエータ。
【請求項８】
上記分割形成された電極の分割形成されていない電極に対する電位差が上記可動体経路に沿って減少することを特徴とする請求項７に記載の静電アクチュエータ。
【請求項９】
上記可動体電極または固定基板電極の何れか一方が抵抗体で形成され、
上記抵抗体で形成された電極の両端に電位差を与えたことを特徴とする請求項６に記載の静電アクチュエータ。
【請求項１０】
上記固定基板電極の上記可動体電極と対向する面に形成れた絶縁層の厚さが上記可動体経路に沿って変化するよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における静電引力を制御することを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項１１】
上記絶縁層の厚さを上記可動体経路に沿って次第に厚くすることを特徴とする請求項１０に記載の静電アクチュエータ。
【請求項１２】
上記固定基板電極の上記可動体電極と対向する面に形成れた絶縁層の誘電率が上記可動体経路に沿って変化するよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における静電引力を制御することを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項１３】
上記絶縁層の誘電率を上記可動体経路に沿って次第に低くすることを特徴とする請求項１２に記載の静電アクチュエータ。
【請求項１４】
上記弾性可動体の厚さが上記可動体経路に沿って変化するよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における弾性可動体の曲げ剛性を制御することを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項１５】
上記弾性可動体の厚さを上記可動体経路に沿って次第に厚くすることを特徴とする請求項１４に記載の静電アクチュエータ。
【請求項１６】
上記弾性可動体の弾性係数が上記可動体経路に沿って変化するよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における弾性可動体の曲げ剛性を制御することを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項１７】
上記弾性可動体の弾性係数を上記可動体経路に沿って次第に高くすることを特徴とする請求項１６に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、対向配置した可動体電極と固定基板電極間に電圧を印加することで働く静電引力と、弾性可動体の機械的復元力とにより、弾性可動体の変形形状を制御する静電アクチュエータに関し、特に、弾性可動体と固定基板の間隔が固定端から先端に向かうに従い次第に変化するカールドアップ型静電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型の携帯機器が普及し、さらに携帯機器に自動駆動部品を搭載する要望が高まるに連れ、小型且つ低消費電力のアクチュエータが望まれている。これに伴い、従来の電磁式アクチュエータに変えて静電式アクチュエータが提案されている。
【０００３】
静電式アクチュエータは、比較的簡単な構成で、静電気力により駆動力と得る為、小型化、低消費電力化に向いている。
【０００４】
また、半導体製造技術を適用した、所謂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。
【０００５】
このような静電アクチュエータとして、特許文献１には、図１５に示すような構成の静電マイクロアクチュエータが提案されている。即ち、この静電マイクロアクチュエータ１は、基板２と、基板電極絶縁層３と、基板電極４と、駆動電極絶縁層５と、駆動電極６とを備えている。駆動電極６は螺旋状を呈しており、過冷却液体域を有する非晶質合金から作製されている。この駆動電極６の６Ａ部分には駆動すべき物体が取り付けられるようになっている。そして、駆動電極パッド部７と基板電極パッド部との間に電圧を印加することによって発生させた電場により、螺旋中心軸Ａ−Ａ線に沿って上下方向に駆動できるようになっている。
【特許文献１】特許第３２１０９６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に開示の構成では、駆動電極６を、完全に伸張するか、基板２に吸着するか、の２値駆動をする場合は問題とならないが、駆動電極６の変形量を任意に設定するアナログ的な制御をする場合には、初期ギャップに対して実際に駆動電極６の変形量を制御できる範囲が狭い。また、印加電圧と駆動電極６の変形量とは非線形の関係となっている。従って、上記特許文献１に開示された構成の静電アクチュエータは、制御上、問題点が多い。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、変形制御可能な領域が広く、また、変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定したりすることが可能な静電アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の一態様による静電アクチュエータは、対向配置した可動体電極と固定基板電極との間に電圧を印加することで働く静電引力と、弾性可動体の機械的復元力とにより、上記弾性可動体の変形形状を制御する静電アクチュエータであって、
上記弾性可動体の一端は、上記固定基板に固定された固定端であり、
上記弾性可動体と上記固定基板との間隔が、上記弾性可動体の固定端から先端に向かうに従い次第に変化し、
