JP2001136759A - 浮上式静電アクチュエータ及びその制御方法並びに移動ステージ - Google Patents

浮上式静電アクチュエータ及びその制御方法並びに移動ステージ

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JP2001136759A
JP2001136759A JP32015099A JP32015099A JP2001136759A JP 2001136759 A JP2001136759 A JP 2001136759A JP 32015099 A JP32015099 A JP 32015099A JP 32015099 A JP32015099 A JP 32015099A JP 2001136759 A JP2001136759 A JP 2001136759A
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holding
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electrostatic actuator
electrodes
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Futoshi Hirose
太 廣瀬
Susumu Yasuda
進 安田
Takayuki Yagi
隆行 八木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 機構が簡単で小型であり、移動子を任意の経
路に沿って2軸以上の方向に位置決めできる静電アクチ
ュエータを提供する。 【解決手段】 基板上に複数の駆動電極109を有する
固定子102と、駆動電極109に対して複数相の駆動
電圧を印加する電圧印加手段と、固定子102上を移動
する移動子101と、固定子102と移動子101を非
接触に保持する非接触保持手段とを有する静電アクチュ
エータにおいて、駆動電極109に印加される電圧の位
相の進行方向に沿った帯状の保持電極108を有し、保
持電極108に直流電圧を印加する電圧印加手段を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、精密機器等に使用
される静電アクチュエータとその制御方法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】近年、各種の静電アクチュエータが提案
されてきている。静電アクチュエータは、電磁アクチュ
エータに比べて、(1)効率が高く、静止状態で損失が
生じない、(2)電極のみで構成できるため構造が単純
で小型化に適している、という特徴を有している。
【0003】図8は、特開平06−261558におい
て提案されている、スクイズ膜効果で、移動子を固定子
に対して浮上させ、移動子と固定子に作用する摩擦力を
なくす静電アクチュエータである。
【0004】図8において、第1の圧電素子3011
は、第1の圧電素子制御回路3013からの信号に基づ
いて駆動される。また、第2の圧電素子3012は、第
2の圧電素子制御回路3014からの信号に基づいて駆
動される。
【0005】この静電アクチュエータにおいては、第1
の圧電素子3011及び第2の圧電素子3012を駆動
することで、移動子3003と固定子3001の間にス
クイズ膜を生じさせ、固定子3001に対して移動子3
003を非接触支持することができる。
【0006】そして、静電駆動回路3004からの信号
に基づいて、駆動電極3002に対して従来の静電アク
チュエータと同様の駆動電圧を印加することで、移動子
3003を駆動することができる。なお、静電モータ制
御回路3004から出力される駆動電圧は図9に示すよ
うな3相の交流電圧である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような静電アクチュエータには、以下のような問題点
があった。まず、上記の静電アクチュエータにおいて
は、駆動方向が1軸のみに限定され、その駆動が直線の
みであるという問題点があった。また、圧電素子を複数
有しているため、それを駆動するための圧電素子駆動回
路も複数必要であり、装置の構成が複雑になるという問
題点があった。
【0008】本発明の目的は、機構が簡単で小型であ
り、移動子を任意の経路に沿って2軸方向以上に駆動で
