JP2899133B2

JP2899133B2 - 静電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2899133B2
Application number: JP13439791A
Authority: JP
Inventors: 登西口; 俊郎樋口
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1991-06-05
Filing date: 1991-06-05
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: JPH05260766A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固定子と可動子との間
に作用するクーロン力により可動子を移動させる静電ア
クチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、クーロン力を用いた静電アク
チュエータとしては、図２１に示すように、多数の固定
子電極２１を一方向に配列した固定子２と、固定子電極
２１の配列面に対向する誘電体層もしくは高抵抗体層１
６を備えた可動子１と、各固定子電極２１に複数相の駆
動電圧を印加する駆動回路とを設けたものがある（特開
昭６３−９５８６０号公報、特開平２−２８５９７８号
公報参照）。

【０００３】すなわち、固定子電極２１に駆動電圧を印
加することによって可動子１の誘電体層もしくは高抵抗
体層１６に静電誘導された電荷と、固定子電極２１の電
荷との間に作用するクーロン力により可動子１が移動す
るものである。特開昭６３−９５８６０号公報には、駆
動電圧を単極とし、固定子と可動子との間に吸引力のみ
を作用させるように駆動電圧の印加タイミングを設定し
たものと、駆動電圧を複極とし、固定子と可動子との間
に吸引力および反発力を作用させるように駆動電圧の極
性および印加タイミングを設定したものとが開示されて
いる。また、特開平２−２８５９７８号公報には、図２
１（ｂ）に示すように、可動子１が移動を開始する際に
は、固定子２と可動子１との対向面に直交する方向のク
ーロン力が反発力になるように駆動電圧の極性を設定し
たものが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記両公報
に記載された静電アクチュエータは、可動子１に静電誘
導された電荷と、固定子電極２１の電荷との間のクーロ
ン力を利用して可動子１を移動させるものであるから、
可動子１を移動させるために固定子電極２１に駆動電圧
を印加すると、可動子１の移動中に可動子１の誘電体層
や高抵抗体層１６の中で電荷の移動が生じたり、不要な
分極が生じたりする場合がある。このような現象が生じ
ると、乱調や脱調の原因になる。さらに、可動子１の任
意の位置に電荷を生じさせることができるから、基準位
置を再現性よく設定することができないという問題があ
る。

【０００５】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、乱調や脱調を防止し、しかも、基準位置を再
現性よく正確に設定できるようにした静電アクチュエー
タを提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、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
される多数の可動子電極を上記一方向に所定間隔で配列
して構成した可動子と、固定子と可動子との間に介在さ
せた絶縁体層と、可動子電極と固定子電極との間に生じ
るクーロン力により可動子が固定子に対して上記一方向
に移動するように固定子電極と可動子電極とに駆動電圧
を印加する駆動電圧制御手段と、固定子に対する可動子
の変位量を検出し変位量に応じた駆動電圧が固定子電極
と可動子電極とに印加されるように駆動電圧制御手段を
フィードバック制御する位置検出手段とを備えているの
である。

【０００７】請求項２の発明では、位置検出手段は、固
定子と可動子とにそれぞれ上記一方向に所定間隔で配列
された多数のセンシング電極を互いに対向させたセンサ
部を有し、固定子側と可動子側とのいずれか一方のセン
シング電極に直流電圧を印加するとともに、可動子の移
動時に他方のセンシング電極に静電誘導によって発生す
る電荷量の変化に基づいて固定子に対する可動子の変位
量を検出する。

【０００８】請求項３の発明では、位置検出手段は、固
定子と可動子とにそれぞれ上記一方向に所定間隔で配列
された多数のセンシング電極を互いに対向させたセンサ
部を有し、固定子側と可動子側とのいずれか一方のセン
シング電極に高周波交流電圧を印加するとともに、他方
のセンシング電極に静電誘導によって発生する電荷量の
変化に基づいて固定子に対する可動子の変位量を検出す
る。

【０００９】請求項４の発明では、絶縁体層は、固定子
に設けた第１絶縁体層と、可動子に設けた第２絶縁体層
と、第１絶縁体層と第２絶縁体層との間に介在する絶縁
性液体よりなる第３絶縁体層とにより形成されている。
請求項５の発明では、絶縁体層は、固定子に設けた第１
絶縁体層と、可動子に設けた第２絶縁体層とからなり、
第１絶縁体層における固定子電極との対向部位および第
２絶縁体層における可動子電極との対向部位には、それ
ぞれ他の部位よりも誘電率の高い絶縁材料よりなる高誘
電率部が形成されている。