上記弾性可動体の固定端から先端に向かう可動体経路の所定部位に作用する静電引力または上記弾性可動体の曲げ剛性を制御したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、変形制御可能な領域が広く、また、変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定したりすることが可能な静電アクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１１】
図２は、本発明の適用されるカールドアップ型静電アクチュエータの斜視図である。同図に示すように、静電アクチュエータは、弾性可動体１０、可動体電極２０、絶縁層３０、固定基板電極４０、及び固定基板５０からなる。なお、弾性可動体１０を金属薄膜で成形するなどして、弾性可動体１０が可動体電極２０を含む構成や、絶縁層３０を形成しない構成等、その他の構成も考えられる。
【００１２】
このようなカールドアップ型の静電アクチュエータは、弾性可動体１０の一端が固定基板５０に固定されており、他端が固定基板５０から離れた構成をしている。以降、弾性可動体１０の固定された側を固定端と呼び、他端を先端と呼ぶ。
【００１３】
次に、係る構成の静電アクチュエータの動作について説明する。
【００１４】
図２に示す静電アクチュエータにおいて、可動体電極２０と固定基板電極４０との間に電圧を印加すると、両電極間に静電引力が働き、弾性可動体１０は固定基板５０側に引き付けられる。弾性可動体１０の変形量は、弾性可動体１０の機械的復元力と両電極間に働く静電引力とにより決定され、両力が釣り合った時点で弾性可動体１０の変形は停止する。そして、両電極間に働く静電引力が弾性可動体１０の機械的復元力を上回ると、弾性可動体１０は固定基板５０に吸着する。
【００１５】
次に、このような静電アクチュエータの制御について説明する。
【００１６】
上述のように、静電アクチュエータの弾性可動体１０の変形量は、弾性可動体１０の機械的復元力と両電極間に働く静電引力とにより決定されるため、両電極に印加する電圧を制御することで弾性可動体１０の変形量を制御することができる。しかしながら、一般的に弾性可動体１０の機械的復元力は、弾性可動体１０の変形量に比例し、両電極間に働く静電引力は、両電極間の電界の２乗に比例するため、以下に示す特性を持つ。
【００１７】
・両電極間に印加する電圧に対する弾性可動体１０の変形量は非線形となる。
【００１８】
・両電極間に印加する電圧に対する弾性可動体１０の変形量の感度は、低電圧領域では非常に低く、ある電圧を境に急激に高くなる。
【００１９】
・両電極間に印加する電圧を上げていくと突然、弾性可動体１０が固定基板５０に張り付く（スタック現象）ため、実際に弾性可動体１０の変形量を制御できるのは、両電極の初期ギャップの１／３程度である。
【００２０】
両電極間に印加する電圧に対する弾性可動体１０の変形量をシミュレーションした結果を用いて、上述の特性を詳しく説明する。
【００２１】
ここで、シミュレーションに用いたモデルを図３に示す。即ち、本モデルは、弾性可動体１０（本例では可動体電極２０を兼ねる）、絶縁層３０、固定基板電極４０からなる。弾性可動体１０は、固定基板電極４０に水平で固定端から固定基板電極４０の長手方向をｘ、固定基板電極４０と垂直方向をｙとすると、ｙ＝２００ｘ2の曲率を持つものとする。
【００２２】
また、本モデルの設定値及び弾性可動体１０の物性値等は、以下に示すようなものである。
【００２３】
固定基板電極４０の長さｌ＝１０００μｍ
固定基板電極４０の幅ｗ＝２００μｍ
絶縁層３０の厚さｄｉ＝０.５μｍ
絶縁層３０の誘電率ε＝４
弾性可動体１０の縦弾性係数Ｅ＝６９．７ＧＰａ
弾性可動体１０の断面二次モーメントＩ＝１．０４×１０-21
弾性可動体１０の曲率ｙ＝２００ｘ2
図４は、このようなモデルにおいて、横軸に弾性可動体１０の先端の高さｈ、縦軸に両電極に印加する電圧をパラメータとした、静電引力Ｆｅと弾性可動体１０の機械的復元力Ｆｒとを示したグラフである。このグラフにおいて、静電引力Ｆｅと機械的復元力Ｆｒとが釣り合う点、つまりＦｅとＦｒの交点が、両電極に電圧を印加した場合の弾性可動体１０の変形量を示している。この図４から分かるように、弾性可動体１０は、両電極に印加する電圧が低い場合には殆ど変形せず、ある電圧（このシミュレーション結果では３０Ｖ付近）で急激に変形し、さらに電圧を高くすると固定基板５０に張り付いてしまう。
【００２４】
そこで、本発明に係る静電アクチュエータにおいては、弾性可動体１０の固定端から先端に向かう可動体経路の所定部位に作用する静電引力または弾性可動体１０の曲げ剛性を制御するようにしている。ここで、図５（Ａ）に太矢印線で示される経路が、上述の弾性可動体１０の固定端１１から先端１２に向かう可動体経路１３を意味し、また、同図に両矢印線で示される幅が、上述の可動体経路１３の所定部位における幅１４を意味するものとする。
【００２５】
なお、本発明に係る静電アクチュエータの弾性可動体１０は、図２及び図５（Ａ）に示すような直線形状に限らず、図５（Ｂ）に示すようなコ字形状、図５（Ｃ）に示すような（楕）円弧形状、図５（Ｄ）に示すようなフリー形状、等、様々な形状が存在し、その場合の可動体経路１３はそれぞれ図示する通りである。
【００２６】
以下、説明及び図示を簡単にするため、弾性可動体１０が直線形状の場合を例に、幾つかの実施形態を説明するが、図５（Ｂ）乃至（Ｄ）に示すような様々な形状の弾性可動体１０の場合においても適用できることは言うまでもない。
【００２７】
［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る静電アクチュエータの構成について説明する。
【００２８】
図１（Ａ）は、弾性可動体１０と可動体電極２０及び絶縁層３０を透過して示す半透過斜視図であり、図１（Ｂ）は、同静電アクチュエータを上部から見た上面図である。なお、弾性可動体１０と可動体電極２０及び絶縁層３０は破線を用いて示し、固定基板電極４０の領域は斜線で示している。
【００２９】
