JP2972001B2 - 静電アクチュエータ - Google Patents

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
にクーロン力を作用させることによって可動子を移動さ
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１８に示すように、帯状に形成
された多数の固定子電極１１を一方向に配列した固定子
１と、誘電体層と高抵抗体層との積層体よりなり固定子
電極１１の配列面に対向して配置される可動子２とを備
え、駆動回路によって各固定子電極１１に複数相の駆動
電圧を印加するようにしたものが考えられている（特開
平２−２８５９７８号公報参照）。この静電アクチュエ
ータでは、固定子電極１１に駆動電圧を印加することに
よって可動子２の誘電体層と高抵抗体層との境界に電荷
を静電誘導し、可動子２に静電誘導された電荷と、固定
子電極１１の電荷との間に作用するクーロン力によって
可動子２を移動させようとするものである。この場合、
固定子電極１１が帯状に形成されているから、可動子２
は固定子電極１１の長手方向に直交する方向の一直線上
でのみ移動可能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、この種の静電ア
クチュエータは面状であることに着目し、一直線上だけ
でなく２次元的に移動させようとする試みがある。２次
元的に移動させる構成としては、たとえば図１９に示す
ように、互いに直交する方向の帯状の固定子電極１１
ａ、１１ｂを、固定子電極１１ａ，１１ｂの配列面内で
異なる部位に設けることが考えられる。この構成では、
可動子２が両方向の固定子電極１１ａ，１１ｂに跨がっ
て位置する領域以外では、可動子２は一直線上でしか移
動できないという問題がある。すなわち、可動子２が２
次元的に移動できる範囲が、固定子１の一部の領域に制
限されるという問題がある。

【０００４】これに対して、図２０に示すように、固定
子基板１２の表裏に帯状の固定子電極１１ａ，１１ｂを
形成し、各固定子電極１１ａ，１１ｂの長手方向を互い
に直交させることが考えられる。この構成では、固定子
１の大部分の領域で可動子２を２次元的に移動させるこ
とが可能である。しかしながら、可動子２は固定子１の
一面側に配置されるから、可動子２の移動方向によって
可動子２と固定子電極１１ａ，１１ｂとの間に作用する
駆動力に差が生じることになる。すなわち、可動子２に
対する駆動力はクーロン力であって、クーロン力は距離
の２乗に反比例するから、固定子基板１０の厚み程度の
距離差であっても駆動力の差が大きくなるという問題が
生じるのである。また、異なる方向の固定子電極１１
ａ，１１ｂが交差しているので、各固定子電極１１ａ，
１１ｂから可動子２に作用するクーロン力が干渉するこ
とになり、可動子２を安定して駆動するのが難しいとい
う問題もある。

【０００５】さらに、図２１に示すように、固定子電極
１１ａ，１１ｂをそれぞれ絶縁被覆電線によって形成
し、両固定子電極１１ａ，１１ｂを編んで固定子１を形
成することも考えられる。この構成では、図１９や図２
０に示した構成の欠点は解消されるが、図１９や図２０
に示した構成では印刷配線基板等を用いることによって
固定子電極１１ａ，１１ｂのピッチを正確かつ狭くする
ように加工できたのに対して、図２１に示した構成では
固定子電極１１ａ，１１ｂのピッチを正確にする加工が
難しく、また、ピッチが広くなって可動子２を微小距離
ずつ移動させることができないという問題が生じる。

【０００６】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、可動子を２次元的に移動させるのはもちろ
ん、可動子を固定子のほぼ全域で移動させることができ
るとともに、可動子のすべての駆動方向についてほぼ均
一な駆動力が得られ、しかも、固定子電極のピッチを正
確かつ狭く加工することが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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、上
記目的を達成するために、面上に複数個の固定子電極を
配列した固定子と、少なくとも一部の固定子電極に対面
する可動子とを備え、各固定子電極への駆動電圧の印加
パターンを変化させることにより固定子電極と可動子と
の間に作用するクーロン力によって固定子電極を配列し
た面に沿うように可動子を移動させる静電アクチュエー
タにおいて、各固定子電極が、固定子電極を配列した面
内で互いに交差する２方向にそれぞれ所定間隔で設定し
た複数本ずつの平行線の格子点上に、互いに離間した形
で配置され、上記２方向にそれぞれａ本ずつの平行線を
選択し、それらの平行線によって構成されるａ ² 個の格
子点上の固定子電極を１組の単位電極群とし、各組の単
位電極群の対応する位置の固定子電極を導電路を介して
相互に電気的に接続しているのである。

【０００８】請求項２の発明では、固定子電極は、上記
各方向の平行線のうちの３本ずつが交差する格子点上の
合計９個を単位電極群としている。

【０００９】請求項３の発明では、固定子電極は面状の
絶縁体である固定子基板の同一平面上に配列され、上記
導電路は固定子基板の厚み方向に離間して複数層に配置
されているのである。請求項４の発明では、可動子は、
フィルム状の誘電体層と、誘電体層を挟んで固定子電極
とは反対側で誘電体層に積層された高抵抗体層とからな
り、固定子電極に駆動電圧を印加することによって誘電
体層と高抵抗体層との境界に電荷が静電誘導されるよう
になっている。