【００１０】請求項６の発明では、固定子および可動子
はそれぞれ多層配線板を用いてフィルム状に形成されて
いて固定子と可動子との対が複数個設けられ、各可動子
同士が可動子ホルダによって一体に結合されている。

【００１１】

【作用】請求項１の構成によれば、固定子と可動子とに
それぞれ多数の固定子電極と可動子電極とを配列し、固
定子電極と可動子電極とに印加する駆動電圧を制御して
可動子を移動させるのであって、固定子電極および可動
子電極がそれぞれ所定の間隔で配列されているので、固
定子電極と可動子電極との位置関係によって固定子に対
する可動子の基準位置を正確に設定できることになる。
また、固定子に対する可動子の変位量を検出し変位量に
応じた駆動電圧が固定子電極と可動子電極とに印加され
るように駆動電圧制御手段をフィードバック制御する位
置検出手段を備えているので、可動子の固定子に対する
位置に応じて駆動電圧を制御することができ、乱調や脱
調が生じないように可動子を移動させることができるの
である。

【００１２】請求項２および請求項３の構成は、位置検
出手段の望ましい実施態様であって、固定子と可動子と
にそれぞれ上記一方向に所定間隔で配列された多数のセ
ンシング電極を互いに対向させたセンサ部を位置検出手
段に設けているので、位置検出手段のセンサ部を、固定
子や可動子に一体に設けることができるのであって、可
動子の固定子に対する変位量を正確に検出することが可
能になる。

【００１３】請求項４の構成によれば、固定子と可動子
との間に絶縁性液体よりなる第３絶縁体層を介在させて
いるので、固定子電極と可動子電極との間の絶縁耐圧を
高めることができ、高い駆動電圧を印加することができ
るようにる結果、可動子の駆動力を高めることができ
る。また、第３絶縁体層を形成する絶縁性液体として粘
度および表面張力の小さい材料を採用することによっ
て、固定子と可動子との間の摩擦力を低減することがで
き、駆動力を高めることができる。

【００１４】請求項５の構成によれば、固定子に第１絶
縁体層を設け、第１絶縁体層に対向する第２絶縁体層を
可動子に設け、第１絶縁体層における固定子電極との対
向部位および第２絶縁体層における可動子電極との対向
部位に、それぞれ他の部位よりも誘電率の高い絶縁材料
よりなる高誘電率部を形成しているので、固定子電極と
可動子との対向部位付近および可動子電極と固定子との
対向部位付近に電気力線を集中させることができ、絶縁
耐圧を維持したままで駆動力を高めることができるので
ある。

【００１５】請求項６の構成によれば、複数の可動子を
可動子ホルダによって一体に結合しているので、固定子
と可動子との複数個の対の駆動力の合力を出力として得
ることができ、高い駆動力が得られるのである。

【００１６】

【実施例】（実施例１）本実施例では、固定子電極を３
相とし可動子電極を４相としているが、これに限定され
るものではなく、相数については各種の組み合わせが可
能である。図２および図３に示すように、可動子１およ
び固定子２は、それぞれ多層配線板３を用いてフィルム
状に形成され、互いに対向するように配置される。多層
配線板３は、絶縁基板３１の表裏両面にそれぞれ絶縁体
層３２、３３を接着材層３６、３７を介して積層し、絶
縁基板３１と各絶縁体層３２、３３との間にそれぞれ銅
箔よりなる導電体層３４、３５を挟装したものであっ
て、全体として２００μｍ程度の厚みのフィルム状に形
成されている。絶縁基板３１、絶縁体層３２、３３に
は、ポリイミドやポリエチレンテレフタレートなどが用
いられる。ただし、摩擦による帯電を避けるために、絶
縁基板３１、絶縁体層３２、３３などには同一材料を用
いる。

【００１７】可動子１となる多層配線板３の導電体層３
４には、図４に示すように、直線帯状に形成した多数の
可動子電極１１を互いに平行になるように一定間隔ｐ₁
で配列した導電パターンと、直線帯状の多数のセンシン
グ電極１２を互いに平行になるように可動子電極１１と
同じ間隔ｐ₁で配列した導電パターンとが形成される。
可動子電極１１は４相であり、各相をＡ〜Ｄ相とすれ
ば、ＡＢＣＤＡＢ……という順で循環的に配列される。
また、各相の可動子電極１１は、各相ごとにまとめて給
電ライン１３に接続される。ここに、４相のうちの２相
の給電ライン１３は可動子電極１１と同じ導電体層３４
に形成され、残りの２相の給電ライン１３は他の導電体
層３５に形成される。導電体層３５に形成された給電ラ
イン１３と可動子電極１１とを接続するには、可動子電
極１１の長手方向の一端部に設けたランド１４の中心に
穿孔したスルーホールを用いてめっきスルーホール法な
どの周知の方法を適用する。各センシング電極１２は、
各可動子電極１１と同一直線上に形成され、各相の可動
子電極１１と同一直線上に配列されたセンシング電極１
２は、各相の可動子電極１１の給電ライン１３に対する
接続関係と同じ接続関係になるように出力ライン１５に
接続される。

