JP2005065467A - 静電アクチュエータ及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で且つ精度の良い位置制御が可能な静電アクチュエータを提供すること。
【解決手段】静電アクチュエータは、所定周期に配置された櫛歯状電極を有する移動子と、所定周期かつ複数毎に結線配置された駆動電極を有する固定子とを備え、移動子の櫛歯状電極に交流発生装置２１により第１交流電圧を印加して該櫛歯状電極の配列に第１進行波を発生させ、また、固定子の駆動電極に交流駆動源２０により第２交流電圧を印加して該駆動電極の配列に第２進行波を発生させるとき、交流源制御装置５０の演算回路５２は、その第１進行波と第２進行波の位相差を変化させることによって移動子の変位を制御する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、静電気の作用によって動作する静電アクチュエータ及びその制御方法に関する。

従来のアクチュエータやモータは主に電磁力の作用によって動作するものであって、永久磁石や鉄心などの重量が大きく重いもので、且つ巻き線に流れる電流損失のため発熱が大きいものであった。

一方、電磁力以外のアクチュエータとして、超音波アクチュエータや超音波モータが知られているが、これらは圧電振動子の摩擦力によって駆動されるために常時駆動するには摩擦劣化のために寿命が短く、精度良い位置決めを行うにはエンコーダなどの位置センサを用いて制御する必要があった。

さらに、超音波アクチュエータを小さくするためには、圧電体の共振周波数を上げる必要があり、周波数を上げると低速で動作させるのが難しいといった欠点があった。

これらを解決するために、静電力を利用した静電アクチュエータが幾つか提案・研究されており、比較的大きな力が発生できるものに次の代表的な２つの提案がある（例えば、特許文献１及び２参照）。

即ち、特許文献１には、固定子と移動子の両方に、所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有して、固定子電極側と移動子電極の両者に交流電源を接続・印加して、それらの間に作用する静電力で移動子を変位駆動させる静電アクチュエータが開示されている。

また、特許文献２には、固定子と移動子を有し、所定の表面抵抗率を持ったフィルムで構成された移動子へ固定子側から電荷の充電を行い、移動子内の誘電体の分極時間遅れを利用して、固定子との間で静電力を起こさせて変位駆動力を得る接触型静電アクチュエータが開示されている。
特開平６−７８５６６号公報 特開平２−２８５９７８号公報

しかしながら、これらの提案は、それぞれ次のような問題があり、実用化されるに至っていない。

即ち、固定子電極と移動子電極の両方に交流電源を印加する上記特許文献１に開示の静電アクチュエータは、移動子電極へ接続するための電荷供給線が必要であり、移動子の繰り返し運動に伴い電荷供給線の疲労劣化が起こり断線の心配があり信頼性上好ましくない。また、複数の帯状電極を円周放射状に並べた回転型アクチュエータ（モータ）においては、移動子である回転体に接続するためのスリップリングなどの回転伝導部材が必要になり、回転部の摩擦の問題や機構が複雑になるといった問題がある。

一方、移動子内の誘電体の分極時間遅れを利用した上記特許文献２に開示の接触型静電アクチュエータは、上記特許文献１に開示の静電アクチュエータのような移動子への電荷供給線は必要ないが、移動子には所定の表面低効率を持ったフィルムや紙などの材質を選定する必要があり、材質が大きく限定される問題がある。また、移動子に電荷を供給するために、駆動する前に行う初期充電や駆動サイクル中に充電期間を設けるなど、複雑なシーケンス制御を必要とする。さらに、充電期間が必要であることから高速駆動は難しかった。

また、上記特許文献１及び２で示される２つの方式において他の共通する問題として、移動子の駆動位置制御がほぼ電極ピッチ相当の精度でしか出来ないことが挙げられる。

特に、上記特許文献１の方法においては低速駆動や静止が不可能であり、この問題点を解決するために、特開平１０−２４８２７０号公報においては、印加交流電源に搬送波で変調をかけて電極への電荷蓄積が起こらないようにして、低速駆動や静止ができるようにした静電モータを提案している。さらに、特開平９−２３３８５８号公報に開示された静電アクチュエータにおいては、移動子の移動時には電極ピッチ間隔でリップル状に速度が変動するために、電極を斜めに配置してその速度リップルを抑えている。

また、移動子の位置制御を電極ピッチ以下で行うために、「高出力静電リニアモータを用いた高精度位置決め制御」精密工学会誌Vol.64, No.9, 1998においては、駆動用電極とは別に位置を検出するセンサを併設して、そのセンサからの信号をもとに閉ループによる位置決め制御することで、細かい位置制御を行っている。

しかし、これらの問題解決策では、搬送波で変調をかける回路が必要になったり、別途精度の高い位置センサを必要とするので、大幅に回路や機構が複雑になる問題があり実用化には至っていない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、簡易な構成で且つ精度の良い位置制御が可能な静電アクチュエータ及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明による静電アクチュエータは、
所定周期に配置された電極を有する移動子と、
所定周期かつ複数毎に結線配置された駆動電極を有する固定子と、
上記移動子の電極に第１交流電圧を印加して該電極の配列に発生させる第１進行波と、上記固定子の駆動電極に第２交流電圧を印加して該駆動電極の配列に発生させる第２進行波との位相差を変化させることによって上記移動子の変位を制御する変位制御手段と、
を備えることを特徴とする。

なお、本明細書において、用語「進行波」とは、複数の電極上に形成される時間的に変動する電位の分布のことを表してしている。

また、上記の目的を達成するために、請求項２に記載の発明による静電アクチュエータは、
略平行または同心円状に配置された複数の誘導電極および所定周期かつ複数毎に結線配置された駆動電極を有する固定子と、
入れ子状に相対配置された第１電極と第２電極とを有する移動子と、
上記固定子の誘導電極へ第１交流電圧を印加することで上記移動子の第１電極および第２電極へ電荷を誘導させて上記移動子の電極配列に発生させる第１進行波と、上記固定子の駆動電極へ第２交流電圧を印加して上記駆動電極の配列に発生させる第２進行波との位相差を変化させることによって上記移動子の変位を制御する変位制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明による静電アクチュエータは、請求項２に記載の発明による静電アクチュエータにおいて、
上記移動子は、櫛歯状の端電極が放射状に広がる第１電極と、櫛歯状の端電極が求心して配置される第２電極とが入れ子状に相対して配置された回転する回転子であり、
上記固定子は、円盤円周上に配置された２個以上の誘導電極と所定の周期角をもって複数毎に結線配置された駆動電極が組み込まれたものであることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明による静電アクチュエータは、請求項３に記載の発明による静電アクチュエータにおいて、
上記回転子と上記固定子とを回転軸を共通にして複数段に積層化し、複数の回転子により発生する回転トルクを回転軸共通として取り出すことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明による静電アクチュエータは、請求項２に記載の発明による静電アクチュエータにおいて、
上記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ上記第１電極と上記第２電極の配列方向が直線となるように円筒面内に配置されたものであり、
上記固定子は、円筒直線上に配置された２個以上の誘導電極と直線配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明による静電アクチュエータは、請求項２に記載の発明による静電アクチュエータにおいて、
上記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ上記第１電極と上記第２電極の配列方向が円となるように円筒面内に配置された、周回転する移動子であり、
上記固定子は、円筒円周上に配置された２個以上の誘導電極と円周配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする。