【００１０】請求項５の発明では、可動子は、絶縁体の
可動子基板の面内で互いに交差する２方向にそれぞれ所
定間隔で設定した複数本ずつの平行線の格子点上に互い
に離間した形で配置した複数個の可動子電極を備え、上
記２方向にそれぞれｂ本ずつの平行線を選択し、それら
の平行線によって構成されるｂ ² 個の格子点上の可動子
電極を１組の単位電極群とし、各組の単位電極群の対応
する位置の可動子電極を相互に電気的に接続しているの
である。

【００１１】請求項６の発明では、固定子電極と可動子
電極との少なくとも一方への駆動電圧の印加パターンを
制御する電圧制御手段を具備している。

【００１２】

【作用】請求項１の構成によれば、固定子電極を配列し
た面内で互いに交差する２方向にそれぞれ所定間隔で設
定した複数本ずつの平行線の格子点上に、各固定子電極
を互いに離間した形で配置しているので、各固定子電極
に印加する駆動電圧の印加パターンを変化させることに
よって、可動子を固定子に対して２次元的に移動させる
ことができるのである。とくに、２方向にそれぞれａ本
ずつの平行線を選択し、それらの平行線によって構成さ
れるａ ² 個の格子点上の固定子電極を１組の単位電極群
とし、各組の単位電極群の対応する位置の固定子電極を
導電路を介して相互に電気的に接続しているので、単位
電極群を構成する固定子電極の個数に応じて、固定子電
極への駆動電圧の印加パターンを比較的少数のパターン
数に制限することができ、制御が容易になるのである。
また、固定子電極を平行線同士の格子点上に配置してい
ることによって、固定子電極を固定子の全域に亙って均
等に分布させることができるのであって、結果的に、可
動子を固定子のほぼ全域で移動させることができ、しか
も、固定子電極は印刷配線板などを用いてその一面側に
形成することが可能であるから、各固定子電極と可動子
との距離を等しくして可動子のすべての駆動方向につい
て均一な駆動力を得ることができるのである。さらに、
固定子電極を固定子基板に形成しているから、たとえば
印刷配線板の加工技術を用いれば、固定子電極のピッチ
を正確かつ狭く加工することができて、可動子を正確か
つ精密に移動させることが可能になるのである。また、
固定子電極への駆動電圧の印加パターンを変えるだけで
可動子の駆動方向を変化させることができるのであっ
て、可動子側の電荷の分布パターンを変更することなく
可動子の駆動方向を変更できることになる。

【００１３】

【００１４】請求項２の構成は、単位電極群の構成例の
望ましい実施態様であって、単位電極群を３×３個の固
定子電極によって構成したものである。請求項３の構成
によれば、固定子電極を固定子基板における同一平面上
に配列し、導電路を固定子基板の厚み方向に離間して複
数層に配置しているので、各固定子電極と可動子との距
離を一定にすることができて可動子の駆動力が一定にな
るとともに、導電路を固定子基板の厚み方向に配列する
ことによって、配線効率を高め導電路の占有面積を小さ
くすることができるのであって、固定子電極のピッチを
狭くすることが可能になる。

【００１５】請求項４の構成によれば、可動子を誘電体
層と高抵抗体層との積層体とし、固定子電極に駆動電圧
を印加することにより誘電体層と高抵抗体層との境界に
電荷が静電誘導されるようにしているので、固定子に対
する可動子の位置合わせが不要になり、また、固定子電
極の加工精度も比較的低いものでよいことになる。請求
項５の構成によれば、可動子に固定子電極と同様の可動
子電極を設けているので、可動子の駆動開始時に可動子
に静電誘導による電荷を発生させる必要がなく、可動子
の駆動開始時における処理が簡単になる。また、固定子
電極と可動子電極とを所定のピッチで形成することによ
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。

【００１６】請求項６の構成によれば、固定子電極と可
動子電極との少なくとも一方への駆動電圧の印加パター
ンを制御する電圧制御手段を設けているので、駆動電圧
の印加パターンを切り換えることによって、可動子を２
次元的に円滑に駆動することができるのである。

【００１７】

【実施例】（基本構成） 図１に示すように、固定子１は、面状の絶縁体よりなる
固定子基板１２の面内で複数個の固定子電極１１を配列
したものであって、各固定子電極１１は、固定子基板１
２の面内で設定した互いに直交する方向の複数本ずつの
平行線によって構成される格子点上にそれぞれ配置され
る。ここで、各方向の平行線を等間隔としているから、
平面格子の格子点の上に各固定子電極１１が配置される
ことになる。また、図では各固定子電極１１を矩形状に
形成しているが、必ずしもこの形状に限定する必要はな
い。各固定子電極１１には各別に給電線１３が接続さ
れ、各給電線１３にはリレー接点等からなるスイッチ要
素３を介して直流電源４が接続される。直流電源４は、
＋Ｖ、０、−Ｖの３種類の電圧を出力し、スイッチ要素
３は、切換制御部５からの制御信号に呼応して、各固定
子電極１１に印加する駆動電圧をそれぞれ直流電源４の
３種類の出力電圧から択一的に選択する。したがって、
各固定子電極１１には、＋Ｖ、０、−Ｖのいずれかの駆
動電圧がそれぞれ独立して印加されることになる。この
ように、固定子電極１１には複極の駆動電圧が印加さ
れ、スイッチ要素３、直流電源４、切換制御部５によっ
て電圧制御手段が構成される。ここに、固定子電極１１
がたとえばｎ×ｍ個であれば、給電線１３もｎ×ｍ本に
なり、電圧制御手段もｎ×ｍ個必要である。

