JP2012044859A - Electrostatic type actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ハードディスクドライブのヘッドアクチュエータ、シャッター駆動、マイクロバルブ、マニピュレータ、マイクロロボットなどの様々なアクチュエータとして好適に用いることのできる静電型アクチュエータに関する。 The present invention relates to an electrostatic actuator that can be suitably used as various actuators such as a head actuator of a hard disk drive, a shutter drive, a micro valve, a manipulator, and a micro robot.
静電型アクチュエータは、その用途に応じて従来様々なタイプのものが提案されてきた。例えば、特許文献1には、複数の電極を設けた一対の固定子の間に、高誘電部材と低誘電部材とを交互に結合した移動子を挿入するとともに、固定子の電極に多相電源を接続し、この多相電源から発生する進行波電場によって、移動子を固定子に対して平行移動させるような静電型アクチュエータが開示されている。 Various types of electrostatic actuators have been proposed in the past depending on the application. For example, in Patent Document 1, a mover in which a high dielectric member and a low dielectric member are alternately coupled is inserted between a pair of stators provided with a plurality of electrodes, and a multiphase power source is connected to the stator electrode. An electrostatic actuator is disclosed in which a moving element is translated relative to a stator by a traveling wave electric field generated from the multiphase power source.
また、特許文献2には、絶縁体内に複数の帯状電極を有する第1部材と、同じく絶縁体内に複数の帯状電極を有する第2部材とを有し、さらにこれら第1部材及び第2部材に多相電源を設けるとともに、第1部材及び第2部材の対向する側にセラミック誘電体を設けてなる平行移動用の静電型アクチュエータが開示されている。
Further,
さらに、特許文献3には、導電体で構成された一対の櫛形電極間に電圧を印加することによって、誘電体で構成された櫛形電極を一対のくし型電極間に静電気力によって引き込み、平行移動用の静電型アクチュエータを構成することが開示されている。また、特許文献4には、多数の固定子電極を一方向に所定間隔で配列した固定子と、固定子電極に対向して配置される多数の移動子電極と同じ一方向に所定間隔で配列した移動子とを有し、これら固定子及び移動子間に絶縁体層を介して駆動電圧を印加し、上記移動子を上記固定子に対して平行移動してなる、摩擦を減らす空気層が設けられていない平行移動用の静電型アクチュエータが開示されている。
Further, in Patent Document 3, by applying a voltage between a pair of comb-shaped electrodes made of a conductor, a comb-shaped electrode made of a dielectric material is drawn between a pair of comb-shaped electrodes by an electrostatic force, and translated. It is disclosed to constitute an electrostatic actuator for use. In
一方、本発明者らは、上述した従来の静電型アクチュエータと異なり、複数のくし歯型の電極を有する固定子及び移動子からなる静電型アクチュエータの開発を行っている。このような静電型アクチュエータにおいては、固定子及び移動子(の複数のくし歯型電極)間に空気層からなるギャップを設け、互いの電気的絶縁性を担保している。しかしながら、空気層の誘電率は低く、固定子及び移動子間の距離が大きくなると、これらの間に作用する静電気力が急激に小さくなってしまい、アクチュエータとしての動作速度が低下してしまうとともに効率が低下してしまうという問題があった。 On the other hand, the present inventors have developed an electrostatic actuator comprising a stator and a mover having a plurality of comb-shaped electrodes, unlike the conventional electrostatic actuator described above. In such an electrostatic actuator, a gap made of an air layer is provided between the stator and the mover (a plurality of comb-shaped electrodes) to ensure electrical insulation between each other. However, the dielectric constant of the air layer is low, and when the distance between the stator and the mover is increased, the electrostatic force acting between them is abruptly reduced, the operating speed of the actuator is reduced and the efficiency is reduced. There was a problem that would decrease.
このような問題に対処すべく、固定子及び移動子を構成する複数のくし歯型電極に印加する電圧、すなわち駆動電圧を増大させることも試みられているが、印加することのできる駆動電圧には限界があり、また昨今の省エネルギーの問題にも反するものである。 In order to cope with such a problem, an attempt has been made to increase the voltage applied to the plurality of comb-shaped electrodes constituting the stator and the moving element, that is, the drive voltage. Has limitations and goes against the current energy conservation problems.
本発明は、複数のくし歯型電極を有する固定子及び移動子からなる静電型アクチュエータにおいて、動作速度の低下及び効率の低下を抑制することを目的とする。 An object of the present invention is to suppress a decrease in operating speed and a decrease in efficiency in an electrostatic actuator composed of a stator and a mover having a plurality of comb-shaped electrodes.
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、複数の第1のくし歯型電極を有する固定子と、複数の第2のくし歯型電極を有する移動子とを具え、前記固定子の前記複数の第1のくし歯型電極の凸部及び凹部と、前記移動子の前記複数の第2のくし歯型電極の凸部及び凹部とは、それぞれの中心部が電極の配列方向に沿って所定のピッチで互いに離隔して対向配置され、前記複数の第1のくし歯型電極の前記凸部及び前記複数の第2のくし歯型電極の前記凸部の少なくとも一方の外周面、及び/又は前記複数の第1のくし歯型電極の前記凹部の外周面は、比誘電率が300以上の高誘電体からなる絶縁層で被覆されていることを特徴とする、静電型アクチュエータに関する。 In order to achieve the above object, an aspect of the present invention includes a stator having a plurality of first comb-shaped electrodes and a mover having a plurality of second comb-shaped electrodes, The convex portions and concave portions of the plurality of first comb-shaped electrodes and the convex portions and concave portions of the plurality of second comb-shaped electrodes of the moving member have respective center portions along the arrangement direction of the electrodes. At least one outer peripheral surface of the plurality of first comb-shaped electrodes and the convex portions of the plurality of second comb-shaped electrodes; The electrostatic actuator is characterized in that the outer peripheral surface of the recess of the plurality of first comb-shaped electrodes is covered with an insulating layer made of a high dielectric material having a relative dielectric constant of 300 or more. .
本態様の静電型アクチュエータによれば、固定子を構成する複数の第1のくし歯型電極の凸部及び移動子を構成する複数の第2のくし歯型電極の凸部の少なくとも一方の外周面、及び/又は移動子を構成する複数の第2のくし歯型電極の凹部の外周面を比誘電率が300以上の高誘電体からなる絶縁層で被覆するようにしている。複数の第1のくし歯型電極の凸部は、複数の第2のくし歯型電極と対向するものであって、当該部分に高誘電体の絶縁層を形成することは、高誘電体の自発分極作用の効果によって、複数の第1のくし歯型電極と複数の第2のくし歯型電極との実質的な距離が削減されることに相当する。 According to the electrostatic actuator of this aspect, at least one of the convex portions of the plurality of first comb-shaped electrodes constituting the stator and the convex portions of the plurality of second comb-shaped electrodes constituting the movable member. The outer peripheral surface and / or the outer peripheral surface of the recesses of the plurality of second comb-shaped electrodes constituting the movable element are covered with an insulating layer made of a high dielectric material having a relative dielectric constant of 300 or more. The convex portions of the plurality of first comb-shaped electrodes are opposed to the plurality of second comb-shaped electrodes, and the formation of the high dielectric insulating layer in the portion is that the high dielectric This corresponds to the fact that the substantial distance between the plurality of first comb-shaped electrodes and the plurality of second comb-shaped electrodes is reduced by the effect of the spontaneous polarization action.
同様に、複数の第2のくし歯型電極の凸部は、複数の第1のくし歯型電極と対向するものであって、当該部分に高誘電体の絶縁層を形成することは、高誘電体の自発分極作用の効果によって、複数の第1のくし歯型電極と複数の第2のくし歯型電極との実質的な距離が削減されることに相当する。 Similarly, the convex portions of the plurality of second comb-shaped electrodes are opposed to the plurality of first comb-shaped electrodes, and it is difficult to form a high dielectric insulating layer in the portion. This corresponds to a reduction in the substantial distance between the plurality of first comb-shaped electrodes and the plurality of second comb-shaped electrodes due to the effect of the spontaneous polarization action of the dielectric.
さらに、複数の第1のくし歯型電極の凹部も、複数の第2のくし歯型電極と対向するものであって、当該部分に高誘電体の絶縁層を形成することは、高誘電体の自発分極作用の効果によって、複数の第1のくし歯型電極と複数の第2のくし歯型電極との実質的な距離が削減されることに相当する。 Further, the concave portions of the plurality of first comb-shaped electrodes are also opposed to the plurality of second comb-shaped electrodes, and forming a high dielectric insulating layer in the corresponding portion This corresponds to the fact that the substantial distance between the plurality of first comb-shaped electrodes and the plurality of second comb-shaped electrodes is reduced by the effect of the spontaneous polarization action.
したがって、複数の第1のくし歯型電極と第2のくし歯型電極との実質的な距離の削減に伴い、これら電極、すなわち固定子及び移動子の離隔する距離が多少増大したような場合においても、これら間に作用する静電気力の低減を抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度及び効率が低下してしまうのを抑制することができる。このため、固定子及び移動子を構成する複数のくし歯型電極に印加する電圧、すなわち駆動電圧を増大させる必要がなくなり、昨今の省エネルギーの要請にも合致する。 Accordingly, when the substantial distance between the plurality of first comb-shaped electrodes and the second comb-shaped electrodes is reduced, the distance between the electrodes, that is, the distance between the stator and the mover is slightly increased. However, it is possible to suppress a reduction in electrostatic force acting between them, and it is possible to suppress a decrease in operating speed and efficiency as an actuator. For this reason, it is not necessary to increase the voltage applied to the plurality of comb-shaped electrodes constituting the stator and the mover, that is, the driving voltage, and this meets the recent demand for energy saving.
なお、固定子の複数の第1のくし歯型電極の凸部及び凹部と、移動子の複数の第2のくし歯型電極の凸部及び凹部とが、それぞれの中心部が電極の配列方向に沿って所定のピッチで互いに離隔して対向配置されるという要件は、以下に詳述するように、上記電極に電圧を印加することによって本態様の静電型アクチュエータを実際に駆動させるために要求されるものである。 Note that the convex portions and concave portions of the plurality of first comb-shaped electrodes of the stator and the convex portions and concave portions of the plurality of second comb-shaped electrodes of the mover are respectively arranged in the arrangement direction of the electrodes. In order to actually drive the electrostatic actuator of this embodiment by applying a voltage to the electrodes, as described in detail below, It is what is required.
本発明の一例においては、複数の第1のくし歯型電極の凸部及び複数の第2のくし歯型電極の凸部双方の外周面を、上記高誘電体からなる絶縁層で被覆することができる。 In one example of the present invention, the outer peripheral surfaces of both the convex portions of the plurality of first comb-shaped electrodes and the convex portions of the plurality of second comb-shaped electrodes are covered with the insulating layer made of the high dielectric material. Can do.
