JP3173261B2 - 静電アクチュエータ - Google Patents
静電アクチュエータInfo
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- JP3173261B2 JP3173261B2 JP30754493A JP30754493A JP3173261B2 JP 3173261 B2 JP3173261 B2 JP 3173261B2 JP 30754493 A JP30754493 A JP 30754493A JP 30754493 A JP30754493 A JP 30754493A JP 3173261 B2 JP3173261 B2 JP 3173261B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、静電気を用いて可動子
を駆動させる静電アクチユエータとその駆動方法に関す
る。
を駆動させる静電アクチユエータとその駆動方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、静電アクチュエータは電磁アクチ
ュエータに比べ発生力が小さく実用に適さないとされて
いたが、静電力は面積比例であることや構造が簡単であ
ること等からマイクロアクチュエータへの適用が有望視
されている。マイクロアクチュエータの領域では移動す
る際の摩擦がモータ出力に大きな影響を与えるため、低
摩擦の支持機構が必要となる。その一例として、玉によ
るころがり軸受を用いて、可動子と固定子の間に電圧を
印加して駆動させる静電アクチュエータが開示されてい
る（特開昭６３−９５８６３号）。これは固定子および
可動子の端部に設けたガイド溝の中にボールを挿入して
組み立てたアクチュエータであり、３相になった固定子
の駆動電極の各相にパルス状の電圧を順次加えると、正
の電圧が印加されている固定子の駆動電極と、負の電圧
が印加されている可動子の駆動電極との間に吸引力が働
き、可動子は印加電圧の相順の方向に印加電圧の周波数
に同期して駆動されるものである。
ュエータに比べ発生力が小さく実用に適さないとされて
いたが、静電力は面積比例であることや構造が簡単であ
ること等からマイクロアクチュエータへの適用が有望視
されている。マイクロアクチュエータの領域では移動す
る際の摩擦がモータ出力に大きな影響を与えるため、低
摩擦の支持機構が必要となる。その一例として、玉によ
るころがり軸受を用いて、可動子と固定子の間に電圧を
印加して駆動させる静電アクチュエータが開示されてい
る（特開昭６３−９５８６３号）。これは固定子および
可動子の端部に設けたガイド溝の中にボールを挿入して
組み立てたアクチュエータであり、３相になった固定子
の駆動電極の各相にパルス状の電圧を順次加えると、正
の電圧が印加されている固定子の駆動電極と、負の電圧
が印加されている可動子の駆動電極との間に吸引力が働
き、可動子は印加電圧の相順の方向に印加電圧の周波数
に同期して駆動されるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、支持機構を
ボールとし、静電吸引力により駆動を行うと、ボールを
圧縮する方向に大きな吸引力が働いて、支持機構の摩擦
力が増大し、モータの実質的な推力が低下するという問
題がある。また、駆動力を大きくするには固定子電極と
可動子電極との空隙を可能なかぎり小さくしなければな
らない。この電極間の微少な空隙を保持するには、微小
なボールの直径を一定にする必要がある。したがって、
高精度で小型なボールが要求されるため、ボールの製作
が困難であるという問題があった。そこで、本発明は簡
素な構造で摩擦が小さく、推力の大きい、かつ高精度の
位置決めが可能な静電アクチュエータを提供することを
目的とする。
ボールとし、静電吸引力により駆動を行うと、ボールを
圧縮する方向に大きな吸引力が働いて、支持機構の摩擦
力が増大し、モータの実質的な推力が低下するという問
題がある。また、駆動力を大きくするには固定子電極と
可動子電極との空隙を可能なかぎり小さくしなければな
らない。この電極間の微少な空隙を保持するには、微小
なボールの直径を一定にする必要がある。したがって、
高精度で小型なボールが要求されるため、ボールの製作
が困難であるという問題があった。そこで、本発明は簡
素な構造で摩擦が小さく、推力の大きい、かつ高精度の
位置決めが可能な静電アクチュエータを提供することを
目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
め、本発明は、絶縁物からなる基体の表面部に複数の駆
動電極を所定のピッチで配置し多相の電源に接続した固
定子と、前記固定子と微少空隙を介して対向させて、前
記固定子の電極のピッチと所定の関係を持つピッチで配
列された電極を設けた可動子とを備えた静電アクチュエ
ータにおいて、前記固定子および前記可動子の両電極