【００１８】可動子２は、従来例で説明したものと同様
であって、高抵抗体層２１とフィルム状の誘電体層２２
との積層体になっている（図３参照）。この可動子２
は、固定子１の一部に対面するように配置され、固定子
電極１１に駆動電圧を印加することによって高抵抗体層
２１と誘電体層２２との境界に電荷が静電誘導されるの
であり、固定子電極１１に印加する駆動電圧の印加パタ
ーンの鏡像が可動子２に転写されることになる。

【００１９】可動子２に静電誘導による電荷が生じた後
は、切換制御部５によって固定子電極１１に印加する駆
動電圧の印加パターンを変化させることによって、固定
子１に対して可動子２を所望の方向に移動させることが
できるのである。また、固定子電極１１に印加する駆動
電圧は、各固定子電極１１ごとに設定できるから、所望
の方向に可動子１が移動するように駆動電圧を設定する
ことによって、可動子１を２次元的に移動させることが
できるのである。

【００２０】（実施例１）基本構成 では、固定子電極１１が個々に独立しているか
ら、駆動電圧の印加パターンの制御が煩雑である。そこ
で、本実施例では、図２に示すように、各方向の３本ず
つの平行線によって構成される９個の格子点上の固定子
電極１１を１組の単位電極群１０として扱うようにして
いる。すなわち、３×３個の固定子電極１１を単位電極
群１０として扱い、各組の単位電極群１０における対応
する位置の固定子電極１１を、導電路１５を介して共通
接続している。１組の単位電極群１０は９個の固定子電
極１１によって構成されているから、導電路１５は最終
的に９相の給電線１３にまとめることができる。各給電
線１３にはスイッチ要素３を介して直流電源４を接続す
る。したがって、電圧制御手段は９個になるのであっ
て、基本構成に比較すれば制御が格段に容易になる。

【００２１】固定子１は、図３に示すように、絶縁体層
１６を挟んで離間した４層の導電層１７ａ〜１７ｄを形
成した多層配線板であり、ガラス・エポキシ多層基板、
ガラス・ポリイミド多層基板等のリジッドな多層基板を
用いたり、固定子基板１２としてポリイミドフィルムや
ポリエチレンフィルムを絶縁体層１６とするフレキシブ
ルな多層基板を用いたりして形成される。また、各導電
層１７ａ〜１７ｄは、絶縁体層１６によって被覆され、
外部に露出しないようになっている。導電層１７ａ〜１
７ｄのうちの第１層１７ａには固定子電極１１が形成さ
れ、他の導電層７ｂ〜１７ｄによって導電路１５が形成
される。また、給電線１３は、固定子電極１１と同じく
第１層１７ａに形成される。

【００２２】固定子電極１１や給電線１３と各導電路１
５との接続は、スルーホール１８を通して行われる。す
なわち、図４に示すように、各固定子電極１１に対して
接続される導電層１７ｂ〜１７ｄには固定子電極１１に
重複するランド１９が形成され、各給電線１３に対して
接続される導電層１７ｂ〜１７ｄには給電線１３に重複
するランド（図示せず）が形成され、めっきスルーホー
ル法等の周知の方法を用いることによって、固定子電極
１１や給電線１３とランド１９とが電気的に接続され、
図５に示すように、各固定子電極１１を９相の給電線１
３のいずれかに接続することができるのである。

【００２３】次に動作を説明する。ここでは、固定子１
と可動子２との電荷の関係が理解しやすいように、図７
のように固定子１と可動子２とを分離して図示する。可
動子２の上で破線で囲んだ部分２０は、可動子１が静止
しているときに固定子電極１１と対向している領域を示
し、固定子電極１１に電荷を与えると、この部分２０に
電荷が静電誘導される。また、上述したように、固定子
電極１１は９相の給電線１３に接続されるから、図２、
図５、図６、図７に示すように、各相の給電線１３をＡ
〜Ｉ相とするとともに、Ａ〜Ｉ相の給電線１３に接続し
た各固定子電極１１をそれぞれ固定子電極ａ〜ｉとして
説明する。以下の説明では、固定子１における単位電極
群１０を構成する固定子電極ａ〜ｉの電荷の組を、 ｛ａ ，ｄ ，ｇ ， ｂ ，ｅ ，ｈ ， ｃ ，ｆ ，ｉ ｝ として示し、可動子２に静電誘導された電荷の組を、 〔ａ′，ｄ′，ｇ′， ｂ′，ｅ′，ｈ′， ｃ′，ｆ′，ｉ′〕 として示すことにする。また、駆動電圧は、＋Ｖ、−
Ｖ、０の３種であるが、電荷については極性のみに着目
して、＋、−、０の３種で示すことにし、固定子電極１
１の結線関係も省略する。さらに、図６に示すように、
単位電極群１０の中で固定子電極ａ，ｄ，ｇが並ぶ方向
をＸ軸の正方向、固定子電極ｃ，ｂ，ａが並ぶ方向をＹ
軸方の正方向とする。ここに、単位電極群１０の中心位
置の固定子電極ｅに着目すれば、８個の固定子電極ａ〜
ｄ，ｆ〜ｉが隣接するから、固定子電極ｅから各固定子
電極ａ〜ｄ，ｆ〜ｉに向かう方向を規定することができ
る。そこで、固定子電極ｅから固定子電極ｈに向かう方
向を方向とし、固定子電極ｅから各固定子電極ｇ，
ｄ，ａ，ｂ，ｃ，ｆ，ｉに向かう方向を、それぞれ〜
方向と規定する。このように方向を取り決めると、Ｘ
軸の正方向は方向、Ｘ軸の負方向は方向、Ｙ軸の正
方向は方向、Ｙ軸の負方向は方向になる。