本例によれば、互いに対向する複数の第1のくし歯型電極と複数の第2のくし歯型電極との実質的な距離をさらに削減することができるので、これら電極、すなわち固定子及び移動子の離隔する距離が多少増大したような場合においても、これら間に作用する静電気力の低減をさらに抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度が低下してしまうのを抑制することができる。このため、固定子及び移動子を構成する複数のくし歯型電極に印加する電圧、すなわち駆動電圧を増大させる必要がなくなり、昨今の省エネルギーの要請にもより合致する。 According to this example, the substantial distance between the plurality of first comb-shaped electrodes and the plurality of second comb-shaped electrodes facing each other can be further reduced. Even in the case where the moving distance of the moving element is slightly increased, the reduction of the electrostatic force acting between them can be further suppressed, and the operating speed as the actuator can be suppressed from being lowered. . For this reason, it is not necessary to increase the voltage applied to the plurality of comb-shaped electrodes constituting the stator and the mover, that is, the drive voltage, and it is more consistent with the recent demand for energy saving.
本発明の一例においては、上記絶縁層と、上記複数の第1のくし歯型電極の凸部及び複数の第2のくし歯型電極の凸部の少なくとも一方の外周面、及び/又は複数の第1のくし歯型電極の前記凹部の外周面との境界に接触するとともに、境界の全体に沿って導電膜が形成することができる。 In an example of the present invention, the insulating layer, the outer peripheral surface of at least one of the convex portions of the plurality of first comb-shaped electrodes and the convex portions of the plurality of second comb-shaped electrodes, and / or the plurality of While contacting the boundary with the outer peripheral surface of the said recessed part of a 1st comb-tooth type electrode, a electrically conductive film can be formed along the whole boundary.
この場合、固定子を構成する第1のくし歯型電極と移動子を構成する第2のくし歯型電極とのギャップが(5μm)程度で、両者の間に印加される電圧が(30)V程度になると、第1のくし歯型電極の外周面に形成された絶縁層及び第2のくし歯型電極の外周面に形成された絶縁層に電荷が溜まるようになる。したがって、所定の電圧を第1のくし歯型電極及び第2のくし歯型電極に印加した場合においても、印加した電圧に伴う電気信号(正負の電圧)が第1のくし歯型電極及び第2のくし歯型電極に対して十分に作用しなくなってしまい、上記電気信号どおりに固定子に対して移動子が駆動しなくなってしまう場合がある。 In this case, the gap between the first comb-shaped electrode constituting the stator and the second comb-shaped electrode constituting the movable element is about (5 μm), and the voltage applied between them is (30). When V is about V, electric charges are accumulated in the insulating layer formed on the outer peripheral surface of the first comb-shaped electrode and the insulating layer formed on the outer peripheral surface of the second comb-shaped electrode. Therefore, even when a predetermined voltage is applied to the first comb-shaped electrode and the second comb-shaped electrode, an electrical signal (positive or negative voltage) associated with the applied voltage is applied to the first comb-shaped electrode and the second comb-shaped electrode. 2 may not sufficiently act on the comb-shaped electrode, and the movable element may not be driven relative to the stator in accordance with the electric signal.
しかしながら、上述のようにして導電膜を設けることにより、第1のくし歯型電極の絶縁層及び/又は第2のくし歯型電極の絶縁層に帯電した電荷は、導電膜を介して第1のくし歯型電極及び/又は第2のくし歯型電極に逃がすことができ、上述のような電荷の溜まり、すなわち帯電を防止することができるようになる。この結果、所定の電圧を第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14に印加した場合に、印加した電圧に伴う電気信号(正負の電圧)が第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14に対して十分に作用しなくなってしまい、上記電気信号どおりに固定子11に対して移動子12が駆動しなくなってしまうという不都合を回避することができる。
However, by providing the conductive film as described above, the charge charged in the insulating layer of the first comb-shaped electrode and / or the insulating layer of the second comb-shaped electrode is transferred to the first via the conductive film. It can escape to the comb-shaped electrode and / or the second comb-shaped electrode, and the accumulation of charges as described above, that is, charging can be prevented. As a result, when a predetermined voltage is applied to the first comb-
本発明の一例において、上記絶縁層は、上記複数の第1のくし歯型電極の凸部の外周面における先端エッジ部及び複数の第2のくし歯型電極の凸部の外周面における先端エッジ部の少なくとも一方、及び/又は複数の第1のくし歯型電極の凹部の外周面における上端エッジ部に形成することができる。 In one example of the present invention, the insulating layer includes a leading edge portion on the outer peripheral surface of the convex portion of the plurality of first comb-shaped electrodes and a leading edge on the outer peripheral surface of the convex portion of the plurality of second comb-shaped electrodes. At least one of the portions and / or the upper edge portion on the outer peripheral surface of the concave portion of the plurality of first comb-shaped electrodes can be formed.
本例においては、絶縁層を第1のくし歯型電極の凹部における上端エッジ部等に形成するようにしているので、第1のくし歯型電極凹部等の大部分は露出するようになる。したがって、上述した絶縁層の帯電の問題を回避することができる。 In this example, since the insulating layer is formed at the upper edge portion or the like in the concave portion of the first comb-shaped electrode, most of the first comb-shaped electrode concave portion and the like are exposed. Therefore, the above-described problem of charging the insulating layer can be avoided.
また、第1のくし歯型電極の凹部における上端エッジ部等には、静電気力が集中するようになるので、当該箇所に高誘電体の絶縁層を形成すれば、絶縁層の自発分極によって、第1のくし歯型電極と第2のくし歯型電極との実質的な距離が削減されるような効果を得ることができる。したがって、第1のくし歯型電極と第2のくし歯型電極との実質的な距離の削減に伴い、これら電極、すなわち固定子及び移動子の離隔する距離が多少増大したような場合においても、これら間に作用する静電気力の低減を抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度及び効率が低下してしまうのを抑制することができる。 In addition, since electrostatic force is concentrated on the upper edge portion and the like in the concave portion of the first comb-shaped electrode, if a high dielectric insulating layer is formed at the location, by spontaneous polarization of the insulating layer, It is possible to obtain an effect that the substantial distance between the first comb-shaped electrode and the second comb-shaped electrode is reduced. Accordingly, even when the distance between the first comb-shaped electrode and the second comb-shaped electrode is reduced, the distance between the electrodes, that is, the stator and the mover, is slightly increased. The reduction of the electrostatic force acting between them can be suppressed, and the operation speed and efficiency as the actuator can be suppressed from being lowered.
また、第1のくし歯型電極等に印加する電圧、すなわち駆動電圧を増大させる必要がなくなり、昨今の省エネルギーの要請にも合致するようになる。 In addition, it is not necessary to increase the voltage applied to the first comb-shaped electrode or the like, that is, the drive voltage, so that it meets the recent demand for energy saving.
本発明の一例においては、複数の第1のくし歯型電極及び複数の第2のくし歯型電極の少なくとも一方における凸部の側面に、その上方から下方に向けて上記高誘電体からなる上記絶縁層をテーパー状に形成し、その最大厚さを上記ピッチの半分以下とすることができる。すなわち、上述のようにして、複数の第1のくし歯型電極の凸部、及び複数の第2のくし歯型電極の凸部の外周面を被覆する上記絶縁層の内、凸部の側面に形成した絶縁層は、側面の上方から下方に向けて上記高誘電体からなる上記絶縁層が、その最大厚さが上記ピッチの半分以下となるようにして、テーパー状に形成することができる。 In one example of the present invention, the high dielectric is formed on the side surface of the convex portion of at least one of the plurality of first comb-shaped electrodes and the plurality of second comb-shaped electrodes from above to below. An insulating layer can be formed in a taper shape, and the maximum thickness can be made into half or less of the said pitch. That is, as described above, the side surfaces of the convex portions of the insulating layer covering the outer peripheral surfaces of the convex portions of the plurality of first comb-shaped electrodes and the convex portions of the plurality of second comb-shaped electrodes. The insulating layer formed in the above can be formed in a tapered shape so that the maximum thickness of the insulating layer made of the high dielectric is less than half of the pitch from the upper side to the lower side. .
本例においては、特に固定子及び/又は移動子を構成する複数の第1のくし歯型電極及び/又は複数の第2のくし歯型電極の凸部の両側面において、最大厚さがこれら対向配置されてなる電極の凸部(及び凹部)の中心部のずれに相当するピッチの半分以下となるようにして、側面の上方から下方に向けてテーパー状に厚く形成している。したがって、固定子を構成する第1のくし歯型電極及び移動子を構成する第2のくし歯型電極の、静電的な移動に関与する電極間に作用する静電気力を増大させることができるとともに、静電的な移動に関与しない隣接するくし歯型電極への電気的な影響を抑制することができる。 In the present example, in particular, the maximum thicknesses on both side surfaces of the convex portions of the plurality of first comb-shaped electrodes and / or the plurality of second comb-shaped electrodes constituting the stator and / or the mover are these. The electrode is formed thicker in a tapered shape from the upper side to the lower side so that the pitch is equal to or less than half of the pitch corresponding to the shift of the central part of the convex part (and concave part) of the electrodes arranged opposite to each other. Accordingly, the electrostatic force acting between the electrodes involved in the electrostatic movement of the first comb-shaped electrode constituting the stator and the second comb-shaped electrode constituting the movable element can be increased. At the same time, it is possible to suppress the electrical influence on adjacent comb-shaped electrodes that are not involved in electrostatic movement.
本発明の一例においては、固定子を構成する複数の第1のくし歯型電極及び前記移動子を構成する前記複数の第2のくし歯型電極をマイクロマシン技術によって加工し、静電型アクチュエータを、Micro Electro Mechanical Systems(以下「MEMS」という。)静電型アクチュエータとすることもできる。 In an example of the present invention, the plurality of first comb-shaped electrodes constituting the stator and the plurality of second comb-shaped electrodes constituting the movable element are processed by micromachine technology, and the electrostatic actuator is Micro Electro Mechanical Systems (hereinafter referred to as “MEMS”) electrostatic actuators.
以上説明したように、本発明によれば、複数のくし歯型電極を有する固定子及び移動子からなる静電型アクチュエータにおいて、動作速度の低下及び効率の低下を抑制することができる。 As described above, according to the present invention, a decrease in operating speed and a decrease in efficiency can be suppressed in an electrostatic actuator composed of a stator and a mover having a plurality of comb-shaped electrodes.
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について説明する。 The details of the present invention as well as other features and advantages are described below.
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態におけるくし歯型アクチュエータの概略構成を示す図である。なお、本実施形態においては、特徴を明確にすべく、くし歯型アクチュエータの主要部のみを示している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a comb-shaped actuator according to the present embodiment. In the present embodiment, only the main part of the comb-shaped actuator is shown in order to clarify the features.
