(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を伝導する電極を有する１対のアクチュエータ板であって、該１対のアクチュエータ板の少なくとも一方が他方に対して可動にされ、前記アクチュエータ板に取り付けられた電極により電圧が印加された時に動くように配設されるものであり、前記電圧は、振幅が上昇する矩形波を含む上昇区分と、一定振幅の矩形波を含む公称区分と、振幅が下降する矩形波を含む下降区分とを含む合成ＡＣ信号により構成されるものである、１対のアクチュエータ板と、
前記電極へ、前記合成ＡＣ信号の形の電圧を供給してアクチュエータ板を動かすための駆動手段であって、前記公称区分の期間およびアクチュエータの機械的応答時間の少なくとも１０〜１００倍の上昇および下降の区分を有する合成ＡＣ信号を発生するものであり、前記公称区分よりも長い前記上昇および前記下降の期間は、前記一対のアクチュエータ板への機械的衝撃の低減および前記一対のアクチュエータ板からの電荷の放出の向上における支援となる、駆動手段と、
を備える静電アクチュエータ。
【請求項２】
前記上昇および下降の区分が前記ＡＣ信号の期間の２０倍以上である、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記上昇および下降の区分が前記ＡＣ信号の全期間の４分の１である、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記合成ＡＣ信号の公称区分のみをアクチュエータを駆動するために用いる、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記合成ＡＣ信号は、方形波と、正弦波と、三角波と、それらの混合のものとのうちから選択される、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記駆動手段は駆動回路であり、該駆動回路は、基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて零から所望の最終値まで増加する信号振幅をもつ上昇区分を有する作動サイクルを生成する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記駆動手段は駆動回路であり、該駆動回路は、基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて公称最終値から零まで減少する信号振幅をもつ下降区分を有する作動サイクルを生成する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記駆動手段は駆動回路であり、該駆動回路は、基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて零から所望の最終値まで増加する信号振幅をもつ上昇区分と、基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて公称最終値から零まで減少する信号振幅をもつ下降区分とを有する作動サイクルを生成する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記静電アクチュエータはタッチモード静電アクチュエータである、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
電圧を伝導する電極を有する１対のアクチュエータ板を有し、該１対のアクチュエータ板の少なくとも一方が他方に対して可動にされ、該１対のアクチュエータ板は、前記アクチュエータ板に取り付けられた電極により電圧が印加された時に動くように配設される、タッチモード静電アクチュエータであって、
タッチモード静電アクチュエータは、更に、前記電極へ電圧を供給してアクチュエータ板を動かすための駆動手段を有し、