【００２４】まず、Ｘ軸またはＹ軸に沿って可動子１を
移動させる場合について考える。この場合、方向につ
いて基本動作として考察すれば、方向、方向、方
向についても同様の考え方を適用できる。そこで、方
向に可動子１を移動させる場合について説明する。ま
ず、Ａ相、Ｅ相の駆動電圧を＋Ｖ、Ｂ相、Ｄ相の駆動電
圧を−Ｖ、残りのＣ相、Ｇ相、Ｈ相、Ｉ相の駆動電圧を
０とすれば、図８（ａ）に示すように、単位電極群１０
（図７参照。図８〜図１５において固定子１の上で一点
鎖線で示している領域である）の電荷の組は、 ｛＋，−，０， −，＋，０， ０，０，０｝ になる。固定子電極１１にこのような電荷を与えると、
初めは電荷が存在しなかった可動子２の高抵抗体層２１
内に電流が流れ、図８（ｂ）のように高抵抗体層２１と
誘電体層２２との境界に電荷が誘導されて平衡状態にな
る。このとき、可動子２の各部分２０（図７参照。図８
〜図１５において可動子２の上で破線で示している領域
である）の電荷の組は、 〔−，＋，０， ＋，−，０， ０，０，０〕 になる。この操作を充電操作と呼ぶことにする。このと
き、可動子２は固定子１に吸引されている。以下では、
充電操作の際に固定子電極ａ，ｂ，ｄ，ｅの電荷によっ
て可動子２に電荷が静電誘導された各部分２０をそれぞ
れ領域ａ′，ｂ′，ｄ′，ｅ′と呼ぶことにする。

【００２５】次に、Ｂ相、Ｄ相、Ｈ相の駆動電圧を＋
Ｖ、Ａ相、Ｅ相、Ｇ相の駆動電圧を−Ｖ、Ｃ相、Ｆ相、
Ｉ相の駆動電圧を０とするように切り換えると、図８
（ｃ）に示すように、単位電極群１０の電荷の組は、瞬
時に次のように変化する。 ｛−，＋，−， ＋，−，＋， ０，０，０｝ 一方、可動子２の電荷は高抵抗体層２１を流れようとす
るが、高抵抗であるからすぐには移動できない。すなわ
ち、上述したようにＡ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｇ，Ｈの各相への
駆動電圧を切り換えると、各固定子電極ａ，ｂ，ｄ，ｅ
に対して可動子２の各領域ａ′，ｂ′，ｄ′，ｅ′と同
極性の電荷を与えたことになり、両者の間に反発力が生
じて可動子２が固定子１に対して浮上する。また、可動
子２の領域ａ′，ｂ′，ｄ′，ｅ′に対向する各固定子
電極ａ，ｂ，ｄ，ｅにそれぞれ隣接した固定子電極１１
から各領域ａ′，ｂ′，ｄ′，ｅ′の電荷に作用する力
を考えると、可動子２が移動する直前の状態では次のよ
うになる。

【００２６】すなわち、領域ａ′に対しては、固定子電
極ｂ，ｄ，ｈからそれぞれ，，方向の吸引力、固
定子電極ｅ，ｇからそれぞれ、方向の反発力が作用
する。領域ｂ′に対しては、固定子電極ａ，ｅ，ｇから
それぞれ，，方向の吸引力、固定子電極ｄ，ｈか
らそれぞれ，方向の反発力が作用する。領域ｄ′に
対しては、固定子電極ａ，ｅ，ｇからそれぞれ，，
方向の吸引力、固定子電極ｂ，ｈからそれぞれ，
方向の反発力が作用する。領域ｅ′に対しては、固定子
電極ｄ，ｈからそれぞれ，方向の吸引力、固定子電
極ａ，ｂ，ｇからそれぞれ，，方向の反発力が作
用する。これらの力のうちで方向と方向とを除いた
Ｙ軸方向の成分を含む力を考えると、方向と方向、
方向と方向、方向と方向とがそれぞれ同数であ
るから相殺され、Ｙ軸方向への力は作用しないことにな
る。一方、方向と方向とを除いたＸ軸方向の成分を
含む力を考えると、可動子２を方向に前進させる力は
方向、方向、方向の力であって、方向に後退さ
せる力である方向、方向、方向も多少は作用して
いるが、合力を考えれば方向に前進させる力が優勢で
あり、可動子２は方向に移動するのである。可動子２
が初めの位置から方向に移動し始めれば、可動子２を
浮上させていた反発力も前進力として作用する。こうに
して、Ｘ軸方向における固定子電極１１の１ピッチ分だ
け可動子２が移動すれば、図８（ｄ）のように可動子２
の各部分２０の電荷と、その部分２０に対向する固定子
電極１１の電荷とが同極性になるから、可動子２は停止
する。以上の操作を駆動操作と呼ぶことにする。

