JPH06284750A

JPH06284750A - 積層静電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH06284750A
Application number: JP7054593A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Otsuka; 義則大塚; Michio Hisanaga; 道夫久永; Tadashi Hattori; 服部　　正; Kozo Shibata; 宏三柴田
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 1994-10-07

Abstract

(57)【要約】【目的】隣設する電極の対向面積を大きくして、大き
な静電引力を得ることを可能にする。【構成】積層体３が、ガラス基板２上に、第１電極１
２および第１絶縁層１３よりなる第１積層板９と、第２
電極１４および第２絶縁層１５よりなる第２積層板１０
とが交互に所定の空隙１１を持って積層されている。さ
らに、第１、第２立体配線部４、５により各第１、第２
電極１２、１４同士を立体的に接続して、その周囲を伸
縮自在のベローズ６により囲んだ。このような構成によ
り、各第１、第２電極１２、１４間に電圧を印加する
と、各第１、第２電極１２、１４間に静電引力が働き、
各第１、第２電極１２、１４が板厚方向に縮み、逆に電
圧の印加を止めると、ベローズ６の弾性力により各第
１、第２電極１２、１４が板厚方向に伸びる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、積層静電アクチュエー
タに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】発電所の熱交換用細管内、ジェット機の
エンジン内、化学プラントのような巨大プラントや、原
子炉のような放射線環境のもとでは、その狭所や細管の
損傷や異物の堆積等の異常事態を人が直接発見すること
はできない。そこで、近年、このような問題を解決すべ
く、狭所や細管内に入って行き、点検、修理を行うマイ
クロロボットの研究が進められている。従来のマイクロ
ロボットの１つとして電磁力を利用した電磁アクチュエ
ータがあるが、この電磁アクチュエータは変位量と発生
力が共に大きいという利点を持つものの、その性質上永
久磁石や電磁コイル、あるいは磁路を備えなければなら
ず、構造が複雑でしかも重量も重く、また消費電力が大
きいという不具合があった。これに対して比較的構造が
簡単で重量が軽く、しかも消費電力が小さいという利点
を活かしたものとして、静電力を利用した静電アクチュ
エータがある。この静電アクチュエータは、ステータ電
極とスライダ電極を櫛歯状に配置し両電極に電圧を印加
することで生じる静電引力で、ステータ電極に対しスラ
イダ電極を動かすものである。

【０００３】このような静電アクチュエータの従来例を
図１６ないし図１８に示す。静電アクチュエータ１００
は、ガラス基板１０１上に固定された櫛歯状のステータ
電極１０２と、このステータ電極１０２の隣合う歯に電
圧を順次印加することによってステップ的に変位する櫛
歯状のスライダ電極１０３とを備えている。このスライ
ダ電極１０３の前後端部には、折れ曲がった２つのばね
１０４が一体形成されており、２つのばね１０４の端部
は、ガラス基板１０１上に固定された固定台１０５に支
持されている。また、スライダ電極１０３の中央の上下
には、直線支持ビーム１０６が一体形成されており、直
線支持ビーム１０６の両端部はガラス基板１０１上に固
定された固定台１０７に支持されている。これにより、
スライダ電極１０３は、全体がガラス基板１０１上に吊
るされており、ガラス基板１０１に接触することなく運
動する。そして、スライダ電極１０３の前後中央部に形
成されたスリット１０８内には、滑り案内板１０９が設
けており、スライダ電極１０３が中心線上からそれて変
位することを防止している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の静電
アクチュエータ１００においては、発生力がステータ電
極１０２の歯とスライダ電極１０３の歯との対向面積に
比例することから、その面積を大きくとることができ
ず、静電引力が小さいという問題点があった。本発明
は、隣設する電極の対向面積を大きくして、大きな静電
引力を得ることが可能な積層静電アクチュエータの提供
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、絶縁層と電極
を設けた複数の積層板を板厚方向に積層してなる積層体
と、前記複数の積層板の各々に板厚方向の引張力を与え
て、前記複数の積層板の各々を所定の空隙を隔てて保持
する可撓性の保持部と、前記複数の積層板の板厚方向に
隣設する各電極間に電圧をそれぞれ印加する配線部とを
備えた技術手段を採用した。