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る静電アクチュエータは、固定基板電極４０の幅に分布を持たせることで、弾性可動体１０の幅に対する可動体電極２０と固定基板電極４０の対向する領域の幅の比を可動体経路１３に沿って変化させている。
【００３０】
可動体電極２０と固定基板電極４０との間に電圧を印加して生じる静電引力は、可動体電極２０と固定基板電極４０とが重なり合う面積に比例する。そのため、上述のような構成により、両電極間に働く静電引力を可動体経路１３に沿って制御することができる。
【００３１】
次に、この構成の効果について説明する。
【００３２】
図３に示したシミュレーションモデルと同様のモデルを用いて、固定基板電極４０の幅ｗを弾性可動体１０の固定端１１から先端１２に向かう方向をＸとして次式で表される形状とする。なお、次式で表される電極は、先端１２に向かうに従い次第に細くなる形状である。
【００３３】
ｗ＝ｐ／（Ｘ＋ｑ）
但し、ｐ＝２２．２×１０-9
ｑ＝０．１１×１０-3
このモデルにおいて、図４に示したグラフ同様に横軸に弾性可動体１０の先端１２の高さｈ、縦軸に両電極に印加する電圧をパラメータとした静電気力Ｆｅと弾性可動体１０の機械的復元力Ｆｒを示したグラフを図６に示す。このグラフより、静電引力Ｆｅと機械的復元力Ｆｒの交点から、両電極間に印加した電圧に対する弾性可動体１０が変形した時の先端１２の高さを以下に示す。
【表１】
2005245151.tif 000003
【００３４】
上述のように、本実施形態の構成とすることで、図３で示したモデルと比較すると、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体１０の変形特性がより線形的になり、制御性を向上させることが可能となる。
【００３５】
また、上述の効果を発展させると、以下に示す効果が期待される。
【００３６】
図７は、可動体電極２０と固定基板電極４０との間に印加する電圧に対する弾性可動体１０の変形量を示した図である。
【００３７】
通常の構成では、図７の波形Ａに示すように、印加電圧に対する弾性可動体１０の変形量は、低電圧では殆ど変形しないが、次第に感度が上がり、ある電圧で急激に変形し、弾性可動体１０が固定基板電極４０に張り付いてしまう。ここで、波形Ａが最終的に一定値になっているのは、弾性可動体１０が固定基板５０に張り付いたこと（初期ギャップ分変形したこと）を意味する。
【００３８】
これに対して、本実施形態に示したように弾性可動体１０の幅に対する可動体電極２０と固定基板電極４０の対向する領域の幅の比を可動体経路１３に沿って適切に設定することで、図７の波形Ｂに示すように、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体１０の変形特性を線形に設定したり、波形Ｃに示すように、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。また、可動体電極２０と固定基板電極４０の初期ギャップに対する弾性可動体１０の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【００３９】
また、上述の形態の他に、以下の形態を用いても同様の効果を得ることができる。
【００４０】
図８は、固定基板電極４０をメッシュ状に形成したものであり、図９は、同じく網目状に形成したものである。これらの形態により、可動体経路１３の所定部位における単位面積あたりの固定基板電極４０の占める割合を適切に設定することが可能になり、両電極間に働く静電引力を可動体経路１３に沿って適切に制御することができる。
【００４１】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る静電アクチュエータの構成について説明する。
【００４２】
図１０は、本実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。この図は、本実施形態に係る静電アクチュエータを中央で切断して示すと共に各電極に接続した電気回路を模式的に表した図である。
【００４３】
即ち、本実施形態に係る静電アクチュエータは、弾性可動体１０及び可動体電極２０、絶縁層３０、複数に分割された固定基板電極４０、固定基板５０、及び可変電圧源群６０を備えている。そして、可変電圧源群６０の各出力は対応する固定基板電極４０に接続され、ＧＮＤは全て可動体電極２０に接続されている。
【００４４】
次に、本実施形態に係る静電アクチュエータの駆動方法について説明する。
【００４５】
通常の静電アクチュエータでは、可動体電極２０と固定基板電極４０との間隔は多くても数百μｍ程度であり、形状のアスペクト比からすると、可動体電極２０に働く静電引力は、対向する部分に位置する固定基板電極４０に印加する電圧によるものが支配的となる。
【００４６】
本実施形態においては、可変電圧源群６０により、各々の固定基板電極４０に印加する電圧を適切に設定し、可動体経路１３の所定部位における両電極間に働く静電引力を制御することができる。よって、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体１０の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。また、可動体電極２０と固定基板電極４０の初期ギャップに対する弾性可動体１０の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【００４７】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る静電アクチュエータの構成について説明する。
【００４８】
図１１は、本実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。この図は、本実施形態に係る静電アクチュエータを中央で切断して示すと共に、該静電アクチュエータに接続した電気回路を模式的に表した図である。