合成ＡＣ信号を生成する駆動手段を備えることを特徴とし、前記合成ＡＣ信号は、前記合成ＡＣ信号の公称区分および前記アクチュエータの機械的応答時間の少なくとも１０倍から１００倍の期間を有する上昇および下降の区分をもち、前記上昇区分は、振幅が上昇する矩形波を含み、前記公称区分は、一定振幅の矩形波を含み、前記下降区分は、振幅が下降する矩形波を含むものであり、前記公称区分よりも長い前記上昇および前記下降の期間は、前記一対のアクチュエータ板への機械的衝撃の低減および前記一対のアクチュエータ板からの電荷の放出の向上における支援となることを特徴とする、
タッチモード静電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記上昇および下降の区分が前記合成ＡＣ信号の期間の２０倍以上である、請求項１０に記載のタッチモード静電アクチュエータ。
【請求項１２】
前記上昇および下降の区分が前記合成ＡＣ信号の全期間の４分の１である、請求項１０に記載のタッチモード静電アクチュエータ。
【請求項１３】
前記合成ＡＣ信号の公称区分のみをアクチュエータを動かすために用いる、請求項１０に記載のタッチモード静電アクチュエータ。
【請求項１４】
前記合成ＡＣ信号は、方形波と、正弦波と、三角波と、それらの混合のものとのうちから選択される、請求項１０に記載のタッチモード静電アクチュエータ。
【請求項１５】
前記駆動手段は駆動回路であり、該駆動回路は、基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて零から所望の最終値まで増加する振幅をもつ作動サイクルを生成する、請求項１０に記載のタッチモード静電アクチュエータ。
【請求項１６】
前記駆動手段は駆動回路であり、該駆動回路は、基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて公称最終値から零まで減少する振幅をもつ作動サイクルを生成する、請求項１０に記載のタッチモード静電アクチュエータ。
【請求項１７】
前記駆動手段は駆動回路であり、該駆動回路は、基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて零から所望の最終値まで増加する振幅と、同様の基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて公称最終値から零まで減少する振幅とをもつ作動サイクルを生成する、請求項１０に記載のタッチモード静電アクチュエータ。
【請求項１８】
静電アクチュエータを駆動する方法であって、該静電アクチュエータは、電圧を伝導する電極を有する１対のアクチュエータ板を有し、該１対のアクチュエータ板の少なくとも一方が他方に対して可動にされ、該１対のアクチュエータ板は、前記アクチュエータ板に取り付けられた電極により電圧が印加された時に動くように配設されるものであり、方法は、
前記アクチュエータ板を動かすために前記電極へ電圧を供給するステップを備え、駆動手段により、上昇区分と公称区分と下降区分とを含む合成ＡＣ信号の形の前記電圧を生成することを特徴とし、上昇区分は、前記公称区分および前記アクチュエータの機械的応答時間の少なくとも１０倍から１００倍であり、前記下降区分は、前記公称区分および前記アクチュエータの機械的応答時間の少なくとも１０倍から１００倍であり、前記公称区分よりも長い前記上昇および前記下降の期間は、前記一対のアクチュエータ板への機械的衝撃の低減および前記一対のアクチュエータ板からの電荷の放出の向上における支援となることを特徴とする、
方法。
【請求項１９】
前記上昇区分および前記下降区分は前記合成ＡＣ信号の期間の２０倍以上である、請求項１８の方法。
【請求項２０】
前記上昇区分および前記下降区分は前記合成ＡＣ信号の全期間の４分の１である、請求項１８の方法。
【請求項２１】
前記合成ＡＣ信号の公称区分のみを用いてタッチモード静電アクチュエータを駆動する、請求項１８の方法。
【請求項２２】
前記合成ＡＣ信号は、方形波と、正弦波と、三角波と、それらを混合したものとのうちから選択される、請求項１８の方法。
【請求項２３】
前記信号は、基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて零から所望の最終値まで増加する振幅をもつ作動サイクルを生成する、請求項１８の方法。
【請求項２４】