図1に示すように、本実施形態のくし歯型アクチュエータ10は、固定子11と移動子12とを有している。固定子11は、第1のくし歯型電極13とその外周面に形成された比誘電率300以上の高誘電体からなる絶縁層16とを含んでいる。移動子12は、第2のくし歯型電極14を含んでいる。また、図2から明らかなように、移動子12における第2のくし歯型電極14の凸部14Aは、固定子11における第1のくし歯型電極13の凹部13Bの中心部に位置するように配置されている。さらに、移動子12(第2のくし型電極14)は、ばね部材18を介して図示しない固定部材に固定されている。
As shown in FIG. 1, the comb-shaped
第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14間には、多相のDC電源もしくは交流電源19から所定の電圧が印加されるようになっている。これによって、例えば固定子11(第1のくし歯型電極13)は負電位となり、移動子12(第2のくし歯型電極14)は正電位となって、両者は互いに引き合うようになる。具体的には、固定子11を構成する第1のくし歯型電極13の凹部13Bに対して、移動子12を構成する第2のくし歯型電極14の凸部14Aが静電的に引き込まれ、移動子12が固定子11に向けて下方に移動するようになる。
A predetermined voltage is applied between the first comb-shaped
なお、移動子12の移動距離は、固定子11を構成する第1のくし歯型電極13の凹部13B、及び移動子12を構成する第2のくし歯型電極14の凸部14A間に作用する静電気力と、移動子12に接続されているばね部材18との付勢力とのバランスによって決定される。
The moving distance of the
本実施形態では、固定子11を構成する第1のくし歯型電極13の外周面を比誘電率が300以上の高誘電体からなる絶縁層16で被覆するようにしている。この場合、絶縁層16は自発分極するため、第1のくし歯型電極11と第2のくし歯型電極13との実質的な距離が削減されることになる。したがって、第1のくし歯型電極13と第2のくし歯型電極14との実質的な距離の削減に伴い、これら電極、すなわち固定子11及び移動子12の離隔する距離が多少増大したような場合においても、これら間に作用する静電気力の低減を抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度及び効率が低下してしまうのを抑制することができる。また、固定子11及び移動子12を構成する第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯電極14に印加する電圧、すなわち駆動電圧を増大させる必要がなくなり、昨今の省エネルギーの要請にも合致するようになる。
In the present embodiment, the outer peripheral surface of the first comb-shaped
なお、第1のくし歯型電極13の外周面には絶縁層16が形成されているので、移動子12が過度に下方に移動した場合においても、絶縁層16が静電的なシールド層として機能するようになるので、電極同士の電気的な接触や、電極間の放電を抑制することができる。
In addition, since the insulating
絶縁層16を構成する高誘電体は、比誘電率が300以上、好ましくは1000以上であれば無機及び有機のいずれでもよいが、無機高誘電体においては、上述した比誘電率を有するものとしていわゆる強誘電体が公知であり、入手や作製が容易であるので好ましい。このような無機高誘電体としては、チタン酸バリウム(BaTiO3:比誘電率約5000)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3:比誘電率約300)などの汎用の強誘電体を挙げることができる。なお、チタン酸バリウム及びチタン酸ジルコン酸鉛の比誘電率は代表値として示したものであり、同じ材料であっても、製造方法などによって異なるものである。
The high dielectric material constituting the insulating
図2は、上記実施形態の変形例に相当するものである。本変形例においては、移動子12を構成する第2のくし歯型電極14の凸部14Aの外周面に、第1のくし歯型電極13と同じ絶縁層16が形成されている点で、上記実施形態と相違する。
FIG. 2 corresponds to a modification of the above embodiment. In this modification, the same insulating
本変形例では、第2のくし歯型電極14の凸部14Aの外周面にも絶縁層16が形成されているので、絶縁層16の自発分極により、第1のくし歯型電極11と第2のくし歯型電極13との実質的な距離がさらに削減されることになる。したがって、第1のくし歯型電極13と第2のくし歯型電極14との実質的な距離のさらなる削減に伴い、これら電極、すなわち固定子11及び移動子12の離隔する距離が多少増大したような場合(MEMSのDRIEによるエッチングにおいてはテーパがつき、0.1〜0.5μm程度の寸法誤差が生じる)においても、これら間に作用する静電気力の低減をさらに抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度が低下してしまうのをさらに抑制することができる。
In this modification, since the insulating
なお、その他の特徴及び作用効果については、上記実施形態と同様であるので、記載を省略する。 Since other features and operational effects are the same as those in the above embodiment, description thereof is omitted.
本実施形態のくし歯型アクチュエータは、例えばシャッターやミラー駆動装置などとして用いることができる。 The comb-shaped actuator according to the present embodiment can be used as, for example, a shutter or a mirror driving device.
また、本実施形態のくし歯型アクチュエータ10の大きさは特に限定されるものではないが、以下に説明するように、第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14をマイクロマシン技術によって加工し、各部材の大きさをμmオーダーからサブμmオーダーとすることにより、くし歯型アクチュエータ10をMEMSとして構成することができる。
In addition, the size of the comb-shaped
図3は、本実施形態におけるくし歯型アクチュエータ10の、第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14間の距離(変位)と、これら電極間に作用する静電気力との関係を示すグラフである。
FIG. 3 shows the distance (displacement) between the first comb-shaped
なお、第1のくし歯型電極13の凸部13Aの高さH1は25μmとし、肉厚T1は5μmとし、凹部13Bの幅W1は11μmとした。また、第2のくし歯型電極14の凸部14Aの高さh1は20μmとし、肉厚t1は5μmとした。また、第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14は(シリコン)から作製した。
The height H1 of the
さらに、図1に示す態様においては、第1のくし歯型電極13の外周面にチタン酸バリウムからなる絶縁層16を厚さ2μmに形成し、図2に示す態様においては、第1のくし歯型電極13の外周面及び第2のくし歯型電極14の凸部14Aの外周面それぞれにおいて、チタン酸バリウムからなる絶縁層16を厚さ1μmに形成した。
Further, in the embodiment shown in FIG. 1, an insulating
図3から明らかなように、絶縁層16を形成しない場合においては、変位の全体に亘って第1のくし歯型電極13(固定子11)及び第2のくし歯型電極14(移動子12)に作用する静電気力は小さいが、絶縁層16を形成することによって前記静電気力が格段に増大していることが分かる。したがって、固定子11及び移動子12の離隔する距離が多少増大したような場合においても、これら間に作用する静電気力の低減を抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度及び効率が低下してしまうのを抑制できることが分かる。
As is apparent from FIG. 3, when the insulating
なお、図3に示す静電気力は電磁界有限要素法により、解析した結果である。空隙距離が2倍になると静電力は半減してしまうため、空隙距離を減らすことが重要であるが、アクチュエータ部は動くので、絶縁性を確保するために空隙距離を減らせない。本提案は、通常(高精度のMEMSにおいて)の空隙距離でも、1μmの高誘電率膜を両側の電極に形成すれば、静電気力は約2倍に増強できる。 In addition, the electrostatic force shown in FIG. 3 is the result analyzed by the electromagnetic field finite element method. When the gap distance is doubled, the electrostatic force is halved. Therefore, it is important to reduce the gap distance. However, since the actuator unit moves, the gap distance cannot be reduced in order to ensure insulation. In this proposal, even if the gap distance is normal (in high-precision MEMS), the electrostatic force can be increased about twice by forming a high dielectric constant film of 1 μm on both electrodes.
(第2の実施形態)
図4は、本実施形態におけるロータリーステッピングモーターの概略構成を示す図であり、図5は、図4に示すロータリーステッピングモーターの、固定子及び移動子の境界部分を拡大して示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a view showing a schematic configuration of the rotary stepping motor in the present embodiment, and FIG. 5 is an enlarged view showing a boundary portion between the stator and the mover of the rotary stepping motor shown in FIG.
図4に示すように、本実施形態のロータリーステッピングモーター20は、固定子29及び移動子22が同心円状に配置されており、固定子29は移動子22の外方に位置し、以下に説明するように、移動子22は固定子29の内側を回転移動する。
As shown in FIG. 4, in the
移動子22の内側には、例えばシリコンからなるインターコネクト部材25が、その円弧状の外周部25Bが移動子22の内側に離れて設けられている。また、移動子22を4段階のばねで支えるため、固定端21は凸部21Aを有している。さらに、移動子22も、その内方に向けて突出した扇形状の凸部22Aを有している。
An
また、一対の板状の第1のばね部材28−1が凸部21Aとインターコネクト部材25Cとを結ぶようにして設けられており、一対の板状の第2のばね部材28−2及び第3のばね部材28−3がインターコネクト部材25の中心部25Aと外周部25Bとを結ぶようにして設けられている。さらに、一対の板状の第4のばね部材28−4が移動子22の凸部22Aとインターコネクト部材25Dを結ぶようにして設けられている。
Also, a pair of plate-like first spring members 28-1 are provided so as to connect the
なお、移動子22の固定子29に対する回転移動は、以下に説明するくし歯型電極間に生じる静電気力と、移動子22及びばね部材28−1〜28−4の付勢力とのバランスによって決定される。
The rotational movement of the
図5に示すように、固定子29は、移動子22と対向するようにして第1のくし歯型電極23−1〜23−3を有しており、移動子22は、固定子29と対抗するようにして第2のくし歯型電極24−1〜24−3を有している。また、第1のくし歯型電極23−1〜23−3の外周面、及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3の外周面は、比誘電率300以上の高誘電体からなる絶縁層26が形成されている。但し、絶縁層26は、第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし場型電極24−1〜24−3のいずれか一方の外周面に形成されていれば、本発明の作用効果を奏することができる。
As shown in FIG. 5, the
なお、本実施形態では、第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3は、それぞれ固定子29及び移動子22の円周面上に直接設けられているので、これら電極自体が電極凸部を構成することになる。
In the present embodiment, the first comb-shaped electrodes 23-1 to 23-3 and the second comb-shaped electrodes 24-1 to 24-3 are the circumferential surfaces of the
また、図5から明らかなように、以下に説明する移動子22の、固定子29に対する駆動方式に基づいて、第1のくし歯型電極23−1〜23−3のピッチは、第2のくし歯型電極24−1〜24−3のピッチよりも多少大きくなるように設定されている。
Further, as apparent from FIG. 5, the pitch of the first comb-shaped electrodes 23-1 to 23-3 is based on the driving method of the moving
なお、図5では、本発明の特徴及びモーターの駆動方式を明確かつ簡潔に示すべく、第1のくし歯型電極については、23−1〜23−3の3つのみを示し、第2のくし歯型電極についても、24−1〜24−3の3つのみを示しているが、実際には、第1のくし歯型電極は固定子29の円周面の全体に亘って形成されており、第2のくし歯型電極も移動子22の円周面の全体に亘って形成されている。
In FIG. 5, in order to clearly and concisely show the features of the present invention and the motor driving method, only the three comb teeth 233-1 to 23-3 are shown and the second comb-shaped electrodes are shown. Although only three of comb-shaped electrodes 24-1 to 24-3 are shown, in practice, the first comb-shaped electrode is formed over the entire circumferential surface of the
図4及び図5に示す移動子22を固定子29に対して移動させるには、例えば以下のようにして行う。最初に、固定子29の第1のくし歯型電極23−1に対して所定の電圧を印加すると、この電極は正電位あるいは負電位となり、移動子22の、第1のくし歯型電極23−1と最も近接する第2のくし場型電極24−1との間に静電気力を生ぜしめるようになる。その結果、第2のくし歯型電極24−1は第1のくし歯型電極23−1に引き付けられ、それに伴って移動子22も同方向に移動するようになる。
The moving
次いで、第1のくし歯型電極23−1に印加した電圧を解除し、隣接する第1のくし歯型電極23−2に対して所定の電圧を印加すると、第1のくし歯型電極23−2は同様に正電位あるいは負電位となり、移動子22の、第1のくし歯型電極23−2と最も近接する第2のくし場型電極24−2との間に静電気力を生ぜしめるようになる。その結果、第2のくし歯型電極24−2は第1のくし歯型電極23−2に引き付けられ、それに伴って移動子22も同方向に移動するようになる。
Next, when the voltage applied to the first comb-shaped electrode 23-1 is released and a predetermined voltage is applied to the adjacent first comb-shaped electrode 23-2, the first comb-shaped
さらに、第1のくし歯型電極23−2に印加した電圧を解除し、隣接する第1のくし歯型電極23−3に対して所定の電圧を印加すると、第1のくし歯型電極23−3は同様に正電位あるいは負電位となり、移動子22の、第1のくし歯型電極23−3と最も近接する第2のくし場型電極24−3との間に静電気力を生ぜしめるようになる。その結果、第2のくし歯型電極24−3は第1のくし歯型電極23−3に引き付けられ、それに伴って移動子22も同方向に移動するようになる。
Further, when the voltage applied to the first comb-shaped electrode 23-2 is released and a predetermined voltage is applied to the adjacent first comb-shaped electrode 23-3, the first comb-shaped
以上のような操作の結果、移動子22は、固定子29に対して反時計周りに回転移動することになる。
As a result of the operation as described above, the
