JPH0496662A - リニア駆動装置 - Google Patents

リニア駆動装置

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Publication number
JPH0496662A
JPH0496662A JP21118290A JP21118290A JPH0496662A JP H0496662 A JPH0496662 A JP H0496662A JP 21118290 A JP21118290 A JP 21118290A JP 21118290 A JP21118290 A JP 21118290A JP H0496662 A JPH0496662 A JP H0496662A
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JP
Japan
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actuator
mover
stator
stator electrode
electrode
Prior art date
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JP21118290A
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English (en)
Inventor
Junichi Takahashi
淳一 高橋
Hiroyuki Horiguchi
堀口 浩幸
Motomi Ozaki
尾崎 元美
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、リニア駆動装置に関する。
従来の技術 従来、マイクロマシンニングにおけるアクチュエータを
有する装置としては種々のものか発案されている。その
第一の従来例として、第13図に示すように、中央部に
設けられたロータ(回転子)1の回りにステータ電極(
固定子)2が取り囲むようにして配設されているものが
ある。二の場合、周囲のステータ電極2に順次電圧が印
加されることにより、その静電引力によりロータ1が回
転をし、これにより動力を発生するものである。
また、その第二の従来例として、第14図に示すように
、基板3上に短冊形状をした多数のステータ電極4が配
設され、絶縁膜5を介して、円筒状のロータ6が上部に
置かれている。
この場合、直線状に配列されたステータ電極4に順次電
圧を印加していくことにより、静電引力によりロータ6
がステータ電極4の表面上を転がリ、これにより動力を
発生することができる。
さらに、その第三の従来例として、第15図に示すよう
に、直線運動を直接取り出すために、インチウオーム(
尺取り虫)の形をしたアクチュエータがある。これは、
カイトレール7上に置かれた移動可能な拡大機構8にピ
エゾ圧電素子9を取付けたものであり、これにより、そ
のピエゾ圧電素子9に適当に順次電圧を印加することに
より、拡大機構8に直線運動を発生させることができる
ものである。
発明が解決しようとする課題 第一の従来例の場合、ステータ電極1がロータ2の周囲
に配設されているため、これにより得られる駆動力は回
転運動である。従って、二のような機構から直線方向の
力を取り出すためには、その回転運動を一旦直線運動に
変換する必要があり、このためその変換する機構が必要
となり装置が複雑化する。
第二の従来例の場合、円筒状のロータ6が転がる構造と
なっているため、直接、直線運動を取り出すことは可能
となるか、しかし、実際にはそのロータ6の上部に「負
荷」を乗せる荷台か必要になり、また、そのような荷台
を設けるためには軸受が必要となり、これにより装置全
体の構成か複雑化する恐れがある。
第三の従来例の場合、拡大機構8を直線状に推進させる
ためにピエゾ圧電素子9に電圧を印加させるためのケー
ブルが必要となり、その分、部品点数が増えこのケーブ
ル自体がムダな負荷となる。
この場合、マクロな大きさのアクチュエータならそのケ