【０００６】

【作用】本発明によれば、複数の積層板の板厚方向に隣
設する各電極間に配線部より電圧がそれぞれ印加される
と、各電極にはそれぞれ静電引力が働くため縮み、積層
体の板厚方向の寸法が短縮される。このとき、複数の積
層板の板厚方向に隣設する各電極の対向面積は大きいた
め、従来例に比較して遙に大きな静電引力が得られる。
また、複数の積層板の各電極は板厚方向に積層されてい
ることで、変位の方向は同一であり、複数の積層板の各
電極の変位が加算されるので、大きな変位が得られる。

【０００７】

【実施例】次に、本発明の積層静電アクチュエータを図
１ないし図１５に示す複数の実施例に基づいて説明す
る。〔第１実施例の構成〕図１ないし図７は本発明の第１実
施例を示したもので、図１ないし図３は積層静電アクチ
ュエータを示した図である。積層静電アクチュエータ１
は、ガラス基板２、積層体３、第１、第２立体配線部
４、５およびベローズ６等から構成されている。ガラス
基板２は、円盤状に形成されており、９０°間隔で、図
示しない電圧制御装置に電気的に接続する２個の第１基
板電極７と２個の第２基板電極８を配している。なお、
ガラス基板２の材料は半導体でも良い。

【０００８】積層体３は、第１積層板９と第２積層板１
０を例えば５μｍ程度の空隙１１を持って交互に多数積
層されてなる。その第１積層板９は、例えばアルミニウ
ム製の第１電極１２と、例えば窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ
₄）製の第１絶縁層１３からなる。また、第２積層板１
０は、第１積層板９と同様にして、例えばアルミニウム
製の第２電極１４と、例えば窒化シリコン（Ｓｉ
₃Ｎ₄）製の第２絶縁層１５からなる。

【０００９】空隙１１は、第１積層板９の第１絶縁層１
３と第２積層板１０の第２電極１４との間、および第１
積層板９の第１電極１２と第２積層板１０の第２絶縁層
１５との間に形成されている。第１、第２電極１２、１
４は、円盤状に形成されており、第１、第２絶縁層１
３、１５の上面に蒸着またはスパッタ等により形成され
ている。また、第１、第２電極１２、１４は、第１、第
２積層板９、１０の板厚方向（図示上下方向）に等間隔
で対向して配置されている。

【００１０】なお、最下層の第１積層板９の第１電極１
２は、ガラス基板２の表面に直接形成されている。ま
た、第１、第２電極１２、１４の材料は、アルミニウム
の他に、クロム、ニッケル、チタン、銀等の導電性金
属、またはＳｎＯ₂、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の導電材料を用
いても良い。第１、第２絶縁層１３、１５は、円盤状に
形成されており、第１、第２積層板９、１０の板厚方向
（図示上下方向）に等間隔で配されている。また、第
１、第２絶縁層１３、１５の材料は、窒化シリコンの他
に、ＳｉＯ₂等の絶縁材料を用いても良い。

【００１１】第１、第２立体配線部４、５は、本発明の
配線部であって、積層された各第１、第２電極１２、１
４間を電気的にそれぞれ接続する。そして、第１、第２
立体配線部４、５は、タングステン等の導電材料製で各
第１、第２積層板９、１０をそれぞれ支持すると共に、
各第１、第２積層板９、１０が所定の空隙１１を保持で
きる程度の弾性力を有する厚さに設定されている。この
実施例では、図２に示したように、第１、第２立体配線
部４、５を互いに９０°の配置になるように各２個設け
て、それぞれ第１、第２基板電極７、８に電気的に接続
している。

【００１２】ベローズ６は、本発明の保持部であって、
可撓性の金属材料または弾性材料製で蛇腹状に形成され
ており、第１、第２積層板９、１０の板厚方向に積層さ
れた各第１、第２電極１２、１４に予め引張張力を与え
るものである。このベローズ６は、一端部が開口し、他
端部が閉塞されている。そして、ベローズ６の中間部に
は、伸縮自在の蛇腹状の筒部６ａが形成されている。そ
の筒部６ａは、内部に積層体３および第１、第２立体配
線部４、５を収容する。ベローズ６の一端部（図示下端
部）はガラス基板２の側面に固定され、他端部（図示上
端部）は積層された最後の第２絶縁層１５に固定され
る。