また、上記の目的を達成するために、請求項７に記載の発明による静電アクチュエータは、
所定周期かつ複数毎に結線配置された駆動電極を有する固定子と、
入れ子状に相対配置された第１電極と第２電極とを有する移動子と、
上記移動子の第１電極と第２電極との間に第１交流電圧を印加して上記移動子の電極配列に発生させる第１進行波と、上記固定子の駆動電極へ第２交流電圧を印加して上記駆動電極の配列に発生させる第２進行波との位相差を変化させることによって上記移動子の変位を制御する変位制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明による静電アクチュエータは、請求項７に記載の発明による静電アクチュエータにおいて、
上記移動子は、櫛歯状の端電極が放射状に広がる第１電極と、櫛歯状の端電極が求心して配置される第２電極とが入れ子状に相対して配置された回転する回転子であり、
上記固定子は、所定の周期角をもって複数毎に結線配置された駆動電極が組み込まれたものであることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明による静電アクチュエータは、請求項８に記載の発明による静電アクチュエータにおいて、
上記回転子と上記固定子とを回転軸を共通にして複数段に積層化し、複数の回転子により発生する回転トルクを回転軸共通として取り出すことを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明による静電アクチュエータは、請求項７に記載の発明による静電アクチュエータにおいて、
上記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ上記第１電極と上記第２電極の配列方向が直線となるように円筒面内に配置されたものであり、
上記固定子は、直線配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明による静電アクチュエータは、請求項７に記載の発明による静電アクチュエータにおいて、
上記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ上記第１電極と上記第２電極の配列方向が円となるように円筒面内に配置された、周回転する移動子であり、
上記固定子は、円周配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明による静電アクチュエータは、請求項１乃至１１の何れかに記載の発明による静電アクチュエータにおいて、
上記変位制御手段は、上記第１交流電圧と第２交流電圧の相対位相を、正または負の１８０度以内の位相オフセットとしてステップ状に変化させて上記移動子の変位を制御することを特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明による静電アクチュエータは、請求項１乃至１２の何れかに記載の発明による静電アクチュエータにおいて、
上記第１交流電圧と第２交流電圧の周波数差を変化させることによって上記移動子の速度を制御する速度制御手段を更に備えたことを特徴とする。

また、請求項１４に記載の発明による静電アクチュエータは、請求項１３に記載の発明による静電アクチュエータにおいて、
上記変位制御手段は、上記速度制御手段によって上記第１交流電圧および第２交流電圧の周波数を同一として上記移動子を静止させた上で、上記第１進行波と第２進行波との位相差を変化させることを特徴とする。

また、上記の目的を達成するために、請求項１５に記載の発明による静電アクチュエータの制御方法は、
移動子上に所定周期で配置された電極に第１交流電圧を印加して該電極の配列に第１進行波を発生させ、
固定子上に所定周期で配置された駆動電極に第２交流電圧を印加して該駆動電極の配列に第２進行波を発生させ、
上記第１進行波と第２進行波との位相差を変化させることによって上記移動子の変位を制御することを特徴とする。

また、請求項１６に記載の発明による静電アクチュエータの制御方法は、請求項１５に記載の発明による静電アクチュエータの制御方法において、
上記第１交流電圧と第２交流電圧の相対位相を、正または負の１８０度以内の位相オフセットとしてステップ状に変化させて上記移動子の変位を制御することを特徴とする。

また、請求項１７に記載の発明による静電アクチュエータの制御方法は、請求項１５又は１６に記載の発明による静電アクチュエータの制御方法において、
上記第１交流電圧と第２交流電圧の周波数差を変化させることによって上記移動子の速度を制御することを特徴とする。

また、請求項１８に記載の発明による静電アクチュエータの制御方法は、請求項１７に記載の発明による静電アクチュエータの制御方法において、
上記第１交流電圧および第２交流電圧の周波数を同一として上記移動子を静止させた上で、上記第１進行波と第２進行波との位相差を変化させることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で且かつ精度の良い位置制御が可能な静電アクチュエータ及びその制御方法を提供することができる。

特に、本発明の静電アクチュエータは、入れ子状の櫛歯状電極に交番電荷分布をもつ進行波を発生させるとともに、固定子の駆動電極に進行波を発生させて、移動子と固定子に印加させる交流駆動源の位相差に基づき移動子が変位するために、簡単なオープンループ制御で精度良い位置決めができるので、エンコーダなどの位置決めセンサが不要となり、低コストな位置決めシステムを構築することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る静電アクチュエータの概略構成を示す図であり、該静電アクチュエータの固定子１を図１（Ｂ）に、移動子１０を図１（Ｃ）にそれぞれ示す。

固定子１には、交流発生装置２１の出力信号をもとにアンプ２３ａ及び高圧トランス２４ａを通して発生された高圧電圧が印加されると同時に、上記交流発生装置２１の出力信号を位相器２２で遅延させた信号を高圧アンプ２３ｂ及び高圧トランス２４ｂを通すことで発生された高圧電圧が印加される。この場合、高圧トランス２４ａ，２４ｂの出力は、固定子の駆動電極４へ接続端子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを通じて印加される。また、交流駆動源２０の出力が固定子１の誘導電極３ａ，３ｂへ接続端子ＵとＶを通じて印加される。

固定子１の誘導電極３ａ，３ｂや駆動電極４は、フィルム状の絶縁体２の中に組み込まれている。この固定子１の上に、移動子１０が乗っており、この移動子１０は、絶縁体１１の中に櫛歯状電極１２ａ，１２ｂが互いに入れ子状になって配置された構成となっている。特徴的なことは、この移動子１０には、外部との接続端子が一切なく、静電気エネルギーは上記固定子１の誘導電極３ａ，３ｂから取得するようになっている。

図１（Ａ）の状態で、移動子１０は固定子１の上を静電力すなわち静電気のクーロン力を受けて左右に変位する。また、図１（Ｃ）の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂの櫛歯ピッチは、図１（Ｂ）の駆動電極４の配列ピッチの２倍となっている。

図２は、移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂへ真電荷を発生するときの、基本となる静電誘導の原理を説明するための図である。二つの電極４１，４２には外部電源４３から電圧Ｖが印加されており、電極４１にはプラスの電荷「＋」が、電極４２にはマイナスの電荷「−」が供給され、電極間には電界Ｅが発生する。この状態において、図２（Ｂ）に示すように、導体４４を電界Ｅの中に挿入すると電気力線４５は切断され、その結果導体４４の中の電界がゼロとなるように図２（Ａ）の電気力線４６とは逆方向に電気力線４７を発生するべく導体４４の表面に、マイナスとプラスの電荷が発生する。これは導体中に発生する電荷のことで、誘電分極で起こる電荷と区別するために、「真電荷」と呼ばれている。ここで、導体４４に注目してみると、この導体４４は外部に接続されていないにも関わらず、電界中にあることで導体の表面にプラスとマイナスの２種の電荷が発生している。これは、単純な常識からすると理解し難い現象であるが、本発明の根幹をなす原理である。

図３は上述した静電誘導の原理を用いて、移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂの櫛歯端電極部に真電荷のプラスとマイナスが交互に配置されるパターンを発生させる原理を説明する図である。固定子１の誘導電極３ａには、外部電源４３よりプラスが、誘導電極３ｂにはマイナスが印加されている。このとき、移動子１０の櫛歯状電極１２ａの基部には、上述した静電誘導の原理によりマイナスの真電荷が誘起され、櫛歯状電極１２ａの櫛歯端にはプラスの真電荷が誘起される。一方、櫛歯状電極１２ｂの基部には同様にしてプラスの真電荷が誘起され、櫛歯端にはマイナスの真電荷が誘起される。２つの櫛歯状電極１２ａ，１２ｂの櫛歯端が対峙する中央付近では電極同士が絶縁されて距離も近ことから、プラスとマイナスの電荷がお互いに引き合い、櫛歯表面にはある程度均一した密度で真電荷が分布する。このように、上述した静電誘導と２つの入れ子状に構成された櫛歯状電極によって、電極中央部付近ではプラスとマイナスの真電荷が交互に分布する交番電荷が形成される。

図４は、移動子１０を変位駆動する原理を説明するための図である。図４（Ａ）は移動子１０が静止している状態を示すもので、固定子１の駆動電極４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄには、電圧−，−，＋，＋という具合に２個を一組として同極性電圧が印加されている。一方、移動子１０の櫛歯状電極１２ａと１２ｂが入れ子状になっている中央付近では、＋，−，＋，−とプラス／マイナスの真電荷が交互に誘導されている。この状態では移動子１０の電極ピッチが固定子電極ピッチの２倍であり、固定子電極（駆動電極４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の電荷と移動子電極（櫛歯状電極１２ａ，１２ｂ）の電荷はプラスとマイナスまたはマイナスとプラスで最短距離に位置する関係になり、互いに引き付け合うクーロン力が働き、安定して静止することになる。

図４（Ｂ）は、固定子１の駆動電極４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに電圧＋，−，−，＋を印加させた場合で、移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂとの静電気のクーロン力により、移動子１０が右方向に動こうとする力Ｆが働く。