【００２７】可動子２が移動後に停止した状態で、図８
（ｅ）のようにＡ相とＢ相との駆動電圧を０にすれば、
単位電極群１０の電荷の組は次のようになる。 ｛０，＋，−， ０，−，＋， ０，０，０｝ すなわち、充電操作においてＸ軸方向における固定子電
極１１の１ピッチ分だけ単位電極群１０内で電荷の位置
を移動させたことに相当する。可動子２に静電誘導され
た電荷は駆動操作によって拡散するから、可動子２の停
止後に再び充電操作を行うようにしているのである。以
上の操作をまとめると次のようになる。

【００２８】 上記パターンから明らかなように、方向に可動子２を
移動させる場合には、単位電極群１０の中でＸ軸方向に
並ぶ固定子電極１１について、駆動操作では前の充電操
作の電荷の極性を反転させるとともに、電荷が０である
固定子電極１１に左隣（Ｘ軸方向の３個の固定子電極１
１の配列が循環すると考え、たとえば、ａ，ｄ，ｇの場
合にａの左隣はｇになる）の固定子電極１１とは反対の
極性の電荷を与え、次の充電操作では前の充電操作の電
荷の極性を右に循環させればよいのである。

【００２９】Ｘ軸の負方向、すなわち方向に可動子２
を移動させる場合には、駆動操作におけるＸ軸方向の反
発力および吸引力がＸ軸の負方向に作用するように変更
すればよい。すなわち、図９に示すように、駆動操作に
おいて前の充電操作の電荷の極性を反転させるととも
に、電荷が０である固定子電極１１に右隣の固定子電極
１１と反対の極性の電荷を与え、次の充電操作では前の
充電操作の電荷の極性を左に循環させればよい。具体的
には以下のような操作になる。

【００３０】 ここに、単位電極群１０の中では各固定子電極１１が行
列の要素と同様に配列されているから、行列と類比する
ことによって、単位電極群１０の中で固定子電極ａ，
ｅ，ｉを通る直線を主対角線と呼ぶことにし、主対角線
を挟んで対称の位置の固定子電極１１の電荷を入れ換え
る操作を転置と呼ぶことにする。すなわち、転置すると
は、固定子電極ｂとｄ、ｃとｇ、ｆとｈの各電荷を相互
に入れ換えることを指す。

【００３１】Ｙ軸の正方向、すなわち方向に可動子２
を移動させるには、方向の移動の操作を転置すればよ
いのであり、Ｙ軸の負方向、すなわち方向に可動子２
を移動させるには、方向の移動の操作を転置すればよ
いのである。つまり、方向の移動では、図１０に示す
ように、駆動操作において前の充電操作とは反対の極性
の電荷を与えるとともに、電荷が０である固定子電極１
１には下隣（Ｙ軸方向の固定子電極１１の配列は循環す
ると考え、たとえばａ，ｂ，ｃの場合に、ｃの下隣はａ
になる）の固定子電極１１とは反対の極性の電荷を与
え、次の充電操作では前の充電操作の電荷の極性を上に
循環させればよい。方向の移動では、図１１に示すよ
うに、駆動操作において前の充電操作とは反対の極性の
電荷を与えるとともに、電荷が０である固定子電極１１
には上隣の固定子電極１１とは反対の極性の電荷を与
え、次の充電操作では前の充電操作の電荷の極性を下に
循環させるのである。具体的には、方向の移動では、 という操作になる。また、方向の移動では、 という操作になる。

【００３２】以上のような可動子２の移動操作を組み合
わせれば、Ｘ軸方向およびＹ軸方向における固定子電極
１１の間のピッチの精度で可動子２を任意の位置に２次
元的に移動させることができることになる。ところで、
Ｘ軸方向やＹ軸方向へに可動子２を移動させた場合に、
可動子２の位置によって、充電操作のパターンは次の９
種類になる。