【００４９】
即ち、本実施形態に係る静電アクチュエータは、弾性可動体１０、可動体電極２０、絶縁層３０、固定基板５０、可変駆動電源７０、可変基準電源８０、抵抗体で形成された固定基板抵抗体９０、及び可変抵抗１００を備えている。ここで、上記固定基板抵抗体９０の一端には上記可変基準電源８０が接続され、他端には上記可変抵抗１００が接続されている。
【００５０】
次に、このような構成の本実施形態に係る静電アクチュエータの駆動方法について説明する。
【００５１】
図１２は、可動体電極２０及び固定基板抵抗体９０の位置に対する可動体電極２０の電位、固定基板抵抗体９０の電位、及び両電極間の電位差の例を示す図である。ここで、可動体電極２０の電位は一点鎖線で、固定基板抵抗体９０の電位は破線で、両電極間の電位差は実線で示している。
【００５２】
可動体電極２０の電位Ｃは、可変駆動電源７０の出力により決まる。固定基板抵抗体９０の弾性可動体固定端１１側の電位Ａは、可変基準電源８０の出力で決まり、弾性可動体先端１２側の電位Ｂは、可変抵抗１００の設定値で決めることができる。従って、上記可変駆動電源７０、可変基準電源８０、及び可変抵抗１００の抵抗値を設定することにより、可動体経路１３における両電極間の電位差の増減及びこれらの勾配を設定することができる。仮に、図１２で示すように可動体電極２０の電位及び固定基板抵抗体９０の電位を設定すると、可動体経路１３に沿った両電極間の電位差は次第に低減した後、増加するように設定される。
【００５３】
上述のように、本実施形態を用いて、可動体電極２０及び固定基板抵抗体９０の電位を可動体経路１３に沿って適切に設定し、可動体経路１３の所定部位における両電極間に働く静電引力を制御することで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体１０の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。また、可動体電極２０と固定基板電極４０の初期ギャップに対する弾性可動体１０の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【００５４】
なお、ここでは、固定基板抵抗体９０として固定基板電極４０を抵抗体で形成した場合の例を説明したが、可動体電極２０側を抵抗体で構成しても、同様の効果が得られることは勿論である。
【００５５】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る静電アクチュエータの構成について説明する。
【００５６】
可動体電極２０と固定基板電極４０との間に働く静電引力は、両電極間に印加する電圧、両電極間の間隔及び誘電率により決定される。
【００５７】
通常の静電アクチュエータでは、可動体電極２０と固定基板電極４０の間には、空気層と絶縁層３０とが存在する。半導体製造技術で絶縁層３０として頻繁に用いられる酸化シリコン膜の誘電率は、空気の約４倍程度の値である。また、その他の材料を用いることにより、絶縁層３０の誘電率を種々の値に設定することができる。また、絶縁層３０の厚さを変えると、両電極間の空気と絶縁層３０が占める割合が変わり、総誘電率（空気と絶縁層３０を一つの層とみなした場合の誘電率）を調整することができる。
【００５８】
よって、可動体経路１３に沿って、絶縁層３０の誘電率に分布を持たせる、または、絶縁層３０の厚さに分布を持たせることにより、弾性可動体１０に働く静電引力の分布を設定することができる。
【００５９】
半導体製造技術では、絶縁層３０の厚さに分布を持たせる方法として、絶縁層３０上に成形技術により厚さの分布を持たせた保護膜を形成し、ドライエッチングをかけることで絶縁層３０に保護層の厚さ分布を転写する等、様々な技術が提案されている。また、絶縁層３０の誘電率に分布を持たせる方法として、複数の素材を用いて絶縁層３０を形成し、可動体経路１３に沿ってその組成に分布を持たせる等が考えられる。
【００６０】
図１３は、本実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。この図は、本実施形態に係る静電アクチュエータを中央で切断して示すと共に、該静電アクチュエータに接続した電気回路を模式的に表した図である。
【００６１】
即ち、本実施形態に係る静電アクチュエータは、弾性可動体１０、可動体電極２０、絶縁層３０、固定基板電極４０、固定基板５０、及び可変駆動電源７０を備えている。そして、絶縁層３０は、その厚さが可動体経路１３に沿って分布を持っているものとしている。このように絶縁層３０の厚さを変えることにより、可動体経路１３に沿った所定部位における総誘電率に分布を持たせ、弾性可動体１０に働く静電引力の分布を設定することができる。
【００６２】
上述のように、本実施形態を用いて、絶縁層３０の厚さ、または誘電率を適切に設定し、可動体経路１３の所定部位における両電極間に働く静電引力を制御することで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体１０の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。また、可動体電極２０と固定基板電極４０の初期ギャップに対する弾性可動体１０の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【００６３】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係る静電アクチュエータの構成について説明する。
【００６４】
弾性可動体１０の変形量は、弾性可動体１０の機械的復元力と両電極間に働く静電引力とにより決定され、両力が釣り合った時点で、弾性可動体１０の変形は停止する。ここで、弾性可動体１０の機械的復元力は、弾性可動体１０の厚さに代表される幾何形状、及び弾性係数に代表される物性値で決まる。よって、可動体経路１３に沿って弾性可動体１０の厚さに分布を持たせる、または弾性係数に分布を持たせることによって、弾性可動体１０の曲げ剛性、つまり機械的復元力の分布を設定することができる。