より詳細には、櫛歯状電極１２ａ，１２ｂは斜め上右方向、斜め右下方向、上方向、下方向の力ベクトルが各電極に作用し、それらベクトル合成の結果、右方向の力ベクトルとなって力Ｆが働く。

この状態を保っておくと、図４（Ｃ）に示すように、移動子１０が電極ピッチＰ_ｓに相当する距離だけ右移動し、固定子１と移動子１０とのクーロン力が最大になる位置で静止する。この状態は、ピッチＰ_ｓだけ移動したことを除けば図４（Ａ）と同じであり、変位後は安定して静止している。

次に、左方向へ変位する原理について説明する。図４（Ａ）の状態から、図４（Ｄ）に示すように固定子１の駆動電極４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに、電圧−，＋，＋，−を印加すると、移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂには、各電極部が受けるクーロン力のベクトルの総和として左方向に動こうとする力Ｆが働く。

この状態を保っておくと図４（Ｅ）に示すように、移動子１０が電極ピッチＰ_ｓに相当する距離だけ、左へ移動し、固定子１と移動子１０とのクーロン力が最大になる位置で静止する。

このように、移動子１０が動こうとするときには、各電極のクーロン力の総和として、右や左の方に変位しようとする力が働き、所定の位置まで変位したならば、移動子１０は固定子１との間に上下方向の力となって、固定子１にがっちりと吸引される。また見方を変えると、静止時にはがっちりと垂直方向に吸引保持されているが、一旦変位状態に移行すると、固定子１と移動子１０の垂直方向には吸引力が働かなくなるので、摩擦の影響を受けにくく滑らかに移動できることになる。

今までの図２，図３，図４を用いての説明は、分かり易いように直流を用いて説明したが、実際は交流信号を用いて駆動するため、次に実際の交流駆動について説明する。

図２で説明した静電誘導の原理においては、電極４１，４２への印加電圧が交流になっても、回路時定数が小さい限り誘導電荷の極性がプラス／マイナス交互に切り替わるだけで、直流同様に静電誘導は起きる。

図５は、各電極へ印加される電圧によって交番電位分布を形成する様子を説明するもので、図５（Ａ）は移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂに静電誘導により発生した真電荷による電位波形を示す。ここで、黒塗り三角印の部分が櫛歯状電極１２ａのプラス電荷で作用する電位、二重丸印の部分が櫛歯状電極１２ｂのマイナス電荷で作用する電位を示す。静電誘導では、導電体表面に真電荷を発生し、櫛歯状電極１２ａと１２ｂのプラス／マイナス電荷同士が引き付け合うので、電極断面の両端に電荷が集まることになる。櫛歯状電極２ピッチで空間周波数１周期となり、サンプリングポイントとして４点あるため、サンプリング定理の条件を満たしている。

図５（Ｂ）は、櫛歯状電極１２ａ，１２ｂと固定子１の駆動電極４との断面の関係を示すもので、駆動電極４は図５（Ｅ）に示すように４個毎にまとめられて結線されている。ここにラインＡにマイナス電位（丸印）、ラインＢにゼロ電位（白抜き三角印）、ラインＣにプラス電位（バツ印）、ラインＤにゼロ電位（菱形印）を印加すると、固定子１の駆動電極４上の電位は、図５（Ｃ）に示すようになる。この電位分布（図５（Ｃ））と移動子１０の電位分布（図５（Ａ））の間には静電気のクーロン力が働くため、移動子１０（櫛歯状電極１２ａ，１２ｂ）には右方向へ動こうとする力が働く。

同様に、図５（Ｄ）はラインＡにゼロ電位（丸印）、ラインＢにマイナス電位（三角印）、ラインＣにゼロ電位（バツ印）、ラインＤにプラス電位（菱形印）を印加した場合の空間電位分布を示すもので、移動子１０の電位分布（図５（Ａ））との間には、移動子１０（櫛歯状電極１２ａ，１２ｂ）が左に動こうとするクーロン力が働く。

図５（Ｅ）は駆動電極４の結線を示すもので、ラインＡは高圧トランス２４ａの２次側正極性巻き線へ、ラインＣは同じ高圧トランス２４ａの２次側負極性巻き線に接続される。また、ラインＢは高圧トランス２４ｂの２次正極性巻き線へ、ラインＤは高圧トランス２４ｂの２次側負極性巻き線へ接続される。さらに、高圧トランス２４ａの一次側入力と、高圧トランス２４ｂの一次側入力の位相を９０度異ならせることで、図５（Ｃ）や図５（Ｄ）に示すような、正弦波状の空間電位分布を容易に作りだすことができる。

位相を変えるのは、図１（Ａ）に示す位相器２２で、図５（Ｃ）は高圧トランス２４ａの一次入力を高圧トランス２４ｂの一次入力に対して、位相を９０度進ませた場合を示し、図５（Ｄ）は同様に位相を９０度遅らせた場合を示す。

この図５（Ｅ）で示す電極４とトランス２４ａ，２４ｂを用いた結線は、電極の配列空間を時間軸に当てはめて考えると、高周波信号を直交サンプリングして、実数部と虚数部とかなる複素数信号を作る技術と類似している。

なお、図５は、櫛歯状電極１２ａ，１２ｂにプラスとマイナスの交番電荷が形成される様子を説明したものであるが、その櫛歯状電極１２ａ，１２ｂは、機能に応じて電極の部位を分けて考えることもできる。

即ち、同図において、固定子１の誘導電極３ａ，３ｂに対向して上部に位置している櫛歯状電極の基部は静電誘導を受ける元となる部分であるから被誘導電極部とし、それ以外の櫛歯状電極部は変位駆動されるときに作用を受けるものであるから被駆動電極部として分類できる。被駆動電極部は入れ子状になった２つの電極で構成され、前述の交番電荷がこの電極部に形成されることとなる。

図６は、固定子１の裏面より見た電極構成を詳細に示す図で、例えばポリイミド基材で構成された絶縁体２の裏面に駆動電極４をピッチＰ_ｓで並べ、それを図５で説明した４個毎にまとめて縦のラインを用いて結線する。このとき、結線ＡラインおよびＢラインは裏面に、結線ＣラインおよびＤラインは表面にてスルーホールを径由して結線すると、左右対称になりまとまりが良い。

また、誘導電極３ａ，３ｂは固定子１の表面に配置され、それを端子ＵとＶで引き出す。このように、全ての電極結線が固定子１の表面と裏面のみで完結するため、固定子１は両面のフレキシブルＰＣ板などで簡単に製造することができる。

図７は、固定子１または移動子１０に発生する進行波と、その進行波同士の作用によって移動子１０が所定の速度で移動する原理を説明するための図である。

図７（Ａ）は移動子１０に発生する進行波を説明するもので、横軸が電極配列方向の空間、縦軸が時間軸を表す。ある時間ｔには、櫛歯状電極１２ａと１２ｂには図５（Ａ）で説明したように、電極空間に交番電位分布が生じる。この交番電位分布は２Ｐ_ｍを１周期とする空間周波数を形成する。そして、図７（Ａ）右端に示されている周波数ｆ_ｍの交流電圧を電極配列に印加すると、各電極に位相オフセットが加えられた状態で電位が周波数ｆ_ｍで変化していく。即ち、電極配列に空間的な位相オフセットを与えて交流信号を印加すると、時間とともに空間上の電位分布が移動していく。これは、進行波と呼ばれ、移動子１０の進行波速度Ｖ_ｍは図中の太い点線で示した傾きとなり次式で与えられる。

Ｖ_ｍ＝Δｄ_ｍ／Δｔ_ｍ
＝２Ｐ_ｍ・ｆ_ｍ＝４Ｐ_ｓ・ｆ_ｍ ……（式１）
これより、進行波速度は、電極間ピッチＰ_ｍおよび交流電圧の周波数ｆ_ｍが大きいほど大きくなることがわかる。

図７（Ａ）の細い点線で示した波形は、櫛歯状電極１２ａ，１２ｂでゼロ電位となっているため実際には存在しないが、時間的に補間することにより得られる仮想的な空間電位分布波形である。

図７（Ｂ）は、固定子１の駆動電極４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに発生する進行波を説明するための図である。移動子１０の進行波速度Ｖ_ｍで説明したことと同様の原理により、駆動電極４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに周波数ｆ_ｓでオフセット位相を加えて印加すると、進行波が生じ、この進行波の移動速度Ｖ_ｓは、図中の太い実線で示され次式で与えられる。

