JP3021460B2 - 静電アクチュエータ - Google Patents

静電アクチュエータ

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JP3021460B2 JP63267656A JP26765688A JP3021460B2 JP 3021460 B2 JP3021460 B2 JP 3021460B2 JP 63267656 A JP63267656 A JP 63267656A JP 26765688 A JP26765688 A JP 26765688A JP 3021460 B2 JP3021460 B2 JP 3021460B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は静電力を用いて移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。
〔従来の技術〕
近年、物体を微小量移動させる手段として、静電アク
チュエータが注目されている。第10図は静電アクチュエ
ータの動作原理を示す図で、図中1,2は互いにずれて対
向配置された一対の電極である。これらの電極1,2間に
は摺動面3を持つ2つの誘導体4,5が配置され、この誘
電体4,5の表面に前記電極1,2が固定されている。ここ
で、電極1,2に電圧Vを印加すると、電極1,2間には電極
面に水平な方向の静電力Fxと電極面に垂直な方向の静電
引力Fyが発生する。
上記静電力Fxは電極1,2間の距離をd、電極1,2の幅を
w、電極1と電極2の重なり部分の長さをa、誘電体4,
5の比誘電率をεrとすると、 で表わされ、また静電引力Fyは で表わされる。なお、ε0:真空中の誘電率である。
したがって、静電力Fxで移動子を移動させる条件は摺
動面3の摩擦係数をμとすると、 Fx−μFy>0 ……(3) を満たせばよいことになり、電極1,2の長さをlとする
と移動子はa=lになるまで移動する。
このような静電力を利用した従来の静電アクチュエー
タとしては、特開昭63−95858号や特願昭63−182173号
などに示されているものがある。しかしながら、これら
の静電アクチュエータは移動子の移動方向が一方向のみ
であるため、例えば物体を多方向に移動させる場合には
適用できないという問題があった。また、従来の静電ア
クチュエータは物体を直線運動させる場合、多数の電極
を移動子の移動方向に沿って配列し、かつこれらの電極
を多相駆動する必要があるため、配線が複雑になった
り、装置自体が大型化するという問題があった。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明はこのような問題点に着目してなされたもの
で、その第1の目的は移動子を多方向に移動させること
ができる静電アクチュエータを提供することにある。ま
た、本発明の第2の目的は移動子の移動方向に多数の電
極を配列することなく物体を直線運動させることができ
る静電アクチュエータを提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記第1の目的を達成するために本発明は、所定の間
隔で互いに離間して配置された複数の固定電極を有する
固定子と、前記複数の固定電極に対向する単一の可動電
極を有し上記固定電極の電極面と一定の間隔をおいて相
対的に移動可能な移動子と、この移動子の可動電極と前
記固定子の固定電極との間に設けられ少なくともどちら
か一方の電極面を覆う誘電体層と、前記固定電極のうち
少なくとも1つの固定電極を選択し、選択された固定電
極と前記可動電極との間に電圧を印加する手段と、前記
固定子または移動子のどちらか一方に設けられた前記固
定電極及び可動電極の電極面に垂直な方向に伸縮する圧
電アクチュエータとを具備する静電アクチュエータを、
同一平面上に少なくとも2つ以上組み合わせてなること
を特徴とするものである。
また、第2の目的を達成するために本発明は、上記固
定子または移動子のどちらか一方に上記固定電極及び可
動電極の電極面に垂直な方向に伸縮する圧電アクチュエ
ータを設けた請求項1記載の静電アクチュエータを少な
くとも2つ以上組み合せたことを特徴とするものであ
る。
〔作 用〕
本発明においては、固定子に設けられた複数の固定電
極のうち少なくとも1つの固定電極を選択し、選択され
た固定電極と可動電極との間に電圧を印加することによ
り移動子を多方向に移動させることができる。また、上
記固定子または可動子のどちらか一方に上記固定電極及
び可動電極の電極面に垂直な方向に伸縮する圧電アクチ
ュエータを設け、この圧電アクチュエータを設けた静電
アクチュエータを同一平面上に少なくとも2つ以上組み
合せることにより、移動子の移動方向に多数の電極を配
列することなく物体を直線運動させることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を第1図〜第9図を参照して説
