CN101283503B - 静电驱动器以及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可减少提供驱动电压的系统数并可通过简单结构进行驱动的静电驱动器以及其驱动方法。上述定子电极(23)具有沿着上述移动方向按一定顺序重复配置的多个电气系统(A、B、C相电极)，使形成同种电气系统的定子电极(23)之间的移动方向的间距尺寸(周期长)(3P1)与上述移动方向的动子电极(33)的移动方向的间距尺寸(c)相一致，而且上述动子至少具有长度尺寸不同的两种以上的动子电极(33a1、33b1)。

Description

静电驱动器以及其驱动方法

技术领域

本发明涉及到一种利用静电引力(库仑力)使动子工作的静电驱动器(electrostatic actuator)，尤其涉及到一种可减少提供驱动电压的电气系统数并可通过简单结构进行驱动的静电驱动器以及其驱动方法。

背景技术

作为以往的静电驱动器，就存在以等间距排列定子侧电极和动子(移动子)侧电极的结构(例如，参照专利文献1)。

另外还存在使定子和动子中的至少一侧的电极间的间距成为不等间距的静电驱动器(例如，参照专利文献2)。

专利文献1：(日本)实开平07-16599号公报

专利文献2：(日本)特开平08-186988号公报

但是，在专利文献1所记载的等间距型静电驱动器，具有由动子的3相(a相、b相及c相)和定子的3相(A相、B相以及C相)共计6相组成电气系统数(相数)的电极结构。如上所述，在以往的静电驱动器中，电气系统数多，因此就存在控制电路的结构和布线构造容易变复杂的问题。还有，除了正电源以外还需要负电源，因此还存在很难实现小型化和成本低廉化的问题。

而且，专利文献2所记载的不等间距型静电驱动器也具有与上述相同的6相电极结构，因此很难使控制电路的结构及布线构造变简单。

还有，要停止上述动子的动作需要将动子的各电极和定子的各电极的电位设定为“零”，于是就出现了不能就地保持或者固定动子的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述以往的课题而提出的，其目的在于，提供一种可减少电极的电气系统数还可以通过简单结构进行驱动的静电驱动器以及其驱动方法。

本发明的静电驱动器，其特征在于，具备排列了多个定子电极的定子、具有多个动子电极并且以与上述定子相对面而置的姿势在移动方向移动的动子、向上述定子电极施加预定驱动电压的供电部、及控制上述供电部的控制部，而且，上述定子电极具有沿着上述移动方向按预定顺序重复配置的多个电气系统，使形成同种电气系统的定子电极间的移动方向的间距尺寸(周期长)和上述动子电极间的移动方向的间距尺寸相一致，并且上述动子至少具有长度尺寸不同的两种以上的动子电极。

在本发明的静电驱动器，可用较少的电气系统数(相数)使动子移动。

例如，优选上述定子电极的电气系统的相数为3。

在上述结构中，因电气系统数较少，所以可以减少施加的驱动电压的种类。因此，可以使控制部的结构及控制方法变得简单。

本发明的特征还在于，在移动方向及与其正交的宽度方向以刷子状排列上述定子电极，而且上述动子电极形成在上述定子电极间配置的刷子状。

在上述结构，因定子电极和动子电极之间的对置面积变大，所以可增大驱动力。

而且，本发明为一种上述任一个静电驱动器的控制方法，其特征在于，以抛物线形曲线施加对动子移动位置的驱动力，在通过在先施加的预定驱动电压产生的驱动力沿着上述曲线下降的途中，向下一个电气系统施加上述预定驱动电压。