ーブルもさほど聞届とはならないが、μmオーダーの大
きさを有するアクチュエータ(いわゆる、マイクロマシ
ン)では、電力供給のためのケーブルは荷重負荷が増加
するためほとんど実現不可能である。しかも、電力供給
用の架線、レール等を設けても、摩擦、摩耗、接触不良
なとの点からほとんと実用に適していない。
課題を解決するための手段 そこで、このような問題点を解決するために、本発明は
、非直線な形状を有し弾性体からなる伸縮可能なアクチ
ュエータを少なくとも3個連設してなる移動子を設け、
この移動子を挾む移動方向に沿って配列された多数のス
テータ電極によりなるガイドレールを少なくとも2本配
設し、前記移動子の両端に位置する前記アクチュエータ
にその移動子を前記ガイドレール間で固定する移動子保
持手段を設け、前記移動子の両端以外に位置する前記ア
クチュエータにその移動子を移動方向に推進させる移動
子推進手段を設けた。
作用 これにより、移動子を挾んで対向するステータ電極間に
電圧を印加することによって、移動子のアクチュエータ
とステータ電極との間に静電力を発生させることができ
るため、移動子をガイドレールに沿って移動させる二と
か可能となり、これにより直接直進運動の駆動力を取り
出すことか可能となる。
実施例 本発明の第一一の実施例を第1図ないし第7図に基つい
て説明する。第1図は本装置の構成例を示すものである
。移動子10は、パンタグラフ型をした3個のアクチュ
エータ+1.1.2.13により構成されている。これ
らアクチュエータ11゜12.13は、弾性体からなり
伸縮可能とされている。また、この移動子10を挾んだ
対向した位置には、多数のステータ電極14か移動方向
Mに沿って配列されたカイトレール15が設けられてい
る。
この場合、前記移動子1.0の両端に位置する前記アク
チュエータ+1..13は、その移動子lOを前記ガイ
ドレール15間で固定する図示しない移動子保持手段(
第6図参照)が設けられている。
また、前記移動子10の両端以外の中央部に位置する前
記アクチュエータ12には、その移動子10を移動方向
Mに推進させる図示しない移動子推進手段(第6図参照
)が設けられている。なお、移動子保持手段と移動子推
進手段とは、後述する第6図の回路中で説明する。
また、第2図は、第1図のA −A断面図の様子を示す
ものである。前記移動子10と前記ステータ電極14と
は、多結晶Si(以下、poly−81と呼ぶ)からな
っている。poly−3iには不純物が高濃度にドーピ
ングされており、その比抵抗は非常に低いため電気導電
体と同等とみなすことができる。なお、そのpoly−
3iの表面には絶縁膜としてのS】02が被覆されてい
る。
このような構成において、パンタグラフ型をしたアクチ
ュエータ1.1,12.13からなる移動子10とステ
ータ電極14とにより構成されるリニア駆動装置の動作
原理を第5図(a)〜(f)に基づいて説明する。まず
、その動作原理の説明を行う前に、第3図(a)(b)
に基づいてアクチュエータ1.1  (なお、アクチュ
エータ12、アクチュエータ13の場合も同じ)の基本
的動作について述べる。第3図(a)はアクチュエータ
11の電極部16に対向するステータ電極14間に電圧
を印加しない場合の状態を示すものである。このステー
タ電極14間に、今、第3図(b)に示すように、電圧
上■を印加すると、ステータ電極14とアクチュエータ
11間で構成される容量(第6図参照)が大きくなるよ
うに力が働く。これにより、アクチュエータ11の電極
部16がステータ電極14に引っ張られることになるた
め、そのアクチュエータ11はステータ電極14側の上
下方向へ伸び、左右方向に縮むことになる。
ここで、第4図(a)〜(c)の各種記号の説明をして
おく。(a)は、ステータ電極14に電圧を印加するこ
とによりパンタグラフ(アクチュ二一夕の形状をいっ)
が縮み(移動方向)しがもステータ電極14に接触する
様子を示すものであり、移動子保持手段を有する移動子
1oの両端に配置されているアクチュエータ11.13