【００６５】
このように、弾性可動体１０の厚さ、または弾性係数を制御する方法としては、上記第４実施形態に述べたような、保護膜の厚さ分布を転写する方法や、複合素材を用いる方法が考えられる。
【００６６】
図１４は、本実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。この図は、本実施形態に係る静電アクチュエータを中央で切断して示すと共に、該静電アクチュエータに接続した電気回路を模式的に表した図である。
【００６７】
即ち、本実施形態に係る静電アクチュエータは、弾性可動体１０、可動体電極２０、絶縁層３０、固定基板電極４０、固定基板５０、及び可変駆動電源７０を備えている。そして、弾性可動体１０は、その厚さが可動体経路１３に沿って分布を持っているものとなっている。このように、弾性可動体１０の厚さを可動体経路１３に沿って分布を持たせることによって、弾性可動体１０の曲げ剛性に分布を設定することができる。
【００６８】
図１４に示す例では、弾性可動体１０の厚さが固定端１１から先端１２に向う可動体経路１３に沿って次第に厚くなる構成となっている。このような構成とすることで、弾性可動体１０の曲げ剛性は次第に強くなり、機械的復元力が増加することになる。よって、前述の第１実施形態で示したような可動体経路１３に沿って固定基板電極４０の幅を次第に細くした構成と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
上述のように、本実施形態を用いて、弾性可動体１０の厚さ、または弾性係数を適切に設定し、可動体経路１３の所定部位における弾性可動体１０の曲げ剛性を制御することで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体１０の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。また、可動体電極２０と固定基板電極４０の初期ギャップに対する弾性可動体１０の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【００７０】
以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【００７１】
（付記）
前記の具体的実施形態から、以下のような構成の発明を抽出することができる。
【００７２】
（１）  対向配置した可動体電極と固定基板電極との間に電圧を印加することで働く静電引力と、弾性可動体の機械的復元力とにより、上記弾性可動体の変形形状を制御する静電アクチュエータであって、
上記弾性可動体の一端は、上記固定基板に固定された固定端であり、
上記弾性可動体と上記固定基板との間隔が、上記弾性可動体の固定端から先端に向かうに従い次第に変化し、
上記弾性可動体の固定端から先端に向かう可動体経路の所定部位に作用する静電引力または上記弾性可動体の曲げ剛性を制御したことを特徴とする静電アクチュエータ。
【００７３】
（対応する実施形態）
この（１）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１乃至第５実施形態が対応する。
【００７４】
（作用効果）
この（１）に記載の静電アクチュエータは、可動体経路において、電極の構成、絶縁層の構成または組成、電圧印加方法、弾性可動体形状または組成等を制御するようにしている。
【００７５】
従って、この（１）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力、または弾性可動体の曲げ剛性を制御することで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。また、可動体電極と固定基板電極の初期ギャップに対する弾性可動体の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【００７６】
（２）  上記弾性可動体の幅に対する可動体電極と上記固定基板電極の対向する部位の幅の比が、上記可動体経路に沿って変化するよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における静電引力を制御することを特徴とする（１）に記載の静電アクチュエータ。
【００７７】
（対応する実施形態）
この（２）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１実施形態が対応する。
【００７８】
（作用効果）
この（２）に記載の静電アクチュエータは、可動体電極に対向する固定基板電極の幅が弾性可動体に比べ細くなるような分布を持たせるようにしたものである。なお、弾性可動体を金属部材で形成することで可動体電極を兼ねるよう構成しても構わない。
【００７９】
従って、この（２）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御し、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。
【００８０】
（３）  上記弾性可動体の幅に対する上記可動体電極及び固定基板電極の少なくとも一方の幅の比が上記可動体経路に沿って変化することを特徴とする（２）に記載の静電アクチュエータ。
【００８１】
（対応する実施形態）
この（３）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１実施形態が対応する。
【００８２】
（作用効果）
この（３）に記載の静電アクチュエータは、可動体電極に対向する固定基板電極の形状を弾性可動体に比べ細くなるような分布を持たせるようにしたものである。
【００８３】