在上述控制方法可用不多的电气系统数得到大驱动力，因此可以高精度、高效率地驱动动子。

而且，一种上述任一个静电驱动器的控制方法，其特征在于，将上述预定驱动电压施加给设在相对于上述动子电极成为朝向移动方向的前方及后方的位置上的定子电极。

上述方法可以在定子上的任意位置稳定、可靠地保持动子。

在本发明的静电驱动器，可以减少施加驱动电压的电气系统的相数。还可以不用负电源，因此可为小型化和低廉成本做出贡献。

同时通过本发明的静电驱动器控制方法，可以逐步驱动动子，停止时还可以在定子上可靠地保持动子。

附图说明

图1为，表示本发明的第1实施方式的静电驱动器的分解立体图。

图2表示定子和动子的对置状态，为图1的II-II线的截面图。

图3为，将第1实施方式的静电驱动器的初始状态的电极配置予以表示的部分平面图。

图4为在初始状态向A相电极施加驱动电压之后的情形，表示动子移动中的1个情节的、与图3相同的平面图。

图5为，表示动子的移动位置与驱动力之间关系的曲线图。

图6为，将本发明的第2实施方式的静电驱动器的电极配置予以表示的部分平面图。

符号说明

10    静电驱动器

20    定子

20a   定子对置面

21    导向槽(导向机构)

22    定子侧电极群

23    定子电极

23a、23a1、23a2  定子电极(A相电极)

23b、23b1、23b2  定子电极(B相电极)

23c、23c1、23c2  定子电极(C相电极)

24   导电部

30   动子

30a  动子对置面

31   导向凸状部(导向机构)

32   动子侧电极群

33   动子电极

33a、33a1、33a2  第1动子电极

33b、33b1、33b2  第2动子电极

33c、33c1、33c2  第3动子电极

c1   第1动子电极和第2动子电极之间的动子电极间间距尺寸

c2  第2动子电极和第3动子电极之间的动子电极间间距尺寸

c3  第3动子电极和下一个第1动子电极之间的动子电极间间距尺寸

La  第1动子电极的长度尺寸

Lb  第2动子电极的长度尺寸

Lc  第3动子电极的长度尺寸

L1  定子的长度尺寸

d1  定子的电极间距离

P1  定子电极间的间距尺寸

具体实施方式

图1为，表示本发明的第1实施方式的静电驱动器的分解立体图；图2表示定子和动子的对置状态，为图1的II-II线的截面图；图3为，将第1实施方式的静电驱动器的初始状态的电极配置予以表示的部分平面图；图4为，表示在初始状态向A相电极施加驱动电压移动之后的状态的、与图3相同的平面图；图5为，表示动子的移动位置与驱动力之间关系的曲线图。另外，图3和图4抽选表示了n行动子电极当中的一行和位于其宽度方向的两端的定子电极。而且，图5表示每一组3相电气系统定子电极的驱动力。还有，在下述中图示Y方向为移动方向、X方向为宽度方向、Z方向为高度方向。

如图1所示，本发明的静电驱动器10具有在高度方向的图示Z2侧设有的定子20和在图示Z1侧设有的动子30。

上述定子20为在移动方向Y方向延伸设置的平板状部件，在朝向上述定子20图示Z1方向的对置面(定子侧对置面)20a的宽度方向(X方向)的两端部设有沿移动方向(Y方向)相互平行延伸的一对V字形状导向槽21、21。上述导向槽21、21的表面形成为摩擦阻力小的平滑面。

另一方面，上述动子30的移动方向的长度尺寸形成为短于上述定子20的尺寸。上述动子30由导电材料形成，并在其下表面形成朝向图示Z2方向的对置面(动子侧对置面)30a。或者也可以由绝缘材料形成动子30并在其一侧(Z2侧)表面上安装导电性平板等来作为对置面(动子侧对置面)30a。

在动子30的上述对置面30a侧的宽度方向(X方向)的两端部设有向图示Z2方向凸状突出并沿着移动方向(Y方向)相互平行延伸的一对导向凸状部31、31。在导向凸状部31、31的前端形成与上述V字形状的导向槽21、21相对置的、梯形状一对对置部31a、31a。另外，上述对置部31a、31a的表面也形成为摩擦阻力小的平滑面。