きる静電アクチュエータを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の静電アクチュエ
ータは、基板上に複数の駆動電極を有する固定子と、前
記駆動電極に対して複数相の駆動電圧を印加する電圧印
加手段と、前記固定子上を移動する移動子と、前記固定
子と前記移動子を非接触に保持する非接触保持手段とを
有する静電アクチュエータにおいて、前記駆動電極に印
加される電圧の位相の進行方向に沿った帯状の保持電極
と、前記保持電極に直流電圧を印加する電圧印加手段と
を有することを特徴としている。前記保持電極の幅は等
幅(一定幅)であることが望ましい。
【0010】本発明の好ましい実施の形態では、前記保
持電極を複数有し、その保持電極は各々平行に設置さ
れ、その間隔は前記移動子の、前記駆動電極による駆動
方向に垂直な部分の長さより小さい。すなわち、保持電
極の間隔は移動子の一辺の長さより小さい。また、前記
駆動電極は複数の駆動方向に設置され、それらの駆動方
向のそれぞれに対して、前記保持電極が設置されてい
る。更に、前記固定子の下面には振動子があり、該振動
子に印加する交流電圧の振幅を制御して前記固定子と移
動子の間隔、すなわち移動子の浮上量を制御する手段を
有する。振動子は例えば圧電素子である。
【0011】本発明の静電アクチュエータの制御方法
は、複数の駆動電極を有する固定子と、該固定子上を移
動する移動子と、前記駆動電極に印加される電圧の位相
の進行方向に沿った保持電極を有する静電アクチュエー
タにおいて、前記駆動電極に対しては複数相の駆動電圧
を印加し、前記保持電極には直流電圧を印加することを
特徴とする。また、好ましくは、前記固定子の下面の前
記圧電素子に印加する交流電圧の振幅を制御することで
前記移動子の位置及び浮上量を制御する。
【0012】
【発明の実施の形態】図1に静電アクチュエータの斜視
図を示す。固定子102の下部には振動子107が設置
され、上部には移動子101が配置されている。振動子
107に交流電圧を印加して微小振動させることで、移
動子101と固定子102の間にスクイズフィルムを生
じさせ、移動子101を固定子102に対して非接触に
支持する。X軸方向の駆動は移動子101上に発生させ
た誘導電荷に対して発生する静電力を用いて行う。
【0013】図2(a)、(b)の静電アクチュエータ
の断面図を用いて、本発明の静電アクチュエータの駆動
機構の原理を説明する。ここでは、移動子101を+X
方向に駆動する場合について説明する。まず、図2
(a)のように、固定子102内に配置された静電駆動
用電極109(1)、(2)、(3)の電位をそれぞ
れ、0、+、−とする。すると、浮上している移動子1
01上に局所的に−の電荷と、+の電荷が誘導される。
そこで、図2(b)のように、静電駆動用電極109
(1)、(2)、(3)の電位をそれぞれ、−、0、
+、と変化させれば、移動子101上に誘導されている
電荷と固定子102の電位に対して静電力が働き、移動
子101が+X方向に移動する。この一連の電位の変化
を繰り返せば、移動子101を更に+X方向に移動させ
ることができる。駆動電極109(1)〜(3)に印加
する電圧は図3(a)に示すような矩形波や、図3
(b)に示すような3相交流等の時間的に変化する波形
を用いる。
【0014】Z軸方向への駆動はスクイズフィルムの厚
さを変化させることによって行う。スクイズフィルムの
厚さは振動子107に印加する交流電圧の振幅を変化さ
せることにより容易に制御できる。
【0015】次に、この静電アクチュエータの移動子の
保持原理について図4(a)を用いて説明する。ここで
は、移動子101をY軸方向に拘束する場合について説
明する。移動子101の保持は移動子101上に発生さ
せた誘導電荷に対して発生する静電力を用いて行う。 保
持電極108に与える電位は図4(b)のようなもので
ある。まず、移動子101がY軸方向に移動することを
防ぐ保持電極108の電位を正とする。すると、移動子
101上に局所的に負の電荷が誘導される。ここで、固
定子102が水平方向に対して傾いている等の原因で、
移動子101に対しY方向に何らかの外力が働いた時、
移動子101上の電荷と固定子102中の保持電極10
8の間に静電力が働くため、移動子101がY軸方向に
拘束される。
【0016】以上のような駆動原理及び保持原理を用い
ることで、構造的なガイド無しで、移動子をY軸方向の