【００１３】次に、積層静電アクチュエータ１の製造方
法を図３ないし図７に基づいて簡単に説明する。まず、
図３に示したように、円盤状のガラス基板２上に互いに
９０°の配置になるように第１、第２基板電極７、８を
デポジション等により２個ずつ形成する。なお、基板が
半導体であれば、不純物拡散（イオン注入）による拡散
層でも良いし、あるいは金属材料をデポジションしても
良い。そして、ガラス基板２上に第１電極１２、第１絶
縁層１３および犠牲層１６を順次デポジションする。さ
らに、その犠牲層１６上に第２電極１４、第２絶縁層１
５および犠牲層１７を順次デポジションする。

【００１４】ここで、第１電極１２と第２電極１４の材
料、および第１絶縁層１３と第２絶縁層１５の材料は、
それぞれ同じであるのが望ましい。また、犠牲層１６、
１７とは一般的に、可動部を形成するために、最終的に
除去消失させることを目的として予め形成する薄膜層の
ことを言い、この実施例では材料として酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ₂）を用いている。以下、この工程を所定の積層数に
当たる分だけ、例えば１００層程度繰り返して、第１積
層板９と第２積層板１０が交互に配置される積層体３を
形成する。その後、フォトリソグラフィー工程等の手段
にて、積層体３を必要な形状にする。この実施例では円
柱形状にパターンニングされている。

【００１５】次に、図４に示したように、第１、第２電
極１２、１４を金属製の第１、第２立体配線部４、５で
接続したときの絶縁膜１８、１９を、図示された形状で
円盤形状の第１、第２積層板９、１０の側面に局所的に
（９０°毎に）成膜する。この局所的な成膜は、レーザ
ビームやイオンビーム等を使用して、ビームが照射され
た領域のみがデポジションされる選択的ＣＶＤ等の手段
を用いると良い。ここで、絶縁膜１８、１９は、犠牲層
１６、１７と同一の材料が望ましい。

【００１６】さらに、図５に示したように、絶縁膜１
８、１９の上に前述した手段と同じ手段で、今度は第
１、第２立体配線部４、５を局所的に成膜する。この工
程で、各第１電極１２と第１基板電極７が電気的に接続
され、各第２電極１４と第２基板電極８が電気的に接続
される。そして、図６に示したように、犠牲層１６、１
７と絶縁膜１８、１９をエッチングすることにより、各
第１、第２積層板９、１０間に空隙１１を形成する。最
後に、図７に示したように、ベローズ６の一端部（図示
下端部）をガラス基板２の側面に固定し、ベローズ６の
他端部（図示上端部）を最上層の第２積層板１０の第２
絶縁層１５の上面に固定する。

【００１７】〔第１実施例の作用〕次に、積層静電アク
チュエータ１の作用を図１および図２に基づいて簡単に
説明する。電圧制御装置より第１、第２立体配線部４、
５を介して各第１、第２電極１２、１４間に電圧が印加
されると、各第１、第２電極１２、１４間にはそれぞれ
静電引力が働くため、各第１、第２電極１２、１４が吸
引され、ベローズ６の弾性力に抗して各第１、第２積層
板９、１０が空隙１１内を移動して縮み、積層体３の板
厚方向の寸法が短縮される。逆に、各第１、第２電極１
２、１４間に電圧が印加されないと、ベローズ６の弾性
力により各第１、第２電極１２、１４間が伸ばされ、各
第１、第２積層板９、１０間に空隙１１が形成される。
また、各第１、第２電極１２、１４は板厚方向に積層さ
れているため、変位の方向は同一であり、各第１、第２
電極１２、１４の変位が加算されるので、第１、第２積
層板９、１０の板厚方向に大きな往復変位が得られる。