如图2所示，如果使上述定子对置面20a和动子对置面30a相对置，上述导向凸状部31、31的对置部31a、31a就嵌合插入上述导向槽21、21内，而组装成上述静电驱动器10。如果在这种姿势下向上述动子30施加移动方向的力，就可以使上述动子30在Y方向(移动方向)直线移动。即，该实施方式当中的上述导向槽21、21和上述导向凸状部31、31起到将上述动子30向移动方向引导的导向机构的作用。

另外，也可以取代上述导向凸状部31、31在上述动子30上设置与定子20侧相同的、V字形状的一对导向槽，而在上述定子20侧的导向槽21、21与动子30侧的导向槽相对置的部分配置多个球体(球)，。在这种情况下，因上述球体在相对置的导向槽内转动，就可以使动子30向移动方向移动，这时各导向槽和球体起到导向机构的作用。

如图1所示，在上述定子对置面20a上设有由向图示Z1方向突出的多个平板状定子电极23构成的定子侧电极群22。

每个定子电极23例如将铜等导电性金属在Z方向垂直地电镀成型而形成的。上述定子电极23的方向形成为使宽幅的电极面与上述移动(Y)方向平行即使上述电极面垂直于宽度方向。然后，上述多个定子电极23沿着上述移动方向及宽度方向在上述定子对置面20a上等间距、有规则地以刷子状排列。

另外，在图1所示的实施方式，在X方向(宽度方向)成6列的定子电极23在移动方向隔开预定间距尺寸形成n行。即，形成了n行6列的定子侧电极群22。另外，上述定子侧电极群22的排列不只受限于上述的n行6列，比它多的排列或少的排列均可以。

而且，如图2所示，在上述定子对置面20a即上述电极23的基部沿着Y方向形成n行沿图示X方向延伸的多个导电部24，各导电部24导通连接成在每一行使6个(6列)定子电极23全部处于相同电位。但是，在移动(Y)方向相邻的导电部24和导电部24之间处于电性绝缘的状态。另外，也可以先形成导电部24之后，在其上面电镀形成定子电极23。

然后，多个导电部24被引出定子20的外部，并通过设在外部的供电部41施加指定的驱动电压。

在第1实施方式所示的定子侧电极群22，在移动方向每隔3个相互连接导电部24，并具有由定子电极23a(分别以定子电极23a1、23a2、23a3、…来表示。)构成的A相电极、由定子电极23b(分别以定子电极23b1、23b2、…来表示。)构成的B相电极以及由定子电极23c(分别以定子电极23c1、23c2、…来表示。)构成的C相电极。即，如图3所示，定子侧电极群22具有以符号A表示的A相电极、以符号B表示的B相电极以及以符号C表示的C相电极等3种电气系统(电气系统数(也称为相数或极数)m＝3)。

另外，形成上述A相电极的定子电极23a1、形成上述B相电极的定子电极23b1以及形成上述C相电极的定子电极23c1形成一组3相电气系统定子电极，定子电极23a2、23b2、23c2形成另外一组3相电气系统定子电极(以下相同)。

在上述定子20的定子侧对置面20a上，使每列的定子侧电极22形成相同的电位，并具有沿着上述移动方向在每一行以预定顺序重复配置的多个电气系统(A相电极、B相电极以及C相电极)，在移动方向以这种顺序重复配置上述A相电极、B相电极以及C相电极。

如图3所示，在上述第1实施方式，各定子电极23的移动方向的各长度尺寸L1为一定的，在移动方向相邻的电极间距离d1也一定。而且，上述长度尺寸L1和电极间距离d1也被设定为相同尺寸(L1＝d1)，因此定子电极间的间距尺寸P1(＝L1+d1)也一定。