は、短冊状の金属薄膜からなり、それぞれの電極と基体
との間に絶縁体または強誘電体を介して配置した面状の
金属薄膜からなる第１電極を設け、かつ前記可動子の移
動方向と直角方向の側に前記可動子を非接触で固定する
支持部を設け、正負いずれか一方の極性の電圧を前記両
第１電極に印加し、他方の極性の電圧を前記両電極に印
加し、前記固定子の駆動電極の各相に印加する電圧を切
り換えて前記可動子を移動させる構成のものである。 ま
た、前記支持部は、前記可動子の側面に設けた支持電極
と、この支持電極と対向する位置に設けた前記固定子の
支持電極とからなり、前記両支持電極はそれぞれの基体
表面に設けた第１支持電極と、前記第１支持電極の上に
絶縁体または強誘電体介して設けた第２支持電極とから
なり、正負いずれか一方の極性の電圧を前記両第１支持
電極に、他方の極性の電圧を前記両第２支持電極に印加
するようにしている。
め、本発明は、絶縁物からなる基体の表面部に複数の駆
動電極を所定のピッチで配置し多相の電源に接続した固
定子と、前記固定子と微少空隙を介して対向させて、前
記固定子の電極のピッチと所定の関係を持つピッチで配
列された電極を設けた可動子とを備えた静電アクチュエ
ータにおいて、前記固定子および前記可動子の両電極
は、短冊状の金属薄膜からなり、それぞれの電極と基体
との間に絶縁体または強誘電体を介して配置した面状の
金属薄膜からなる第１電極を設け、かつ前記可動子の移
動方向と直角方向の側に前記可動子を非接触で固定する
支持部を設け、正負いずれか一方の極性の電圧を前記両
第１電極に印加し、他方の極性の電圧を前記両電極に印
加し、前記固定子の駆動電極の各相に印加する電圧を切
り換えて前記可動子を移動させる構成のものである。 ま
た、前記支持部は、前記可動子の側面に設けた支持電極
と、この支持電極と対向する位置に設けた前記固定子の
支持電極とからなり、前記両支持電極はそれぞれの基体
表面に設けた第１支持電極と、前記第１支持電極の上に
絶縁体または強誘電体介して設けた第２支持電極とから
なり、正負いずれか一方の極性の電圧を前記両第１支持
電極に、他方の極性の電圧を前記両第２支持電極に印加
するようにしている。
【０００５】
【作用】上記手段により、固定子および可動子ともに第
１の電極と第２の電極を設けているので、帯電量を大き
くでき、対向する固定子と可動子の第２電極間に同極性
の電圧を印加するので、同極性の電荷が励起され、静電
反発力が生じて、可動子は浮上する。印加電圧を各相の
電極に順次切り替えることにより、浮上したまま移動す
るので、摩擦力は全く発生せず、推力の損失がない。ま
た、ボールによる空隙の設定が不要なので、高精度の位
置決めが可能となる。
１の電極と第２の電極を設けているので、帯電量を大き
くでき、対向する固定子と可動子の第２電極間に同極性
の電圧を印加するので、同極性の電荷が励起され、静電
反発力が生じて、可動子は浮上する。印加電圧を各相の
電極に順次切り替えることにより、浮上したまま移動す
るので、摩擦力は全く発生せず、推力の損失がない。ま
た、ボールによる空隙の設定が不要なので、高精度の位
置決めが可能となる。
【０００６】
【実施例】本発明の実施例を図を用いて詳述する。図１
は本発明のリニア型静電アクチュエータの概観を示す斜
視図である。図２は可動子電極と固定子電極部の分解斜
視図、図３は図１のＡ−Ａ’断面図、図４は同じくＢ−
Ｂ’の断面図である。図において、１は固定子、２は可
動子である。いずれもパターニングを施していないプレ
ーン形状の第１電極と短冊状の導電性金属からなる第２
電極が絶縁膜もしくは強誘電体１３、２３を介して設け
てある。すなわち、固定子１には絶縁物からなる基体１
１の表面に、パターニングの施されていない導電性の薄
膜１２が均一に成膜されており、その上に絶縁膜もしく
は強誘電体１３の膜を設け、さらにその直上に第２電極
１４をその幅方向を移動方向に合わせて複数個配置し、
最上面には絶縁膜１５がコーティングされた構成になっ
ている。この絶縁膜１５の厚さを変えることにより、初
期（電圧印加前の停止状態）の固定子１と可動子２の第
２電極１４、２４間のギャップを任意に設定することが
でき、この初期のギャップの大きさにより、駆動力の大
きさを変えることができる。固定子１および可動子２の
両端部には可動子２が幅方向（進行方向と直角の方向）
の動きを規制する支持部１６、２６が設けられている。
固定子１の支持部１６は凹状に加工されその内壁には支
持電極１７が設けられている。支持電極１７は第１支持
電極１７１の表面に絶縁膜を介して第２支持電極１７２
がそれぞれ全面に板状の電極として設けられている。可
動子２の支持電極２７は支持電極１７と同様にこれと対
向する面に第１支持電極２７１の表面に絶縁膜を介して
第２支持電極２７２がそれぞれ全面に板状の電極として
設けられている。電極の配置および配線はつぎのように
なっている。まず、可動子２の第１電極２２は一体の導