従って、この（３）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御し、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。
【００８４】
（４）  上記可動体電極及び固定基板電極の少なくとも一方をメッシュ状または網目状に構成することによって、上記可動体経路の所定部位における静電引力を制御することを特徴とする（１）に記載の静電アクチュエータ。
【００８５】
（対応する実施形態）
この（４）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１実施形態が対応する。
【００８６】
（作用効果）
この（４）に記載の静電アクチュエータは、可動体電極に対向する固定基板電極の形状をメッシュ状または網目状としたものである。なお、弾性可動体を金属部材で形成することで可動体電極を兼ねるよう構成しても構わない。
【００８７】
従って、この（４）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御し、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。
【００８８】
（５）  メッシュ状または網目状となっていない電極の面積に対する上記メッシュ状または網目状となっている電極の面積の比が、上記可動体経路に沿って変化することを特徴とする（４）に記載の静電アクチュエータ。
【００８９】
（対応する実施形態）
この（５）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１実施形態が対応する。
【００９０】
（作用効果）
この（５）に記載の静電アクチュエータは、可動体電極に対向する固定基板電極の形状をメッシュ状または網目状とし、この電極面積を可動体経路に沿って変化させるようにしたものである。
【００９１】
従って、この（５）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御し、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。
【００９２】
（６）  上記可動体電極と固定基板電極との間の電位差に上記可動体経路に沿って分布を持たせるよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における静電引力を制御することを特徴とする（１）に記載の静電アクチュエータ。
【００９３】
（対応する実施形態）
この（６）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第２及び第３実施形態が対応する。
【００９４】
（作用効果）
この（６）に記載の静電アクチュエータは、可動体電極と固定基板電極との間の電位差に可動体経路に沿って分布を持たせるようにしたものである。
【００９５】
従って、この（６）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御し、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。
【００９６】
（７）  上記可動体電極または固定基板電極の何れか一方が上記可動体経路に沿って分割して形成され、
上記分割形成された各々の電極に任意の電圧を印加する手段を設けたことを特徴とする（６）に記載の静電アクチュエータ。
【００９７】
（対応する実施形態）
この（７）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第２実施形態が対応する。
【００９８】
（作用効果）
この（７）に記載の静電アクチュエータは、固定基板電極を可動体経路に沿って複数に分割し、各々の電極に印加する電圧を制御し得る可変電圧源群を接続するようにしたものである。
【００９９】
従って、この（７）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御し、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。
【０１００】
（８）  上記分割形成された電極の分割形成されていない電極に対する電位差が上記可動体経路に沿って減少することを特徴とする（７）に記載の静電アクチュエータ。
【０１０１】
（対応する実施形態）
この（８）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第２実施形態が対応する。
【０１０２】
（作用効果）
この（８）に記載の静電アクチュエータは、固定基板電極を可動体経路に沿って複数に分割し、各々の電極に印加する電圧を制御得る可変電圧源群を接続すると共に、その可変電圧源群の出力が可動体経路に沿って減少するように設定したものである。
【０１０３】
従って、この（８）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御し、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、可動体電極と固定基板電極の初期ギャップに対する弾性可動体の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【０１０４】
（９）  上記可動体電極または固定基板電極の何れか一方が抵抗体で形成され、
上記抵抗体で形成された電極の両端に電位差を与えたことを特徴とする（６）に記載の静電アクチュエータ。
【０１０５】
（対応する実施形態）
この（９）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第３実施形態が対応する。
【０１０６】
（作用効果）
この（３）に記載の静電アクチュエータは、可動体電極または固定基板電極を抵抗体で形成し、その抵抗体の一端に可変電圧源を接続し、他端に可変抵抗を接続して閉回路としたものである。