【００３３】 ｛＋，−，０， ｛０，＋，−， ｛−，０，＋， −，＋，０， ０，−，＋， ＋，０，−， ０，０，０｝ ０，０，０｝ ０，０，０｝ ｛−，＋，０， ｛０，−，＋， ｛＋，０，−， ０，０，０， ０，０，０， ０，０，０， ＋，−，０｝ ０，＋，−｝ −，０，＋｝ ｛０，０，０， ｛０，０，０， ｛０，０，０， ＋，−，０， ０，＋，−， −，０，＋， −，＋，０｝ ０，−，＋｝ ＋，０，−｝ 上に示した充電操作の各パターンのうち、横に並ぶもの
はＸ軸方向に可動子２が移動したときの関係を示し、縦
に並ぶものはＹ軸方向に可動子２が移動したときの関係
を示す。いずれの状態であっても、可動子２を移動させ
たい方向に応じて、上述した規則を適用すれば、所望の
方向に可動子２を移動させることができるのである。

【００３４】次に、図１２に示すように、Ｘ軸方向およ
びＹ軸方向に対して４５度をなす方向に可動子２を移動
させる場合の操作について説明する。すなわち、方
向、方向、方向、方向への移動である。まず、基
本操作として方向に可動子２を移動させる場合の操作
を説明する。充電操作は、上述したように９種類のパタ
ーンがあるが、基本パターンとして下の場合を考える。
他の場合については基本パターンと同じ規則を適用すれ
ばよい。

【００３５】 ｛＋，−，０， −，＋，０， ０，０，０｝ このとき可動子２に静電誘導される電荷は、次のように
なる。 〔−，＋，０， ＋，−，０， ０，０，０〕 次に、駆動操作では単位電極群１０の中の固定子電極１
１に次のような極性の電荷が印加されるように、駆動電
圧の印加パターンを設定する。

【００３６】 ｛−，＋，−， ＋，−，＋， ＋，−，−｝ 上２列については、方向に移動させる場合と同じであ
る。左２列については、方向に移動させる場合と同じ
である。固定子電極ｉについては、ここでは固定子電極
ｅと同極性の電荷を与える。このようなパターンで電荷
を与えれば、方向と方向との合力が作用し、方向
に可動子２が移動することは容易に推測される。そこ
で、方向に可動子２を移動させる場合と同様に、可動
子２の各領域ａ′，ｂ′，ｄ′，ｅ′に作用する力を分
析する。

【００３７】充電操作から駆動操作に切り換えた直後に
は、各領域ａ′，ｂ′，ｄ′，ｅ′に対向する固定子電
極ａ，ｂ，ｄ，ｅからは可動子２を浮上させる反発力が
作用する。また、各固定子電極ａ，ｂ，ｄ，ｅにそれぞ
れ隣接した固定子電極１１から各領域ａ′，ｂ′，
ｄ′，ｅ′に作用する力は以下のようになる。まず、領
域ａ′に対しては、固定子電極ｂ，ｃ，ｄ，ｈからそれ
ぞれ，，，方向の吸引力、固定子電極ｅ，ｆ，
ｇ，ｉからそれぞれ，，，方向の反発力が作用
する。領域ｂ′に対しては、固定子電極ａ，ｅ，ｆ，
ｇ，ｉからそれぞれ，，，，方向の吸引力、
固定子電極ｃ，ｄ，ｈからそれぞれ，，方向の反
発力が作用する。領域ｄ′に対しては、固定子電極ａ，
ｅ，ｆ，ｇ，ｉからそれぞれ，，，，方向の
吸引力、固定子電極ｂ，ｃ，ｈからそれぞれ，，
方向の反発力が作用する。領域ｅ′に対しては、固定子
電極ｂ，ｃ，ｄ，ｈからそれぞれ，，，方向の
吸引力、固定子電極ａ，ｆ，ｇ，ｉからそれぞれ，
，，方向の反発力が作用する。これらの力のうち
で、方向と方向との力は同数であるから相殺され
る。また、方向と方向、および、方向と方向と
の合力については、それぞれ方向および方向への力
が強く、方向と方向との合力については、方向の
力が強くなるが、方向と方向との合力によって作用
する方向の力は、方向の力よりも大きいから、結果
的に可動子２は方向に移動することになる。また、可
動子２が初めの位置から方向に移動し始めれば、可動
子２を浮上させていた反発力も前進力として作用する。
このようにして、可動子２が方向に移動し、Ｘ軸方向
およびＹ軸方向における固定子電極１１の１ピッチ分だ
け進むと、領域ａ′，ｂ′，ｄ′，ｅ′は、固定子電極
ｆ，ｄ，ｇ，ｉに重なるから、この時点で、固定子電極
ｆ，ｄ，ｇ，ｉに対して、次のような電荷を与えれば、
可動子２が停止するとともに充電操作を行うことができ
る。

【００３８】 ｛０，−，＋， ０，０，０， ０，＋，−｝ 以上の操作をまとめると次のようになる。 上記パターンから明らかなように、方向に可動子２を
移動させる場合には、単位電極群１０の各固定子電極１
１について、駆動操作では上２列を方向の駆動操作、
左２列を方向の駆動操作の組み合わせとし、残りの固
定子電極１１については、左上の固定子電極１１と同じ
極性を与えればよい。また、充電操作では前の充電操作
に対して、各固定子電極１１の電荷を右に循環するとと
もに上に循環すればよい。