電性薄膜であり、第２電極２４はその単位となる電極２
４１、２４２、２４３、・・２４７、・・・がピッチλ
で配置されている。そして図５に示す配線図のように第
１電極２２は接続線Ｇ1 に接続され、第２電極２４は全
て共通の接続線Ｇ2 に接続されている。図６はＳ相、Ｔ
相に電圧を印加して整列させた時の状態を表している。
固定子１の第１電極１２は可動子２の第１電極２２と同
様に一体の金属電極で、第２電極１４はその単位となる
電極１４１、１４２、１４３・・１４７がピッチ４λ／
３で配置されている。この固定子の第２電極は３相構造
になっている。すなわち、２つ置きに結線しており、１
４１、１４４、・・・のグループはＲ相、１４２、１４
５、・・・のグループはＳ相、１４３、１４６、・・・
のグループはＴ相である。また、第１電極は接続線Ｇ1
に接続されている。つぎに動作について説明する。い
ま、図６に示すように可動子電極ａと固定子電極Ｒ相が
整列しているときに可動子を右方向に駆動させる方法を
説明する。図８は各電極に印加する電圧のパターン図で
ある。まず、可動子２の並進および回転による可動子２
と固定子１のずれを防ぐために，固定子１の支持電極１
７と可動子２の支持電極２７電圧を印加する。すなわ
ち、第１支持電極１７１と２７１に正極の電圧を、第２
支持電極１７２と２７２に負極の電圧を印加する。つぎ
に、可動子２の第１電極２２の共通線Ｇ1 に−Ｖもしく
は０電位を与え、第２電極２４の共通線Ｇ2 に＋電位を
与える。一方、固定子１の第１電極のＧ3 に−Ｖもしく
は０電位を与え、第２電極１４のＲ相に＋Ｖ電位を与え
ると、それぞれ対向する可動子２の第２電極２４のａと
固定子１の第２電極１４のＲ相では，＋の電荷が励起さ
れ、移動方向に対して垂直方向の反発力が発生する。同
時に固定子１の第１電極のＧ3 に−Ｖもしくは０電位を
与え、第２電極１４のＴ相に＋Ｖ電位を与えると可動子
２の第２電極２４のｄと固定子１の第２電極１４のＴ相
では，＋の電荷が励起され反発力が発生し、可動子２を
右方向に動かすような力が働く。可動子２が右に移動し
始めると今度は，可動子２の電極ａと固定子１の電極Ｇ
3 との位置関係が変化し、今まで垂直方向に働いていた
反発力は一部、可動子２を右方向へ移動させる力に変換
される。このようにして可動子は右方向へ移動する。移
動後、可動子２の電極ｂと固定子１の電極Ｓ相が整列す
ると、図７に示すように可動子２の電極ｄを中心に可動
子２の電極ｃ，ａと固定子１の電極Ｔ相とＲ相が線対称
の関係になるため、移動方向の力成分が互いに打ち消し
合い、可動子は停止する。ここで１ステップが完了す
る。次のステップでは、前のステップと同様に固定子１
の電極Ｓ相に電圧を印加し、同時に固定子１の電極Ｒ相
に電圧を印加すると可動子２は右に移動し始め、可動子
２の電極ｃと固定子１の電極Ｔ相が整列したときに可動
子２は停止する。順次、このステップを繰り返すことに
より、可動子２を連続的に移動させることができる。な
お、可動子２の浮上を補助するために、支持部１６の先
端面とこれに対向する支持部２６の底面に浮上用の電極
を設けてもよい。また、本実施例ではリニア型のモータ
について述べたが、回転型のモータについても同様に適
用できる。
は本発明のリニア型静電アクチュエータの概観を示す斜
視図である。図２は可動子電極と固定子電極部の分解斜
視図、図３は図１のＡ−Ａ’断面図、図４は同じくＢ−
Ｂ’の断面図である。図において、１は固定子、２は可
動子である。いずれもパターニングを施していないプレ
ーン形状の第１電極と短冊状の導電性金属からなる第２
電極が絶縁膜もしくは強誘電体１３、２３を介して設け
てある。すなわち、固定子１には絶縁物からなる基体１
１の表面に、パターニングの施されていない導電性の薄
膜１２が均一に成膜されており、その上に絶縁膜もしく
は強誘電体１３の膜を設け、さらにその直上に第２電極
１４をその幅方向を移動方向に合わせて複数個配置し、
最上面には絶縁膜１５がコーティングされた構成になっ
ている。この絶縁膜１５の厚さを変えることにより、初
期（電圧印加前の停止状態）の固定子１と可動子２の第
２電極１４、２４間のギャップを任意に設定することが
でき、この初期のギャップの大きさにより、駆動力の大
きさを変えることができる。固定子１および可動子２の
両端部には可動子２が幅方向（進行方向と直角の方向）
の動きを規制する支持部１６、２６が設けられている。
固定子１の支持部１６は凹状に加工されその内壁には支
持電極１７が設けられている。支持電極１７は第１支持
電極１７１の表面に絶縁膜を介して第２支持電極１７２
がそれぞれ全面に板状の電極として設けられている。可
動子２の支持電極２７は支持電極１７と同様にこれと対
向する面に第１支持電極２７１の表面に絶縁膜を介して
第２支持電極２７２がそれぞれ全面に板状の電極として
設けられている。電極の配置および配線はつぎのように
なっている。まず、可動子２の第１電極２２は一体の導
電性薄膜であり、第２電極２４はその単位となる電極２