拘束し、かつX軸方向に対して駆動することができる。
また、移動子をZ軸方向にも駆動することができる。
【0017】この静電アクチュエータをXY平面と平行
な複数の軸に対して組み合わせることで、XY平面と平
行な複数の方向に移動子を移動することができ、また、
複数の軸方向に拘束することができる。
【0018】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 [実施例1]図5に、本実施例の概略図を示す。図6は
その断面図である。本実施例の静電アクチュエータは、
スクイズフィルムで浮上させた移動子501を固定子5
02に対して相対的にX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向
に駆動するものである。本静電アクチュエータは移動子
501が浮上しており、固定子502との摩擦が無い。
従って、移動子501がX軸方向またはY軸方向に自由
度を有するため、それを制限するための保持電極508
(1)、(2)が設けられていることを特徴とする。但
し、移動子501の材料は誘電体である。X軸方向及び
Y軸方向については移動子501上に発生させている誘
導電荷に作用する静電力によって駆動する。Z軸方向に
ついてはスクイズフィルムを用いて駆動する。
【0019】また、移動子501を任意の位置または任
意の軸上に保持するための保持電極508(1)、
(2)が固定子502中に設置されている。保持電極5
08(1)は移動子501をY軸方向に拘束するための
ものであり、X軸に平行に設置されている。また、保持
電極508(2)は同様にX軸方向に拘束するためのも
のであり、Y軸に平行に設置されている。ガラス製の基
板からなる固定子502中にはX軸方向及びY軸方向に
駆動するための3相の駆動電極503(1)〜503
(3)及び504(1)〜504(3)が、X軸方向及
びY軸方向に形成され、その表面を絶縁性薄膜505
(1)、(2)、(3)が覆っている。
【0020】また、固定子502は、下面が振動子50
7に接続されている。固定子502を振動子507を用
いて、図中でΖ方向に往復駆動すると、固定子502と
移動子501の間にスクイズフィルムが発生し、移動子
501は、固定子502に対して浮上する。振動子50
7のZ方向の変位を変化させることによりスクイズフィ
ルムの厚さを変化させて、Z軸方向に移動子501を駆
動する。スクイズフィルムの厚さは振動子507の振幅
を変化させることにより、容易に制御できる。
【0021】以上説明したように、本発明を適用するこ
とで、機構が簡単で小型で、移動子を固定子と非接触
で、3軸方向に位置決めすることができる静電アクチュ
エータを提供できる。非接触式のため、移動子と固定子
の摩擦による発熱、騒音の問題が無い。また、ボールベ
アリング等の構造的な支持機構と異なり、摩耗がなくメ
ンテナンスが容易であり、発塵しないため、クリーンル
ーム等の条件の厳しい環境下にも適する。
【0022】[実施例2]本実施例は本発明の静電アク
チュエータを用いた3軸方向に移動可能なステージであ
る。このようなステージは、例えば光学顕微鏡等に用い
られる。図7に本実施例の移動ステージの概略図を示
す。光学顕微鏡等の鏡筒208が−Z方向に設置されて
いる。本実施例の3軸ステージは定盤209上に振動子
207が固定され、その上に固定子202が設置された
構造となっている。固定子202上には移動子201が
配置されている。移動子201上には被測定物206が
置かれている。
【0023】振動子207に交流電圧を印加し、固定子
202と移動子201の間にスクイズフィルムを発生さ
せ、移動子201及び被測定物206を浮上させる。次
に、固定子202中に設置された駆動電極及び保持電極
に電圧を印加し、移動子201をX軸方向またはY軸方
向に駆動し、被測定物206全体を観察する。また、振
動子207への印加電圧を変化させ、Z軸方向の制御を
行う。
【0024】以上説明したように、本発明を適用するこ
とで、機構が簡単で小型で、移動子を固定子と非接触で
3軸方向に位置決めすることができるステージを提供で
きる。
【0025】
【発明の効果】本発明によると、機構が簡単で小型で、
移動子を固定子と非接触で2軸以上の方向に位置決めで
きる静電アクチュエータを提供することができる。ま
た、光学顕微鏡等に利用可能な2軸以上に移動可能なス