【００１８】固定子２は、可動子１と同様の構成を有
し、図５に示すように、多層配線板３０の導電体層３４
に直線帯状の多数の固定子電極２１を互いに平行になる
ように一定間隔ｐ₂で配列した導電パターンと、直線帯
状の多数のセンシング電極２２を互いに平行になるよう
に固定子電極２１と同じ間隔ｐ₂で配列した導電パター
ンとを有している。固定子電極２１は３相であり、各相
をＥ〜Ｇとすれば、ＥＦＧＥＦ……という順に循環的に
配列される。また、各相の固定子電極２１は、各相ごと
にまとめて給電ライン２３に接続される。ここに、３相
のうちの２相の給電ライン２３は固定子電極２１と同じ
導電体層３４に形成され、残りの１相の給電ライン２３
は他の導電体層３５に形成される。導電体層３５に形成
された給電ライン２３と、固定子電極２１との接続は、
可動子１の場合と同様であって、固定子電極２１の長手
方向の端部に設けたランド２４の中心にそれぞれ穿孔し
たスルーホールを用いて、めっきスルーホール法などの
周知の方法を適用する。このようにして、導電体層３５
には同相の給電ライン２３が２本形成されることにな
る。各センシング電極２２は、各固定子電極２１と同一
直線上に形成され、各相の固定子電極２１と同一直線上
に配列されたセンシング電極２２は、各相の固定子電極
２１の給電ライン２３に対する接続関係と同じ接続関係
になるように出力ライン２５に接続される。

【００１９】要するに、可動子１と固定子２とは相数が
異なるのみであって、同一の構成を有しているのであ
る。可動子電極１１と固定子電極２１とは、（可動子電
極の相数×可動子電極の間隔）＝（固定子電極の相数×
固定子電極の間隔）という関係が成立するように配列さ
れている。すなわち、４×ｐ₁＝３×ｐ₂＝ｕになって
いる。また、固定子電極２１の幅は、可動子電極１１の
幅よりも大きく設定されており、上記寸法ｕの間で、い
ずれか一つの可動子電極１１と固定子電極２１との中心
同士が対向している状態で、他のいずれかの固定子電極
２１に可動子電極１１の半分程度の面が対向できるよう
に設定されている。

【００２０】可動子１の各給電ライン１３および固定子
２の各給電ライン２３には、図１に示すように、リレー
接点等からなるスイッチ要素４を介して直流電源５が接
続される。直流電源５は、＋Ｖ、０、−Ｖの３種類の電
圧を出力し、スイッチ要素４は、可動子１および固定子
２の各相Ａ〜Ｇの各給電ライン１３，２３に対して直流
電源５の３種類の出力電圧を駆動電圧として選択的に印
加する。また、スイッチ要素４の切り換えは、切換制御
部６によって制御される。したがって、各給電ライン１
３，２２には、＋Ｖ、０、−Ｖのいずれかの電圧が選択
的に印加される。換言すれば、各可動子電極１１および
各固定子電極２１には、複極の駆動電圧が印加されるの
であって、スイッチ要素４、直流電源５、切換制御部６
によって駆動電圧制御手段が構成されるのである。駆動
電圧は、可動子電極１１および固定子電極２１の各相ご
とに制御される。