【００３９】同様にして、方向では、図１３に示すよ
うに、駆動操作において方向と方向との駆動操作を
組み合わせるとともに、残りの固定子電極１１について
は、右上の固定子電極１１と同じ極性の電荷を与え、充
電操作では前の充電操作に対して、各固定子電極１１の
電荷を左に循環するとともに上に循環すればよい。方
向では、図１４に示すように、駆動操作において方向
と方向との駆動操作を組み合わせるとともに、残りの
固定子電極１１については、右下の固定子電極１１と同
じ極性の電荷を与え、充電操作では前の充電操作に対し
て、各固定子電極１１の電荷を左に循環するとともに下
に循環すればよい。方向では、図１５に示すように、
駆動操作において方向と方向との駆動操作を組み合
わせるとともに、残りの固定子電極１１については、左
下の固定子電極１１と同じ極性の電荷を与え、充電操作
では前の充電操作に対して、各固定子電極１１の電荷を
右に循環するとともに下に循環すればよい。具体的に示
すと、以下のようになる。すなわち、方向では、 になる。また、方向では、 になる。さらに、方向では、 になる。

【００４０】（実施例２） 本実施例は、固定子基板１２に６０度で交差する平行線
を設定し、平行線によって構成される格子点上にそれぞ
れ固定子電極１１を配置したものである。したがって、
一つの固定子電極１１に隣接する固定子電極は６０度ず
つ離れて６方向に存在することになる。すなわち、図１
６に示すように、各平行線の方向をＸ₁軸方向、Ｘ₂ 軸
方向としたときに、Ｘ₁ 軸方向、Ｘ₂ 軸方向、Ｘ₂ 軸方
向を挟んでＸ₁ 軸方向とは反対側に６０度離れたＸ₃ 軸
方向に可動子２を移動させることができ、６０度刻みで
６方向に可動子２の移動方向が設定できるのである。こ
の場合、Ｘ₁ 軸方向の移動は、実施例１におけるＸ軸方
向の移動と同様に考えればよく、Ｘ₂ 軸方向およびＸ₃
軸方向への移動は、実施例１におけるＹ軸方向への移動
と同様に考えればよい。他の構成および動作は実施例１
と同様である。

【００４１】（実施例３） 上記各実施例では、可動子２を高抵抗体層２１と誘電体
層２２との積層体として形成していたが、本実施例で
は、図１７に示すように、固定子１と同様に、可動子２
を可動子基板２４の上で設定した互いに交差する方向の
平行線によって構成される格子点上にそれぞれ可動子電
極２３を配置している。また、３×３個の可動子電極２
３を１組の単位電極群２５とし、各組の単位電極群２５
のうちで対応する位置の可動子電極２３を共通接続する
ことによって、可動子電極２３に対して９相の駆動電圧
を印加するようになっている。駆動電圧は、固定子１と
同様に、スイッチ要素３、直流電源４、切換制御部５に
より与えられる。

【００４２】この構成によれば、可動子２に対する充電
操作を省略することができ、滑らかな移動が可能にな
る。また、可動子２において電荷を与えることができる
位置が固定されているから、固定子１に対する可動子２
の位置決めが容易にできるのである。

【００４３】

【発明の効果】請求項１の発明は、固定子電極を配列し
た面内で互いに交差する２方向にそれぞれ所定間隔で設
定した複数本ずつの平行線の格子点上に、各固定子電極
を互いに離間した形で配置しているので、各固定子電極
に印加する駆動電圧の印加パターンを変化させることに
よって、可動子を固定子に対して２次元的に移動させる
ことができるという効果がある。とくに、２方向にそれ
ぞれａ本ずつの平行線を選択し、それらの平行線によっ
て構成されるａ ² 個の格子点上の固定子電極を１組の単
位電極群とし、各組の単位電極群の対応する位置の固定
子電極を導電路を介して相互に電気的に接続しているの
で、単位電極群を構成する固定子電極の個数に応じて、
固定子電極への駆動電圧の印加パターンを比較的少数の
パターン数に制限することができ、制御が容易になると
いう効果がある。また、固定子電極を平行線同士の格子
点上に配置していることによって、固定子電極を固定子
の全域に亙って均等に分布させることができるのであっ
て、結果的に、可動子を固定子のほぼ全域で移動させる
ことができ、しかも、固定子電極は印刷配線板などを用
いてその一面側に形成することが可能であるから、各固
定子電極と可動子との距離を等しくして可動子のすべて
の駆動方向について均一な駆動力を得ることができると
いう利点を有する。さらに、固定子電極を固定子基板に
形成しているから、たとえば印刷配線板の加工技術を用
いれば、固定子電極のピッチを正確かつ狭く加工するこ
とができて、可動子を正確かつ精密に移動させることが
可能になる。

【００４４】請求項３の構成によれば、固定子電極を固
定子基板における同一平面上に配列し、導電路を固定子
基板の厚み方向に離間して複数層に配置しているので、
各固定子電極と可動子との距離を一定にすることができ
て可動子の駆動力が一定になるとともに、導電路を固定
子基板の厚み方向に配列することによって、配線効率を
高め導電路の占有面積を小さくすることができるのであ
って、固定子電極のピッチを狭くすることが可能になる
という効果を奏する。