前記信号は、基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて公称最終値から零まで減少する振幅をもつ作動サイクルを生成する、請求項１８の方法。
【請求項２５】
前記信号は、基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて零から所望の最終値まで増加する振幅と、同様の基本ＡＣ信号の複数の個々の期間を通じて公称最終値から零まで減少する振幅とをもつ作動サイクルを生成する、請求項１８の方法。
【請求項２６】
方形波ＡＣ信号の周波数と、振幅変調の上昇と下降の時間とを調節して、前記アクチュエータ板間の静止摩擦を最小化するステップを含む請求項１８の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（背景技術）
本発明は駆動装置並びに静電アクチュエータ装置を駆動する方法に関する。特に本発明は合成ＡＣ信号を用いる駆動装置とその駆動方法に関する。
【０００２】
（従来の技術）
静電アクチュエータは低電力を用い、高速で動作し、低生産コストが要求され、小型のアクチュエータとして選択され得るように設けられ得、またその解決策ともなる。これらの装置は顕著な利点を提供する：非常に少ない電力を要する過温度装置、少電力で小型の過電磁装置あるいは高コストで動作振幅の極めて小さい圧電アクチュエータである。
【０００３】
しかしながら今日まで商業的に入手し得る静電アクチュエータは存在していない。特に関心が持たれるのは、誘電的に絶縁した電磁の存在下での静電作動にあるが、これには特別の問題が含まれる。
【０００４】
静電アクチュエータにおいては所望の変位が一方を可動にした２つの物体中の異極性電荷の分布間の相互作用で生じる静電引力に生じる。本発明の目的においてはこれら２つの物体はアクチュエータ板として知られる。これらアクチュエータ板は所定の距離をおいて離間される。次いでアクチュエータ板の一部をなす２つの導電電極間に電位差を印加し得電荷分布を発生させる。アクチュエータは電極間に電位差が生じるとオン状態になり、２枚のアクチュエータ板は相互に対向側に向けて動く。アクチュエータは電極が同電位になるとオフ状態（短絡）になる。
【０００５】
ＤＣ電圧は理論的には動作周期のオン状態を表わし得る。しかしながら実際問題として静電アクチュエータの作動用のＤＣ電圧の印加を制限する。実際上、装置においてＤＣ駆動は、アクチュエータの挙動が作動過程の履歴に強く依存すると言うメモリー効果を示す。ＤＣ駆動はまた静摩擦を（１）誘電・金属電磁インタフェースで誘電体に付与された電荷を介し、また（２）誘電・空気インタフェースで捕捉された電荷を介して誘導する。
【０００６】
ＡＣ信号を用いて静電アクチュエータのオン状態を誘導することもまた可能であり、ＤＣ駆動の欠点を除去し得る。
【０００７】
一方正弦波ＡＣ駆動も幾つかの不利な特徴を有することが判明している。正弦波ＡＣ駆動は多方面の応用において要求される安定したレベルの静電圧を発生しない。アクチュエータ板の変位は、ＡＣ正弦波電圧が印加された時の不都合な振動運動に帰着する正弦波印加電圧を伴い勝ちである。この欠点に打ち勝つためには多相あるいは多極駆動機構を用い得る。しかしながらこの方法は複雑な構成と限られた力に帰着する。方形波ＡＣ駆動は高く、安定した静電力を提供し得るが、方形波ＡＣ駆動は実際的な装置を適正な予測寿命で動作させる以上に性能に悪影響する早期の静摩擦を生じ得る。
【０００８】
一連の特許が導入出口間の主流路と付加的に導入出口間のサーボ流路とを用いた超小型のバルブ、センサ並びに他の要素を使用する流体制御構成を開示している。サーボ流路は垂片を静電的に動かすようなコントロールフローチューブによって制御される。ボン他による米国特許第５，１７６，３５８号にはこのような流体制御装置を開示しており、分割された米国特許第５，３２３，９９９号と第５，４４１，５９７号が他の実施形態を開示している。
【０００９】
上記特許においては実際の静電装置は簡単に説明されるだけで、誘電層の一部を形成する少なくとも１つの垂片が、連携する少なくとも１つの電極の電位を変化させる手段の作動時に、開口に対し接離方向に連動する。
【００１０】