なお、特に詳述しないが、移動子22を固定子29に対して時計周りに回転移動させるには、上述したような、第1のくし場型電極23−1〜23−3に対して順次に電圧を印加する代わりに、第1のくし歯型電極23−3〜23−1に対して順次に電圧を印加するようにすればよい。すなわち、電圧印加の順番を逆にすればよい。本例では、3セット1組で移動を制御しているが、3セット以上であれば組を増やしてもよい。
Although not specifically described in detail, in order to rotate the moving
本実施形態では、固定子29を構成する第1のくし歯型電極23−1〜23−2の外周面及び移動子22を構成する第2のくし歯型電極24−1〜24−3の外周面を比誘電率が300以上の高誘電体からなる絶縁層26で被覆するようにしている。この場合、絶縁層26は自発分極するため、第1のくし歯型電極23−1〜23−3と第2のくし歯型電極24−1〜24−3との実質的な距離が削減されることになる。したがって、第1のくし歯型電極23−1〜23−3と第2のくし歯型電極24−1〜24−3との実質的な距離の削減に伴い、これら電極、すなわち固定子29及び移動子22の離隔する距離が多少増大したような場合においても、これら間に作用する静電気力の低減を抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度及び効率が低下してしまうのを抑制することができる。
In the present embodiment, the outer surfaces of the first comb-shaped electrodes 23-1 to 23-2 constituting the
また、固定子29及び移動子22を構成する第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯電極24−1〜24−3に印加する電圧、すなわち駆動電圧を増大させる必要がなくなり、昨今の省エネルギーの要請にも合致するようになる。
Further, the voltage applied to the first comb-shaped electrodes 23-1 to 23-3 and the second comb-shaped electrodes 24-1 to 24-3 constituting the
なお、絶縁層26が静電的なシールド層として機能するようになるので、電極同士の電気的な接触や、電極間の放電を抑制することができる。
Note that since the insulating
絶縁層26は、第1の実施形態における絶縁層16と同様のものから構成することができる。
The insulating
図6は、上記実施形態の変形例に相当するものである。本変形例においては、移動子22を構成する第2のくし歯型電極24−1〜24−3の側面において、その上方から下方に向けて絶縁層26をテーパー状に形成し、その最大厚さを第1のくし歯型電極と第2のくし歯型電極とのピッチPの半分以下としている(図6では、第2のくし歯型電極24−1についてのみ示している)。すなわち、第2のくし歯型電極24−1〜24−3の外周面を被覆する絶縁層26の側面部分を、その上方から下方に向けて、その最大厚さがピッチPの半分以下となるようにして、テーパー状に形成することができる。
FIG. 6 corresponds to a modification of the above embodiment. In this modification, the insulating
したがって、固定子29の第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び移動子22の第2のくし歯型電極24−1〜24−3の、静電的な移動に関与する電極間に作用する静電気力を増大させることができるとともに、静電的な移動に関与しない隣接するくし歯型電極への電気的な影響を抑制することができる。結果として、移動子22の固定子29に対する回転移動、すなわちアクチュエータとしての動作速度及び効率が低下してしまうのをより効果的に抑制することができる。
Therefore, the first comb-shaped electrodes 23-1 to 23-3 of the
本実施形態のロータリーステッピングモーター20は、例えばハードディスクドライブのヘッドを微小に回転させるアクチュエータとして、MEMS回転型アクチュエータとして用いることができる。
The
また、本実施形態のロータリーステッピングモーター20は、大きさは特に限定されるものではないが、以下に説明するように、第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3をマイクロマシン技術によって加工し、各部材の大きさをμmオーダーからサブμmオーダーとすることにより、ロータリーステッピングモーター20をMEMSとして構成することができる。
In addition, the size of the
図7は、本実施形態におけるロータリーステッピングモーター20の、第1のくし歯型電極23−1及び第2のくし歯型電極24−1間の距離(変位)と、これら電極間に作用する静電気力との関係を示すグラフである。
FIG. 7 shows the distance (displacement) between the first comb-shaped electrode 23-1 and the second comb-shaped electrode 24-1 and the static electricity acting between these electrodes of the
なお、第1のくし歯型電極23−1及び第2のくし歯型電極24−1の高さは10μmとし、幅は5μmとした。また、第1のくし歯型電極23−1及び第2のくし歯型電極24−1はシリコンから作製した。 The first comb-shaped electrode 23-1 and the second comb-shaped electrode 24-1 had a height of 10 μm and a width of 5 μm. The first comb-shaped electrode 23-1 and the second comb-shaped electrode 24-1 were made of silicon.
図7から明らかなように、絶縁層26を形成しない場合においては、変位の全体に亘って第1のくし歯型電極23−1(固定子21)及び第2のくし歯型電極24−1(移動子22)に作用する静電気力は小さいが、絶縁層26を形成することによって前記静電気力が格段に増大していることが分かる。特に第1のくし歯型電極23−1及び/又は第2のくし歯型電極24−1を被覆する絶縁層26の厚さが増大するにしたがって、前記静電気力が増大していることが分かる。
As is clear from FIG. 7, when the insulating
結果として、固定子21及び移動子22の離隔する距離が多少増大したような場合においても、これら間に作用する静電気力の低減を抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度及び効率が低下してしまうのを抑制できることが分かる。但し、第1のくし歯型電極23−1に対して絶縁層26を厚さ0.5μmに形成した場合と、第1のくし歯型電極23−1及び第2のくし歯型電極24−1の双方に対して絶縁層26を厚さ0.25μmに形成した場合とでは、生成する静電気力における差は見られない。
As a result, even when the distance between the
なお、図7に示す静電気力は電磁界有限要素法により解析した結果である。空隙距離が2倍になると静電力は半減してしまうため、空隙距離を減らすことが重要であるが、アクチュエータ部は動くので、絶縁性を確保するために空隙距離を減らせない。本提案は、通常(高精度のMEMSにおいて)の空隙距離でも、0.25μmの高誘電率膜を両側の電極に形成すれば、静電気力は約2倍に増強できる。 Note that the electrostatic force shown in FIG. 7 is the result of analysis by the electromagnetic field finite element method. When the gap distance is doubled, the electrostatic force is halved. Therefore, it is important to reduce the gap distance. However, since the actuator unit moves, the gap distance cannot be reduced in order to ensure insulation. In the present proposal, even when the gap distance is normal (in high-precision MEMS), the electrostatic force can be increased by a factor of about 2 by forming a 0.25 μm high dielectric constant film on both electrodes.
(第3の実施形態)
図8は、本実施形態における平行移動用のステッピングモーターの概略構成を示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a stepping motor for parallel movement in the present embodiment.
図8に示すように、本実施形態のステッピングモーター30は、固定子31と移動子32とを有している。固定子31には、第1のくし歯型電極33−1〜33−3を一組として、このような組の電極が図面右側から左側に向けて順次に設けられている。移動子32には、第2のくし歯型電極34−1〜34−3を一組として、このような組の電極が図面右側から左側に向けて順次に設けられている。なお、第1のくし歯型電極33−1〜33−3と第2のくし歯型電極34−1〜34−3とは、互いに平行配置されている。
As shown in FIG. 8, the stepping
また、第1のくし歯型電極33−1〜33−3それぞれの外周面、第2のくし歯型電極34−1〜34−3それぞれの外周面は、高誘電体からなる絶縁層36によって被覆されている。
Further, the outer peripheral surfaces of the first comb-shaped electrodes 33-1 to 33-3 and the outer peripheral surfaces of the second comb-shaped electrodes 34-1 to 34-3 are formed by an insulating
但し、絶縁層36は、第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし場型電極34−1〜34−3のいずれか一方の外周面に形成されていれば、本発明の作用効果を奏することができる。
However, if the insulating
移動子32の右端は、ばね部材38によって固定子31に固定されている。したがって、移動子32の移動距離は、第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3間に作用する静電気力と、移動子32に接続されているばね部材38との付勢力とのバランスによって決定される。
The right end of the
図8に示す移動子32を固定子31に対して移動させるには、例えば以下のようにして行う。最初に、固定子31の第1のくし歯型電極33−1に対して所定の電圧を印加すると、この電極は正電位あるいは負電位となり、移動子32の、第1のくし歯型電極33−1と最も近接する第2のくし場型電極34−1との間に静電気力を生ぜしめるようになる。その結果、第2のくし歯型電極34−1は第1のくし歯型電極33−1に引き付けられ、それに伴って移動子32も同方向に移動するようになる(図8では、第1のくし歯型電極33−1と第2のくし歯型電極34−1とが対向している)。
To move the
次いで、第1のくし歯型電極33−1に印加した電圧を解除し、隣接する第1のくし歯型電極33−2に対して所定の電圧を印加すると、第1のくし歯型電極33−2は同様に正電位あるいは負電位となり、移動子32の、第1のくし歯型電極33−2と最も近接する第2のくし場型電極34−2との間に静電気力を生ぜしめるようになる。その結果、第2のくし歯型電極34−2は第1のくし歯型電極33−2に引き付けられ、それに伴って移動子32も同方向に移動するようになる。
Next, when the voltage applied to the first comb-shaped electrode 33-1 is released and a predetermined voltage is applied to the adjacent first comb-shaped electrode 33-2, the first comb-shaped electrode 33. −2 similarly becomes a positive potential or a negative potential, and generates an electrostatic force between the first comb-teeth electrode 33-2 and the second comb-field electrode 34-2 closest to the
さらに、第1のくし歯型電極33−2に印加した電圧を解除し、隣接する第1のくし歯型電極33−3に対して所定の電圧を印加すると、第1のくし歯型電極33−3は同様に正電位あるいは負電位となり、移動子32の、第1のくし歯型電極33−3と最も近接する第2のくし場型電極34−3との間に静電気力を生ぜしめるようになる。その結果、第2のくし歯型電極34−3は第1のくし歯型電極33−3に引き付けられ、それに伴って移動子32も同方向に移動するようになる。
Furthermore, when the voltage applied to the first comb-shaped electrode 33-2 is released and a predetermined voltage is applied to the adjacent first comb-shaped electrode 33-3, the first comb-shaped electrode 33 is applied. −3 similarly becomes a positive potential or a negative potential, and an electrostatic force is generated between the first comb-shaped electrode 33-3 and the second comb-field electrode 34-3 closest to the
以上のような操作の結果、移動子32は、固定子21に対して左方向に移動することになる。本例では、3セット1組で移動を制御しているが、3セット以上であれば組を増やしてもよい。
As a result of the above operation, the
本実施形態では、固定子31を構成する第1のくし歯型電極33−1〜33−3の外周面及び移動子32を構成する第2のくし歯型電極34−1〜34−3の外周面を比誘電率が300以上の高誘電体からなる絶縁層36で被覆するようにしている。この場合、絶縁層36は自発分極するため、第1のくし歯型電極33−1〜33−3と第2のくし歯型電極34−1〜34−3との実質的な距離が削減されることになる。したがって、第1のくし歯型電極33−1〜33−3と第2のくし歯型電極34−1〜34−3との実質的な距離の削減に伴い、これら電極、すなわち固定子31及び移動子32の離隔する距離が多少増大したような場合においても、これら間に作用する静電気力の低減を抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度及び効率が低下してしまうのを抑制することができる。
In the present embodiment, the outer surfaces of the first comb-shaped electrodes 33-1 to 33-3 constituting the
また、固定子31及び移動子32を構成する第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯電極34−1〜34−3間に印加する電圧、すなわち駆動電圧を増大させる必要がなくなり、昨今の省エネルギーの要請にも合致するようになる。
Further, the voltage applied between the first comb-shaped electrodes 33-1 to 33-3 and the second comb-shaped electrodes 34-1 to 34-3 constituting the
なお、絶縁層36が静電的なシールド層として機能するようになるので、電極同士の電気的な接触や、電極間の放電を抑制することができる。また,絶縁層36は、段落0058に示したように、テーパー状に形成して効率を上げることもできる。
In addition, since the insulating
絶縁層36は、第1の実施形態における絶縁層16と同様のものから構成することができる。
The insulating
本実施形態の平行移動用のステッピングモーター30は、例えば(マイクロロボット,マイクロバルブ)などに使用することができる。
The stepping
また、本実施形態のステッピングモーター30は、大きさは特に限定されるものではないが、以下に説明するように、第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3をマイクロマシン技術によって加工し、各部材の大きさをμmオーダーからサブμmオーダーとすることにより、ステッピングモーター30をMEMSとして構成することができる。
Further, the size of the stepping
(第4の実施形態)
図9は、本実施形態におけるくし歯型アクチュエータの概略構成を示す図であり、図10は、図9に示すくし歯型アクチュエータのI-I線に沿って切った場合の断面図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a diagram illustrating a schematic configuration of the comb-shaped actuator according to the present embodiment, and FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line II of the comb-shaped actuator illustrated in FIG.