がこれに該当する。この状態を図中ではC3(Comp
ression&5et)という記号で示すことにする
(b)は、電圧印加によりパンタグラフは縮む(移動方
向M)がステータ電極14には接触しない状態を示すも
のであり、移動子推進手段を有する移動子10の両端部
以外に位置するアクチュエータ12がこれに該当する。
この状態を図中ではC(Compression)とい
う記号で示すことにする。
(C)は、電圧の印加を行わずパンタグラフが剛性によ
り縮んでいる状態を示すものであレバ移動子10のすべ
てのアクチュエータ11,12.13がこれに該当する
。この状態を図中ではF(F ree)という記号で示
すことにする。
そこで、上述したような基本構成をもとに、リニア駆動
装置の動作原理を第5図(a)〜(「)に基づ゛いて述
べる。なお、図中、C3,C,Fの各記号は前述したよ
うな動作内容とする。
まず、(a)では、アクチュエータ13の電極部16に
対向するステータ電極14間に電圧を印加する。これに
よりアクチュエータ13の電極部16が縦方向(移動方
向Mに直交する方向)に弓っ張られて伸び、ステータ電
極14と接触し固定される。
次に、(b)では、アクチュエータ12がアクチュエー
タ〕3と同様にステータ電極14に印加された電圧によ
り縦方向に伸びると同時に横方向(移動方向M)に縮む
。この時、アクチュエータ13は固定されているが、ア
クチュエータ11は固定されていないので、アクチュエ
ータ12が縮むことによりアクチュエータ11は図中右
方向に引っ張られ移動する。
次に、 (C)では、アクチュエータ11の位置に対応
するステータ電極14に電圧を印加してそのアクチュエ
ータ11を固定する。
次に、 (d)では、アクチュエータ13の位置に対応
するステータ電極14への電圧印加を止め、そのアクチ
ュエータ13をフリーの状態にする。
次に、(e)では、アクチュエータ12の位置のステー
タ電極14への電圧印加を止める。これにより、縦方向
に伸びていたアクチュエータ12が元の状態に復帰し、
電圧印加時に比べて左右方向に伸びる。この時、アクチ
ュエータ11はステータ電極14に固定されているため
、アクチュエータ13は右方向に移動する。
次に、(f)では、アクチュエータ13の位置に対応す
るステータ電極14に電圧を印加してそのアクチュエー
タ〕3を固定する。
以下、(a)〜(f)までのシーケンスを繰り返すこと
によって、移動子10は右方向に移動していく。なお、
左方向に移動させる場合は、(a)〜(f)のシーケン
スを全く逆に行えばよいことになる。
次に、上述した第5図(a)〜(f)に示したようなシ
ーケンスを行うための回路構成の一例を第6図に示し、
以下、その回路の動作原理を第1段階から第5段階に分
けて説明する。なお、二の回路は、移動子保持手段と移
動子推進手段とを含むものである。
まず、第1段階において、モードコントロール回路17
は、位置検出モードにすべくモード切換信号aをアドレ
スメモリ18及びモード切換スイッチ19に送る。これ
によりモード切換スイッチ19はそのスイッチをCメー
タ20側にセットし、また、アドレスメモリ18はピー
ク検知回路21からのピーク検知信号すに同期してアド
レス信号発生回路22から出力されるステータ@梗選択
信号Cのアドレスコードを記憶するような状態となる。
次に、第2段階において、アドレス信号発生回路22か
出力するステータ電極選択信号Cによりステータ電極選
択スイッチ23がステータ電極14と接続されているス
イッチを順次オン状態にしていく。このステータ電極選
択スイッチ23はコモン接続されていてCメータ2oに
接続されている。移動子10が存在するステータ電極1
4をステータ電極選択スイッチ23が選択すると、その
ステータ電極14間の容量は大きいので、Cメータ20
の容量値測定出力信号dの値が大きくなる(その理由は
移動子10は高不純物濃度polyS工なので、これが
存在するステータ電極14間の距離が実質上短くなるた
め容量が大きくなることになる)。
そして、ピーク検知回路21はその容量値測定出力信号
