JP2005269714A

JP2005269714A - アクチュエータ及びその駆動方法

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Publication number: JP2005269714A
Application number: JP2004075087A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Matsuki; 薫松木
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】静電アクチュエータにおける帯電現象を防止して、安定した駆動ができるようにすること。
【解決手段】所定の方向の振動により振動部材１１が固定基板１０に対して、所望の方向に相対変位する際に、振動部材１１と可動部材１３との間の見かけ上の摺動抵抗が、固定基板１０と可動部材１３との間の見かけ上の摺動抵抗より大きくなるように、駆動制御手段１７により可動電極１４と第１及び第２の対向電極１５，１６とに振動部材１１の振動に同期した電圧を与えて静電気力を作用させることによって、可動部材１３を固定基板１０に対して上記所望の方向へ相対移動させるアクチュエータにおいて、帯電防止手段１８により、上記可動電極１４と上記第１及び第２の対向電極１５，１６とに印加する電圧を一定期間毎にそれぞれ同時に反転させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、歩進駆動するアクチュエータ、及び、そのようなアクチュエータの駆動方法に関する。

微小変位動作とクランプ動作を組み合わせて歩進駆動させることにより大ストロークを取り出すアクチュエータとして、インチワーム機構が知られている。クランプを行う機構としては、圧電素子を用いるもの、電磁力を用いるもの等があるが、静電気力を利用してクランプ動作をさせ、歩進駆動させる機構がいくつか提案されている。

例えば、特許文献１に提案されているアクチュエータは、図３に示すように、複数の振動体３ａ，３ｂを設け、これら振動体３ａ，３ｂを電気機械変換素子２ａ，２ｂによって振動させるようになっている。また、個々の振動体３ａ，３ｂの上には移動体４が配置されており、静電力発生手段（不図示）を用いて移動体４と振動体３ａ，３ｂの間に静電力を発生させている。そして、個々の振動体３ａ，３ｂの振動と個々の振動体３ａ，３ｂと移動体４とに作用する静電力とを適宜な位相でもって同期させることにより、歩進駆動を行っている。

また、特許文献２には、図４に示すような静電クランプ機構を利用したインチワーム機構が開示されている。即ち、積層圧電素子１０４の一端が駆動体１０２に、他端が支持体１０１に連結されており、支持体１０１，駆動体１０２の上部にはそれぞれ電極１０５，１０６が配置されている。これらの電極１０５，１０６の上部には移動体１３０が配置され、この移動体１３０の上記電極１０５，１０６に対向する面には電極１０７と絶縁体膜１０８とが成膜されている。そして、同図に示すようにクランプ動作時は移動体１３０を接地しておき、駆動体１０２及び支持体１０１に電圧を印加することによって静電気力を得ている。
特開平５−１３７３５２号公報特開２０００−２５３６８３公報

ところが、上記２つのアクチュエータに共通する問題として、一定電圧を印加し続けると、図５に示すように絶縁体表面に電荷が現れ、吸着力を低下させてしまう。従って、図６に示すように、クランプ力が低下し、歩進駆動ができなくなってしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、帯電現象を防止して、安定した駆動をすることが可能なアクチュエータ及びその駆動方法を提供することを目的とする。

本発明のアクチュエータの一態様は、所定の方向に延びた固定基板と、上記固定基板に対し、上記所定の方向に振動可能に支持された振動部材と、上記振動部材を上記所定の方向に振動させる振動生成手段と、上記振動部材に対向する第１の対向面及び上記固定基板に対向する第２の対向面を有する可動部材と、上記可動部材の上記第１及び第２の対向面に配置された可動電極と、上記可動電極に対向するように上記振動部材に配置された第１の対向電極と、上記可動電極に対向するように上記固定基板に配置された第２の対向電極と、上記可動電極，上記第１の対向電極，上記第２の対向電極のそれぞれに電圧を印加する駆動制御手段と、によって構成され、上記所定の方向の振動により上記振動部材が上記固定基板に対して、所望の方向に相対変位する際に、上記振動部材と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗が、上記固定基板と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗より大きくなるように、上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに上記振動部材の振動に同期した電圧を与えて静電気力を作用させることによって、上記可動部材を上記固定基板に対して上記所望の方向へ相対移動させるアクチュエータにおいて、上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに印加する電圧を一定期間毎にそれぞれ同時に反転させる帯電防止手段を有することを特徴とする。