【００２１】各相の駆動電圧の印加パターンにはいろい
ろな形式が考えられるが、たとえば図６に示すような駆
動電圧を与えれば、可動子電極１１および固定子電極２
１の極性を図７のように変化させて、可動子１を固定子
２に対して移動させることができる。ここで、ＡＢＣＤ
は可動子電極１１の各相を示し、ＥＦＧは固定子電極２
１の各相を示す。この駆動電圧の印加パターンでは、可
動子電極１１および固定子電極２１のうち中心同士が対
向しているものに＋Ｖを印加し、＋Ｖを印加した可動子
電極１１および固定子電極２１に対して図７における左
隣の可動子電極１１および固定子電極２１に−Ｖを印加
する（図７（ａ）参照）。このように駆動電圧を印加す
れば、−Ｖを印加された可動子電極１１と固定子電極２
１とは中心がずれているために、反発力によって中心の
距離を広げる向きに可動子１を移動させる。また、可動
子１がｕ／１２だけ移動すると、初めに＋Ｖを印加され
た可動子電極１１および固定子電極２１の右隣の可動子
電極１１および固定子電極２１の中心同士が対向するこ
とになるから（図７（ｂ）参照）、この時点で駆動電圧
を切り換えるようにすれば（図７（ｃ）参照）、図７
（ａ）と同じ形に戻り、以後同様にして可動子１を移動
させることができるのである。要するに、各相の駆動電
圧の組を｛（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ），（Ｅ，Ｆ，Ｇ）｝とす
れば、可動子１がｕ／１２進むごとに、｛（−Ｖ，＋
Ｖ，０，０），（−Ｖ，＋Ｖ，０）｝→｛（０，−Ｖ，
＋Ｖ，０），（０，−Ｖ，＋Ｖ）｝というように、１相
分だけ駆動電圧を偏位させるのである。可動子１を逆向
きに移動させる場合には、｛（０，＋Ｖ，−Ｖ，０），
（０，＋Ｖ，−Ｖ）｝→｛（＋Ｖ，−Ｖ，０，０），
（＋Ｖ，−Ｖ，０）｝というように、初動の向きを逆に
するように極性を設定するとともに駆動電圧を偏位させ
る向きを逆にすればよい。

【００２２】上述した駆動電圧の印加パターンによれ
ば、可動子１の移動が開始されるときには、クーロン力
の合力について可動子１と固定子２との対向面に直交す
る方向の成分が反発力になるから、可動子１が固定子２
から浮き上がることになり、可動子１と固定子２との間
の摩擦力を軽減された状態で可動子１が移動することに
なる。その結果、摩擦力による駆動力の損失が少なく、
印加電圧の大きさに対して駆動力を大きくすることがで
きるのである。

【００２３】ところで、上述した構成では、駆動電圧を
切り換えるタイミングと可動子電極１１および固定子電
極２１の位置関係とにずれが生じると、脱調や乱調が生
じることがある。そこで、センシング電極１２，２２を
センサ部とするとともに、可動子１の固定子２に対する
相対位置を検出する位置判定部７を備えた位置検出手段
を設け、位置判定部７により検出された位置に基づくタ
イミングで駆動電圧を切り換えるように切換制御部６を
フィードバック制御するのである。

【００２４】位置判定部７では、図８に示すように、可
動子１のセンシング電極１２に位置検出用電圧を印加す
る電圧印加回路７ａと、可動子１のセンシング電極１２
に位置検出用電圧が印加されることにより固定子２のセ
ンシング電極２２に静電誘導によって生じる電荷量の変
化を検出して可動子１の固定子２に対する相対位置を判
定する判定回路７ｂとを備える。本実施例では、電圧印
加回路７ａは、センシング電極１２に直流電圧を印加す
る。すなわち、可動子１の移動方向に配列された各セン
シング電極１２には、図９に示すように、電圧印加回路
７ａに設けた直流電源Ｅ₁，Ｅ₂によって交互に逆極性
の直流電圧が印加される。要するに、４相Ａ〜Ｄの可動
子電極１１に対応する各センシング電極１２のうち、Ａ
相およびＣ相の可動子電極１１に対応するセンシング電
極１２と、Ｂ相およびＤ相の可動子電極１１に対応する
センシング電極１２とが互いに異なる極性になるよう
に、直流電圧が印加されるのである。一方、固定子電極
２１の各相Ｅ〜Ｇに対応する固定子２の各センシング電
極２２については、それぞれ電荷量の変化が検出され
る。すなわち、電荷量の変化は電圧または電流の変化と
して検出されるのであって、３相分の出力を用いて総合
的に位置を判定することによって可動子１の固定子２に
対する位置を高分解能で求めることができるのである。
なお、検出精度を下げてもよいときには、２相分の出力
によって位置を判定してもよい。