Ｖ_ｓ＝Δｄ_ｓ／Δｔ_ｓ
＝４Ｐ_ｓ・ｆ_ｓ＝２Ｐ_ｍ・ｆ_ｓ ……（式２）
例えば、固定子印加周波数ｆ_ｓを移動子印加周波数ｆ_ｍの１／２とすると、進行波の移動速度を示す図７（Ｂ）の太い実線の傾きは図７（Ａ）に比べて１／２となる。

つぎに、移動子１０の電極配列空間に図７（Ａ）で示す進行波が、固定子１の駆動電極の配列空間に図７（Ｂ）で示す進行波が発生している状態において、移動子１０と固定子１は重ね合わせたときの動作を説明する。移動子１０の電極の真電荷の極性と、固定子電極の真電荷の極性の組み合わせに応じて次の吸引力，反発力が働く。

（ａ）移動子の電極 ＋ ，固定子電極 − で 吸引力
（ｂ）移動子の電極 − ，固定子電極 ＋ で 吸引力
（ｃ）移動子電極 ＋ ，固定子電極 ＋ で 反発力
（ｄ）移動子電極 − ，固定子電極 − で 反発力
この関係により、図７（Ａ）で示す移動子１０の進行波と図７（Ｂ）で示す固定子１の進行波では、お互いのプラスの真電荷「波形の山部」とマイナスの真電荷「波形の谷部」が空間的に一致するようにクーロン力が働く。交流駆動で興味深いことは、上記組み合わせ（ａ）と組み合わせ（ｂ）の関係または組み合わせ（ｃ）と組み合わせ（ｄ）の関係では、それぞれ極性が＋／−で異なるものの、移動子１０と固定子１が両方同時に極性反転すれば吸引／反発力は変化しないということである。このため、電極配列の真電荷極性が正弦波状に変化しても、相手側の真電荷極性も同様に正弦波状に変化すれば、静電気クーロン力の作用は図４において説明したように直流印加時に作用する静電力とほとんど同じである。

このような作用を受けて、図７（Ｃ）に示すように固定子１の駆動電極４の進行波速度が、移動子１０の進行波速度Ｖ_ｍと等しくなりように固定子１が動くこととなる。このとき図７（Ａ）の太い点線傾きと、図７（Ｃ）の太い実線の傾きが同じくなり、固定子１の移動速度はＶ＝Δｄ／Δｔとなる。説明の都合上、固定子１が速度Ｖで動くとしたが、固定子を基準にすると移動子１０が速度−Ｖ＝−Δｄ／Δｔで移動することになる。

移動子１０の速度Ｖは次式で与えられる。

Ｖ＝Ｖ_ｍ−Ｖ_ｓ
＝２Ｐ_ｍ・ｆ_ｍ−４Ｐ_ｓ・ｆ_ｓ
＝４Ｐ_ｓ（ｆ_ｍ−ｆ_ｓ） ……（式３）
次に、図８を用いて、固定子１または移動子１０に発生する進行波同士の位相オフセット作用によって移動子１０が所定の距離だけ変位する原理を説明する。

ここで、図８（Ａ）は、図７（Ａ）で説明した進行波の図と全く同じで、太い点線で示したのが進行波の空間移動を示す軌跡である。

所定の距離だけ移動子を動かすために、図８（Ｂ）に示すように、固定子１の駆動電極４に印加する交流電圧を周波数は同じままで、位相のみを途中からΔθだけオフセットさせる。このとき、進行波の空間移動の軌跡は、太い実線で示すように図８（Ａ）の傾きと同じで、途中から段差をもったものとなる。

このようにして、移動子１０の電極配列に図８（Ａ）で示す進行波が発生し、固定子１の駆動電極の配列には図８（Ｂ）で示す段差付きの進行波が発生している状態において、移動子１０と固定子１を重ね合わせたときの動作を説明する。

図８（Ｃ）は、移動子１０の進行波と固定子１の進行波が静電気クーロン力で吸引しあった状態を示すもので、図８（Ａ）の太い点線で示される移動子の進行波の空間変位の軌跡に、図８（Ｂ）で示される固定子１の進行波の空間変位軌跡が一致するように重ねると、軌跡の段差が無くなる変わりに、固定子１の電位分布が空間方向にΔｄだけシフトすることとなる。これは、基準を固定子１におくと移動子１０が−Δｄだけ単純に移動したことと等価である。このように、固定子１の駆動電極４に印加する交流電圧の位相をΔθだけ変化（オフセット）させるだけで、移動子１０の変位をΔｄだけ動かすことができる。この変位量Δｄは次式で与えられる。

Δｄ＝４Ｐ_ｓ・Δθ／２π ……（式４）
この式から、Δθの設定をπ／２単位で設定すると、電極ピッチＰ_ｓ単位で変位することがわかる。また、電極ピッチＰ_ｓを小さくするほど、位置決め精度は高くなる。

また、固定子１または移動子１０に与える位相オフセットは、１８０度以上になると、ベクトル位相空間が第３象現となり急に負の位相オフセットと等価になり、位相オフセットが小さいときと逆の方向に移動子１０が変位するため、ここで与える位相オフセットはプラス／マイナスの１８０度以下の位相オフセットとするのが好ましい。

図８（Ａ）の太い点線で示される移動子進行波の谷部分（マイナス真電荷）と図８（Ｂ）の太い実線で示される固定子進行波の山部分（プラス真電荷）で構成される凹凸部は、例えて言うとギヤのように噛み合う。この噛み合いの精度が高いほど、位置決め精度が高くなる。ギヤの歯数が少なく噛み合わせが粗くても、歯同士がうまく噛み合いガタが少ないと、ギヤの歯数以上に細かく回転制御することが可能となる。

本発明もこのギヤと同様で、位相オフセットΔθをπ／２以内の精度で細かく設定すると電極ピッチＰ以下の精度で変位可能となる。電極の構造や精度にもよるが、例えば位相オフセットΔθを±５度と小さくすると、それに対応した変位量Δｄは４Ｐ_ｓ・５／３６０＝Ｐ_ｓ／１８となる。例えばこの場合、固定子電極のピッチＰ_ｓを１８０μｍとすると、１０μｍで微細の制御できることになる。

図９は、所望の変位速度及び変位量となるように交流駆動源２０及び交流発生装置２１を制御する交流源制御装置５０を示す図で、該交流源制御装置５０は、ダイレクトシンセサイザ技術を用いたＩＣやＤ／Ａ変換器、信号増幅用アンプなどを用いて構成される。

アクチュエータを動作させる設定として、移動子１０を変位させたい速度Ｖ_ｓｅｔと、変位量Ｄ_ｓｅｔとを外部より入力する。

この入力速度Ｖ_ｓｅｔは、交流源制御装置５０内の演算回路５１に入力され、該演算回路５１によりΔｆ＝Ｖ_ｓｅｔ／４Ｐ_ｓを演算し、次段の交流発生装置２１でＧ_ｓ＝ｓｉｎ［２π（ｆ_ｍ−Δｆ）ｔ］を発生して、固定子１の駆動電極の配列に駆動周波数ｆ_ｓ＝ｆ_ｍ−Δｆの第２進行波をつくる。

また、入力変位量Ｄ_ｓｅｔは、交流源制御装置５０内の演算回路５２に入力され、該演算回路５２により上記入力変位量Ｄ_ｓｅｔを変位量Δｄとして上記式（４）よりΔθ＝２π・Δｄ／４Ｐ_ｓを演算し、次段の交流駆動源２０でＧ_ｍ＝ｓｉｎ［２πｆ_ｍｔ＋Δθ］を発生して、移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂの配列に第１進行波をつくる。

ここで、移動子１０の速度Ｖは、前述式（３）より固定子１の駆動周波数ｆ_ｓと移動子１０の駆動周波数ｆ_ｍとの差によって決まるので、差の周波数Δｆによって移動子１０の速度Ｖが決定され、移動子１０の位置は駆動交流源Ｇ_ｍとＧ_ｓの位相差Δθによって決定される。