【０１０７】
従って、この（３）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御し、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。
【０１０８】
（１０）  上記固定基板電極の上記可動体電極と対向する面に形成れた絶縁層の厚さが上記可動体経路に沿って変化するよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における静電引力を制御することを特徴とする（１）に記載の静電アクチュエータ。
【０１０９】
（対応する実施形態）
この（１０）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第４実施形態が対応する。
【０１１０】
（作用効果）
この（１０）に記載の静電アクチュエータは、可動体経路に沿って例えば絶縁層のエッチング量を制御し、絶縁層の厚さを変化させるようにしたものである。
【０１１１】
従って、この（１０）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御し、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。
【０１１２】
（１１）  上記絶縁層の厚さを上記可動体経路に沿って次第に厚くすることを特徴とする（１０）に記載の静電アクチュエータ。
【０１１３】
（対応する実施形態）
この（１１）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第４実施形態が対応する。
【０１１４】
（作用効果）
この（１１）に記載の静電アクチュエータは、固定端から先端に向かう可動体経路に沿って例えば絶縁層のエッチング量が次第に少なくなるように制御し、絶縁層の厚さを次第に厚くさせたものである。
【０１１５】
従って、この（１１）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御し、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、可動体電極と固定基板電極の初期ギャップに対する弾性可動体の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【０１１６】
（１２）  上記固定基板電極の上記可動体電極と対向する面に形成れた絶縁層の誘電率が上記可動体経路に沿って変化するよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における静電引力を制御することを特徴とする（１）に記載の静電アクチュエータ。
【０１１７】
（対応する実施形態）
この（１２）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第４実施形態が対応する。
【０１１８】
（作用効果）
この（１２）に記載の静電アクチュエータは、絶縁層に例えば複合素材を用いることで可動体経路に沿った絶縁層の組成を変え誘電率を変化させるようにしたものである。
【０１１９】
従って、この（１２）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御し、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。
【０１２０】
（１３）  上記絶縁層の誘電率を上記可動体経路に沿って次第に低くすることを特徴とする（１２）に記載の静電アクチュエータ。
【０１２１】
（対応する実施形態）
この（１３）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第４実施形態が対応する。
【０１２２】
（作用効果）
この（１３）に記載の静電アクチュエータは、絶縁層に例えば複合素材を用いることで可動体経路に沿った絶縁層の組成を変え誘電率を次第に低くさせたものである。
【０１２３】
従って、この（１３）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において両電極間に働く静電引力を制御することで、弾性可動体の機械的復元力とバランスをとることで、可動体電極と固定基板電極の初期ギャップに対する弾性可動体の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【０１２４】
（１４）  上記弾性可動体の厚さが上記可動体経路に沿って変化するよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における弾性可動体の曲げ剛性を制御することを特徴とする（１）に記載の静電アクチュエータ。
【０１２５】
（対応する実施形態）
この（１４）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第５実施形態が対応する。
【０１２６】
（作用効果）
この（１４）に記載の静電アクチュエータは、弾性可動体を成形した後に可動体経路に沿って部分的にエッチングする等して、弾性可動体の厚さを変化させるようにしたものである。
【０１２７】
従って、この（１４）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において弾性可動体の機械的復元力を制御し、両電極間に働く静電引力とバランスをとることで、両電極に印加する電圧に対する弾性可動体の変形特性を線形的に設定したり、ユーザの意図する特性に設定することが可能となる。
【０１２８】
（１５）  上記弾性可動体の厚さを上記可動体経路に沿って次第に厚くすることを特徴とする（１４）に記載の静電アクチュエータ。
【０１２９】
（対応する実施形態）
この（１５）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第５実施形態が対応する。