【００２５】可動子１が、図９（ａ）から図９（ｃ）に
移動する際の固定子２のセンシング電極２２での誘起電
圧（誘起電流）の変化を図１０に示す。固定子２のセン
シング電極２２に静電誘導される電荷量は、可動子１の
センシング電極１２と固定子２のセンシング電極２２と
の対向面積にほぼ比例するから、固定子２のセンシング
電極２２での誘起電圧（誘起電流）は正弦波状になる。
いま、各相Ａ〜Ｄの可動子電極１１に対応するセンシン
グ電極１２をそれぞれａ〜ｄとし、各相Ｅ〜Ｇの固定子
電極２１に対応するセンシング電極２２をそれぞれｅ〜
ｇとして、センシング電極ａ，ｃに電圧Ｖ１の直流電源
Ｅ₁の正極を接続し、センシング電極ｂ，ｄに電圧Ｖ１
の直流電源Ｅ₂の負極を接続しているものとする。図９
（ａ）のように、センシング電極ａとセンシング電極ｅ
との中心同士が一致する位置では、センシング電極ｅの
出力電圧ｏ１は−Ｖ１になる。また、センシング電極
ｆ，ｇの出力電圧ｏ２，ｏ３は、可動子１の固定子２に
対する位置に応じた絶対値がＶ１以下の所定電圧にな
る。次に、図９（ａ）の位置から可動子１が寸法ｕ／１
２だけ移動して図９（ｂ）のように、センシング電極ｂ
とセンシング電極ｆとの中心同士が一致するようになる
と、センシング電極ｆの出力電圧ｏ２が−Ｖ１になり、
他のセンシング電極ｅ，ｇの出力電圧ｏ１，ｏ３は、絶
対値がＶ１以下の所定電圧になる。同様にして、図９
（ａ）の位置から可動子１が寸法ｕ／４だけ移動して図
９（ｃ）のように、センシング電極ｄとセンシング電極
ｅとが一致するようになると、センシング電極ｅからの
出力電圧ｏ１が、Ｖ１になるのである。以上のようにし
て、図１０に示すように、３相の出力電圧ｏ１〜ｏ３が
得られることになる。ここにおいて、図１０における
〜は、それぞれ図９（ａ）〜（ｃ）の各位置に対応す
る。これらの出力電圧ｏ１〜ｏ３の関係に基づいて可動
子１の固定子２に対する相対位置を求めることができる
のである。

【００２６】このようにして可動子１の固定子２に対す
る相対位置を求めれば、駆動電圧を切り換えるタイミン
グを正確に設定できるのであって、脱調や乱調を防止
し、また、加速や減速の制御を行うことができるのであ
る。ここに、脱調や乱調を防止するには、駆動電圧を切
り換えるタイミングを可動子電極１１と固定子電極２１
との位置関係の周期性に同期させるような制御を行えば
よく、加速や減速を行うには、可動子電極１１と固定子
電極２１との位置関係の周期内における駆動電圧の切換
タイミングを調節すればよい。

【００２７】（実施例２）上記実施例では、電圧印加回
路７ａから直流電圧を出力していたものであるから、可
動子１が移動していなければ、センシング電極ｅ〜ｇに
出力が得られないものであった。すなわち、可動子１が
移動していなければ、センシング電極ｅ〜ｇに充電され
た電荷が放電されて位置検出ができなくなるものであっ
た。そこで、本実施例では、可動子１が移動していない
ときにも出力が得られるように、電圧印加回路７ａから
高周波交流電圧を出力している。

【００２８】図１１に示すように、可動子１の各相Ａ〜
Ｄに対応する各センシング電極ａ〜ｄには、それぞれ数
ｋＨｚ〜数ＭＨｚの高周波交流電圧を印加するのであっ
て、各センシング電極ａ〜ｄに対応する高周波交流電源
ＡＣａ〜ＡＣｄは、それぞれsin ωｔ、sin(ωｔ−９０
°) 、sin(ωｔ−１８０°) 、sin(ωｔ−２７０°)と
なるように、９０°ずつ異なる位相に設定されている。
したがって、距離ｕの間で位相を３６０°回転させるこ
とができる。センシング電極ａとセンシング電極ｅとが
重なる図１１（ａ）の位置では、センシング電極ｅより
得られる出力電圧は、高周波交流電源ＡＣａに対応す
る。この位置から可動子１が寸法ｕ／４だけ移動するご
とに、センシング電極ｅより得られる出力電圧はピーク
になり、位相が９０°ずつ回転することになる。すなわ
ち、各センシング電極ｅ〜ｇの出力電圧は、図１２のよ
うになる。この出力電圧を、高周波交流電源ＡＣａの出
力を基準信号として判定回路７ｂを構成する同期検波回
路部７ｃにおいて同期検波を行うことによって、各セン
シング電極ｅ〜ｇの出力電圧と高周波交流電源ＡＣａの
出力電圧との位相差に比例する振幅を有した図１３のよ
うな信号を得る。同期検波回路部７ｃの出力信号は、ロ
ーパスフィルタ７ｄを通すことによって高周波成分が除
去され、振幅の変化に対応した図１４のような出力信号
ｏ１〜ｏ３が得られることになる。出力信号ｏ１〜ｏ３
は、それぞれ１周期が距離ｕに対応する信号になるので
あって、３相の出力信号ｏ１〜ｏ３の位相関係に基づい
て可動子１の固定子２に対する相対位置を高分解能で検
出することができるのである。ここに、図１２における
〜は、図１１（ａ）〜（ｃ）の位置に対応する。他
の構成および動作は実施例１と同様であるから説明を省
略する。