また、本発明のアクチュエータの駆動方法の一態様は、所定の方向に延びた固定基板と、上記固定基板に対し、上記所定の方向に振動可能に支持された振動部材と、上記振動部材を上記所定の方向に振動させる振動生成手段と、上記固定基板に対向する第２の対向面及び上記振動部材に対向する第１の対向面とを有する可動部材と、上記可動部材の上記第１及び第２の対向面に配置された可動電極と、上記可動電極に対向するように上記固定基板に配置された第２の対向電極と、上記可動電極に対向するように上記振動部材に配置された第１の対向電極と、上記可動電極，上記第２の対向電極，上記第１の対向電極のそれぞれに電圧を印加する駆動制御手段と、によって構成され、上記所定の方向の振動により上記振動部材が上記固定基板に対して、所望の方向に相対変位する際に、上記振動部材と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗が、上記固定基板と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗より大きくなるように、上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに上記振動部材の振動に同期した電圧を与えて静電気力を作用させることによって、上記可動部材を上記固定基板に対して上記所望の方向へ相対移動させるアクチュエータを駆動する駆動方法において、上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに印加する電圧を一定期間毎にそれぞれ同時に反転させることを特徴とする。

本発明によれば、帯電現象を防止して、安定した駆動をすることが可能なアクチュエータ及びその駆動方法を提供することができる。

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実施形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。

本実施形態に係るアクチュエータにおいては、固定基板１０に振動部材１１が矢印Ａの方向に振動できるように支持されている。この振動部材１１を振動させるのは例えば圧電振動子で構成された振動生成手段１２であり、その一端が上記固定基板１０に固定され、他端が上記振動部材１１に固定されている。

固定基板１０及び振動部材１１の上には、可動部材１３が、それら固定基板１０と振動部材１１を跨るように配置されており、この可動部材１３が、後述するようにして、矢印Ａの方向に歩進駆動することになる。ここで、固定基板１０，振動部材１１，可動部材１３のそれぞれが対向する面には、各々電極が形成されている。即ち、可動部材１３には、少なくとも、上記振動部材１１に対向する第１の対向面及び上記固定基板１０に対向する第２の対向面に、可動電極１４が配置されている。そして、振動部材１１には、上記可動電極１４に対向するように第１の対向電極１５が配置され、固定基板１０には、上記可動電極１４に対向するように第２の対向電極１６が配置されている。

これら可動電極１４、第１の対向電極１５、第２の対向電極１６及び上記振動生成手段１２には、駆動制御手段１７から電圧が印加される。

図１（Ｂ）は、この駆動制御手段１７から各電極及び振動生成手段１２へ印加される電圧波形を示す図である。

可動部材１３を上記振動生成手段１２が有る方向とは逆の方向へ移動（本実施形態では前進とする）させる場合には、可動電極１４に＋Ｖ（例えば、本実施形態では＋１００ボルトとする）、第１の対向電極１５に−Ｖ（−１００ボルト）、第２の対向電極１６に＋Ｖ（＋１００ボルト）を印加する。このような電圧を印加すると、可動電極１４と第１の対向電極１５とは互いに吸引する静電気力が働き、可動電極１４と第２の対向電極１６との間には互いに反発しあう静電気力が作用して、可動部材１３と振動部材１１とが吸着しクランプされる。このような状態で、振動生成手段１２に電圧＋Ｖ（＋１００ボルト）を印加すると、振動生成手段１２は伸長状態から収縮状態に変化し、その変化分だけ振動部材１１が固定基板１０に対して相対的に移動する。このとき、上記のように振動部材１１には可動部材１３が吸着しクランプされて、振動部材１１と可動部材１３との間の見かけ上の摺動抵抗が固定基板１０と可動部材１３との間の見かけ上の摺動抵抗よりも大きくなるので、上記振動部材１１の相対的移動に伴って、可動部材１３も固定基板１０に対して相対的に移動する。

次に、振動生成手段１２に電圧を印加した状態で、第１の対向電極１５と第２の対向電極１６の電位をそれぞれ＋Ｖ（＋１００ボルト），−Ｖ（−１００ボルト）に切り替える。すると、可動部材１３と振動部材１１のクランプは解除され、逆に可動部材１３と固定基板１０がクランプされる。この状態で、振動生成手段１２への印加電圧を０Ｖに戻すと、可動部材１３の位置は変わらず、振動部材１１の伸長に伴って振動部材１１のみが初期状態（初期位置）に戻る。