４１、２４２、２４３、・・２４７、・・・がピッチλ
で配置されている。そして図５に示す配線図のように第
１電極２２は接続線Ｇ1 に接続され、第２電極２４は全
て共通の接続線Ｇ2 に接続されている。図６はＳ相、Ｔ
相に電圧を印加して整列させた時の状態を表している。
固定子１の第１電極１２は可動子２の第１電極２２と同
様に一体の金属電極で、第２電極１４はその単位となる
電極１４１、１４２、１４３・・１４７がピッチ４λ／
３で配置されている。この固定子の第２電極は３相構造
になっている。すなわち、２つ置きに結線しており、１
４１、１４４、・・・のグループはＲ相、１４２、１４
５、・・・のグループはＳ相、１４３、１４６、・・・
のグループはＴ相である。また、第１電極は接続線Ｇ1
に接続されている。つぎに動作について説明する。い
ま、図６に示すように可動子電極ａと固定子電極Ｒ相が
整列しているときに可動子を右方向に駆動させる方法を
説明する。図８は各電極に印加する電圧のパターン図で
ある。まず、可動子２の並進および回転による可動子２
と固定子１のずれを防ぐために，固定子１の支持電極１
７と可動子２の支持電極２７電圧を印加する。すなわ
ち、第１支持電極１７１と２７１に正極の電圧を、第２
支持電極１７２と２７２に負極の電圧を印加する。つぎ
に、可動子２の第１電極２２の共通線Ｇ1 に−Ｖもしく
は０電位を与え、第２電極２４の共通線Ｇ2 に＋電位を
与える。一方、固定子１の第１電極のＧ3 に−Ｖもしく
は０電位を与え、第２電極１４のＲ相に＋Ｖ電位を与え
ると、それぞれ対向する可動子２の第２電極２４のａと
固定子１の第２電極１４のＲ相では，＋の電荷が励起さ
れ、移動方向に対して垂直方向の反発力が発生する。同
時に固定子１の第１電極のＧ3 に−Ｖもしくは０電位を
与え、第２電極１４のＴ相に＋Ｖ電位を与えると可動子
２の第２電極２４のｄと固定子１の第２電極１４のＴ相
では，＋の電荷が励起され反発力が発生し、可動子２を
右方向に動かすような力が働く。可動子２が右に移動し
始めると今度は，可動子２の電極ａと固定子１の電極Ｇ
3 との位置関係が変化し、今まで垂直方向に働いていた
反発力は一部、可動子２を右方向へ移動させる力に変換
される。このようにして可動子は右方向へ移動する。移
動後、可動子２の電極ｂと固定子１の電極Ｓ相が整列す
ると、図７に示すように可動子２の電極ｄを中心に可動
子２の電極ｃ，ａと固定子１の電極Ｔ相とＲ相が線対称
の関係になるため、移動方向の力成分が互いに打ち消し
合い、可動子は停止する。ここで１ステップが完了す
る。次のステップでは、前のステップと同様に固定子１
の電極Ｓ相に電圧を印加し、同時に固定子１の電極Ｒ相
に電圧を印加すると可動子２は右に移動し始め、可動子
２の電極ｃと固定子１の電極Ｔ相が整列したときに可動
子２は停止する。順次、このステップを繰り返すことに
より、可動子２を連続的に移動させることができる。な
お、可動子２の浮上を補助するために、支持部１６の先
端面とこれに対向する支持部２６の底面に浮上用の電極
を設けてもよい。また、本実施例ではリニア型のモータ
について述べたが、回転型のモータについても同様に適
用できる。
【０００９】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、可
動子を静電反発力で浮上させているので、特別な軸受機
構を必要とせず、小型、コンパクトな機構で摩擦抵抗に
よる出力低減のない推力の大きい静電アクチュエータを
提供できる効果がある。
動子を静電反発力で浮上させているので、特別な軸受機
構を必要とせず、小型、コンパクトな機構で摩擦抵抗に
よる出力低減のない推力の大きい静電アクチュエータを
提供できる効果がある。
【図１】本発明の静電アクチュエータの概観を示す斜視
図である。
図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図３】可動子電極部と固定子電極部の分解斜視図
【図４】図１におけるＢ−Ｂ’断面図である。
【図５】本発明の静電アクチュエータの配線図である。
【図６】本発明の静電アクチュエータの動作原理を示す
説明図である。
説明図である。
【図７】本発明の静電アクチュエータの動作原理を示す
説明図である。
説明図である。
【図８】本発明の静電アクチュエータに印加する電圧の
パターン図である。
パターン図である。
１：固定子 ２：可動子 １１：基体 ２１：基体 １２：第１電極 ２２：第１電極 １３：絶縁体もしくは強誘電体 ２３：絶縁体もし
くは強誘電体 １４：第２電極 ２４：第２電極 １４１〜１４７：単位電極 ２４１〜２４７：
単位電極 １５：絶縁膜 ２６：支持部 １６：支持部 ２７：支持電極 １７：支持電極 ２７１：第１支持
電極 １７１：第１支持電極 ２７２：第２支持
電極 １７２：第２支持電極
くは強誘電体 １４：第２電極 ２４：第２電極 １４１〜１４７：単位電極 ２４１〜２４７：