【００２９】（応用例）ところで、上記実施例では、可
動子１と固定子２とが絶縁体層３２同士を対向させる形
で配置されていたが、絶縁体層３２の間の空気層は他の
部分に比較して絶縁耐圧が１桁程度低いものであるか
ら、可動子１の駆動力を大きくするために、駆動電圧を
高くすると、空気層での放電が生じるという問題があっ
た。すなわち、駆動電圧の大きさが制限されていた。空
気層を５μｍ以下にすれば、この問題は改善されるので
あるが、絶縁体層３２の表面の平滑度を相当程度高める
ことが要求され、現在の技術レベルでは製造が困難であ
る。

【００３０】そこで、図１５に示すように、絶縁性液体
よりなる絶縁体層３８を絶縁体層３２の間に介在させて
いる。すなわち、図１６に示すように、絶縁性液体を満
たした容器４０の内部に可動子１および固定子２を配置
するのである。絶縁性液体としては、可動子１と固定子
２との張り付きを防止するために、粘度および表面張力
の小さいものが選択される。また、絶縁性液体として
は、体積抵抗率が１０¹²Ω・ｍ以上であることが要求さ
れるから、たとえば、フッ素系の絶縁性液体（商品名フ
ロリナート、住友３Ｍ社製など）を用いたり、シリコン
油等の絶縁油を用いる。とくに、フッ素系の絶縁性液体
は不純物を溶解しないから、絶縁性能の低下がなく、要
求性能を満たすことができるものである。このような絶
縁性液体による絶縁体層３８が絶縁体層３２の間に介装
されることによって、絶縁耐圧が向上し、しかも、可動
子１と固定子２との間の摩擦力が低減されることにな
る。その結果、駆動電圧を高めて駆動力を高めることが
できるとともに、可動子１と固定子２との間の摩擦力に
よる力の損失が少なくなり、結果的に可動子１の駆動力
を高めることができるのである。

【００３１】ここにおいて、可動子１の端部を容器４０
から引き出すためには、絶縁性液体が容器４０が漏れな
いようにすることが必要である。そこで、容器４０にお
いて可動子１を引き出すために設けた開口部４１にシー
ル４２を施すか、あるいは、開口部４１にベローを設け
ることが必要である。シール４２としては、たとえば、
図１７に示すように、永久磁石４３と磁性流体４４とを
用いたものが考えられる。このシール４２では、永久磁
石４３によって保持された磁性流体４４によって開口部
４１を覆うことにより、絶縁性液体が容器４０から漏れ
るのを防止することができるのである。

【００３２】駆動力を増大させる構成としては、図１８
に示す構成を採用してもよい。すなわち、可動子電極１
１における固定子２との対向面および固定子電極２１に
おける可動子１との対向面に、それぞれ他の部分よりも
誘電率の高い絶縁材料によって形成した高誘電率部４５
を設けるのである。ここにおいて、高誘電率部４５の設
け方には、次の３種類がある。すなわち、可動子電極１
１や固定子電極２１を保持している絶縁基板３１の誘電
率をε₁、高誘電率部４５の誘電率をε₂、可動子１の
移動方向における高誘電率部４５の間の部分４６の誘電
率をε₃とするとき、ε₁＝ε₂＞ε₃、ε₁＝ε
₃＜ε₂、ε₃＜ε₁＜ε₂のいずれかの構成とする
のである。一例をあげれば、の構成の場合には、絶縁
体層３６および高誘電率部４５をエポキシ樹脂によって
形成し、部分４６をテフロン（商品名）のスクリーン印
刷によって形成すればよい。また、の構成の場合に
は、絶縁体層３６および部分４６をエポキシ樹脂によっ
て形成し、高誘電率部４５をポリフッ化ビニリデン樹脂
（ＰＶＤＦ）のスクリーン印刷によって形成すればよ
い。また、の構成の場合には、絶縁体層３６をエポキ
シ樹脂によって形成し、高誘電率部４５をＰＶＤＦ、部
分４６をテフロンのスクリーン印刷によってそれぞれ形
成すればよい。