よって、所望の速度Ｖ_ｓｅｔに応じてこの周波数差Δｆを変化させる上記演算回路５１は、移動子の速度を制御する速度制御手段として機能するものである。また、所望の変位量Ｄ_ｓｅｔに応じて上記位相差Δθを変化させる上記演算回路５２は、移動子の変位を制御する変位制御手段として機能するものである。なお、特に図示はしないが、このうよな演算回路５１，５２を有する交流源制御装置５０は、後述する第２乃至第１１の実施形態においても同様に交流駆動源２０及び交流発生装置２１に接続されているものである。

この位相と周波数との関係は、変位と速度との関係とうまく対応している。即ち、移動子１０の速度Ｖは変位量Δｄの時間微分Ｖ＝Δｄ／Δｔで与えられ、駆動交流源Ｇ_ｍとＧ_ｓの周波数差Δｆで決定される。一方、この周波数差Δｆは位相の時間微分とΔｆ＝Δθ／Δｔの関係があるために、次のような関係が成立する。

Ｖ → Δｆ
Δｄ → Δθ
静止している状態すなわち移動速度がゼロの場合は、周波数の差Δｆをゼロとし、例えば右方向では周波数差Δｆが正となるように、左方向へ動かすには周波数差Δｆが負となるように、設定すればよい。

また、移動速度は周波数差で、変位は位相差で独立して設定することができ、特に位相差を与えることでダイレクトに変位制御できることは、エンコーダなどの位置センサが不要になり制御が極めて簡単になる。特に、所定の位相差を回数を分けて印加することで、リニアステッピングモータのような使用法ができ、オープンループで簡単に位置決めができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。

図１０は、本発明の第２実施形態に係る静電アクチュエータを示す図で、円盤状の固定子６０と、その上に回転子６１が乗っており、駆動動力回路は、図１（Ａ）と同様である。

円盤状固定子６０に配置される誘導電極は円内側と円外側に円周上に配置され、駆動電極は中心から放射状に配置される。回転子６１には、２個の櫛歯状電極を入れ子状にして、その櫛歯が放射状に並び、且つ櫛歯状電極基部が円周内側と円周外側に並ぶようにして配置される。回転駆動時には、回転バランスが保たれ自然に中心６２で回転するため、回転子中心には、回転ずれを防ぐためのベアリング等な回転機構があっても無くてもよい。

このような回転型アクチュエータでは、回転子の櫛歯状電極には静電誘導で真電荷が供給されるため、スリップリングなどの回転伝達部材が不要になるので、回転がスムーズとなる。

また、上記第１実施形態で説明したように、位相を変化させることにより、所定の角度だけ回転することもできる。

このようにオープンループで正確に所定角だけ回転する作用は、従来の電磁式ステッピングモータと類似するものである。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態を説明する。

図１１は、本発明の第３実施形態に係る静電アクチュエータを示す図で、円筒状固定子７０の外側に円筒状移動子７１を配置し、円筒軸上を円筒状移動子７１が平行移動するアクチュエータである。駆動回路は、図１（Ａ）や図１０で示した構成と同様である。

円筒状移動子７１には櫛歯状電極７２ａ，７２ｂを配置しており、その電極基部が効率よく静電誘導を行うべく円筒状固定子７０には、誘導電極７３ａ，７３ｂが円筒状移動子７１の櫛歯状電極７２ａ，７２ｂと対向して配置されている。

また、円筒状移動子７１は円筒状固定子７０の外側と説明したが、図示しないが円筒状固定子７０の内側へ配置することも容易に可能である。

このような円筒移動型アクチュエータは、動作的にはシリンダ／ピストンの動作と類似しているが、内部を中空にできるメリットがある。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態を説明する。

図１２は、本発明の第４実施形態に係る静電アクチュエータを示す図で、円筒状固定子８０の外側に円筒状回転子８１を配置し、櫛歯状電極８２ａ，８２ｂの駆動電極および図示しない固定子の駆動電極の並びを円筒軸と平行に並べたもので、円筒状回転子８１を円周方向に回転する静電アクチュエータである。円筒状固定子８０には、誘導電極８３を、移動子である円筒状回転子８１の櫛歯状電極８２ａの基部に対向して配置する。また、図示されていないが、櫛歯状電極８２ｂ側にも誘導電極８３が配置されている。

このような構成のアクチュエータは、ローラ回転するもので、この場合も図１０で説明した円盤型回転アクチュエータと同様に、移動子（円筒状回転子８１）へ電荷を供給するためのスリップリングなどの接続機構が不要になり、構成が極めて簡単になる。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態を説明する。

図１３は、本発明の第５実施形態に係る静電アクチュエータを示す図で、静電アクチュエータの出力を増大するために、固定子１と移動子１０を組として、それらを複数組重ねて積層したものである。ここで、参照番号９０は固定子１の連結部材、参照番号９１は移動子１０の連結部材をそれぞれ示し、この図において外部電源を印加して制御することで、複数の移動子１０が連結部材９１と共に左右に移動する。

なおここでは、固定子１と移動子１０を組としたが、図示しないが固定子１の上面／裏面の２面に移動子１０を対向して合わせる、または二枚の固定子１の間に移動子１０を挟み込んで、それらの組を複数積層化する場合も考えられる。

複数の固定子１は、連結部材９０で機械的に結合されると同時に電気的にも接合する必要があるが、複数の移動子１０は特に電気的結合をとる必要は無いために、比較的構成が簡単になる。

［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態を説明する。

図１４は、本発明の第６実施形態に係る静電アクチュエータを示す図で、図１０で説明した静電アクチュエータの出力トルクを増大するために、円盤状固定子６０と移動子である回転子６１の重ね合せペアを複数個積層したものである。ここで、参照番号９２は複数の回転子６１同士を機械的に接合する回転連結部材で、出力トルクはこの軸から取り出す。

なおここでは、円盤状固定子６０と回転子６１を組としたが、図示しないが円盤状固定子６０の上面／裏面の２面に回転子６１を対向して合わせる、または二枚の円盤状固定子６０の間に回転子６１を挟み込んで、それらの組を複数積層化する場合もある。

複数の円盤状固定子６０は中心を合わせて電気結合する必要があるが、回転体は回転連結部材９２に機械的に連結するだけでよいため、プラスチックなどの絶縁材などを使用することもでき、とくにスリップリングなども必要ないため、比較的構造が簡単となる。

［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態を説明する。

今まで説明した第１乃至第６実施形態では、固定子（例えば固定子１）の駆動電極４は、ラインＡ，ラインＢ，ラインＣ，ラインＤと４つ毎にまとめられていたが、本発明の第７実施形態として、３相交流電源により駆動する例を図１５を参照して説明する。

即ち、図１５は、各電極へ印加される電圧によって交番電位分布を形成する様子を説明するもので、図５と同様に、図１５（Ａ）は移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂに静電誘導により発生した真電荷による電位波形を示す。ここで、黒塗り三角印の部分が櫛歯状電極１２ａのプラス電荷で作用する電位、二重丸部分が櫛歯状電極１２ｂのマイナス電荷で作用する電位をそれぞれ示す。静電誘導では、導電体表面に真電荷を発生し、櫛歯状電極１２ａと１２ｂのプラス／マイナス電荷同士が引き付き合うので、電極断面の両端に電荷が集まることになる。櫛歯状電極２ピッチで空間周波数１周期となり、サンプリングポイントとして４点あるため、サンプリング定理を満たしている。

図１５（Ｂ）は、櫛歯状電極１２ａ，１２ｂと固定子１の３相駆動電極４Ｒ，４Ｔ，４Ｓとの断面の関係を示すもので、駆動電極４は図１５（Ｅ）に示すように３個毎にまとめられて結線されている。ここにラインＲの電位を丸印、ラインＴの電位を三角印、ラインＳの電位を菱形印でそれぞれ示し、電極配列全体の駆動電極４上の電位は、図１５（Ｃ）に示すようになる。この電位分布（図１５（Ｃ））と移動子１０の電位分布（図１５（Ａ））の間には静電気のクーロン力が働くため、移動子１０（櫛歯状電極１２ａ，１２ｂ）には右方向へ動こうとする力が働く。