テージを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の一形態に係る静電アクチュエ
ータの斜視図である。
【図2】 図1の静電アクチュエータの駆動原理を説明
する断面図である。
【図3】 図1の静電アクチュエータにおける印加電圧
パターンを説明する図である。
【図4】 図1の静電アクチュエータの保持原理を説明
する図(a)、及び印加電圧パターンを説明する図
(b)である。
【図5】 本発明の一実施例に係る静電アクチュエータ
の斜視図である。
【図6】 図5の静電アクチュエータの断面図である。
【図7】 本発明の第2の実施例に係る移動ステージの
図である。
【図8】 従来技術を説明する図である。
【図9】 従来技術の印加電圧パターンを説明する図で
ある。
【記号の説明】
101,201,501,3003:移動子、102,
202、 502、 3001:固定子、503(1)〜
(3),504(1)〜(3),109(1)〜
(3),3002:駆動電極、505(1)〜(3):
絶縁性薄膜、107,207,507:振動子、10
8,508(1),(2):保持電極、206:被測定
物、208:鏡筒、209:定盤、3004:静電駆動
回路、3011,3012:圧電素子、3013,30
14:圧電素子駆動回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八木 隆行 東京都大田区下丸子3丁目30番2号キヤノ ン株式会社内 Fターム(参考) 3F021 AA05 BA05 CA13 DA04

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に複数の駆動電極を有する固定子
    と、前記駆動電極に対して複数相の駆動電圧を印加する
    電圧印加手段と、前記固定子上を移動する移動子と、前
    記固定子と前記移動子を非接触に保持する非接触保持手
    段とを有する静電アクチュエータにおいて、 前記駆動電極に印加される電圧の位相の進行方向に沿っ
    た帯状の保持電極と、前記保持電極に直流電圧を印加す
    る電圧印加手段とを有することを特徴とする静電アクチ
    ュエータ。
  2. 【請求項2】 前記保持電極を複数有し、前記保持電極
    が互いに平行に設置されており、その間隔が前記移動子
    の、前記駆動電極駆動方向に垂直な部分の長さより小さ
    いことを特徴とする請求項1に記載の静電アクチュエー
    タ。
  3. 【請求項3】 前記駆動電極が複数の駆動方向に設置さ
    れ、前記駆動方向のそれぞれに対して、前記保持電極が
    設置されていることを特徴とする請求項1または2に記
    載の静電アクチュエータ。
  4. 【請求項4】 前記非接触保持手段が、前記固定子の下
    面に配置された圧電素子を有することを特徴とする請求
    項1〜3のいずれか一つに記載の静電アクチュエータ。
  5. 【請求項5】 前記圧電素子に印加する交流電圧の振幅
    を制御する浮上量制御手段を有することを特徴とする請
    求項4に記載の静電アクチュエータ。
  6. 【請求項6】 複数の駆動電極を有する固定子と、該固
    定子上を移動する移動子と、前記駆動電極に印加される
    電圧の位相の進行方向に沿った保持電極を有する静電ア
    クチュエータの制御方法であって、 前記駆動電極に対しては複数相の駆動電圧を印加し、前
    記保持電極には直流電圧を印加することで前記移動子の
    位置を制御することを特徴とする静電アクチュエータの
    制御方法。
  7. 【請求項7】 前記固定子の下面に振動子を設け、該振
    動子に印加する交流電圧の振幅を制御することで、前記
    移動子の浮上量を制御することを特徴とする請求項6に
    記載の静電アクチュエータの制御方法。
  8. 【請求項8】 請求項1〜5の何れか一つに記載の静電
    アクチュエータを有することを特徴とする移動ステー
    ジ。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011145452A1 (ja) * 2010-05-19 2011-11-24 大日本印刷株式会社 4線式静電アクチュエータおよび固定子
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