dの増加を検出し、容量が増加したことをピーク検知信
号すによりアドレスメモリ18に伝える。このアドレス
メモリ18は、ピーク検知信号すに同期してその時点の
アドレス信号発生回路22の出力しているステータ電極
選択信号Cのアドレスコードを記憶する。このアドレス
コードは、移動子10の存在するステータ電極14の番
号に対応するので、これによりとのステータ電極14に
移動?1.Oか位置しているかを知ることができる。
次に、第3段階において、アドレスメモリ18がステー
タ電極14のアドレスコードを記憶すると、アドレスメ
モリ18は移動子10の位置を検知記憶したことを伝え
る位置検知完了信号eをモードコントロール回路17に
出力するー。これにより、モードコントロール回路17
は、ステータ電極14へ電圧印加を行う(移動子10を
移動させる)モードにすることをモード切換信号aによ
りアドレスメモリ18、アドレス信号発生回路22、モ
ード切換スイッチ19に命令する。これにより、モード
切換スイッチ19のスイッチが、移動子lOを移動する
ためのエネルギーを供給する電圧源24側に切り換わる
。また、アドレスメモリ18は記憶したアドレスを移動
子位置アドレス信号fを通じてアドレス信号発生回路2
2に送り、このアドレス信号発生回路22はこれをスタ
ートアドレスとして記憶する。
次に、第4段階において、アドレス信号発生回路22が
記憶したスタートアドレスを基準として、第5図で示し
たようなシーケンスが進むようにステータ電極選択信号
Cを通してステータ電極選択スイッチ23を制御する。
次に、第5段階において、第4段階にて1シーケンスが
終了したら、再び第1段階に戻って同様な作業を繰り返
して行う。
このような手順に従ってステータ電極14に電圧を印加
していくことにより、移動子10を移動させることがで
きる。なお、ここでは、1シーケンス毎に移動子10の
位置検出を行うようにしたが、1シーケンスにより移動
する距離のバラツキが小さければ、位置検出を行う間隔
をもっと広げるようにしてもよい。
次に、本装置の作製プロセスを第7図(a)〜(g)に
基づいて説明する。
まず、(a)では、S1単結晶基板(C−3iとも呼ぶ
、なお、石英、サファイヤ等でもよい)25上に510
226、Si、N427を積層した後、さらに、その上
部にステータ電極14のリード配線となるpoly−3
i28を形成し、その後、所望のパターンにエツチング
する。
次に、(b)(c)では、犠牲層となるSi0.29を
形成した後、ステータ電極14とリード配線間のコンタ
クトホール30と、アクチュエータ11.12.13の
すべりを良くするためのブッシングとなる領域31のパ
ターンをエツチングにより形成する。
次に、(d)では、そのエツチングを行った後の表面に
poly  5i32を形成する。アクチュエータ11
,12.13の剛性を高くし、電極面積を大きくして発
生する静電引力を大きくするために2〜5μmの厚みと
する。
次に、 (e)では、ステータ@棲14、移動子10(
アクチュエータ11,12.13)の形状となるように
エツチングを行う。
次に、 (f)では、バッフアートフッ酸(BHF)に
より、犠牲層としての810229を除去し、移動子1
0は基板から離れ、自由に動くことができるようになる
次に、 (g)では、ステータ電極14及び移動子10
の材料であるpoly−3i32を熱酸化させ表面に8
10233を形成する。これにより、移動子10がステ
ータ電極14に接触した時にステータ電極14間に短絡
電流が流れ、素子が発熱により破壊されるのを防ぐこと
ができる。
上述したような(a)〜(g)に示すようなプロセスに
より本装置(第2図参照)を作製することができる。
次に、本発明の第二の実施例を第8図ないし第12図に
基づいて説明する。前述した第一の実施例では、移動子
10、すなわち、アクチュエータ1.1,12,1.3
を挾んだ外側の領域にのみステータ電極14を設けたが
、ユニでは、アクチュエータ11,1.2.13の外側
だけでなくその電極部16の内側の領域にもステータ電