上記の工程を繰り返す（振動生成手段１２への印加電圧周期に同期させる）ことによって、可動部材１３が固定基板１０に対して相対移動を行うことができる。

また、可動部材１３を上記振動生成手段１２が有る方向へ移動（本実施形態では後退とする）させる場合には、可動電極１４に−Ｖ（−１００ボルト）を印加して、上記前進の場合と同様の工程を繰り返せば良い。

また、可動部材１３が前進も後退もしない、即ち当該位置で停止状態とするには、可動電極１４に第１の対向電極１５と同じ電圧を印加することで、可動部材１３と固定基板１０がクランプされ続けるようにすれば良い。

ところで、例えば上記のように可動部材１３を前進させるための駆動を行う場合は、可動電極１４には常に＋１００Ｖが印加されているため、背景技術の説明で述べたように帯電してしまい、駆動力が低下していくことになる。

そこで、本実施形態では、図１（Ａ）に示すように、帯電防止手段１８を設けることで、各電極への帯電を防止している。

その方法の一例を、図１（Ｂ）を参照して説明する。ここで、可動電極１４が前進する場合の印加電圧に着目すると、帯電防止手段１８は、上記駆動制御手段１７に、可動電極１４が帯電を起こさない期間Ｔで、可動電極１４への印加電圧を反転させる。また、これに伴って、第１，第２の対向電極１５，１６への印加電圧も同時に反転させるものである。このような動作を上記駆動制御手段１７に期間Ｔ毎に繰り返し行うことで、電極表面への帯電を防止することができ、従って、安定した吸着力が得られ、安定した可動部材１３の相対移動動作が可能となる。

なお、上記帯電防止手段１８は、上記帯電を起こさないための期間Ｔを計数するタイマにより構成することができ、駆動制御手段１７は、そのタイマが上記時間Ｔを計時したときに出力する信号に応じて、上記のような各電極への印加電圧の反転動作を行えば良い。

また、帯電防止手段１８は、必ずしも、上記期間Ｔを計時するタイマを使用するものに限定されるものではない。帯電防止手段１８をカウンタにより構成すれば、例えば図１（Ｂ）に示されている第１の対向電極１５への印加電圧のパルス状の信号を計数して、帯電を起こさないカウント数毎に、駆動制御手段１７に印加電圧を反転させるという方法もとれる。

［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態に係るアクチュエータ及びその駆動方法における駆動制御手段１７から各電極及び振動生成手段１２へ印加される電圧波形を示す図である。

本第２実施形態では、第１，第２の対向電極１５，１６には一定の電位を印加しておき、可動電極１４への電圧を振動生成手段１２の印加電圧の周期と同期させて各部材のクランプを行っている。

このような駆動方法を行うことのメリットは、可動部材１３を複数同時に動かせることである。図２に示す可動電極１４への印加電圧とは位相の異なる電圧を複数生成し、複数の可動部材１３それぞれへ印加すれば、１つの基板で複数の可動部材１３を独立に制御することができる。

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、固定基板１０には第２の対向電極１６が２つ配置されているが、これに限らず、第２の対向電極は１つだけでも問題ない。

更に、振動部材１１は固定基板１０内で支持されているが、他の形態でも構わない。

（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）所定の方向に延びた固定基板と、
上記固定基板に対し、上記所定の方向に振動可能に支持された振動部材と、
上記振動部材を上記所定の方向に振動させる振動生成手段と、
上記振動部材に対向する第１の対向面及び上記固定基板に対向する第２の対向面を有する可動部材と、
上記可動部材の上記第１及び第２の対向面に配置された可動電極と、
上記可動電極に対向するように上記振動部材に配置された第１の対向電極と、
上記可動電極に対向するように上記固定基板に配置された第２の対向電極と、
上記可動電極，上記第１の対向電極，上記第２の対向電極のそれぞれに電圧を印加する駆動制御手段と、
によって構成され、
上記所定の方向の振動により上記振動部材が上記固定基板に対して、所望の方向に相対変位する際に、上記振動部材と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗が、上記固定基板と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗より大きくなるように、上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに上記振動部材の振動に同期した電圧を与えて静電気力を作用させることによって、上記可動部材を上記固定基板に対して上記所望の方向へ相対移動させるアクチュエータにおいて、
上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに印加する電圧を一定期間毎にそれぞれ同時に反転させる帯電防止手段を有することを特徴とするアクチュエータ。

（作用効果）
この（１）に記載のアクチュエータによれば、一定期間で入力電圧を反転することによって、電極表面への帯電を防止でき、安定したクランプ力を得ることができる。