単位電極 １５：絶縁膜 ２６：支持部 １６：支持部 ２７：支持電極 １７：支持電極 ２７１：第１支持
電極 １７１：第１支持電極 ２７２：第２支持
電極 １７２：第２支持電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−281371（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−270682（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−169278（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−2988（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02N 1/00
Claims (2)
- 【請求項１】絶縁物からなる基体の表面部に複数の駆動
電極を所定のピッチで配置し多相の電源に接続した固定
子と、前記固定子と微少空隙を介して対向させて、前記
固定子の電極のピッチと所定の関係を持つピッチで配列
された電極を設けた可動子とを備えた静電アクチュエー
タにおいて、 前記固定子および前記可動子の両電極は、短冊状の金属
薄膜からなり、それぞれの電極と基体との間に絶縁体ま
たは強誘電体を介して配置した面状の金属薄膜からなる
第１電極を設け、かつ前記可動子の移動方向と直角方向
の側に前記可動子を非接触で固定する支持部を設け、正
負いずれか一方の極性の電圧を前記両第１電極に印加
し、他方の極性の電圧を前記両電極に印加し、前記固定
子の駆動電極の各相に印加する電圧を切り換えることに
よって前記可動子を移動させることを特徴とする静電ア
クチュエータ。 - 【請求項２】前記支持部は、前記可動子の側面に設けた
支持電極と、この支持電極と対向する位置に設けた前記
固定子の支持電極とからなり、前記両支持電極はそれぞ
れの基体表面に設けた第１支持電極と、前記第１支持電
極の上に絶縁体または強誘電体介して設けた第２支持電
極とからなり、正負いずれか一方の極性の電圧を前記両
第１支持電極に、他方の極性の電圧を前記両第２支持電
極に印加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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30754493A JP3173261B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 静電アクチュエータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30754493A JP3173261B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 静電アクチュエータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07143763A JPH07143763A (ja) | 1995-06-02 |
| JP3173261B2 true JP3173261B2 (ja) | 2001-06-04 |
Family
ID=17970377
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30754493A Expired - Fee Related JP3173261B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 静電アクチュエータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3173261B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19533173C1 (de) * | 1995-09-08 | 1997-01-30 | Deutsche Forsch Luft Raumfahrt | Elektrostatischer Antrieb |
| WO2001068512A1 (fr) | 2000-03-17 | 2001-09-20 | Japan Science And Technology Corporation | Micro-actionneur et procede de fabrication correspondant |
-
1993
- 1993-11-12 JP JP30754493A patent/JP3173261B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07143763A (ja) | 1995-06-02 |
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