図9及び図10に示すように、本実施形態のくし歯型アクチュエータ40は、第1の実施形態の、図2に示すくし歯型アクチュエータ20において、固定子11を構成する第1のくし歯型電極13とその外周面を被覆するようにして形成された絶縁層16との境界41に接触し、かつ境界41に沿うようにして導電膜42が形成されていることを除き、図2に示すくし歯型アクチュエータ10と同一の構成を採っている。
As shown in FIG. 9 and FIG. 10, the comb-shaped
一般に、固定子11を構成する第1のくし歯型電極13と移動子12を構成する第2のくし歯型電極14とのギャップが5μm程度で、両者の間に印加される電圧が30V程度になると、第1のくし歯型電極13の外周面に形成された絶縁層16及び移動子12を構成する第2のくし歯型電極14の外周面に形成された絶縁層16に電荷が溜まるようになる。したがって、例えば多相のDC電源あるいは交流電源19から所定の電圧を第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14に印加した場合においても、印加した電圧に伴う電気信号(正負の電圧)が第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14に対して十分に作用しなくなってしまい、上記電気信号どおりに固定子11に対して移動子12が駆動しなくなってしまう場合がある。
In general, the gap between the first comb-shaped
しかしながら、本実施形態では、上述のようにして導電膜42を設けているので、第1のくし歯型電極13の絶縁層16に帯電した電荷は、導電膜42を介して第1のくし歯型電極13に逃がすことができ、上述のような電荷の溜まり、すなわち帯電を防止することができるようになる。この結果、多相のDC電源あるいは交流電源19から所定の電圧を第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14に印加した場合においても、印加した電圧に伴う電気信号(正負の電圧)が第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14に対して十分に作用しなくなってしまい、上記電気信号どおりに固定子11に対して移動子12が駆動しなくなってしまうという不都合を回避することができる。
However, in the present embodiment, since the
なお、本実施形態では、第1のくし歯型電極13のみに導電膜42を設けているが、さらに第2のくし歯型電極14に導電膜を設けることによって、上述した作用効果をさらに増大させることができる。
In the present embodiment, the
導電膜42は、例えば金、白金、アルミニウムなどの金属、グラフェン、金属型カーボンナノチューブの集合体を膜状にしたものから構成することができる。
The
金属から導電膜42を形成する場合は、気相成長、蒸着、スパッタリング、MBE、化学溶液法、溶液塗布法などを用いることによって形成することができる。また、導電膜42をグラフェンから形成する場合は、目的とする形状パターンに加工した銅あるいはニッケル板上にグラフェンをCVD法によって形成し、その後転写するなどの方法で形成することができる。導電膜42をカーボンナノチューブから形成する場合は、分散剤を用いて溶媒に分散させる方法や、気相ろ過、転写法などの方法を用い、分散膜の形態で形成することができる。
When the
なお、本実施形態のくし歯型アクチュエータ40の駆動方法及びその他の特徴は、図2に示すくし歯型アクチュエータ10と同様であるので、説明を省略する。
The driving method and other features of the comb-shaped
(第5の実施形態)
図11は、本実施形態におけるくし歯型アクチュエータの概略構成を示す図である。
図11に示すように、本実施形態のくし歯型アクチュエータ50は、第1の実施形態の、図2に示すくし歯型アクチュエータ10において、固定子11を構成する第1のくし歯型電極13の外周面を被覆するようにして絶縁層16を形成する代わりに、第1のくし歯型電極13の凹部13Bにおける上端エッジ部のみに絶縁層16を設け、移動子12を構成する第2のくし歯型電極14の外周面を被覆するようにして絶縁層16を形成する代わりに、第2のくし歯型電極14の凸部14Aの先端部のみに絶縁層16を設けている。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of the comb-shaped actuator according to the present embodiment.
As shown in FIG. 11, the comb-shaped actuator 50 of the present embodiment is the same as the first comb-shaped
なお、特に図では示していないが、これらの絶縁層16は、第1のくし歯型電極13の凹部13Bの紙面に垂直な深さ方向の全体に亘って形成されており、同様に、第2のくし歯型電極14の凸部14Aの紙面に垂直な深さ方向の全体に亘って形成されている。
Although not specifically shown in the drawing, these insulating
図12は、第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14間のギャップに作用する静電気力を電磁界有限要素法により解析した結果である。なお、第1のくし歯型電極13の凸部13Bの高さH1は20μmとし、肉厚T1は5μmとした。また、第2のくし歯型電極14の凸部14Aの高さh1は20μmとし、肉厚t1は5μmとした。また、第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14はシリコンから作製した。
FIG. 12 shows the result of analyzing the electrostatic force acting on the gap between the first comb-shaped
図12から明らかなように、第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14間のギャップに作用する静電気力は、第1のくし歯型電極13の凹部13Bの上端エッジ部及び第2のくし歯型電極14の凸部14Aの先端部において大きくなっていることが分かる。
As is clear from FIG. 12, the electrostatic force acting on the gap between the first comb-shaped
すなわち、このように静電気力の作用が大きい部分に、高誘電体の絶縁層16を形成すれば、絶縁層16の自発分極によって、第1のくし歯型電極11と第2のくし歯型電極13との実質的な距離が削減されるような効果を得ることができる。したがって、第1のくし歯型電極13と第2のくし歯型電極14との実質的な距離の削減に伴い、これら電極、すなわち固定子11及び移動子12の離隔する距離が多少増大したような場合においても、これら間に作用する静電気力の低減を抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度及び効率が低下してしまうのを抑制することができる。
That is, if the high dielectric insulating
また、固定子11及び移動子12を構成する第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯電極14に印加する電圧、すなわち駆動電圧を増大させる必要がなくなり、昨今の省エネルギーの要請にも合致するようになる。
In addition, it is not necessary to increase the voltage applied to the first comb-shaped
上述したように、固定子11と移動子14とのギャップが5μm程度で、両者の間に印加される電圧が30V程度になると、第1のくし歯型電極13の外周面に形成された絶縁層及び移動子12を構成する第2のくし歯型電極14の外周面に形成された絶縁層に電荷が溜まるようになる。したがって、絶縁層を外周面の全体に亘って形成した場合、例えば多相のDC電源あるいは交流電源19から所定の電圧を第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14に印加した場合において、印加した電圧に伴う電気信号(正負の電圧)が第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14に対して十分に作用しなくなってしまい、上記電気信号どおりに固定子11に対して移動子12が駆動しなくなってしまう場合がある。
As described above, when the gap between the
しかしながら、本実施形態では、絶縁層16を第1のくし歯型電極13の凹部13Bにおける上端エッジ部及び第2のくし歯型電極14の凸部の先端部のみに設けるようにしているので、絶縁層16の表面距離を減少させることができるので、電荷の滞留が少なくなる。したがって、上述した絶縁層16の帯電の問題を回避することができるとともに、図12に示す結果のグラフにより、絶縁層16を設けたことによる上述した作用効果(距離増大による静電気力の低減抑制及び動作速度、効率の低下抑制)を併せて達成することができる。
However, in the present embodiment, since the insulating
なお、本実施形態における作用効果をより効果的に奏するためには、第1のくし歯型電極13の凹部の上端エッジ部に形成した絶縁層16の高さ(幅H2)が、第1のくし歯型電極13の凸部13Aの高さH1に対して1/4H1〜1/10H1の範囲であることが好ましい。同様に、第2のくし歯型電極14の凸部の先端部に形成した絶縁層16の幅t2は、第1のくし歯型電極14の凸部14Aの肉厚t1に対して1/2〜1/10の範囲にあることが好ましい。
In order to more effectively achieve the operational effects of the present embodiment, the height (width H2) of the insulating
図13は、図12に示す結果をシミュレーションした際と同じ条件で第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14間の距離とこれら間に作用する静電気力との関係をシミュレーションした際のグラフである。但し、第1のくし歯型電極13の凹部13Bの上端エッジ部に形成した絶縁層16の高さH2は3μmとし、第2のくし歯型電極14の凸部14Aの先端部に形成した絶縁層16の幅t2は3μmとした。さらに、絶縁層16は厚さ2μmのBaTiO3から構成し、第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14間に1Vの電圧を印加した場合について示したものである。
13 simulates the relationship between the distance between the first comb-shaped
図13に示すように、本実施形態における、第1のくし歯型電極13の凹部13Bの上端エッジ部及び第2のくし歯型電極14の凸部14Aの先端部にのみ絶縁層16を設けた場合の方が、これら間の変位、具体的には第2のくし歯型電極14、すなわち移動子12の変位に対して、第1のくし歯型電極13及び第2のくし歯型電極14間に作用する静電気力が、第1のくし歯型電極13の外周面及び第2のくし歯型電極14の凸部14Aの外周面に絶縁層16を設けた場合よりも大きくなっている。
As shown in FIG. 13, in this embodiment, the insulating
これは、図12に示すように、両者の電極間に作用する静電気力の大きさが主として第1のくし歯型電極13の凹部13Bにおける上端エッジ部及び第2のくし歯型電極14の凸部14Aにおける先端部において大きくなること、並びに、上述したように、絶縁層16の帯電の大きさに伴う駆動上の障害が少ないことに起因していると考えられる。
This is because, as shown in FIG. 12, the magnitude of the electrostatic force acting between the two electrodes is mainly the upper edge portion of the
図14は、図11に示す態様の変形例である。本変形例では、第1のくし歯型電極13の凹部13Bの上端エッジ部に設けた絶縁層16の上面及び下面において追加の導電膜52が設けられている点で図11に示す態様と相違する。この場合、第1のくし歯型電極13の凹部13Bの上端エッジ部における絶縁層16の帯電をも効果的に取り除くことができる。したがって、上述した絶縁層16の帯電に起因した不利益を排除することができる。
FIG. 14 is a modification of the embodiment shown in FIG. This modification is different from the embodiment shown in FIG. 11 in that an additional
なお、追加の導電膜52は、第4の実施形態の、図9及び図10に示すくし歯型アクチュエータ40に示すように、固定子11を構成する第1のくし歯型電極13とその外周面を被覆するようにして形成された絶縁層16との境界に接触し、かつ境界に沿うようにして形成されている。
The additional
また、絶縁層16の強度を確保するために、図15に示すように、絶縁層16の端部16Aを第2のくし歯型電極14の上側面に拡張してもよい。