上記特許群には、静電力を用いたマイクロバルブに関する情報に係る他の一連の特許も開示されている。最初に挙げた特許において言及する米国特許出願はボン他の米国特許第５，０８２，２４２号として登録されている。この特許が記載するマイクロバルブはシリコン基板上に一体化した構造で、シリコン基板の両対向側部に導入出口を有する流通バルブを構成するように設けられている。このバルブはバルブ性能を低下させないように釣り合わせて形成された各面を有するバルブシートとの接合によって閉じられる。２件の米国特許第５，１８０，６２３号および第５，２４４，５２７号が第１の特許の分割であり、これらの特許は各種の電圧源によって駆動される静電バルブの動作を概略的に開示している。特にバルブは電極間にＤＣ電圧を印加することによって全開位置と全閉位置を含む２位置バルブとして動作するように設けられている。また比例制御バルブとしての動作が、バルブを閉じるために要する電圧に比例する電圧を印加することにより実行されるとして開示される。最後にこれらの特許はバルブを通るガス流を調節するためパルス幅変調電圧によるバルブの動作が開示される。
【００１１】
ある静電アクチュエータでは正常な動作周期の間にアクチュエータ板を密接させる必要がある。このようなアクチュエータはタッチモードの静電アクチュエータと呼ばれることもある。動作周期のタッチ相の間の電気的短絡を防止するためには、導電電極が誘電層によって互いに隔絶される。特定の装置から最大の仕事を得るためには、通常２つの導電電極間に大きな電界を生じさせる。静電引力の非直線性はスナップ作用に帰着し、アクチュエータ板は１０８ｇにも達する加速度と１０３ｍ／ｓｅｃ．を越える速度で相互に向かい合ってって移動する。衝突後アクチュエータ板の自由面は静電的に発生した大きな圧力で互いに圧接される。この動作モードは両アクチュエータ板間に延設される極めて大きな機械的衝撃と強い干渉力の可能性を生じる。これらの力の一部はアクチュエータ板間の位相差の除去後にも作用し続ける。ある場合にはこれらの力が電極を元の位置に戻すために利用し得る復元力より強い。この場合２つの電極が一時的あるいは永久に付着したままとなり、アクチュエータが企図され所望される機能を停止する。この状態を静摩擦と呼ぶ。
【００１２】
静電アクチュエータで静摩擦を生じる主な力は、誘電体に永久的にあるいは一時的に捕捉される電荷によって生じる表面干渉力（固体の橋絡、ファンデルワールス力、水素統合）と静電力である。この表面干渉力を減じるためには、２つの方法が挙げられる。第一に接触面積を減らすことにあるが極めて複雑な構造を必要とし、得られるべき静電力の一部を失う。第二に接触層の表面エネルギーを減じることであるが、この概念に基づく装置で有用であるものは未だない。
【００１３】
アクチュエータの寿命期間中、大きな機械的衝撃と大きな静電圧はアクチュエータ板間の実際の接触面積を次第に増加し、表面干渉力を強める。
【００１４】
この増強が減少あるいは全く回避できれば技術上の大きな利益となる。
【００１５】
またいかなるアクチュエータとその物理的要素の形態に用い得る静電アクチュエータの駆動方法が提供されればこれも大きな技術上の利益となる。
【００１６】
他の利点は下述において明らかとなろう。
【００１７】
（発明の開示）
本発明の上述の目的と他の目的とは下記のように達成される。特に本発明は、区分Ｉまたは上昇区分、区分ＩＩまたは公称区分および区分ＩＩＩまたは下降区分とそれぞれ呼ばれる３種の区分で合成したＡＣ信号を発生するアクチュエータ駆動を含む。公称区分は実際の力発生区分として働き、上昇および下降の各区分はＡＣ信号のゼロ信号と公称振幅との間の転移区分として働く。この駆動は電荷を減少し、アクチュエータ板間の接触の機械的衝撃を減少するアクチュエータの寿命期間の包括的な増加に帰着する。各区分で用いる信号は方形波、正弦波、三角波または混合した信号で良い。
【００１８】
装置は少なくとも一対のアクチュエータ板とこれらに電圧電位を導通させる電極とを有する静電アクチュエータに用いられる。一対のアクチュエータ板の少なくとも一方は他方に対し可動にする。両板は電極を介して電圧電位を印加時に可動であるよう位置する。駆動装置が電極に電圧電位を供給して少なくとも一方の板を動かす。
【００１９】