同様に、図１５（Ｄ）は、３相駆動電極４Ｒ，４Ｔ，４Ｓに別の電位を印加した場合の空間電位分布を示すもので、この場合、移動子の電位分布（図１５（Ａ））との間には、移動子１０（櫛歯状電極１２ａ，１２ｂ）が左に動こうとするクーロン力が働く。３相駆動電極４Ｒ，４Ｔ，４Ｓは３相交流駆動源３０で駆動され、この電源の周波数や位相を可変することで、移動速度や変位を変える。

このように、３相交流電源によって駆動することができる。

［第８実施形態］
次に、本発明の第８実施形態を説明する。

図１６（Ａ）は本発明の第８実施形態に係る静電アクチュエータの概略構成を示す図であり、本実施形態における静電アクチュエータの固定子１を図１６（Ｂ）に、また本実施形態における静電アクチュエータの移動子１０を図１６（Ｃ）に示す。

これは、第１実施形態のような前述した静電誘導を用いるのではなく、直接に移動子１０へ給電して電荷を発生するものである。したがって、第１実施形態を示す図１にあったような誘導電極３ａ，３ｂが不要となり、接続端子ＵとＶは直接に移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂへ接続される。

即ち、図８および図９を用いて説明した位相オフセットによる変位駆動は、移動子への電荷供給を静電誘導を行うことを前提に説明したが、これは静電誘導を用いた静電アクチュエータに限定されるものではなく、本実施形態のように移動子へ直接給電する静電アクチュエータにも適用できる。つまり、移動子１０へ接続する交流電源２０と、固定子１に接続する多相の交流電源の間に位相オフセットを与えることで、図８で説明したように、移動子１０と固定子１の進行波同士の間に位相ずれが発生し、その位相ズレを無くそうと移動子１０が位相オフセットに対応する距離だけ変位することになる。また、上記で図９を用いて説明したように、変位させたい変位量Δｄに対応する位相オフセットΔθを与えるだけで、一意的に移動子１０が変位する。さらには、この位相オフセットをプラス／マイナスの１８０度以下の小さな値とすることで、固定子１の駆動電極のピッチ以下の細かい精度で位置決めすることが可能となる。

このように、移動子１０の櫛歯状電極１２ａおよび１２ｂに単相の交流電源を直接接続することで、櫛歯状電極配列に進行波を発生させることができる。なおこのときの移動子電極の配列ピッチは、図５で示したように、固定子駆動電極の配列ピッチの２倍とする。

本実施の形態では、このように直接移動子１０へ給電することにより、静電誘導による電圧低下がなくなり、効率の良い駆動が可能となる。

また、特に図示はしないが、前述した第５実施形態のように移動子を積層する場合には、各移動子に交流電圧を印加するよう構成すればよい。

［第９実施形態］
次に、本発明の第９実施形態を説明する。

図１７（Ａ）は、本発明の第９実施形態に係る静電アクチュエータを示す図で、前述した第２実施形態で説明したような回転型アクチュエータの構成において、本実施形態では、回転子６１に交流駆動源２０による交流電圧を直接に印加するようにしたものである。

このように給電信号線を直接に接続すると、回転子６１は揺動的な回転運動しか出来ないが、図示しないスリップリングなどの回転伝達部材を経由して交流駆動源２０に接続すると、回転動作が可能となる。

また、特に図示はしないが、各回転子に直接交流電圧を印加するようにすれば、前述した第６実施形態のような回転子の積層構成も可能なことは勿論である。

［第１０実施形態］
次に、本発明の第１０実施形態を説明する。

図１７（Ｂ）は、本発明の第１０実施形態に係る静電アクチュエータを示す図で、前述した第３実施形態の図１１と同様に、円筒状固定子７０の外側に円筒状移動子７１を配置し、移動子７１が平行移動するアクチュエータである。

本実施形態が図１１と異なるのは、交流駆動源２０を直接に移動子櫛歯状電極７２ａ，７２ｂへ直接給電していることである。

［第１１実施形態］
次に、本発明の第１１実施形態を説明する。

図１８は、本発明の第１１実施形態に係る静電アクチュエータを示す図で、前述した第４実施形態における図１２と同様に、円筒状固定子８０の外側に円筒状回転子８１を配置し、回転子８１が揺動回転を行うアクチュエータである。

本実施形態におけるこの図１８の構成が前述の第４実施形態における図１２の構成と異なるのは、交流駆動源８１を直接に円筒状回転子８１の櫛歯状電極８２ａ，８２ｂに直接給電していることである。なおこの場合、結線の関係で揺動回転のみとなるが、図示しないスリップリングなどの回転伝達部材を経由して交流駆動源に接続すると、回転動作が可能となる。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

例えば、図３や図５を用いて説明した移動子の電極は、２つの入れ子状になった櫛歯状電極を用いて説明したが、必ずしも入れ子状にしなくても、被誘導電極部と被駆動電極部を有して静電誘導で真電荷を誘起できれば他の方法でも良い。例えば、被誘導電極部と被駆動電極部とが一体に構成されたもの以外に、各々を別体で構成して、電気的に接続するようにしても良い。

今までの説明では、移動子を動かしたり回転するように説明してきたが、実際にはこの移動子に機械的な連結を行い、変位対象物全体を移動または回転させるものも含まれる。

また、変位対象物の表面に電極を直接配設させて変位対象物自体を移動子とさせても良い。

さらに、変位させる対象は移動子側だけでなく、移動子を固定して給電側の固定子を変位させても良い。

また、本発明の静電アクチュエータは、固定子へは直接に，移動子へは静電誘導または直接に交流電圧を印加するよう説明したが、この交流電圧の周波数は商用電源の周波数に関係なく高い周波数を用いることができる。特に、移動子１０の移動速度は、固定子１と移動子１０に加える交流駆動源の周波数の差によって決まるため、共に例えば１ＭＨｚ近くの高い周波数に設定することが可能である。周波数を高く設定できるため、高圧トランス２４ａ，２４ｂの小型化が図れるメリットがある。

また、交流で駆動するため、常に電極がプラス／マイナスと変化するため、不用意な帯電がなくなり、安定した動作が可能となる。

以上説明してきた実施形態によれば、図１（Ａ），図１１，図１３，図１６（Ａ），図１７（Ｂ）で示した平行移動型の静電アクチュエータでは、固定子を長くすることによって、どこまでも移動子の距離移動幅を大きくできる。

また、図１０，図１１，図１４で説明した静電アクチュエータでは、スリップリングなどの回転伝導部材が要らないため、薄型・小型化が可能になるとともに、安定した回転が可能となる。

（付記）
前記の具体的実施形態から、以下のような構成の発明を抽出することができる。

（１） 所定周期に配置された電極を有する移動子と、
所定周期かつ複数毎に結線配置された駆動電極を有する固定子と、
上記移動子の電極に第１交流電圧を印加して該電極の配列に発生させる第１進行波と、上記固定子の駆動電極に第２交流電圧を印加して該駆動電極の配列に発生させる第２進行波との位相差を変化させることによって上記移動子の変位を制御する変位制御手段と、
を備えることを特徴とする静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（１）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１乃至第１１実施形態が対応する。
（作用効果）
この（１）に記載の静電アクチュエータによれば、位相差を可変とすることで、直接に移動子の変位・場所を制御できる。このことは、移動速度を時間積分して距離を求めるなどの複雑な演算を不要にして直接に所望の位置へ移動子をもっていくことができ、アクチュエータの制御が大幅に簡単になることを意味している。

（２） 略平行または同心円状に配置された複数の誘導電極および所定周期かつ複数毎に結線配置された駆動電極を有する固定子と、
入れ子状に相対配置された第１電極と第２電極とを有する移動子と、
上記固定子の誘導電極へ第１交流電圧を印加することで上記移動子の第１電極および第２電極へ電荷を誘導させて上記移動子の電極配列に発生させる第１進行波と、上記固定子の駆動電極へ第２交流電圧を印加して上記駆動電極の配列に発生させる第２進行波との位相差を変化させることによって上記移動子の変位を制御する変位制御手段と、
を備えることを特徴とする静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（２）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１乃至第７実施形態が対応する。
（作用効果）
この（２）に記載の静電アクチュエータによれば、位相差を可変とすることで、直接に移動子の変位・場所を制御できる。このことは、移動速度を時間積分して距離を求めるなどの複雑な演算を不要にして直接に所望の位置へ移動子をもっていくことができ、アクチュエータの制御が大幅に簡単になることを意味している。