另一方面，如图1所示，在上述动子30侧的对置面(动子电极面)30a上也形成由多个平板状动子电极33以刷子状排列而组成的动子侧电极群32。

与上述定子20的情况相同，也通过将铜等导电性金属在Z方向垂直地电镀成型而形成每个动子电极33，在使宽幅的电极面平行于移动(Y)方向的状态下，按指定间隔有规则地排列在上述移动方向以及宽度方向。另外，所有的动子电极33在对置面(动子侧对置面)30a侧导通连接，而各动子电极33被设定为相同电位。

如图3所示，该实施方式所示的动子侧电极群32具有长度尺寸不同的3种动子电极33a、33b和33c。而且，图中以符号33a1、33a2表示的电极为第1动子电极33a，以符号33b1、33b2表示的电极为第2动子电极33b，以符号33c1、33c2表示的电极为第3动子电极33c。

在这里，如果设上述第1动子电极33a的移动方向的长度尺寸为La、上述第2动子电极33b的长度尺寸为Lb、上述第3动子电极33c的长度尺寸为Lc，那么各电极的长度尺寸就处在按动子电极33c、33a、33b的顺序而长的状态(Lc＜La＜Lb)。但是，如果设第1动子电极33a1与第2动子电极33b1之间的动子电极间间距尺寸为c1、第2动子电极33b1与第3动子电极33c1之间的动子电极间间距尺寸为c2、第3动子电极33c1与下一个第1动子电极33a2之间的动子电极间间距尺寸为c3，那么所有的动子电极间间距尺寸就被设定为相同尺寸(c1＝c2＝c3＝c)。

而且，在该实施方式，各动子电极间间距尺寸(c1、c2、c3)被设定为上述定子电极间间距尺寸P1(＝L1+S1)的3倍(3·P1)即形成同种电气系统的定子电极间的移动方向的间距尺寸(周期长)例如A相电极间的间距尺寸(B相电极间的间距尺寸或C相电极间的间距尺寸也相同)(c＝3·P1)。也就是说，如果设定子的相数(电气系统数)为m，那么各动子电极间的间距尺寸c就被设定为上述定子电极间的间距尺寸P1的相数倍(c＝m·P1)。

另外，动子电极群32的1周期(循环)的间距尺寸为排列在上述移动方向的第1动子电极33a1与下一个第1动子电极33a2之间(第2动子电极33b1与下一个第2动子电极33b2之间以及第3动子电极33c1与下一个第3动子电极33c2之间也相同)的长度尺寸(c1+c2+c3)。

如图2所示，定子20与动子30以定子侧对置面20a和动子侧对置面30a相面对而置的姿势重叠。这时在宽度方向相邻的定子20侧的定子电极23与定子电极23之间插入上述动子电极30侧的任一个动子电极33。然后，上述定子20侧定子电极23的电极面和在上述动子电极23的旁侧位置的上述动子30侧电极33的电极面将面对面地配置在宽度方向上。

在该实施方式中，上述动子30侧的动子侧电极32与接地GND连接，在形成定子侧A相的定子电极23a(23a1、23a2、…)、形成B相的定子电极23b(23b1、23b2、…)及形成C相的定子电极23c(23c1、23c2、…)上设有施加指定驱动电压的供电部41和控制提供上述驱动电压的定时的控制部42。

首先，说明保持动子时的控制方法。

在图3的实施方式所示的初始状态，动子30侧的动子电极33a1、33b1、33c1、33a2、…分别与定子侧C相的定子电极23c0、23b1、23c2、23c3、…面对面地配置。

可以通过向在定子20侧的各定子电极23a、23b及23c中除了形成与上述动子电极33a1、33b1、33c1、33a2、…面对面的C相的定子电极23c以外的电极即、形成A相的定子电极23a和形成B相的定子电极23b双方同时施加一定驱动电压来设定该初始状态。

如果向上述形成A相的定子电极23a和形成B相的定子电极23b双方同时施加一定驱动电压，动子电极33a1就受到来自在其对角位置设有的4个定子电极即、形成B相的定子电极23b0、23b0以及形成A相的定子电极23a1、23a1的相等的静电引力。因此，动子电极33a1能够在移动方向以及宽度方向的平衡位置即、形成B相的定子电极23b0、23b0和形成A相的定子电极23a1、23a1之间的大致中心点(在距离上均等的位置)上得到保持。