明する。
第1図及び第2図は本発明の第1目的を達成するため
の一実施例を示すもので、第1図は平面図、第2図は第
1図のII−II矢視断面図である。図中10は例えばアルミ
ナ,ジルコニア等の絶縁材料からなる板状の固定子で、
この固定子10の表面(平面)には複数の固定電極11a,11
b,11c,11dが所定間隔で互いに離間して配設されてい
る。また、12は上記固定子10上に摺動可能に配置された
移動子で、この移動子12の摺動面には前記固定電極11a,
11b,11c,11dに対向して可動電極13が設けられている。
この可動電極13はリード線を介して直流電源16に接続さ
れ、また固定電極11a,11b,11c,11dはそれぞれリード線
を介して前記直流電源16と接続した切換スイッチボック
ス15に接続されている。この切換スイッチボックス15は
電圧を印加する固定電極を選択するためのもので、切換
信号によって動作するようになっている。
また、14は前記固定電極11a,11b,11c,11dを覆うよう
に固定子10の表面に一定厚さで形成された誘電体層であ
る。この誘電体層14は例えばジルコンチタン酸鉛(PZ
T),チタン酸バリウム等からなり、固定電極11a,11b,1
1c,11dと可動電極13との間を一定間隔に保っている。な
お、可動電極13は大なり小なり全ての固定電極11a,11b,
11c,11dと重なり合う部分を持っており、例えば固定電
極の寸法をa×amm、固定電極間の間隔をbmm、可動電極
の寸法をc×cmmとするとc>a+bとなっている。
このような構成において、固定子10に設けられた固定
電極11a,11b,11c,11dのうち例えば固定電極11aを切換ス
イッチボックス15で選択し、この固定電極11aと可動電
極13との間に電圧Vを印加すると、移動子12は上記電極
11a,13間に生じる静電力Fxによって第3図中矢印a方向
に移動する。また、固定電極11a,11b,11c,11dのうち例
えば固定電極11a,11bを切換スイッチボックス15で選択
し、これら固定電極11a,11bと可動電極13との間に電圧
Vを印加すると、移動子12は上記電極11a,13間及び11b,
13間に生じる2つの静電力Fxによって第3図中矢印b方
向に移動する。つまり、切換スイッチボックス15で1つ
の固定電極を選択すると移動子12は固定子10の対角線方
向(矢印a,c,e,g方向)に移動し、また隣り合う2つの
固定電極を選択すると移動子12は固定子10の縦方向及び
横方向(矢印b,d,f,h方向)に移動する。
このように本実施例では、固定子10の平面上に互いに
所定間隔で離間した複数の固定電極11a,11b,11c,11dを
設けるとともに、上記固定子10の表面に前記固定電極11
a,11b,11c,11dを覆う一定厚さの誘電体層14を形成し、
この誘電体層14上に固定電極11a,11b,11c,11dと対向す
る可動電極13を有する移動子12を摺動可能に配置したの
で、前記固定電極11a,11b,11c,11dのうち少なくとも1
つの固定電極を切換スイッチボックス15で選択し、選択
された固定電極と可動電極13との間に電圧を印加するこ
とにより、移動子12を多方向に移動させることができ
る。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではな
い。例えば上記実施例では誘電体層14を固定子10に設け
たが、誘電体層14を可動電極13を覆うように移動子12の
表面に設けてもよい。また、第4図に示すように固定子
10の下面に圧電体18と電極19,20とからなる圧電アクチ
ュエータ17を設け、固定子10を上下方向に変位させるよ
うにしてもよい。さらに第5図に示すように固定子10の
下面に積層型の圧電アクチュエータ17を設けてもよい。
なお、第4図及び第5図中21は圧電アクチュエータ17を
駆動するための電源である。
第6図及び第7図は本発明の第2目的を達成するため
の一実施例を示すもので、第6図は平面図第7図は断面
図である。この静電アクチュエータは第1図に示した静
電アクチュエータを同一平面上に4つ組み合せたもの
で、各固定子10A,10B,10C,10Dには圧電アクチュエータ1
7A,17B,17C,17Dが固定電極11a,11b,11c,11d側と反対側
に設けられている。これらの圧電アクチュエータ17A,17
B,17C,17Dは上記固定電極11a,11b,11c,11dの電極面に垂
直な方向に厚み変位(伸縮)する圧電体18と、この圧電
体18に電圧を印加する電極19,20(電極20は共用電極)
とを備えて構成されている。なお、図中22は移動面であ
る。
このように構成される静電アクチュエータを図中矢印
方向に移動させる場合は、まず圧電アクチュエータ17A,
17Cに圧電を印加し、これら圧電アクチュエータ17A,17C
の圧電体18を第8図(a)(b)に示すように収縮方向