極34を設けたものである。この場合、内側のステータ
電極34の配線は、多層配線により外側のステータ電極
14の位置まで伸び電極取出パッド35に接続されてお
り、そのパッド部より内側のステータ電極34への電圧
印加を可能としている。
また、第一の実施例と同様に、両端のアクチュエータ1
1.13は、内側のステータ電極34又は外側のステー
タ電極14に電圧を印加することによってその電極部1
6がステータ電極14,34に接触し固定されるように
、その寸法、形状、材料等を決定する。一方、両端以外
の中央に位置するアクチュエータ12は伸び縮みしても
、その電極部16がステータ電極14.34には接触し
ないように設計する。
このような構成において、内側のステータ電極34に電
圧を印加することにより、各アクチュエータ11,12
.13は第一の実施例の時よりも積極的に縦方向に縮み
、横方向(移動方向M)に伸びることになる。この場合
、移動子10の1シーケンスの移動距離は、移動子10
の中央に位置するアクチュエータ12が左右に伸びた場
合と縮んだ場合の「幅」の差によって決まる。従って、
本実施例の場合におけるその「幅」の差は、第一の実施
例の時よりも大きいために1シーケンス当りの移動距離
はその第一の実施例の時よりも一段と大きくなる。
次に、この第二の実施例における装置の動作原理につい
て説明する。まず、本装置の動作原理を説明する前に、
前述した第4図の場合と同様に、移動子10の基本動作
を第10図の記号に基づいて行うことにする。
記号TS (Tension&5et)は、パンタグラ
フが伸び(移動方向M)Lかもステータ電極34に接す
る状態を示すものである。記号C3(Compress
ion& 5et)は、パンタグラフが縮み(移動方向
M)Lかもステータ電極14に接する状態を示すもので
ある。記号T(TenS100)は、パンクグラブが伸
びる(移動方向)だけである。記号F(F ree)は
電圧を印加せずに自由状態にあるものを示すものである
。記号C(Compression)は、パンタグラフ
が縮む状態を示すものである。
次に、リニア駆動装置の動作原理を第11図(a)〜(
g)に基づいて述べる。なお、図中、TS、C3,T、
F、Cの各記号は前述したような動作内容とする。
まず、(a)では、図中右側のアクチュエータ13の位
置に対応する外側のステータ電極14に電圧を印加する
。これにより、アクチュエータ13は、縦方向に伸び、
ステータ電極14に固定される。
次に、 (b)では、中央のアクチュエータ12の位置
に対応する内側のステータ電極34に電圧を印加するこ
とにより、そのアクチュエータ12の電極部16は内側
に引っ張られ、これにより、アクチュエータ12は縦方
向に縮み、横方向に伸びる。この時、アクチュエータ1
2は固定されているため、アクチュエータ11は左方向
に移動する。
次に、(C)では、左側のアクチュエータ11の位置に
対応する内側のステータ電極34に電圧を印加すること
により、そのアクチュエータ11を固定する。
次に、(d)では、アクチュエータ11の位置に対応す
るステータ電極14への電圧印加を止め、アクチュエー
タ11をフリーの状態にする。
次に、 (e)では、アクチュエータ12の位置に対応
する内側のステータ電極34への電圧印加を止めると同
時に同じ位置の外側のステータ電極14に電圧を印加す
る。これにより、アクチュエータ12は縦方向に伸び、
左右方向(移動方向M)に縮む。アクチュエータ11が
固定されているので、アクチュエータ13は左に移動す
る。
次に、(f)では、アクチュエータ13の位置に対応す
る外側のステータ電極14に電圧を印加してそのアクチ
ュエータ13を固定する。
次に、(g)では、アクチュエータ11の位置に対応す
る内側のステータ電極34への電圧印加を止め、そのア
クチュエータ1】をフリーにする。
このように(a)〜(g)のシーケンスを繰り返して行
うことによって、移動子10は図中左方向へ進行してい
く。なお、両端のアクチュエータ11.1.3を固定す
るためには、内側、外側のどちらのステータ電極14.