而且动子电极33b1的情况也相同，动子电极33b1在形成B相的定子电极23b1、23b1和形成A相的定子电极23a2、23a2之间的大致中心点(在距离上均等的位置)上得到保持。同样，动子电极33c1在形成B相的定子电极23b2、23b2和形成A相的定子电极23a3、23a3之间的大致中心点(在距离上均等的位置)上得到保持。

也就是说，在图3所示的初始状态，通过向形成A相的定子电极23a和形成B相的定子电极23b双方同时施加一定的驱动电压，在动子电极33a1、33b1、33c1、33a2、…和各定子电极23之间，静电引力作用在移动方向以及宽度方向而相互吸引，并且该静电引力还互相补偿而保持平衡，因此，停止时就可以将动子30准确并稳定地保持在定子20上。

接着，说明动子的驱动控制。

在上述图3所示的初始状态，如果仅向形成A相的定子电极23a施加驱动电压，Y2方向的静电引力就分别作用于上述定子电极23a1、23a1与动子电极33a1之间、定子电极23a2、23a2与动子电极33b1之间以及定子电极23a3、23a3与动子电极33c1之间，从而可以使动子30向Y2方向移动(参照图4)。

这时，随着动子30的移动，面对而置的各定子电极23a(23a0、23a1、23a2、23a3…)与动子电极33之间的电极间距离以及对置面积发生变化，从而使作用于上述各定子电极23a与动子电极33之间的静电引力(驱动力)发生变化。

例如，图5的左端部(向A电极施加电压时)表示这时的上述动子30的移动距离与驱动力(静电引力)之间的关系。即，以●记号表示的静电引力Fa作用在上述定子电极23a1、23a1和动子电极33a1之间，以×记号表示的静电引力Fb作用在上述定子电极23a2、23a2和动子电极33b1之间，以△记号表示的静电引力Fc作用在上述定子电极23a3、23a3和动子电极33c1之间。因此，向形成A相的各定子电极23a施加了驱动电压时作用于整个动子30的驱动力FA以上述静电引力Fa、Fb以及Fc的合成(合力)来表现，并形成图中以◆记号表示的具有抛物线形二次函数形状斜率的曲线(以下称“抛物线形曲线”)。

在下面也相同，在图3B所示的状态，如果仅向形成B相的各定子电极23b(23b0、23b1、23b2、23b3、…)施加驱动电压，就可以使动子30再往Y2方向移动。然后，这时的上述动子30的移动距离和驱动力FB之间的关系如图5的中央部所示。

接着，如果仅向形成C相的各定子电极23c(23c0、23c1、23c2、23c3、…)施加驱动电压，就可以使动子30再往Y2方向移动，这时的上述动子30的移动距离和驱动力FC之间的关系如图6的右端部所示。

即，在该实施方式所示的静电驱动器，如果按照A相→B相→C相→A相的顺序对构成A相的定子电极(A相电极)23a、构成B相的定子电极(B相电极)23b以及构成C相的定子电极(C相电极)23c施加驱动电压，就产生抛物线形曲线构成的上述驱动力FA、FB以及FC，并能够通过更大的驱动力使上述动子30在Y2方向移动。

而且，如果按相反顺序(C相→B相→A相→C相)施加驱动电压，上述驱动电压以FC、FB以及FA的顺序产生，而且还可以使上述动子30在反方向(Y1方向)移动。

因此，如果接通电源后想要把放在动子30上的控制对象(例如，透镜等)设定在指定位置时，通过重复施加指定次数的上述驱动电压，任何时候都可以移动到指定位置。

另外，如图5所示，在上述驱动力FA下降的途中向下一个B相电极施加驱动电压而切换成为驱动力FB，而且在驱动力FB下降的途中向下一个C相电极施加驱动电压而切换成为驱动力FC。这样，控制部41控制供电部42，在驱动力FA、FB以及FC完全达到零(死点)之前切换驱动电压产生下一个驱动力，就能够以连续动作平滑地驱动动子30。