（２）上記帯電防止手段は、タイマによって上記一定期間の経過を決定することを特徴とする（１）に記載のアクチュエータ。

（作用効果）
この（２）に記載のアクチュエータによれば、反転させる期間をタイマで定義することによって、正確な期間で反転できる。

（３）上記帯電防止手段は、カウンタによって上記一定期間の経過を決定することを特徴とする（１）に記載のアクチュエータ。

（作用効果）
この（３）に記載のアクチュエータによれば、反転させる期間を内部カウンタでパルスを計数することによって決定できるので、タイマ等が無くなり、構成を簡単にできる。

（４）上記カウンタは、上記振動部材の振動の周期に同期した電圧をカウントすることを特徴とする（３）に記載のアクチュエータ。

（作用効果）
この（４）に記載のアクチュエータによれば、内部で生成している電圧パルスを計数することで、より構成が簡単になる。

（５）上記第１の対向電極と第２の対向電極とに互いに逆相の電圧を与えることを特徴とする（１）に記載のアクチュエータ。

（作用効果）
この（５）に記載のアクチュエータによれば、見かけ上の摺動抵抗の差が最大値になるので、さらに安定した動作が可能である。

（６）上記第１及び第２の対向電極と上記可動電極との何れか一方に上記振動部材の振動に同期して変化する電圧を与え、他方には上記一定期間中一定の電圧を与えることを特徴とする（１）に記載のアクチュエータ。

（作用効果）
この（６）に記載のアクチュエータによれば、例えば対向電極には固定電位を印加すれば良いので、可動部材への印加電圧だけで摺動抵抗差を制御できるため、更に構成が簡略化できる。

（７）所定の方向に延びた固定基板と、
上記固定基板に対し、上記所定の方向に振動可能に支持された振動部材と、
上記振動部材を上記所定の方向に振動させる振動生成手段と、
上記固定基板に対向する第２の対向面及び上記振動部材に対向する第１の対向面とを有する可動部材と、
上記可動部材の上記第１及び第２の対向面に配置された可動電極と、
上記可動電極に対向するように上記固定基板に配置された第２の対向電極と、
上記可動電極に対向するように上記振動部材に配置された第１の対向電極と、
上記可動電極，上記第２の対向電極，上記第１の対向電極のそれぞれに電圧を印加する駆動制御手段と、
によって構成され、
上記所定の方向の振動により上記振動部材が上記固定基板に対して、所望の方向に相対変位する際に、上記振動部材と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗が、上記固定基板と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗より大きくなるように、上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに上記振動部材の振動に同期した電圧を与えて静電気力を作用させることによって、上記可動部材を上記固定基板に対して上記所望の方向へ相対移動させるアクチュエータを駆動する駆動方法において、
上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに印加する電圧を一定期間毎にそれぞれ同時に反転させることを特徴とするアクチュエータの駆動方法。

（作用効果）
この（７）に記載のアクチュエータの駆動方法によれば、一定期間で入力電圧を反転することによって、電極表面への帯電を防止でき、安定したクランプ力を得ることができる。

（８）上記一定期間が経過したか否かは、時間を計数することによって判別されることを特徴とする（７）に記載のアクチュエータの駆動方法。

（作用効果）
この（８）に記載のアクチュエータの駆動方法によれば、反転させる期間を単純な時間で定義することによって、正確な期間で反転できる。

（９）上記一定期間が経過したか否かは、上記振動部材の振動の周期に同期した電圧をカウントすることによって判別されることを特徴とする（７）に記載のアクチュエータの駆動方法。

（作用効果）
この（９）に記載のアクチュエータの駆動方法によれば、反転させる期間を内部で生成している電圧パルスを計数することによって決定できるので、タイマ等が無くなり、構成を簡単にできる。

（１０）上記第１の対向電極と第２の対向電極とに互いに逆相の電圧を与えることを特徴とする（７）に記載のアクチュエータの駆動方法。

（作用効果）
この（１０）に記載のアクチュエータの駆動方法によれば、見かけ上の摺動抵抗の差が最大値になるので、さらに安定した動作が可能である。

（１１）上記第１及び第２の対向電極と上記可動電極との何れか一方に上記振動部材の振動に同期して変化する電圧を与え、他方には上記一定期間中一定の電圧を与えることを特徴とする（７）に記載のアクチュエータの駆動方法。