34に電圧を印加すようにしてもよい。また、この場合
、移動子10を右方向に移動させるためには、(a)〜
(g)のシーケンスを逆に行えばよい。
次に、本装置の作製プロセスを第12図(a)〜(k)
に基づいて説明する。
ます、(a)では、C−3i36上にSin。
37、Si、N438を順次成膜した後、さらに、その
表面にpoly−3i39を成膜しその中央部のエツチ
ングを行う。
次に、(b)では、外側のステータ電極14のリード配
線と内側のステータ電極34のリード配線とを絶縁する
ために、層間絶縁膜のSi3N、40を成膜しパターン
ニングする。
次に、(C)では、外側のステータ電極14のリード配
線層としてのpoly−3i41を成膜しパターンニン
グを行う。
次に、(d)では、移動子10を基板から自由にするた
めの犠牲層となる510242を成膜しパターンニング
する。
次に、(e)では、移動子10を構成するアクチュエー
タ11.,12.13及びステータ電極14.34とな
るpoly−3i43を2〜5 p、 m成膜する。
次に、(f)では、そのpoly−3i43をエツチン
グして、アクチュエータ11,12.13のパンタグラ
フ部44及びその電極部45、内側のステータ電極34
、外側のステータ電極14の形状をパターンニングする
次に、(g)では、アクチュエータ1.1,1.2゜1
3のパンタグラフ部44とその電極部45とを接続する
ためのブリッジ部分と、内側のステータ電極34及び外
側のステータ電極14とを分離するために、犠牲層とし
て510246を形成する。
次に、(h)では、アクチュエータlb、、12゜13
のパンタグラフ部44とその電極部45とを接続するた
めに、これらの上部のSjo、4Gをエツチングにより
除去しコンタクトホール47を設け、これによりパンタ
グラフ部44とその電極部45とを露出させる。
次に、 (1)では、そのコンタクトホール47を通し
てpoly−3i48を形成し、これによりブリッジ形
状にパターンニングする。
次に、(j)では、移動部10(アクチュエータ11,
12.]、3)を基板部分から分離して自由にするため
に、BHFによって810246を除去する。
次に、(k)では、poly−3i48の表面をSin
、49で酸化し、ステータ電極14,34間に短絡電流
が流れないように電極表面を絶縁する。
上述したような(a)〜(k)のプロセスにより本装置
(第9図参照)を作製することができる。
発明の効果 本発明は、非直線な形状を有し弾性体からなる伸縮可能
なアクチュエータを少なくとも3個連設してなる移動子
を設け、この移動子を挾む移動方向に沿って配列された
多数のステータ電極によりなるガイドレールを少なくと
も2本配設し、Ajj記移動子の両端に位置する前記ア
クチュエータにその移動子を前記ガイドレール間で固定
する移動子保持手段を設け、前記移動子の両端以外に位
置する前記アクチュエータにその移動子を移動方向に推
進させる移動子推進手段を設けたので、移動子を挾んで
対向するステータ電極間に電圧を印加することによって
、移動子のアクチュエータとステータ電極との間に静電
力を発生させることかできるため、移動子をガイドレー
ルに沿って移動させることが可能となり、これにより、
直接、直進運動の駆動力を取り出すことが可能となり、
しかも、軸受は構造が不要な無索のリニア駆動源を得る
ことができるものである。
10・・・移動子、 11.12.13・・・アクチュエ ータ、1.4.34・・・ステータ電極
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第一の実施例を示す構成図、第2図は
そのA−A断面図、第3図はアクチュエータの基本動作
を示す説明図、第4図はアクチュエータの動作状態を記
号を用いて示す説明図、第5図は移動子の動作原理を示
す説明図、第6図はそのシーケンスを行うための回路図
、第7図は第2図の作製プロセスを示す説明図、第8図
は本発明の第二の実施例を示す構成図、第9図はそのA
A断面図、第10図はアクチュエータの動作状態を記号
を用いて示す説明図、第1I図は移動子の動作原理を示
す説明図、第12図は第9図の作製プロセスを示す説明
図、第13図は第一の従来例を示す構成図、第14図は
第二の従来例を示す構成図、第15図は第三の従来例を
示す構成図である。 株式会社 −1−一12.“1が 明・1・咀 T−ζ −二1 1こ迅ワ1 図 (a) ND 5図 (ケ○Z) LrNL) ■ 鉗り 一■ J 7図 (、’2(rlZ ) 、% 、17図(穎2)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 非直線な形状を有し弾性体からなる伸縮可能なアクチュ
    エータを少なくとも3個連設してなる移動子を設け、こ
    の移動子を挾む移動方向に沿って配列された多数のステ
    ータ電極によりなるガイドレールを少なくとも2本配設
    し、前記移動子の両端に位置する前記アクチュエータに
    その移動子を前記ガイドレール間で固定する移動子保持
    手段を設け、前記移動子の両端以外に位置する前記アク
    チュエータにその移動子を移動方向に推進させる移動子
    推進手段を設けたことを特徴とするリニア駆動装置。
JP21118290A 1990-08-08 1990-08-08 リニア駆動装置 Pending JPH0496662A (ja)

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