【０１３０】
（作用効果）
この（１５）に記載の静電アクチュエータは、弾性可動体を成形した後に可動体経路に沿って部分的にエッチングする等して、弾性可動体の厚さを次第に厚くさせたものである。
【０１３１】
従って、この（１５）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において弾性可動体の機械的復元力を制御し、両電極間に働く静電引力とバランスをとることで、可動体電極と固定基板電極の初期ギャップに対する弾性可動体の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【０１３２】
（１６）  上記弾性可動体の弾性係数が上記可動体経路に沿って変化するよう構成することによって、上記可動体経路の所定部位における弾性可動体の曲げ剛性を制御することを特徴とする（１）に記載の静電アクチュエータ。
【０１３３】
（対応する実施形態）
この（１６）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第５実施形態が対応する。
【０１３４】
（作用効果）
この（１６）に記載の静電アクチュエータは、弾性可動体を例えば複合素材で形成し、可動体経路に沿って組成を変え弾性係数を変化させるようにしたものである。
【０１３５】
従って、この（１６）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において弾性可動体の機械的復元力を制御し、両電極間に働く静電引力とバランスをとることで、可動体電極と固定基板電極の初期ギャップに対する弾性可動体の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【０１３６】
（１７）  上記弾性可動体の弾性係数を上記可動体経路に沿って次第に高くすることを特徴とする（１６）に記載の静電アクチュエータ。
【０１３７】
（対応する実施形態）
この（１７）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第５実施形態が対応する。
【０１３８】
（作用効果）
この（１７）に記載の静電アクチュエータは、弾性可動体を例えば複合素材で形成し、可動体経路に沿って組成を変え弾性係数を次第に高くさせたものである。
【０１３９】
従って、この（１７）に記載の静電アクチュエータによれば、可動体経路の所定部位において弾性可動体の機械的復元力を制御し、両電極間に働く静電引力とバランスをとることで、可動体電極と固定基板電極の初期ギャップに対する弾性可動体の変形制御可能な領域を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る静電アクチュエータを弾性可動体と可動体電極及び絶縁層を透過して示す半透過斜視図であり、（Ｂ）は第１実施形態に係る静電アクチュエータを上部から見た上面図である。
【図２】本発明の適用されるカールドアップ型静電アクチュエータの構成を説明するための斜視図である。
【図３】可動体電極と固定基板電極間に印加する電圧に対する弾性可動体の変形量のシミュレーションに用いたモデルを示す図である。
【図４】図３のモデルにおいて、横軸に弾性可動体の先端の高さｈ、縦軸に両電極に印加する電圧をパラメータとした、静電引力Ｆｅと弾性可動体の機械的復元力Ｆｒとの関係を示す図である。
【図５】（Ａ）乃至（Ｄ）はそれぞれ可動体経路を説明するための図である。
【図６】第１実施形態に係る静電アクチュエータにおける静電引力Ｆｅと弾性可動体の機械的復元力Ｆｒとの関係を示す図である。
【図７】第１実施形態に係る静電アクチュエータにおける可動体電極と固定基板電極との間に印加する電圧に対する弾性可動体の変形量を示した図である。
【図８】第１実施形態の変形例として固定基板電極をメッシュ状に形成した静電アクチュエータの上面図である。
【図９】第１実施形態の別の変形例として固定基板電極を網目状に形成した静電アクチュエータの上面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。
【図１２】第３実施形態に係る静電アクチュエータにおける可動体電極及び固定基板抵抗体の位置に対する可動体電極の電位、固定基板抵抗体の電位、及び両電極間の電位差の例を示す図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。
【図１５】特許文献１に開示された従来の静電アクチュエータの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１４１】
１０…弾性可動体、  １１…固定端、  １２…先端、  １３…可動体経路、  ２０…可動体電極、  ３０…絶縁層、  ４０…固定基板電極、  ５０…固定基板、  ６０…可変電圧源群、  ７０…可変駆動電源、  ８０…可変基準電源、  ９０…固定基板抵抗体、  １００…可変抵抗。
【図１】
2005245151.tif 000004
【図２】
2005245151.tif 000005
【図３】
2005245151.tif 000006
【図４】
2005245151.tif 000007
【図５】
2005245151.tif 000008
【図６】
2005245151.tif 000009
【図７】
2005245151.tif 000010
【図８】
2005245151.tif 000011
【図９】
2005245151.tif 000012
【図１０】
2005245151.tif 000013
【図１１】
2005245151.tif 000014
【図１２】
2005245151.tif 000015
【図１３】
2005245151.tif 000016
【図１４】
2005245151.tif 000017
【図１５】
2005245151.tif 000018