Further, in order to ensure the strength of the insulating
なお、追加の導電膜52は、導電膜42と同様にして形成することができる。
The additional
図13には、同様のシミュレーション結果を示したが、本シミュレーションでは、追加の導電膜52を設けた場合において、追加の導電膜52を設けない場合に比較して、変位の程度によって静電気力は大きく変化していない。
FIG. 13 shows a similar simulation result. In this simulation, when the additional
図16は、図11に示すくし歯型アクチュエータ50における、移動子12の第2のくし歯型電極14の凸部14Aと、固定子11の第1のくし歯型電極13の凹部13Bとの間に作用する引き込み力を、凸部14Aの凹部13Bの幅方向での変位に対して示したグラフである。なお、本シミュレーションにおける諸条件についても、図13に示すグラフを得た際の諸条件と同一とした。
FIG. 16 shows the relationship between the
電極のみの歯型アクチュエータにおいては、凸部14Aの凹部13Bに対する左右バランスが外乱などの影響で少しでもくずれると、両者が接着してしまう現象が生じる。しかしながら、図11に示すくし歯型アクチュエータ50では、絶縁層16を第1のくし歯型電極13の上端エッジ部等に形成しているのみであるので、図15に示すように、凸部14Aが凹部13B内の幅方向で変位した場合においても、両者の間に作用する引き込み力が小さいことが分かる。したがって、凸部14Aが凹部13B内において比較的大きく変動したような場合においても、両者の接着を抑制することができる。
In a tooth-type actuator having only electrodes, if the left / right balance of the
なお、本実施形態のくし歯型アクチュエータ50の駆動方法及びその他の特徴は、図2に示すくし歯型アクチュエータ10と同様であるので、説明を省略する。
The driving method and other features of the comb-shaped actuator 50 of the present embodiment are the same as those of the comb-shaped
(第6の実施形態)
図17は、本実施形態におけるロータリーステッピングモーターの、固定子及び移動子の境界部分を拡大して示す図である。
(Sixth embodiment)
FIG. 17 is an enlarged view of the boundary portion between the stator and the mover of the rotary stepping motor according to the present embodiment.
図17に示すように、本実施形態のロータリーステッピングモーター60は、第2の実施形態の、図4及び図5に示すロータリーステッピングモーター20において、固定子29を構成する第1のくし歯型電極23−1〜23−3と絶縁層26との境界61に接触し、かつ境界61に沿うようにして導電膜62が形成されていることを除き、図4及び図5に示すロータリーステッピングモーター20と同一の構成を採っている。
As shown in FIG. 17, the
一般に、固定子29を構成する第1のくし歯型電極23−1〜23−3と移動子22を構成する第2のくし歯型電極24−1〜24−3とのギャップが5μm程度で、両者の間に印加される電圧が30V程度になると、第1のくし歯型電極23−1〜23−3の外周面に形成された絶縁層16及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3の外周面に形成された絶縁層16に電荷が溜まるようになる。したがって、所定の電圧を第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3に印加した場合においても、印加した電圧に伴う電気信号(正負の電圧)が第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3に対して十分に作用しなくなってしまい、上記電気信号どおりに固定子29に対して移動子22が駆動しなくなってしまう場合がある。
In general, the gap between the first comb-shaped electrodes 23-1 to 23-3 constituting the
しかしながら、本実施形態では、上述のようにして導電膜62を設けているので、第1のくし歯型電極23−1〜23−3の絶縁層16に帯電した電荷は、導電膜62を介して第1のくし歯型電極23−1〜23−3に逃がすことができ、上述のような電荷の溜まり、すなわち帯電を防止することができるようになる。この結果、所定の電圧を第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3に印加した場合においても、印加した電圧に伴う電気信号(正負の電圧)が第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3に対して十分に作用しなくなってしまい、上記電気信号どおりに固定子29に対して移動子22が駆動しなくなってしまうという不都合を回避することができる。
However, in the present embodiment, since the
なお、本実施形態では、第1のくし歯型電極23−1〜23−3のみに導電膜62を設けているが、さらに第2のくし歯型電極24−1〜24−3に導電膜を設けることによって、上述した作用効果をさらに増大させることができる。
In the present embodiment, the
導電膜62は、第4の実施形態における導電膜42と同様にして形成することができる。
なお、本実施形態のロータリーステッピングモーター60の駆動方法及びその他の特徴は、図4及び図5に示すロータリーステッピングモーター20と同様であるので、説明を省略する。
The
Note that the driving method and other features of the
(第7の実施形態)
図18は、本実施形態におけるロータリーステッピングモーターの、固定子及び移動子の境界部分を拡大して示す図である。
(Seventh embodiment)
FIG. 18 is an enlarged view of the boundary portion between the stator and the mover of the rotary stepping motor according to the present embodiment.
図18に示すように、本実施形態のロータリーステッピングモーター70は、第2の実施形態の、図4及び図5に示すロータリーステッピングモーター20において、固定子29を構成する第1のくし歯型電極23−1〜23−3の外周面を被覆するようにして絶縁層16を形成する代わりに、第1のくし歯型電極23−1〜23−3の(凸部の)上端エッジ部のみに絶縁層26を設け、移動子22を構成する第2のくし歯型電極24−1〜24〜3の外周面を被覆するようにして絶縁層16を形成する代わりに、第2のくし歯型電極24−1〜24−3の(凸部)の上端エッジ部のみに絶縁層26を設けている。
As shown in FIG. 18, the
なお、特に図では示していないが、これらの絶縁層26は、第1のくし歯型電極23−1〜23−3の紙面に垂直な深さ方向の全体に亘って形成されており、同様に、第2のくし歯型電極24−1〜24−3の紙面に垂直な深さ方向の全体に亘って形成されている。
Although not specifically shown in the figure, these insulating
また、絶縁層26の先端部は必ずしも第1のくし歯型電極23−1〜23−3等の上面と同一の平面レベルである必要はなく、第1のくし歯型電極23−1〜23−3に設けた絶縁層26の先端と、第2のくし歯型電極24−1〜24−3に設けた絶縁層26の先端とが接触しない限りにおいて、上述した上面より突出していてもよい。絶縁層26の突出量は、第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3間のギャップの1/10〜1/2の範囲とすることができる。
Further, the tip of the insulating
また、図19に示すように、膜の強度を保つために突出部26Aが電極上部まで形成されていてもよい。
Further, as shown in FIG. 19, the protruding
本実施形態において、第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3間に作用する静電気力は、第1のくし歯型電極23−1〜23−3の上端エッジ部及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3の上端エッジ部において大きくなる。
In the present embodiment, the electrostatic force acting between the first comb-shaped electrodes 23-1 to 23-3 and the second comb-shaped electrodes 24-1 to 24-3 is applied to the first comb-shaped
すなわち、このように静電気力の作用が大きい部分に、高誘電体の絶縁層26を形成すれば、絶縁層26の自発分極によって、第1のくし歯型電極11と第2のくし歯型電極13との実質的な距離が削減されるような効果を得ることができる。したがって、第1のくし歯型電極23−1〜23−3と第2のくし歯型電極24−1〜24−3との実質的な距離の削減に伴い、これら電極、すなわち固定子29及び移動子22の離隔する距離が多少増大したような場合においても、これら間に作用する静電気力の低減を抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度及び効率が低下してしまうのを抑制することができる。
That is, if the high dielectric insulating
また、固定子29及び移動子22を構成する第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯電極24−1〜24−3に印加する電圧、すなわち駆動電圧を増大させる必要がなくなり、昨今の省エネルギーの要請にも合致するようになる。
Further, the voltage applied to the first comb-shaped electrodes 23-1 to 23-3 and the second comb-shaped electrodes 24-1 to 24-3 constituting the
一方、固定子29と移動子22とのギャップが5μm程度で、両者の間に印加される電圧が30V程度になると、第1のくし歯型電極23−1〜23−3の外周面に形成された絶縁層及び移動子22を構成する第2のくし歯型電極24−1〜24−3の外周面に形成された絶縁層に電荷が溜まるようになる。したがって、絶縁層26を外周面の全体に亘って形成した場合、所定の電圧を第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3に印加した場合において、印加した電圧に伴う電気信号(正負の電圧)が第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3に対して十分に作用しなくなってしまい、上記電気信号どおりに固定子29に対して移動子22が駆動しなくなってしまう場合がある。
On the other hand, when the gap between the
しかしながら、本実施形態では、絶縁層26を第1のくし歯型電極23−1〜23−3の上端エッジ部及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3の上端エッジ部のみに設けるようにしているので、絶縁層26の表面距離を減少させることができ、電荷の滞留が少なくなる。したがって、上述した絶縁層26の帯電の問題を回避することができるとともに、絶縁層26を設けたことによる上述した作用効果(距離増大による静電気力の低減抑制及び動作速度、効率の低下抑制)を併せて達成することができる。
However, in the present embodiment, the insulating
なお、本実施形態における作用効果をより効果的に奏するためには、第1のくし歯型電極23−1〜23−3の高さ(幅H4)が、第1のくし歯型電極23−1〜23−3の高さH3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3のくし歯型電極の高さH3に対して1/4H3〜1/10H3の範囲であることが好ましい。 In addition, in order to show | play the effect in this embodiment more effectively, the height (width H4) of the 1st comb-tooth type electrode 23-1 to 23-3 is 1st comb-tooth type electrode 23-. It is preferable that the height H3 is 1 to 23-3 and the height H3 of the second comb-shaped electrodes 24-1 to 24-3 is 1 / 4H3 to 1 / 10H3. .