图6为将本发明的第2实施方式的静电驱动器的电极配置予以表示的部分平面图。

第2实施方式所示的静电驱动器由长度尺寸不同的2种动子电极33a(分别以33a1、33a2、…来表示)和动子电极33b(分别以33b1、33b2、…来表示)构成，这一点与具有长度尺寸不同的3种动子电极33a、33b及33c的上述第1实施方式不同。

即，如果上述动子电极33a1与动子电极33b1之间的动子电极间间距尺寸为c1、动子电极33b1与动子电极33a2之间的动子电极间间距尺寸为c2，那么两个动子电极间间距尺寸就被设定为相同尺寸(c1＝c2＝c)。

而且，上述动子电极间间距尺寸c(c1，c2)被设定为上述定子电极间间距尺寸P1(＝L1+d1)的3倍(c＝3·P1)。即，当定子的相数(电气系统数)为m时，上述动子电极间间距尺寸c就被设定为上述定子电极间间距尺寸P1的相数倍(c＝m·P1)。

另外，动子电极群32的1周期(循环)的间距尺寸为排列在上述移动方向的动子电极33a1和下一个动子电极33a2之间以及动子电极33b1和动子电极33b2之间的长度尺寸c1+c2。

另外，定子电极侧的电气系统数(3相)及其它结构与上述第1实施方式相同。

如上所述，即使使用长度尺寸不同的2种动子电极33a(33a1、33a2、…)和动子电极33b(33b1、33b2、…)，如果例如向形成A相的定子电极23a和形成C相的定子电极23c同时施加一定驱动电压，就在各动子电极33上向移动方向以及宽度方向作用均等的静电引力而相互吸引，并且这些静电引力相互补偿而保持平衡，从而与上述第1实施方式相同也可以可靠地保持。

在上述第1、2实施方式所示的静电驱动器，说明了作为配置在1周期(循环)内的活动电极33有长度尺寸不同的2种或3种时的情形，但是本发明并不受限于此，为4种以上也可以。

而且，在上述第1、2实施方式所示的静电驱动器，说明了定子电极和动子电极形成为刷子形状时的情形，但是本发明并不受限于此，例如也可以与前进方向正交的带状电极形成在平面上。但是在这种情况下，与前进方向正交的带状电极的宽度尺寸成为动子的前进方向的长度。

Claims (5)

1.一种静电驱动器，其特征在于，具备排列有多个定子电极的定子、具有多个动子电极并且以与上述定子相对面而置的姿势在移动方向移动的动子、向上述定子电极施加预定驱动电压的供电部及控制上述供电部的控制部，而且，

上述定子电极具有沿着上述移动方向按预定顺序重复配置的多个电气系统，使形成同种电气系统的定子电极间的移动方向的间距尺寸即周期长与上述动子电极间的移动方向的间距尺寸相一致，并且上述动子至少具有移动方向的长度尺寸不同的、两种以上的动子电极。

2.根据权利要求1所述的静电驱动器，其特征在于，在移动方向以及与其正交的宽度方向以刷子状排列上述定子电极，上述动子电极是在上述定子电极间配置的刷子状。

3.根据权利要求1所述的静电驱动器，其特征在于，上述定子电极的电气系统的相数为3。

4.一种权利要求1所述的静电驱动器的控制方法，其特征在于，以抛物线形曲线施加对动子移动位置的驱动力，在通过在先施加的预定驱动电压产生的驱动力沿着上述曲线下降的途中，向下一个电气系统施加上述预定驱动电压。

5.一种权利要求1所述的静电驱动器的控制方法，其特征在于，将上述预定驱动电压施加给设在相对于上述动子电极成为朝向移动方向的前方及后方位置上的定子电极。

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