【００３３】上述のような高誘電率部４５を設けること
によって、可動子電極１１および固定子電極２１に対応
する部位で電気力線を集中させることができ、等価的に
可動子電極１１と固定子電極２１との距離を小さくした
ことになる。すなわち、絶縁体層３２の厚みを比較的大
きくとることによって絶縁耐圧を高くしながらも可動子
１と固定子２との間に作用するクーロン力を高めること
ができ、結果的に駆動力を向上させることができるので
ある。

【００３４】駆動力を増大させるためには、図１９およ
び図２０に示すように、可動子１および固定子２の対を
複数個設けることもできる。すなわち、可動子１と固定
子２との複数の対を可動子１の移動方向が同じ方向にな
るように積層し、可動子１の移動方向における可動子１
の一端部を可動子ホルダ１０によって一体に結合し、可
動子１の移動方向における固定子２の他端部を固定子ホ
ルダ２０によって結合するのである。ここにおいて、各
可動子１の対応する可動子電極１１同士および各固定子
２の対応する固定子電極２１同士は、可動子１の移動方
向における位置が揃えられている。また、可動子１と固
定子２との対を複数個積層しているので、対になってい
る可動子１と固定子２との間だけではなく、本来は対に
なっていない可動子１と固定子２との間でもクーロン力
が作用することになり、一対の可動子１と固定子２とに
よる駆動力を、対の個数倍したよりも大きな駆動力が得
られることになる。とくに、可動子電極１１を可動子１
の厚み方向の中央付近に設け、固定子電極２１を固定子
２の厚み方向の中央付近に設けるようにすれば、この効
果が高くなるものである。

【００３５】このように可動子１および固定子２を複数
対設けた静電アクチュエータでは、他の構成に比較して
駆動力を大幅に増強できるから、直進運動を行う人工筋
肉などに応用することが可能である。

【００３６】

【発明の効果】請求項１の構成によれば、上述のよう
に、固定子と可動子とにそれぞれ多数の固定子電極と可
動子電極とを配列し、固定子電極と可動子電極とに印加
する駆動電圧を制御して可動子を移動させるのであっ
て、固定子電極および可動子電極がそれぞれ所定の間隔
で配列されているので、固定子電極と可動子電極との位
置関係によって固定子に対する可動子の基準位置を正確
に設定できるという効果を奏する。また、固定子に対す
る可動子の変位量を検出し変位量に応じた駆動電圧が固
定子電極と可動子電極とに印加されるように駆動電圧制
御手段をフィードバック制御する位置検出手段を備えて
いるので、可動子の固定子に対する位置に応じて駆動電
圧を制御することができ、乱調や脱調が生じないように
可動子を移動させることができるという利点がある。

【００３７】請求項２および請求項３の構成によれば、
固定子と可動子とにそれぞれ上記一方向に所定間隔で配
列された多数のセンシング電極を互いに対向させたセン
サ部を位置検出手段に設けているので、位置検出手段の
センサ部を、固定子や可動子に一体に設けることができ
るのであって、可動子の固定子に対する変位量を正確に
検出することが可能になるという利点を有する。

【００３８】請求項４の構成によれば、固定子と可動子
との間に絶縁性液体よりなる第３絶縁体層を介在させて
いるので、固定子電極と可動子電極との間の絶縁耐圧を
高めることができ、高い駆動電圧を印加することができ
るようにる結果、可動子の駆動力を高めることができ
る。また、第３絶縁体層を形成する絶縁性液体として粘
度および表面張力の小さい材料を採用することによっ
て、固定子と可動子との間の摩擦力を低減することがで
き、駆動力を高めることができる。

【００３９】請求項５の構成によれば、固定子に第１絶
縁体層を設け、第１絶縁体層に対向する第２絶縁体層を
可動子に設け、第１絶縁体層における固定子電極との対
向部位および第２絶縁体層における可動子電極との対向
部位に、それぞれ他の部位よりも誘電率の高い絶縁材料
よりなる高誘電率部を形成しているので、固定子電極と
可動子との対向部位付近および可動子電極と固定子との
対向部位付近に電気力線を集中させることができ、絶縁
耐圧を維持したままで駆動力を高めることができるので
ある。