本発明の駆動装置は下記の構成の合成ＡＣ信号を発生する。区分ＩＩまたは公称区分の信号は方形波ＡＣ信号である。この信号は安定した静電力を発生し得る。この信号の振幅と周波数は特定の応用例の機械的電気的特性によって選択される。この信号の一例は方形波ＡＣ信号６０Ｖのピーク間振幅と２５０Ｈｚの周波数である。寿命期間要求が控えめ（何千回かの作動周期の数百回）である一部の応用例ではこの信号区分は孤立し得る。
【００２０】
区分Ｉと区分ＩＩＩの信号は格別の静電力を発生する必要はないが、電気信号の振幅の緩徐な増加と減少を確実にすることを要する。増加と減少とは信号が零から最大値に達する時間がアクチュエータの機械的応答時間よりも少なくとも１０倍から１００倍長ければ緩徐と考えられる。このようにしてアクチュエータの変位は印加電圧に追従し得る。これらの要件を満たす信号は振幅を変調した方形波、正弦波または三角波の信号である。振幅変調は限定はしないが、直線指数または正弦波状関数のような所望の時間依存性に従い得る。区分Ｉと区分ＩＩＩのＡＣ信号の周期の数は特定応用例の応答時間と力要求に従って変化し得る。望ましい実施形態は２０サイクル以上である。
【００２１】
正弦波または三角波信号が合成信号の区分Ｉと区分ＩＩＩまたはその一方で使用される時は、この区分は全ＡＣサイクルの４分の１まで減少し得る。これは装置の応答時間と電力消費を顕著に減少させるが、同時に機械的衝撃の減少と電荷の減少における利点が維持される。
【００２２】
所望の回路は零から基本ＡＣ信号の複数の各期間を経て所望の最終値に至る振幅増加と、公称最終値から同様の基本ＡＣ信号の複数の期間を経て零に至る振幅減少とを含む作動サイクルを生じる。
【００２３】
ＡＣ信号の上昇・下降区分と周波数の詳細な構成は広範な値に亙って調整し、特定の応用例の速度と力の要求に適合させ得る。ＡＣ信号の特定の周波数と上昇・下降区分の回数はアクチュエータ板間の静摩擦の最小限化のために調整することを企図する。
【００２４】
本発明の更に完全な理解のために、以下図面について説明する。
【００２５】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明はＤＣ信号で駆動される同一のアクチュエータと比較すれば何千倍も、また規則的な方形波信号と比較すれば２０倍以上の動作寿命時間を有する改良された静電アクチュエータを提供する。
【００２６】
図１に示すように本発明の駆動信号の形は３種の異なる区分：振幅が直線的に増加する方形波ＡＣ信号でなる上昇区分と、振幅が一定の規則的方形波信号でなる公称区分と、振幅が直線的に減少する方形波ＡＣ信号でなる下降区分とで合成された信号である。信号の上昇区分と下降区分の時間はＡＣ信号の１期間よりも長い。これはアクチュエータ部品間の電荷の減少と衝撃の減少とに帰着する。
【００２７】
図１に見られるように方形波信号は約５０ミリセカンド（ｍｓ）で信号の１期間より相当の長い上昇区分を有する。下降区分も約５０ｍｓで信号の１期間と比べて同時間、延長する。
【００２８】
図２は直線的振幅変調と同様の図であり、ここでは作動サイクルの連続するオン状態の位相上の変化を示す。この信号の期間に比べて長い上昇および下降区分も明瞭に示される。図３はまた信号の期間と比べて長い上昇と下降区分を有する、正弦波状振幅変調の二者択一的な実施形態が示される。図４は全て本発明に従って直線的振幅変調をした正弦波・方形波の組合せ波形の駆動電圧を示す。図５は全ＡＣサイクルの４分の１の期間のみ信号の上昇区分と下降区分の各々を実現する合成正弦波・方形波駆動電圧の特定の場合を示している。
【００２９】
合成信号の上昇・下降区分の駆動信号周波数と振幅並びに時間は本発明の特定の装置への応用に従って広範囲に調節可能になる。その変更の範囲について限定するものではないが、その一例はピーク間振幅を７０Ｖ、上昇・下降の各時間を０．１秒とする方形波周波数２５０Ｈｚである。一例としてのみ言えば二者択一的に１．６ｋＨｚの方形波周波数と上昇・下降の各時間を０．０２秒を使用しても良い。そのいずれの場合も周波数、振幅、上昇・下降時間の特定の値は発明の特定の応用によって定まる。
【００３０】