に厚み変位させる。次にこの状態で固定子10A,10Cの固
定電極11a,11bと移動子12A,12Cの可動電極13との間に電
圧を印加し、これらの電極11a,13および11b,13間に静電
力を発生させる。これにより移動子12A,12Cは静電力に
よって移動し、第9図(a)に示す位置に来たところで
停止する。
次に圧電アクチュエータ17A,17Cへの電圧印加を停止
し、これら圧電アクチュエータ17A,17Cの圧電体18を元
の厚みに戻す。その後、圧電アクチュエータ17B,17Dに
電圧を印加し、これら圧電アクチュエータ17B,17Dの圧
電体18を収縮方向に厚み変位させる。そして、この状態
で固定子10B,10Dの固定電極11a,11bと移動子12B,12Dの
可動電極13との間に電圧を印加し、これら電極11a,13お
よび11b,13間に静電力を発生させる。これにより移動子
12B,12Dは静電力によって移動し、第9図(b)に示す
位置に来たところで停止する。
次に圧電アクチュエータ17B,17Dへの電圧印加を停止
し、これら圧電アクチュエータ17B,17Dの圧電体18を元
の厚みに戻す。その後、固定子10A,10B,10C,10Dの固定
電極11c,11dと移動子12A,12B,12C,12Dの可動電極13との
間に電圧を印加する。これにより上記固定電極11c,11d
と可動電極13との間には移動子12A,12B,12C,12Dを矢印
方向と逆方向に移動させるようとする静電力が発生する
が、このとき移動子12A,12B,12C,12Dは移動面22に接地
しており、移動子12A,12B,12C,12Dと移動面22との摩擦
係数が移動子12A,12B,12C,12Dと固定子10A,10B,10C,10D
との間の摩擦係数より大きいため、固定子10A,10B,10C,
10Dが矢印方向に移動し、第9図(c)に示す位置に来
たところで停止する。したがって、このような動作を繰
り返して行なうことにより、移動子の移動方向に多数の
電極を配列することなく物体を直線運動させることがで
きる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではな
い。例えば上記実施例では圧電アクチュエータ17A,17B,
17C,17Dを固定子10A,10B,10C,10Dに設けたが、移動子12
A,12B,12C,12Dに設けてもよい。また、上記実施例では
第1図に示した静電アクチュエータを同一平面上に4つ
組み合せたが、2つ以上組み合せても同様の効果が得ら
れる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、移動子を多方向
に移動させることができる静電アクチュエータを得るこ
とができる。また、移動子の移動方向に多数の電極を配
列することなく物体を直線運動させることができる静電
アクチュエータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は本発明の第1実施例を示す図で、第
1図は静電アクチュエータの平面図、第2図は第1図の
II−II矢視断面図、第3図は同実施例の作用を示す図、
第4図は本発明の第2実施例を示す静電アクチュエータ
の断面図、第5図は本発明の第3実施例を示す静電アク
チュエータの断面図、第6図及び第7図は本発明の第4
実施例を示す図で、第6図は静電アクチュエータの平面
図、第7図は断面図、第8図及び第9図は同実施例の作
用を示す図、第10図は静電アクチュエータの動作原理を
示す図である。 10,10A〜10D……固定子、11a〜11d……固定電極、12,12
A〜12D……移動子、13……可動電極、14……誘電体層、
15……切換スイッチボックス、16……電源、17A〜17D…
…圧電アクチュエータ。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定の間隔で互いに離間して配置された複
    数の固定電極を有する固定子と、前記複数の固定電極に
    対向する単一の可動電極を有し上記固定電極の電極面と
    一定の間隔をおいて相対的に移動可能な移動子と、この
    移動子の可動電極と前記固定子の固定電極との間に設け
    られ少なくともどちらか一方の電極面を覆う誘電体層
    と、前記固定電極のうち少なくとも1つの固定電極を選
    択し、選択された固定電極と前記可動電極との間に電圧
    を印加する手段と、前記固定子または移動子のどちらか
    一方に設けられた前記固定電極及び可動電極の電極面に
    垂直な方向に伸縮する圧電アクチュエータとを具備する
    静電アクチュエータを、同一平面上に少なくとも2つ以
    上組み合わせてなることを特徴とする静電アクチュエー
    タ。
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