（３） 上記移動子は、櫛歯状の端電極が放射状に広がる第１電極と、櫛歯状の端電極が求心して配置される第２電極とが入れ子状に相対して配置された回転する回転子であり、
上記固定子は、円盤円周上に配置された２個以上の誘導電極と所定の周期角をもって複数毎に結線配置された駆動電極が組み込まれたものであることを特徴とする（２）に記載の静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（３）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第２及び第６実施形態が対応する。
（作用効果）
この（３）に記載の静電アクチュエータによれば、電極配列を円形とすることで回転型を実現する。また、位相による制御を行うことで、正確な角度精度で回転させることができる。

（４） 上記回転子と上記固定子とを回転軸を共通にして複数段に積層化し、複数の回転子により発生する回転トルクを回転軸共通として取り出すことを特徴とする（３）に記載の静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（４）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第６実施形態が対応する。
（作用効果）
この（４）に記載の静電アクチュエータによれば、積層化して、回転トルクを増大させることができる。

（５） 上記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ上記第１電極と上記第２電極の配列方向が直線となるように円筒面内に配置されたものであり、
上記固定子は、円筒直線上に配置された２個以上の誘導電極と直線配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする（２）に記載の静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（５）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第３実施形態が対応する。
（作用効果）
この（５）に記載の静電アクチュエータによれば、円柱化することで、ピストン／シリンダ的な使用法が可能となる。

（６） 上記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ上記第１電極と上記第２電極の配列方向が円となるように円筒面内に配置された、周回転する移動子であり、
上記固定子は、円筒円周上に配置された２個以上の誘導電極と円周配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする（２）に記載の静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（６）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第４実施形態が対応する。
（作用効果）
この（６）に記載の静電アクチュエータによれば、簡便にして、円柱ローラ面内で揺動回転が実現できる。

（７） 所定周期かつ複数毎に結線配置された駆動電極を有する固定子と、
入れ子状に相対配置された第１電極と第２電極とを有する移動子と、
上記移動子の第１電極と第２電極との間に第１交流電圧を印加して上記移動子の電極配列に発生させる第１進行波と、上記固定子の駆動電極へ第２交流電圧を印加して上記駆動電極の配列に発生させる第２進行波との位相差を変化させることによって上記移動子の変位を制御する変位制御手段と、
を備えることを特徴とする静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（７）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第８乃至第１１実施形態が対応する。
（作用効果）
この（７）に記載の静電アクチュエータによれば、位相差を可変とすることで、直接に移動子の変位・場所を制御できる。このことは、移動速度を時間積分して距離を求めるなどの複雑な演算を不要にして直接に所望の位置へ移動子をもっていくことができ、アクチュエータの制御が大幅に簡単になることを意味している。

（８） 上記移動子は、櫛歯状の端電極が放射状に広がる第１電極と、櫛歯状の端電極が求心して配置される第２電極とが入れ子状に相対して配置された回転する回転子であり、
上記固定子は、所定の周期角をもって複数毎に結線配置された駆動電極が組み込まれたものであることを特徴とする（７）に記載の静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（８）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第９実施形態が対応する。
（作用効果）
この（８）に記載の静電アクチュエータによれば、電極配列を円形とすることで回転型を実現する。また、位相による制御を行うことで、正確な角度精度で回転させることができる。

（９） 上記回転子と上記固定子とを回転軸を共通にして複数段に積層化し、複数の回転子により発生する回転トルクを回転軸共通として取り出すことを特徴とする（８）に記載の静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（９）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第９実施形態が対応する。
（作用効果）
この（９）に記載の静電アクチュエータによれば、積層化して、回転トルクを増大させることができる。

（１０） 上記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ上記第１電極と上記第２電極の配列方向が直線となるように円筒面内に配置されたものであり、
上記固定子は、直線配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする（７）に記載の静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（１０）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１０実施形態が対応する。
（作用効果）
この（１０）に記載の静電アクチュエータによれば、円柱化することで、ピストン／シリンダ的な使用法が可能となる。

（１１） 上記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ上記第１電極と上記第２電極の配列方向が円となるように円筒面内に配置された、周回転する移動子であり、
上記固定子は、円周配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする（７）に記載の静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（１１）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１１実施形態が対応する。
（作用効果）
この（１１）に記載の静電アクチュエータによれば、簡便にして、円柱ローラ面内で揺動回転が実現できる。

（１２） 上記変位制御手段は、上記第１交流電圧と第２交流電圧の相対位相を、正または負の１８０度以内の位相オフセットとしてステップ状に変化させて上記移動子の変位を制御することを特徴とする（１）乃至（１１）の何れかに記載の静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（１２）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１乃至第１１実施形態が対応する。
（作用効果）
この（１２）に記載の静電アクチュエータによれば、移動子の変位は、移動子の第１進行波の時間的変化と、固定子の第２進行波の時間的変化の差分によって引き起こされるため、進行波に位相オフセットを与えると、それに応じて移動子が変位する。さらに、位相オフセットを細かく設定することで駆動電極の１ピッチ以下での位置決めが可能となる。

また、正または負の１８０度以内の位相オフセットとすることで、変位方向を含めて正確に制御することが可能となる。

（１３） 上記第１交流電圧と第２交流電圧の周波数差を変化させることによって上記移動子の速度を制御する速度制御手段を更に備えたことを特徴とする（１）乃至（１２）の何れかに記載の静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（１３）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１乃至第１１実施形態が対応する。
（作用効果）
この（１３）に記載の静電アクチュエータによれば、外部より印加する２つの交流電圧の周波数差が速度に関係し、位相差が変位に関係することを利用して、移動子の動きが制御される。

（１４） 上記変位制御手段は、上記速度制御手段によって上記第１交流電圧および第２交流電圧の周波数を同一として上記移動子を静止させた上で、上記第１進行波と第２進行波との位相差を変化させることを特徴とする（１３）に記載の静電アクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（１４）に記載の静電アクチュエータに関する実施形態は、第１乃至第１１実施形態が対応する。
（作用効果）
この（１４）に記載の静電アクチュエータによれば、静止状態にある移動子について位相差を変化させることで、安定して精度のよい移動子の変位制御が可能となる。

（１５） 移動子上に所定周期で配置された電極に第１交流電圧を印加して該電極の配列に第１進行波を発生させ、
固定子上に所定周期で配置された駆動電極に第２交流電圧を印加して該駆動電極の配列に第２進行波を発生させ、
上記第１進行波と第２進行波との位相差を変化させることによって上記移動子の変位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。

（対応する実施形態）
この（１５）に記載の静電アクチュエータの制御方法に関する実施形態は、第１乃至第１１実施形態が対応する。
（作用効果）
この（１５）に記載の静電アクチュエータの制御方法によれば、位相差を可変とすることで、直接に移動子の変位・場所を制御できる。このことは、移動速度を時間積分して距離を求めるなどの複雑な演算を不要にして直接に所望の位置へ移動子をもっていくことができ、アクチュエータの制御が大幅に簡単になることを意味している。

（１６） 上記第１交流電圧と第２交流電圧の相対位相を、正または負の１８０度以内の位相オフセットとしてステップ状に変化させて上記移動子の変位を制御することを特徴とする（１５）に記載の静電アクチュエータの制御方法。

（対応する実施形態）
この（１６）に記載の静電アクチュエータの制御方法に関する実施形態は、第１乃至第１１実施形態が対応する。
（作用効果）
この（１６）に記載の静電アクチュエータの制御方法によれば、移動子の変位は、移動子の第１進行波の時間的変化と、固定子の第２進行波の時間的変化の差分によって引き起こされるため、進行波に位相オフセットを与えると、それに応じて移動子が変位する。さらに、位相オフセットを細かく設定することで駆動電極の１ピッチ以下での位置決めが可能となる。

また、正または負の１８０度以内の位相オフセットとすることで、変位方向を含めて正確に制御することが可能となる。

（１７） 上記第１交流電圧と第２交流電圧の周波数差を変化させることによって上記移動子の速度を制御することを特徴とする（１５）又は（１６）に記載の静電アクチュエータの制御方法。

（対応する実施形態）
この（１７）に記載の静電アクチュエータの制御方法に関する実施形態は、第１乃至第１１実施形態が対応する。
（作用効果）
この（１７）に記載の静電アクチュエータの制御方法によれば、外部より印加する２つの交流電圧の周波数差が速度に関係し、位相差が変位に関係することを利用して、移動子の動きが制御される。