【００４０】請求項６の構成によれば、複数の可動子を
可動子ホルダによって一体に結合しているので、固定子
と可動子との複数個の対の駆動力の合力を出力として得
ることができ、高い駆動力が得られるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例を示す概略構成図である。

【図２】実施例の要部断面図である。

【図３】実施例に用いる可動子の要部断面図である。

【図４】実施例に用いる可動子を示す平面図である。

【図５】実施例に用いる固定子を示す平面図である。

【図６】実施例の駆動電圧の印加パターンの例を示す動
作説明図である。

【図７】実施例の動作説明図である。

【図８】実施例のブロック図である。

【図９】実施例１の位置検出手段の動作説明図である。

【図１０】実施例１の位置検出手段より得られる信号の
例を示す動作説明図である。

【図１１】実施例２の位置検出手段の動作説明図であ
る。

【図１２】実施例２の位置検出手段より得られる信号の
例を示す動作説明図である。

【図１３】実施例２の位置検出手段より得られる信号の
例を示す動作説明図である。

【図１４】実施例２の位置検出手段より得られる信号の
例を示す動作説明図である。

【図１５】応用例の要部断面図である。

【図１６】応用例の概略斜視図である。

【図１７】応用例の要部斜視図である。

【図１８】他の応用例の断面図である。

【図１９】さらに他の応用例の斜視図である。

【図２０】図１９に対応する応用例の側面図である。

【図２１】従来例の動作説明図である。

【符号の説明】

１可動子２固定子４スイッチ要素５直流電源６切換制御部７位置判定部１０可動子ホルダ１１可動子電極１２センシング電極２１固定子電極２２センシング電極３１絶縁基板３２絶縁体層３３絶縁体層３４導電体層３５導電体層３８絶縁体層４５高誘電体部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−253884（ＪＰ，Ａ) 特開平３−65083（ＪＰ，Ａ) 特開平３−27783（ＪＰ，Ａ) 特開平２−285978（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02N 1/00 - 1/12 H02N 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】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
数の可動子電極を上記一方向に所定間隔で配列して構成
した可動子と、固定子と可動子との間に介在させた絶縁
体層と、可動子電極と固定子電極との間に生じるクーロ
ン力により可動子が固定子に対して上記一方向に移動す
るように固定子電極と可動子電極とに駆動電圧を印加す
る駆動電圧制御手段と、固定子に対する可動子の変位量
を検出し変位量に応じた駆動電圧が固定子電極と可動子
電極とに印加されるように駆動電圧制御手段をフィード
バック制御する位置検出手段とを備えて成ることを特徴
とする静電アクチュエータ。
【請求項２】位置検出手段は、固定子と可動子とにそ
れぞれ上記一方向に所定間隔で配列された多数のセンシ
ング電極を互いに対向させたセンサ部を有し、固定子側
と可動子側とのいずれか一方のセンシング電極に直流電
圧を印加するとともに、可動子の移動時に他方のセンシ
ング電極に静電誘導によって発生する電荷量の変化に基
づいて固定子に対する可動子の変位量を検出することを
特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
【請求項３】位置検出手段は、固定子と可動子とにそ
れぞれ上記一方向に所定間隔で配列された多数のセンシ
ング電極を互いに対向させたセンサ部を有し、固定子側
と可動子側とのいずれか一方のセンシング電極に高周波
交流電圧を印加するとともに、他方のセンシング電極に
静電誘導によって発生する電荷量の変化に基づいて固定
子に対する可動子の変位量を検出することを特徴とする
請求項１記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】絶縁体層は、固定子に設けた第１絶縁体
層と、可動子に設けた第２絶縁体層と、第１絶縁体層と
第２絶縁体層との間に介在する絶縁性液体よりなる第３
絶縁体層とから成ることを特徴とする請求項１記載の静
電アクチュエータ。
【請求項５】絶縁体層は、固定子に設けた第１絶縁体
層と、可動子に設けた第２絶縁体層とからなり、第１絶
縁体層における固定子電極との対向部位および第２絶縁
体層における可動子電極との対向部位には、それぞれ他
の部位よりも誘電率の高い絶縁材料よりなる高誘電率部
が形成されて成ることを特徴とする請求項１記載の静電
アクチュエータ。
【請求項６】固定子および可動子はそれぞれ多層配線
板を用いてフィルム状に形成されていて固定子と可動子
との対が複数個設けられ、各可動子同士が可動子ホルダ
によって一体に結合されて成ることを特徴とする請求項
１記載の静電アクチュエータ。