【００１８】〔第１実施例の効果〕以上のように、積層
静電アクチュエータ１は、複数の積層板３の板厚方向に
隣設する各第１、第２電極１２、１４の対向面積が従来
例に比較して遙に大きいため、大きな静電引力と大きな
変位を同時に実現することができる。

【００１９】〔第２実施例〕図８ないし図１２は本発明
の第２実施例を示したもので、図８および図９は積層静
電アクチュエータ１を示した図である。この実施例で
は、第１、第２電極１２、１４を、第１、第２絶縁層１
３、１５のＹ字状の凸部１３１、１５１により絶縁する
ことによって、３個ずつの第１、第２電極片１２ａ〜１
２ｃ、１４ａ〜１４ｃに分割して、各第１、第２電極片
１２ａ〜１２ｃ、１４ａ〜１４ｃが対向するようにした
ものである。したがって、３個の電極片１２ａ〜１２
ｃ、１４ａ〜１４ｃは、１２０°毎に３分割した状態で
形成されている。なお、分割された第１、第２電極片１
２ａ〜１２ｃ、１４ａ〜１４ｃは、最低１組の第１、第
２立体配線部４ａ〜４ｃ、５ａ〜５ｃによりそれぞれ接
続されている。その製作工程は、デポジションされた第
１、第２電極片１２ａ〜１２ｃ、１４ａ〜１４ｃをその
後直ちに３分割してパターン形成し、次に第１、第２電
極片１２ａ〜１２ｃ、１４ａ〜１４ｃ上に第１、第２絶
縁層１３、１５をデポジションすることによりなされ
る。

【００２０】〔第２実施例の作用〕次に、積層静電アク
チュエータ１の作用を図８ないし図１２に基づいて簡単
に説明する。電圧制御装置より第１、第２立体配線部４
ａ〜４ｃ、５ａ〜５ｃを介して各第１、第２電極片１２
ａ〜１２ｃ、１４ａ〜１４ｃ間に均一に電圧が印加され
ると、図１０に示したように、各第１、第２電極片１２
ａ〜１２ｃ、１４ａ〜１４ｃにはそれぞれ静電引力が働
いて縮む。逆に、各第１、第２電極片１２ａ〜１２ｃ、
１４ａ〜１４ｃ間に電圧が印加されないと、図１１に示
したように、各第１、第２電極片１２ａ〜１２ｃ、１４
ａ〜１４ｃ間が伸びる。

【００２１】また、電圧制御装置より第１、第２立体配
線部４ａ、５ａを介して電極片１２ａ、１４ａに独立に
電圧を印加することにより、図１２に示したように、積
層体３の先端は屈曲動作、言い替えれば３次元的に変位
する。すなわち、第１、第２立体配線部４ａ、５ａに電
圧を印加すると、第１、第２電極片１２ａ、１４ａが静
電引力で吸引され、図９において図示矢印Ａ方向に曲が
る。また、図９において図示矢印Ｂ方向に曲げるときは
第１、第２立体配線部４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの両方に
電圧を印加する。また、各第１、第２立体配線部４ａ〜
４ｃ、５ａ〜５ｃへの電圧印加に時間差をつけると、つ
まり位相差をつけると、積層体３の首振り運動も可能に
なる。

【００２２】〔第２実施例の効果〕以上のように、積層
静電アクチュエータ１の各第１、第２電極１２、１４
は、絶縁された３個の第１、第２電極片１２ａ〜１２
ｃ、１４ａ〜１４ｃに分割されているため、個々の対向
した第１、第２電極片１２ａ〜１２ｃ、１４ａ〜１４ｃ
間に独立した電圧を印加することができる。このため、
各第１、第２電極片１２ａ〜１２ｃ、１４ａ〜１４ｃを
独立して電圧制御することにより、変位の方向が３次元
的、つまり屈曲動作が可能となるので、例えば長手方向
が直線的および曲線的な配管内を移動するマイクロロボ
ットに適用することができる。

【００２３】〔第３実施例〕図１３ないし図１５は本発
明の第３実施例を示したもので、図１３および図１４は
積層静電アクチュエータを示した図である。この実施例
の積層静電アクチュエータ１は、第１、第２電極１２、
１４間の空隙１１に弾性の絶縁膜２１を配している。絶
縁膜２１は、第１、第２電極１２、１４上に積層される
平板状の膜部２２、およびこの膜部２２より図示上方に
突出した多数の突起部２３等から構成されている。な
お、弾性体２１の材料としてはシリコンゲル等を使用し
ている。