（１８） 上記第１交流電圧および第２交流電圧の周波数を同一として上記移動子を静止させた上で、上記第１進行波と第２進行波との位相差を変化させることを特徴とする（１７）に記載の静電アクチュエータの制御方法。

（対応する実施形態）
この（１８）に記載の静電アクチュエータの制御方法に関する実施形態は、第１乃至第１１実施形態が対応する。
（作用効果）
この（１８）に記載の静電アクチュエータの制御方法によれば、静止状態にある移動子について位相差を変化させることで、安定して精度のよい移動子の変位制御が可能となる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る静電アクチュエータの概略構成を示す図、（Ｂ）は固定子の構成を説明するための図であり、（Ｃ）は移動子の構成を説明するための図である。 静電誘導の原理を説明するための図である。 入れ子になった櫛歯状電極に交番電荷が発生する原理を説明するための図である。 移動子が変位駆動される原理を説明するための図である。 移動子および固定子の真電荷がつくる電位分布を説明するための図である。 固定子の電極構造を詳しく説明するための図である。 移動時の進行波の関連を説明するための図である。 変位時の進行波の関連を説明するための図である。 交流駆動源制御装置を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。 本発明の第７実施形態に係る静電アクチュエータにおける移動子および固定子の真電荷がつくる電位分布を説明するための図である。 （Ａ）は本発明の第８実施形態に係る静電アクチュエータの概略構成を示す図、（Ｂ）は固定子の構成を説明するための図であり、（Ｃ）は移動子の構成を説明するための図である。 （Ａ）は本発明の第９実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図であり、（Ｂ）は本発明の第１０実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。 本発明の第１１実施形態に係る静電アクチュエータの構成を示す図である。

符号の説明

１…固定子、２…フィルム状の絶縁体、３ａ，３ｂ，７３ａ，７３ｂ，８３…誘導電極、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ…駆動電極、４Ｒ，４Ｔ，４Ｓ…３相駆動電極、１０…移動子、１１…絶縁体、１２ａ，１２ｂ，７２ａ，７２ｂ，８２ａ，８２ｂ…櫛歯状電極、２０…交流駆動源、２１…交流発生装置、２２…位相器、２３ａ，２３ｂ…アンプ、２４ａ，２４ｂ…高圧トランス、３０…３相交流駆動源、４１，４２…電極、４３…外部電源、４４…導体、４５，４６，４７…電気力線、５０…交流源制御装置、５１，５２…演算回路、６０…円盤状固定子、６１…回転子、６２…回転中心、７０，８０…円筒状固定子、７１…円筒状移動子、８１…円筒状回転子、９０…固定子連結部材、９１…移動子連結部材、９２…回転連結部材。

Claims (18)

1. 所定周期に配置された電極を有する移動子と、
   所定周期かつ複数毎に結線配置された駆動電極を有する固定子と、
   前記移動子の電極に第１交流電圧を印加して該電極の配列に発生させる第１進行波と、前記固定子の駆動電極に第２交流電圧を印加して該駆動電極の配列に発生させる第２進行波との位相差を変化させることによって前記移動子の変位を制御する変位制御手段と、
   を備えることを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 略平行または同心円状に配置された複数の誘導電極および所定周期かつ複数毎に結線配置された駆動電極を有する固定子と、
   入れ子状に相対配置された第１電極と第２電極とを有する移動子と、
   前記固定子の誘導電極へ第１交流電圧を印加することで前記移動子の第１電極および第２電極へ電荷を誘導させて前記移動子の電極配列に発生させる第１進行波と、前記固定子の駆動電極へ第２交流電圧を印加して前記駆動電極の配列に発生させる第２進行波との位相差を変化させることによって前記移動子の変位を制御する変位制御手段と、
   を備えることを特徴とする静電アクチュエータ。
3. 前記移動子は、櫛歯状の端電極が放射状に広がる第１電極と、櫛歯状の端電極が求心して配置される第２電極とが入れ子状に相対して配置された回転する回転子であり、
   前記固定子は、円盤円周上に配置された２個以上の誘導電極と所定の周期角をもって複数毎に結線配置された駆動電極が組み込まれたものであることを特徴とする請求項２に記載の静電アクチュエータ。
4. 前記回転子と前記固定子とを回転軸を共通にして複数段に積層化し、複数の回転子により発生する回転トルクを回転軸共通として取り出すことを特徴とする請求項３に記載の静電アクチュエータ。
5. 前記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ前記第１電極と前記第２電極の配列方向が直線となるように円筒面内に配置されたものであり、
   前記固定子は、円筒直線上に配置された２個以上の誘導電極と直線配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする請求項２に記載の静電アクチュエータ。
6. 前記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ前記第１電極と前記第２電極の配列方向が円となるように円筒面内に配置された、周回転する移動子であり、
   前記固定子は、円筒円周上に配置された２個以上の誘導電極と円周配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする請求項２に記載の静電アクチュエータ。
7. 所定周期かつ複数毎に結線配置された駆動電極を有する固定子と、
   入れ子状に相対配置された第１電極と第２電極とを有する移動子と、
   前記移動子の第１電極と第２電極との間に第１交流電圧を印加して前記移動子の電極配列に発生させる第１進行波と、前記固定子の駆動電極へ第２交流電圧を印加して前記駆動電極の配列に発生させる第２進行波との位相差を変化させることによって前記移動子の変位を制御する変位制御手段と、
   を備えることを特徴とする静電アクチュエータ。
8. 前記移動子は、櫛歯状の端電極が放射状に広がる第１電極と、櫛歯状の端電極が求心して配置される第２電極とが入れ子状に相対して配置された回転する回転子であり、
   前記固定子は、所定の周期角をもって複数毎に結線配置された駆動電極が組み込まれたものであることを特徴とする請求項７に記載の静電アクチュエータ。
9. 前記回転子と前記固定子とを回転軸を共通にして複数段に積層化し、複数の回転子により発生する回転トルクを回転軸共通として取り出すことを特徴とする請求項８に記載の静電アクチュエータ。
10. 前記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ前記第１電極と前記第２電極の配列方向が直線となるように円筒面内に配置されたものであり、
    前記固定子は、直線配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする請求項７に記載の静電アクチュエータ。
11. 前記移動子は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極が入れ子状に相対して配置され、且つ前記第１電極と前記第２電極の配列方向が円となるように円筒面内に配置された、周回転する移動子であり、
    前記固定子は、円周配列となるよう配置された駆動電極が組み込まれて構成されることを特徴とする請求項７に記載の静電アクチュエータ。
12. 前記変位制御手段は、前記第１交流電圧と第２交流電圧の相対位相を、正または負の１８０度以内の位相オフセットとしてステップ状に変化させて前記移動子の変位を制御することを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の静電アクチュエータ。
13. 前記第１交流電圧と第２交流電圧の周波数差を変化させることによって前記移動子の速度を制御する速度制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至１２の何れかに記載の静電アクチュエータ。
14. 前記変位制御手段は、前記速度制御手段によって前記第１交流電圧および第２交流電圧の周波数を同一として前記移動子を静止させた上で、前記第１進行波と第２進行波との位相差を変化させることを特徴とする請求項１３に記載の静電アクチュエータ。
15. 移動子上に所定周期で配置された電極に第１交流電圧を印加して該電極の配列に第１進行波を発生させ、
    固定子上に所定周期で配置された駆動電極に第２交流電圧を印加して該駆動電極の配列に第２進行波を発生させ、
    前記第１進行波と第２進行波との位相差を変化させることによって前記移動子の変位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。
16. 前記第１交流電圧と第２交流電圧の相対位相を、正または負の１８０度以内の位相オフセットとしてステップ状に変化させて前記移動子の変位を制御することを特徴とする請求項１５に記載の静電アクチュエータの制御方法。
17. 前記第１交流電圧と第２交流電圧の周波数差を変化させることによって前記移動子の速度を制御することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の静電アクチュエータの制御方法。
18. 前記第１交流電圧および第２交流電圧の周波数を同一として前記移動子を静止させた上で、前記第１進行波と第２進行波との位相差を変化させることを特徴とする請求項１７に記載の静電アクチュエータの制御方法。

Images