図20は、本実施形態におけるロータリーステッピングモーター70の、第1のくし歯型電極23−1及び第2のくし歯型電極24−1間の距離(変位)と、これら電極間に作用する静電気力との関係を示すグラフである。
FIG. 20 shows the distance (displacement) between the first comb-shaped electrode 23-1 and the second comb-shaped electrode 24-1 and the static electricity acting between these electrodes of the
なお、第1のくし歯型電極23−1及び第2のくし歯型電極24−1の高さは10μmとし、幅は5μmとした。また、第1のくし歯型電極23−1及び第2のくし歯型電極24−1はシリコンから作製した。さらに、絶縁層26の幅H4は1.25μmとし、厚さは0.25μmとした。また、絶縁層26の突出部の長さは0.25μmとした。
The first comb-shaped electrode 23-1 and the second comb-shaped electrode 24-1 had a height of 10 μm and a width of 5 μm. The first comb-shaped electrode 23-1 and the second comb-shaped electrode 24-1 were made of silicon. Furthermore, the width H4 of the insulating
図20に示すように、絶縁層26を形成しない場合においては、変位の全体に亘って第1のくし歯型電極23−1(固定子21)及び第2のくし歯型電極24−1(移動子22)に作用する静電気力は小さいが、絶縁層26を電極の全面に形成することによって静電気力が増大していることが分かる。また、絶縁層26を第1のくし歯型電極23−1の上端エッジ部に形成した場合において、絶縁層26を上端から突出させない場合においては、絶縁層26を電極の全面に形成した場合に比較して、両者の電極間に作用する静電気力は減少するものの、絶縁層26を上端から突出させた場合においては、絶縁層26を電極の全面に形成した場合に比較して、両者の電極間に作用する静電気力が増大している。
As shown in FIG. 20, when the insulating
したがって、本実施形態のように、絶縁層26を第1のくし歯型電極23−1等の上端から突出するように形成することは極めて有効であることが分かる。
Therefore, it can be seen that it is extremely effective to form the insulating
図21は、上記態様の変形例であり、図22は、図21に示すロータリーステッピングモーター70の第1のくし歯型電極23−1及び第2のくし歯型電極24−1等の側面図である。本変形例では、図22に示すように、第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3の両側面において追加の導電膜72が設けられている点で図19に示す態様と相違する。なお、明確化のために、追加の導電膜72は、図21に示す図面においては省略されている。この場合、第1のくし歯型電極13の凹部13Bの上端エッジ部における絶縁層16の帯電をも効果的に取り除くことができる。したがって、上述した絶縁層16の帯電に起因した不利益を排除することができる。
FIG. 21 is a modification of the above embodiment, and FIG. 22 is a side view of the first comb-shaped electrode 23-1 and the second comb-shaped electrode 24-1 of the
また、図23及び図24に示すように、本変形例のように追加の導電膜72を形成した場合においては、絶縁層26からの側面への電界の漏れがほとんど見られないのに対し(図24)、追加の導電膜72を形成しない場合においては、絶縁層26からの電界の漏れが比較的大きいことが分かる(図23)。したがって、図24に示すように、追加の導電膜72を設けることにより、第1のくし歯型電極23−1〜23−3及び第2のくし歯型電極24−1〜24−3間に作用する静電気力が増大することが分かる。
As shown in FIGS. 23 and 24, when the additional
なお、追加の導電膜72は、導電膜42と同様にして形成することができる。
Note that the additional
なお、本実施形態のロータリーステッピングモーター70の駆動方法及びその他の特徴は、図4及び図5に示すロータリーステッピングモーター20と同様であるので、説明を省略する。
Note that the driving method and other features of the
(第8の実施形態)
図25は、本実施形態における平行移動用のステッピングモーターの概略構成を示す一部断面図である。すなわち、図25では、本実施形態の特徴を明確にすべく、固定子31については側面図の状態とし、その他の構成部分については断面図の状態としている。
(Eighth embodiment)
FIG. 25 is a partial cross-sectional view showing a schematic configuration of a parallel stepping motor in the present embodiment. That is, in FIG. 25, in order to clarify the features of the present embodiment, the
図25に示すように、本実施形態の平行移動用ステッピングモーター80は、第2の実施形態の、図8に示す平行移動用ステッピングモーター30において、固定子31を構成する第1のくし歯型電極33−1〜33−3と絶縁層36との境界81に接触し、かつ境界81に沿うようにして導電膜82が形成されていることを除き、図8に示す平行移動用ステッピングモーター30と同一の構成を採っている。
As shown in FIG. 25, the
一般に、固定子31を構成する第1のくし歯型電極33−1〜33−3と移動子32を構成する第2のくし歯型電極34−1〜34−3とのギャップが5μm程度で、両者の間に印加される電圧が30V程度になると、第1のくし歯型電極33−1〜33−3の外周面に形成された絶縁層36及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3の外周面に形成された絶縁層36に電荷が溜まるようになる。したがって、所定の電圧を第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3に印加した場合においても、印加した電圧に伴う電気信号(正負の電圧)が第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3に対して十分に作用しなくなってしまい、上記電気信号どおりに固定子31に対して移動子32が駆動しなくなってしまう場合がある。
In general, the gap between the first comb-shaped electrodes 33-1 to 33-3 constituting the
しかしながら、本実施形態では、上述のようにして導電膜82を設けているので、第1のくし歯型電極33−1〜33−3の絶縁層36に帯電した電荷は、導電膜72を介して第1のくし歯型電極33−1〜33−3に逃がすことができ、上述のような電荷の溜まり、すなわち帯電を防止することができるようになる。この結果、所定の電圧を第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3に印加した場合においても、印加した電圧に伴う電気信号(正負の電圧)が第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3に対して十分に作用しなくなってしまい、上記電気信号どおりに固定子29に対して移動子22が駆動しなくなってしまうという不都合を回避することができる。
However, in the present embodiment, since the
なお、本実施形態では、第1のくし歯型電極33−1〜33−3のみに導電膜82を設けているが、さらに第2のくし歯型電極34−1〜34−3に導電膜を設けることによって、上述した作用効果をさらに増大させることができる。
In the present embodiment, the
導電膜82は、第4の実施形態における導電膜42と同様にして形成することができる。
The
なお、本実施形態の平行移動用ステッピングモーター80の駆動方法及びその他の特徴は、図8に示す平行移動用ステッピングモーター30と同様であるので、説明を省略する。
The driving method and other features of the
(第9の実施形態)
図26は、本実施形態における平行移動用ステッピングモーターの概略構成を示す図である。
(Ninth embodiment)
FIG. 26 is a diagram showing a schematic configuration of the parallel stepping motor in the present embodiment.
図26に示すように、本実施形態の平行移動用ステッピングモーター90は、第3の実施形態の、図8に示す平行移動用ステッピングモーター90において、固定子31を構成する第1のくし歯型電極33−1〜33−3の外周面を被覆するようにして絶縁層36を形成する代わりに、第1のくし歯型電極33−1〜33−3の(凸部の)上端エッジ部のみに絶縁層36を設け、移動子32を構成する第2のくし歯型電極34−1〜34〜3の外周面を被覆するようにして絶縁層36を形成する代わりに、第2のくし歯型電極34−1〜34−3の(凸部)の上端エッジ部のみに絶縁層36を設けている。
As shown in FIG. 26, the
なお、特に図では示していないが、これらの絶縁層36は、第1のくし歯型電極33−1〜33−3の紙面に垂直な深さ方向の全体に亘って形成されており、同様に、第2のくし歯型電極34−1〜34−3の紙面に垂直な深さ方向の全体に亘って形成されている。また、絶縁層36の先端部は必ずしも第1のくし歯型電極33−1〜33−3等の上面と/同一の平面レベルである必要はなく、第1のくし歯型電極33−1〜33−3に設けた絶縁層36の先端と、第2のくし歯型電極34−1〜34−3に設けた絶縁層36の先端とが接触しない限りにおいて、上述した上面より突出していてもよい。絶縁層36の突出量は、第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3間のギャップの1/10〜1/2の範囲とすることができる。
Although not specifically shown in the figure, these insulating
本実施形態において、第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3間に作用する静電気力は、第1のくし歯型電極33−1〜33−3の上端エッジ部及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3の上端エッジ部において大きくなる。 In the present embodiment, the electrostatic force acting between the first comb-shaped electrodes 33-1 to 33-3 and the second comb-shaped electrodes 34-1 to 34-3 is the first comb-shaped electrode 33. It becomes large in the upper end edge part of -1 to 33-3 and the upper end edge part of the 2nd comb-tooth type electrode 34-1 to 34-3.
すなわち、このように静電気力の作用が大きい部分に、高誘電体の絶縁層36を形成すれば、絶縁層36の自発分極によって、第1のくし歯型電極33−1〜33−3と第2のくし歯型電極34−1〜34−3との実質的な距離が削減されるような効果を得ることができる。したがって、第1のくし歯型電極33−1〜33−3と第2のくし歯型電極34−1〜34−3との実質的な距離の削減に伴い、これら電極、すなわち固定子31及び移動子32の離隔する距離が多少増大したような場合においても、これら間に作用する静電気力の低減を抑制することができ、アクチュエータとしての動作速度及び効率が低下してしまうのを抑制することができる。
That is, if the high dielectric insulating
また、固定子31及び移動子32を構成する第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯電極34−1〜34−3に印加する電圧、すなわち駆動電圧を増大させる必要がなくなり、昨今の省エネルギーの要請にも合致するようになる。
Further, the voltage applied to the first comb-shaped electrodes 33-1 to 33-3 and the second comb-shaped electrodes 34-1 to 34-3 constituting the
一方、固定子31と移動子32とのギャップが5μm程度で、両者の間に印加される電圧が30V程度になると、第1のくし歯型電極33−1〜33−3の外周面に形成された絶縁層及び移動子32を構成する第2のくし歯型電極34−1〜34−3の外周面に形成された絶縁層に電荷が溜まるようになる。したがって、絶縁層36を外周面の全体に亘って形成した場合、所定の電圧を第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3に印加した場合において、印加した電圧に伴う電気信号(正負の電圧)が第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3に対して十分に作用しなくなってしまい、上記電気信号どおりに固定子31に対して移動子32が駆動しなくなってしまう場合がある。
On the other hand, when the gap between the
しかしながら、本実施形態では、絶縁層36を第1のくし歯型電極33−1〜33−3の上端エッジ部及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3の上端エッジ部のみに設けるようにしているので、絶縁層36の表面距離を減少させることができ、電荷の滞留が少なくなる。したがって、上述した絶縁層36の帯電の問題を回避することができるとともに、絶縁層36を設けたことによる上述した作用効果(距離増大による静電気力の低減抑制及び動作速度、効率の低下抑制)を併せて達成することができる。
However, in the present embodiment, the insulating
なお、絶縁層36の第1のくし歯型電極33−1〜33−3等に形成すべき高さは、第7の実施形態における絶縁層26と高さと同様にして設定することができる。
Note that the height of the insulating
また、本実施形態においても、第7の実施形態の図18に示すように、図26に示す平行移動用ステッピングモーター90の、第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3の両側面において追加の導電膜を設けることができる。この場合、第1のくし歯型電極33−1〜33−3等の上端エッジ部に形成した絶縁層36の帯電をより効果的に防止することができる。絶縁層36からの電界の漏れを抑制することができ、第1のくし歯型電極33−1〜33−3及び第2のくし歯型電極34−1〜34−3間に作用する静電気力が増大することが分かる。
Also in the present embodiment, as shown in FIG. 18 of the seventh embodiment, the first comb-shaped electrodes 33-1 to 33-3 and the second of the stepping
なお、本実施形態の平行移動用ステッピングモーター90の駆動方法及びその他の特徴は、図8に示す平行移動用ステッピングモーター30と同様であるので、説明を省略する。
The driving method and other features of the
(第10の実施形態)
本実施形態では、上記各実施形態で示したような静電型アクチュエータをMEMSとして構成する場合について説明する。
(Tenth embodiment)
In this embodiment, the case where the electrostatic actuator as shown in each of the above embodiments is configured as a MEMS will be described.
