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静電アクチュエータ

国内特許コード P130010041
整理番号 DH23-030
掲載日 2013年11月12日
出願番号 特願2011-171655
公開番号 特開2011-259698
登録番号 特許第5283239号
出願日 平成23年8月5日(2011.8.5)
公開日 平成23年12月22日(2011.12.22)
登録日 平成25年6月7日(2013.6.7)
発明者
  • 南 和幸
出願人
  • 国立大学法人山口大学
発明の名称 静電アクチュエータ
発明の概要

【課題】駆動過程での機械的エネルギを蓄積し、これを駆動力に変換して大きな出力を得る。
【解決手段】基板21上に、一端が出力部28と接続された弾性部材22と、該弾性部材22に歪みを与えエネルギーを蓄積させるための第1電極23及び第2電極27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22に歪みを与えエネルギーを蓄積させる如く構成されており、更にこれらの電極は、静電気力を発生する手段に接続されており、電圧を印加されることにより、弾性部材は歪みを生じ、該電圧が解放されることにより、弾性部材22の歪みが開放されることにより元の長さに復元する時の力により出力部を駆動する。
【選択図】図2

従来技術、競合技術の概要


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、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・S・V/2d ・・・・(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。

産業上の利用分野


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。

特許請求の範囲 【請求項1】
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。

【請求項2】
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。

【請求項3】
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。

【請求項4】
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。

【請求項5】
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。

【請求項6】
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。

【請求項7】
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。

産業区分
  • 発電、電動
国際特許分類(IPC)
画像

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JP2011171655thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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