（作用効果）
この（１１）に記載のアクチュエータの駆動方法によれば、例えば対向電極には固定電位を印加すれば良いので、可動部材への印加電圧だけで摺動抵抗差を制御できるため、更に構成が簡略化できる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの構成を示す図であり、（Ｂ）は駆動制御手段から各電極及び振動生成手段へ印加される電圧波形を示す図である。本発明の第２実施形態に係るアクチュエータ及びその駆動方法における駆動制御手段から各電極及び振動生成手段へ印加される電圧波形を示す図である。特許文献１に開示のアクチュエータを説明するための図である。特許文献２に開示されている静電クランプ機構を利用したインチワーム機構を説明するため図である。帯電現象を説明するための図である。帯電現象に伴うクランプ力の低下を説明するための図である。

符号の説明

１０…固定基板、１１…振動部材、１２…振動生成手段、１３…可動部材、１４…可動電極、１５…第１の対向電極、１６…第２の対向電極、１７…駆動制御手段、１８…帯電防止手段。

Claims

所定の方向に延びた固定基板と、
上記固定基板に対し、上記所定の方向に振動可能に支持された振動部材と、
上記振動部材を上記所定の方向に振動させる振動生成手段と、
上記振動部材に対向する第１の対向面及び上記固定基板に対向する第２の対向面を有する可動部材と、
上記可動部材の上記第１及び第２の対向面に配置された可動電極と、
上記可動電極に対向するように上記振動部材に配置された第１の対向電極と、
上記可動電極に対向するように上記固定基板に配置された第２の対向電極と、
上記可動電極，上記第１の対向電極，上記第２の対向電極のそれぞれに電圧を印加する駆動制御手段と、
によって構成され、
上記所定の方向の振動により上記振動部材が上記固定基板に対して、所望の方向に相対変位する際に、上記振動部材と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗が、上記固定基板と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗より大きくなるように、上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに上記振動部材の振動に同期した電圧を与えて静電気力を作用させることによって、上記可動部材を上記固定基板に対して上記所望の方向へ相対移動させるアクチュエータにおいて、
上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに印加する電圧を一定期間毎にそれぞれ同時に反転させる帯電防止手段を有することを特徴とするアクチュエータ。
上記帯電防止手段は、タイマによって上記一定期間の経過を決定することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
上記帯電防止手段は、カウンタによって上記一定期間の経過を決定することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
上記カウンタは、上記振動部材の振動の周期に同期した電圧をカウントすることを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
上記第１の対向電極と第２の対向電極とに互いに逆相の電圧を与えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
上記第１及び第２の対向電極と上記可動電極との何れか一方に上記振動部材の振動に同期して変化する電圧を与え、他方には上記一定期間中一定の電圧を与えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
所定の方向に延びた固定基板と、
上記固定基板に対し、上記所定の方向に振動可能に支持された振動部材と、
上記振動部材を上記所定の方向に振動させる振動生成手段と、
上記固定基板に対向する第２の対向面及び上記振動部材に対向する第１の対向面とを有する可動部材と、
上記可動部材の上記第１及び第２の対向面に配置された可動電極と、
上記可動電極に対向するように上記固定基板に配置された第２の対向電極と、
上記可動電極に対向するように上記振動部材に配置された第１の対向電極と、
上記可動電極，上記第２の対向電極，上記第１の対向電極のそれぞれに電圧を印加する駆動制御手段と、
によって構成され、
上記所定の方向の振動により上記振動部材が上記固定基板に対して、所望の方向に相対変位する際に、上記振動部材と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗が、上記固定基板と上記可動部材との間の見かけ上の摺動抵抗より大きくなるように、上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに上記振動部材の振動に同期した電圧を与えて静電気力を作用させることによって、上記可動部材を上記固定基板に対して上記所望の方向へ相対移動させるアクチュエータを駆動する駆動方法において、
上記可動電極と上記第１及び第２の対向電極とに印加する電圧を一定期間毎にそれぞれ同時に反転させることを特徴とするアクチュエータの駆動方法。
上記一定期間が経過したか否かは、時間を計数することによって判別されることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータの駆動方法。
上記一定期間が経過したか否かは、上記振動部材の振動の周期に同期した電圧をカウントすることによって判別されることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータの駆動方法。
上記第１の対向電極と第２の対向電極とに互いに逆相の電圧を与えることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータの駆動方法。
上記第１及び第２の対向電極と上記可動電極との何れか一方に上記振動部材の振動に同期して変化する電圧を与え、他方には上記一定期間中一定の電圧を与えることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータの駆動方法。