本発明とその発生する信号とによれば、上昇・下降区分の時間は駆動信号の１期間の４分の１とＡＣ信号の期間の数倍との間で良い。上昇・下降回数は少なくとも２０回は長くするようにすることが望ましく、これは作動電圧の始まりにおける機械的衝撃の減少に寄与し、作動電圧の除去時における電荷の放出を向上させることになる。これは本発明以前には不可能であった。
【００３１】
本発明の信号の発生には諸種の回路を使用し得るが、回路は基本ＡＣ信号の充分な数の各期間を経て零から所望の最終値まで増加する振幅で作動サイクルを開始し得るものが求められる。各作動サイクルの終期はまた、再び充分な数の基本ＡＣ信号期間を経て公称値から零までＡＣ信号の振幅を減じるものにする必要がある。
【００３２】
図６は本発明による所望の駆動信号の発生に用いた、ある回路の構成を示すが、いずれにしても本発明はこの回路に限定されるものではない。
【００３３】
図５の回路で発生した信号は２５０Ｈｚの方形波の周波数を有する。方形波の公称振幅はピーク間で７０Ｖである。上昇時間と下降時間はいずれも０．１秒である。アクチュエータの実動作に用いた変調周波数は約１Ｈｚである。
【００３４】
図６に示すように入力１１における電圧は位相反転器１３に与えられて、その信号はクロック発生器１５とエンベロープ発生器１７の双方に達する。エンベロープ発生器１７からの信号は増幅器１９で増幅され、クロック発生器１５から信号が与えられるＤＣ・ＡＣ変換器２３によって処理され、アクチュエータ２１に送られる。この装置は図１〜図４に示す信号を形成し、下記の試験を行うために使用した。
【００３５】
本発明の効果を確認するために６種のタッチモード静電アクチュエータを、いずれも１Ｈｚの作動速度で作動される２５枚の列状フラップとして用意した。６種のアクチュエータは（１）そのうちの３種を図１に示す本発明の駆動信号で、（２）３種をアクチュエータの機械的応答時間より短い上昇・下降時間の規則的方形波で駆動する。本発明により信号駆動させ装置は如何なる失敗もなく８，０００，０００サイクルのオン・オフを達成した。規則的方形波で駆動した比較用の装置はフラップの９０％において非周期動作を示した。この結果４００，０００サイクルのみの経過後にフラップの６０％が静摩擦を示した。約３５０，０００サイクル後には顕著な失敗があり、フラップの３０％が初期の３５０，０００サイクル中に、他の３０％が次の５０，０００サイクルの間に失敗した。ＤＣ電圧で駆動した同様の装置は２、３回の作動サイクル後に静摩擦を示した。これは本発明が実際上機械的衝撃と静摩擦を減じていることの実体的証拠である。
【００３６】
上述から明らかなように、本発明はほとんど如何なる静電アクチュエータにおける使用にも確実に適合し得る。特にタッチモードの応用例における利点として本発明は、バルブ類、ポンプ類、スイッチ類、シャッタ類、揺れモータ類、同様の各種装置として用いられる静電アクチュエータにおいて有用である。アクチュエータ板間の機械的衝撃の減少と好適な駆動電圧の選択による静摩擦の減少を伴う本発明の顕著な特徴によって、これらの装置ははるかに高い機能上の能力と長期間に亙る持続性とを示す。本発明の特定の実施形態を図示し、説明したが、下記の請求範囲に規定するもの以外、本発明を限定するものはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は本発明による静電アクチュエータにおいて使用する駆動信号を示す時間に伴う電圧の特性図である。
【図２】  図２は本発明による静電アクチュエータにおいて使用する駆動信号を示す時間に伴う電圧の特性図である。
【図３】  図３は本発明による静電アクチュエータにおいて使用する駆動信号を示す時間に伴う電圧の特性図である。
【図４】  図４は本発明による静電アクチュエータにおいて使用する駆動信号を示す時間に伴う電圧の特性図である。
【図５】  図５は本発明による静電アクチュエータにおいて使用する駆動信号を示す時間に伴う電圧の特性図である。
【図６】  図６は本発明の駆動回路の構成の一実施形態を示すブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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