【００４５】請求項４の構成によれば、可動子を誘電体
層と高抵抗体層との積層体とし、固定子電極に駆動電圧
を印加することにより誘電体層と高抵抗体層との境界に
電荷が静電誘導されるようにしているので、固定子に対
する可動子の位置合わせが不要になり、また、固定子電
極の加工精度も比較的低いものでよいという利点があ
る。

【００４６】請求項５の構成によれば、可動子に固定子
電極と同様の可動子電極を設けているので、可動子の駆
動開始時に可動子に静電誘導による電荷を発生させる必
要がなく、可動子の駆動開始時における処理が簡単にな
る。また、固定子電極と可動子電極とを所定のピッチで
形成することによって、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利点がある。

【００４７】請求項６の構成によれば、固定子電極と可
動子電極との少なくとも一方への駆動電圧の印加パター
ンを制御する電圧制御手段を設けているので、駆動電圧
の印加パターンを切り換えることによって、可動子を２
次元的に円滑に駆動することができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】基本構成を示す概略構成図である。

【図２】実施例１を示す概略構成図である。

【図３】実施例１の要部の断面図である。

【図４】実施例１の固定子に多層配線基板を用いるとき
の導電パターンの一例を示す図である。

【図５】実施例１の固定子の結線例を示す図である。

【図６】実施例１の固定子電極の配列形態を示す説明図
である。

【図７】実施例１の動作説明に必要な部分の定義を示す
図である。

【図８】実施例１の動作説明図である。

【図９】実施例１の動作説明図である。

【図１０】実施例１の動作説明図である。

【図１１】実施例１の動作説明図である。

【図１２】実施例１の動作説明図である。

【図１３】実施例１の動作説明図である。

【図１４】実施例１の動作説明図である。

【図１５】実施例１の動作説明図である。

【図１６】実施例２の固定子電極の配列形態を示す説明
図である。

【図１７】実施例３の概略構成図である。

【図１８】従来例を示す概略構成図である。

【図１９】他の従来例を示す固定子の平面図である。

【図２０】さらに他の従来例を示す固定子の平面図であ
る。

【図２１】別の従来例を示す固定子の一部の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ 固定子 ２ 可動子 ３ スイッチ要素 ４ 直流電源 ５ 切換制御部 １０ 単位電極群 １１ 固定子電極 １２ 固定子基板 ２１ 高抵抗体層 ２２ 誘電体層 ２３ 可動子電極 ２４ 可動子基板 ２５ 単位電極群

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−114872（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−285978（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02N 1/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 面上に複数個の固定子電極を配列した固
   定子と、少なくとも一部の固定子電極に対面する可動子
   とを備え、各固定子電極への駆動電圧の印加パターンを
   変化させることにより固定子電極と可動子との間に作用
   するクーロン力によって固定子電極を配列した面に沿う
   ように可動子を移動させる静電アクチュエータにおい
   て、各固定子電極は、固定子電極を配列した面内で互い
   に交差する２方向にそれぞれ所定間隔で設定した複数本
   ずつの平行線の格子点上に、互いに離間した形で配置さ
   れ、上記２方向にそれぞれａ本ずつの平行線を選択し、
   それらの平行線によって構成されるａ ² 個の格子点上の
   固定子電極を１組の単位電極群とし、各組の単位電極群
   の対応する位置の固定子電極を導電路を介して相互に電
   気的に接続して成ることを特徴とする静電アクチュエー
   タ。
2. 【請求項２】 固定子電極は、上記各方向の平行線のう
   ちの３本ずつが交差する格子点上の合計９個を単位電極
   群と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。
3. 【請求項３】 固定子電極は面状の絶縁体である固定子
   基板の同一平面上に配列され、上記導電路は固定子基板
   の厚み方向に離間して複数層に配置されて成ることを特
   徴とする請求項１または請求項２記載の静電アクチュエ
   ータ。
4. 【請求項４】 可動子は、フィルム状の誘電体層と、誘
   電体層を挟んで固定子電極とは反対側で誘電体層に積層
   された高抵抗体層とからなり、固定子電極に駆動電圧を
   印加することによって誘電体層と高抵抗体層との境界に
   電荷が静電誘導されることを特徴とする請求項１ないし
   請求項３のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
5. 【請求項５】 可動子は、絶縁体の可動子基板の面内で
   互いに交差する２方向にそれぞれ所定間隔で設定した複
   数本ずつの平行線の格子点上に互いに離間した形で配置
   した複数個の可動子電極を備え、上記２方向にそれぞれ
   ｂ本ずつの平行線を選択し、それらの平行線によって構
   成されるｂ ² 個の格子点上の可動子電極を１組の単位電
   極群とし、各組の単位電極群の対応する位置の可動子電
   極を相互に電気的に接続して成ることを特徴とする請求
   項１ないし請求項３のいずれかに記載の静電アクチュエ
   ータ。
6. 【請求項６】 固定子電極と可動子電極との少なくとも
   一方への駆動電圧の印加パターンを制御する電圧制御手
   段を具備して成ることを特徴とする請求項１ないし請求
   項５のいずれかに記載の静電アクチュエータ。