【００２４】次に、積層静電アクチュエータ１の製造方
法を図１５に基づいて簡単に説明する。まず、図１５
（ａ）に示したように、第１電極１２上に硬化性のある
液状絶縁膜２１を塗布し、図１５（ｂ）に示したよう
に、これに工具２４の多数の針部２５の先端を接触さ
せ、絶縁膜２１との接触が保たれる限度まで図示上方に
引上げ、その後絶縁膜２１が突起部２３を保ったままの
状態で硬化させる。

【００２５】絶縁膜２１が硬化した後、図１５（ｃ）に
示したように、工具２４を抜き取り、図１４に示したよ
うに、これを同様な工程により所定の数だけ積層するこ
とにより間に絶縁膜２１を配した第１、第２電極１２、
１４を交互に積層してなる積層体３を製作する。その
後、第１実施例と同様な工程により第１、第２電極１
２、１４を図示しない第１、第２立体配線部によって立
体的に接続すれば、積層静電アクチュエータ１が製作で
きる。なお、図１３および図１４に示した積層体３では
第１、第２絶縁層を省略して示した。また、この実施例
の第１、第２電極１２、１４は便宜的に四角形状として
示してあるが、円盤状でも良いことは言うまでもない。

【００２６】以上のように、この実施例では、第１、第
２電極１２、１４間に弾力性のある絶縁膜２１を挿入し
ているので、空隙１１のギャップ管理が容易であるた
め、製作作業性を向上することができる。また、空隙１
１そのものにばね性を持たせることで積層体３の板厚方
向に大きな変位と大きな静電引力を発生させることがで
きる。

【００２７】

【発明の効果】本発明は、複数の積層板の板厚方向に隣
設する各電極の対向面積が従来例に比較して遙に大きい
ため、大きな静電引力を得ることができる。また、複数
の積層板の板厚方向に各電極が積層されているので、１
個１個の電極の変位が加算されるため、大きな変位を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示した斜視図である。

【図２】本発明の第１実施例を示した横断面図である。

【図３】本発明の第１実施例の製造工程を示す縦断面図
である。

【図４】本発明の第１実施例の製造工程を示す縦断面図
である。

【図５】本発明の第１実施例の製造工程を示す縦断面図
である。

【図６】本発明の第１実施例の製造工程を示す縦断面図
である。

【図７】本発明の第１実施例の製造工程を示す縦断面図
である。

【図８】本発明の第２実施例を示した斜視図である。

【図９】本発明の第２実施例を示した横断面図である。

【図１０】本発明の第２実施例の縮んだ状態を示した概
略図である。

【図１１】本発明の第２実施例の伸びた状態を示した概
略図である。

【図１２】本発明の第２実施例の屈曲状態を示した概略
図である。

【図１３】本発明の第３実施例を示した斜視図である。

【図１４】本発明の第３実施例を示した縦断面図であ
る。

【図１５】本発明の第３実施例の製造工程を示す縦断面
図である。

【図１６】積層静電アクチュエータの従来例を示した平
面図である。

【図１７】図１６のＡ−Ａ断面図である。

【図１８】図１６のＢ−Ｂ断面図である。

【符号の説明】

１積層静電アクチュエータ２ガラス基板３積層体４第１立体配線部５第２立体配線部６ベローズ（保持部）９第１積層板１０第２積層板１１空隙１２第１電極１３第１絶縁層１４第２電極１５第２絶縁層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柴田宏三愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）絶縁層と電極を設けた複数の積層
板を板厚方向に積層してなる積層体と、（ｂ）前記複数の積層板の各々に板厚方向の引張力を与
えて、前記複数の積層板の各々を所定の空隙を隔てて保
持する可撓性の保持部と、（ｃ）前記複数の積層板の板厚方向に隣設する各電極間
に電圧をそれぞれ印加する配線部とを備えた積層静電ア
クチュエータ。