最初に、所定の導電体基板を準備し、その表面を洗浄した後、フォトリソグラフィーによって、第1のくし歯型電極及び第2のくし歯型電極のパターンに相当するパターンを有するマスクパターンを介して、基板上に付加した感光膜(フォトレジスト)を露光し、現像することにより、第1のくし歯型電極及び第2のくし歯型電極のパターンを前記感光膜に対して転写する。次いで、転写形成された前記感光膜から成るマスクを介し、エッチング液、反応性のガスやプラズマなどを用いて上記基板をエッチングすることによって、上述した第1のくし歯型電極及び第2のくし歯型電極を得る。 First, a predetermined conductor substrate is prepared, and the surface thereof is cleaned, and then, by photolithography, through a mask pattern having a pattern corresponding to the pattern of the first comb-shaped electrode and the second comb-shaped electrode. Then, the pattern of the first comb-shaped electrode and the second comb-shaped electrode is transferred to the photosensitive film by exposing and developing the photosensitive film (photoresist) added on the substrate. Then, the first comb-shaped electrode and the second comb are etched by etching the substrate using an etching solution, reactive gas, plasma, or the like through the mask formed of the photosensitive film formed by transfer. A dental electrode is obtained.
次いで、第1のくし歯型電極及び第2のくし歯型電極に対して、上述した高誘電体を原料として化学蒸着(CVD: Chemical Vapor Deposition)法、有機金属気相成長(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition))法や原子層堆積(ALD: Atomic Layer Deposition)法を施すことにより、これら電極の外周面に上述した絶縁層を形成する。なお、第1のくし歯型電極及び第2のくし歯型電極のいずれか一方のみに絶縁層を形成する場合は、この絶縁層を形成すべきくし歯型電極のみに上述したCVD法やALD法を施す。 Next, for the first comb-shaped electrode and the second comb-shaped electrode, a chemical vapor deposition (CVD) method, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) using the high dielectric material described above as a raw material. The insulating layer described above is formed on the outer peripheral surfaces of these electrodes by applying a chemical vapor deposition (ALV) method or an atomic layer deposition (ALD) method. When an insulating layer is formed only on one of the first comb-shaped electrode and the second comb-shaped electrode, the above-described CVD method or ALD method is applied only to the comb-shaped electrode on which this insulating layer is to be formed. Apply.
以上のような製造工程によれば、第1のくし歯型電極及び第2のくし歯型電極をμmオーダーからサブμmオーダーとすることができる。 According to the manufacturing process as described above, the first comb-shaped electrode and the second comb-shaped electrode can be changed from the μm order to the sub-μm order.
また、その他の部材についても、上述したようなマイクロマシン技術によって形成することができる。 Other members can also be formed by the micromachine technique as described above.
なお、第2の実施形態に示すようなロータリーステッピングモーターや、第3の実施形態に示すような平行移動用のステッピングモーターを構成する場合は、例えば上述のような操作を行うことによって、上記第1のくし歯型電極及び第2のくし歯型電極を、それぞれ固定子及び移動子と一括して形成する。 When configuring a rotary stepping motor as shown in the second embodiment or a stepping motor for parallel movement as shown in the third embodiment, for example, by performing the above-described operation, One comb-shaped electrode and a second comb-shaped electrode are formed together with the stator and the mover, respectively.
本発明の静電型アクチュエータをMEMSとして構成する場合、次のような構成要件を備えることになる。 When the electrostatic actuator of the present invention is configured as a MEMS, the following configuration requirements are provided.
駆動電圧は比較的に低電圧で作動しうる、具体的には数ボルトから150Vにおいて駆動され、特に70V以下、さらには50V以下の低電圧での作動を高精度に行うことができる。 The drive voltage can be operated at a relatively low voltage, specifically, it is driven at several volts to 150 V, and particularly, operation at a low voltage of 70 V or less, further 50 V or less can be performed with high accuracy.
第1電極の形状と寸法は、高さ、幅、肉厚、テーパー、ピッチが各1μmから100μmで構成される。第2電極の形状と寸法は、高さ、幅、肉厚、テーパー、ピッチが各1μmから100μmで構成される。 The shape and dimensions of the first electrode are configured such that the height, width, thickness, taper, and pitch are each 1 μm to 100 μm. The shape and dimensions of the second electrode are configured such that the height, width, thickness, taper, and pitch are 1 μm to 100 μm each.
絶縁層の厚みは0.1μmから5μmで構成される。絶縁層の比誘電率は300以上が必要とされる。 The insulating layer has a thickness of 0.1 μm to 5 μm. The dielectric constant of the insulating layer is required to be 300 or more.
電極間の空隙(距離)は0.1μmから10μmで構成される。 The gap (distance) between the electrodes is 0.1 μm to 10 μm.
静電気力は1組当たり0.1μNから500μNで構成される。 The electrostatic force is comprised between 0.1 μN and 500 μN per set.
上記の構成はMEMSゆえのプロセス上の制約条件と微細さ、高精度、低電圧などの求められる機能によって定まるものである。 The above-described configuration is determined by the process constraints due to MEMS and the required functions such as fineness, high accuracy, and low voltage.
比誘電率300以上であって、0.1μmから5μmの厚みの絶縁層の存在により、50V〜70V以上の高電圧をかけずに済ますことができるため、MEMSくし歯アクチュエータの場合に適用される低電圧高精細の動作に適合できるものである。 Since the dielectric constant is 300 or more and the presence of an insulating layer having a thickness of 0.1 to 5 μm, it is possible to avoid applying a high voltage of 50 V to 70 V or more. Therefore, it is applied to the case of a MEMS comb actuator. It can be adapted to low voltage, high definition operation.
本発明のMEMSくし歯アクチュエータにおいて、通常は、絶縁性を確保するために空隙距離1μm〜2μm程度が必要となる。一方、空隙距離が広くなると、駆動電圧を上昇させなければならないが、本発明の場合は、絶縁性を犠牲にせずに、擬似的に空隙距離を狭める効果があり、また、駆動電圧も下がるため有効である。 In the MEMS comb actuator of the present invention, usually, a gap distance of about 1 μm to 2 μm is required to ensure insulation. On the other hand, when the gap distance is increased, the driving voltage must be increased. However, in the case of the present invention, there is an effect of artificially reducing the gap distance without sacrificing insulation, and the driving voltage also decreases. It is valid.
また、負荷が非常に軽い場合は、アクチュエータの厚みを薄くできるので、深堀り反応性イオンエッチング(DRIE:Deep Reactive Ion Etching)の精度が向上して、空隙距離を0.5μmくらいまで下げることが可能なため、例えばハードディスクドライブのヘッドスライダーが非常に軽量化され、全体形状の小型化された場合などでは、最小空隙距離は,0.1ミクロンが必要になると考えられ、本発明のMEMSくし歯アクチュエータにより適応できるものである。 In addition, when the load is very light, the thickness of the actuator can be reduced, so that the accuracy of deep reactive ion etching (DRIE) is improved and the gap distance can be reduced to about 0.5 μm. For example, when the head slider of a hard disk drive is very light and the overall shape is miniaturized, the minimum gap distance is considered to be 0.1 micron. It can be adapted.
静電気力は空隙距離が2倍になると、静電力は半減してしまうため空隙距離を減らすことが重要であるが、アクチュエータ部は動くので、絶縁性を確保するために空隙距離を減らせない。しかしながら、本発明のMEMSくし歯アクチュエータにおいては、同じ空隙距離でも、1μmの高誘電率膜を両側の電極に形成すれば、静電気力は約2倍に増強できる。 When the electrostatic force doubles the gap distance, the electrostatic force is reduced by half, so it is important to reduce the gap distance. However, since the actuator moves, the gap distance cannot be reduced in order to ensure insulation. However, in the MEMS comb-tooth actuator of the present invention, the electrostatic force can be increased by a factor of about 2 by forming a high dielectric constant film of 1 μm on both electrodes even with the same gap distance.
本発明のMEMSくし歯アクチュエータにおいては、DRIEによるエッチングにおいてはテーパがつき、0.1μm〜0.5μm程度の寸法誤差が生じ、固定子及び移動子の離隔する距離が多少増大するが、そのような場合でも、絶縁層の存在により静電力は安定になる。 In the MEMS comb actuator of the present invention, the etching by DRIE is tapered, resulting in a dimensional error of about 0.1 μm to 0.5 μm, and the distance between the stator and the mover is slightly increased. Even in this case, the electrostatic force is stabilized by the presence of the insulating layer.
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能
である。
The present invention has been described in detail based on the above specific examples. However, the present invention is not limited to the above specific examples, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.
10 くし歯型アクチュエータ
11 固定子
12 移動子
13 第1のくし歯型電極
14 第2のくし歯型電極
16 絶縁層
18 ばね部材
19 交流電源
20 ロータリーステッピングモーター
21 固定端
22 移動子
23−1〜23−3 第1のくし歯型電極
24−1〜24−3 第2のくし歯型電極
25 インターコネクト部材
26 絶縁層
28−1 一対の板状の第1のばね部材
28−2 一対の板状の第2のばね部材
28−3 一対の板状の第3のばね部材
28−4 一対の板状の第4のばね部材
29 固定子
30 平行移動用のステッピングモーター
31 固定子
32 移動子
33−1〜33−3 第1のくし歯型電極
34−1〜34−3 第2のくし歯型電極
36 絶縁層
38 ばね部材
42,62,82 導電膜
52,72 追加の導電膜
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記固定子の前記複数の第1のくし歯型電極の凸部及び凹部と、前記移動子の前記複数の第2のくし歯型電極の凸部及び凹部とは、それぞれの中心部が電極の配列方向に沿って所定のピッチで互いに離隔して対向配置され、
前記複数の第1のくし歯型電極の前記凸部及び前記複数の第2のくし歯型電極の前記凸部の少なくとも一方の外周面、及び/又は前記複数の第1のくし歯型電極の前記凹部の外周面には、比誘電率が300以上の高誘電体からなる絶縁層が形成されていることを特徴とする、静電型アクチュエータ。 A stator having a plurality of first comb-shaped electrodes, and a mover having a plurality of second comb-shaped electrodes,
The convex portions and the concave portions of the plurality of first comb-shaped electrodes of the stator and the convex portions and the concave portions of the plurality of second comb-shaped electrodes of the movable member are each formed such that the center portion thereof is an electrode. Arranged opposite to each other at a predetermined pitch along the arrangement direction,
At least one outer peripheral surface of the plurality of first comb-shaped electrodes and the plurality of second comb-shaped electrodes; and / or the plurality of first comb-shaped electrodes. An electrostatic actuator, wherein an insulating layer made of a high dielectric material having a relative dielectric constant of 300 or more is formed on the outer peripheral surface of the recess.
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