JP5047153B2 - 等価容量型アクチュエータの駆動装置及び駆動方法 - Google Patents
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Description
本発明は、静電力を利用する静電アクチュエータや逆圧電効果を利用する圧電アクチュエータ等の駆動装置及び駆動方法に関し、特に、これらのアクチュエータの駆動制御を低コストで実現するものである。
静電アクチュエータは、従来から、静電力を利用して物体を浮上させる静電浮上装置や静電浮上搬送装置などに用いられている。これらの装置は、対象物を汚さずに非接触で保持・移送することができ、クリーンルームでのシリコンウエハやアルミディスクの保持・移送などに適している。また、静電アクチュエータは、構造が簡単で、小型化するほど重量当たりの出力向上が期待できるため、マイクロマシーン用アクチュエータとしての利用も注目されている。
また、圧電アクチュエータは、電界を加えると伸び縮みする圧電素子の性質を利用したアクチュエータであり、物体の精密位置決めなどに使用されている。圧電素子（電歪素子とも呼ばれる。）は、印加電圧に対して素早く応答し、高精度に変位する。圧電アクチュエータは、この圧電素子の高速応答、高精度変位及び高分解能の性質を利用して、半導体製造装置の微細位置制御や高速プリンタの駆動源等に使用されており、また、マイクロ・メカトロニクスのキーデバイスとしても注目されている。
しかし、静電力は、磁気力に比べて単位面積当たりの利用可能な力の上限が桁違いに小さいため、静電力を用いて物体の非接触浮上等を行う場合、キロボルトオーダの高電圧を電極に印加する必要があり、浮上物体の安定化や搬送駆動のために、その電圧を素早く変化させる必要がある。
また、圧電素子は、全長の１／１０００程度の歪みを生じさせるのに１０００Ｖ／ｍｍ程度の電界の印加を必要とし、大きな変位が得られるように電極で挟んだ圧電層を複数積層した積層型圧電素子では、キロボルトオーダの高電圧を印加する必要があり、その変位を適応的に制御するために、印加した高電圧を素早く変化させる必要がある。
こうした高電圧の変化を可能にする高速応答性能を備えた高電圧増幅器は、大掛かりで高コストである。
また、圧電素子は、全長の１／１０００程度の歪みを生じさせるのに１０００Ｖ／ｍｍ程度の電界の印加を必要とし、大きな変位が得られるように電極で挟んだ圧電層を複数積層した積層型圧電素子では、キロボルトオーダの高電圧を印加する必要があり、その変位を適応的に制御するために、印加した高電圧を素早く変化させる必要がある。
こうした高電圧の変化を可能にする高速応答性能を備えた高電圧増幅器は、大掛かりで高コストである。
静電アクチュエータや圧電アクチュエータは、電気回路的にキャパシタと等価なものとして扱うことができ、等価容量型アクチュエータと呼ばれているが、本発明者は、先に、この等価容量型アクチュエータを、高電圧増幅器を用いずに、低コストで駆動することができる駆動装置を提案している（下記特許文献１）。
この等価容量型アクチュエータの駆動装置は、図１３の等価回路に示すように、等価容量型アクチュエータ１２０に直列接続した可変キャパシタ１３０と、直列接続した等価容量型アクチュエータ１２０及び可変キャパシタ１３０の両端に一定の高電圧を印加する定電圧源１１０とを備えており、可変キャパシタ１３０の静電容量を変えることで、等価容量型アクチュエータ１２０への印加電圧を制御している。
この等価容量型アクチュエータの駆動装置は、図１３の等価回路に示すように、等価容量型アクチュエータ１２０に直列接続した可変キャパシタ１３０と、直列接続した等価容量型アクチュエータ１２０及び可変キャパシタ１３０の両端に一定の高電圧を印加する定電圧源１１０とを備えており、可変キャパシタ１３０の静電容量を変えることで、等価容量型アクチュエータ１２０への印加電圧を制御している。
この場合、定電圧源１１０の一定の高電圧をＥ、可変キャパシタ１３０の静電容量をＣv、等価容量型アクチュエータ１２０の静電容量をＣa、等価容量型アクチュエータ１２０の両端の電位差をＶaとすると、Ｖaは、（数１）に示すように、
Ｖa＝｛Ｃv／（Ｃv＋Ｃa）｝Ｅ （数１）
となる。そのため、可変キャパシタ１３０の静電容量Ｃvを変えることで、等価容量型アクチュエータ１２０の両端の電位差Ｖaを変えることができる。
この駆動装置に用いる定電圧源１１０は、一定の高電圧を発生するものであれば良く、高電圧増幅器に比べて極めて低コストで入手することができる。
Ｖa＝｛Ｃv／（Ｃv＋Ｃa）｝Ｅ （数１）
となる。そのため、可変キャパシタ１３０の静電容量Ｃvを変えることで、等価容量型アクチュエータ１２０の両端の電位差Ｖaを変えることができる。
この駆動装置に用いる定電圧源１１０は、一定の高電圧を発生するものであれば良く、高電圧増幅器に比べて極めて低コストで入手することができる。
図１４は、この駆動装置を用いた静電浮上装置を示しており、この装置では、浮上体１２３を安定的に浮上させるため、静電アクチュエータ１２０が４対の電極１２１、１２２を具備している。
図１５は、この静電アクチュエータ１２０における電極１２１、１２２の表示を１対に省略した静電浮上装置を模式的に示している。
図１５は、この静電アクチュエータ１２０における電極１２１、１２２の表示を１対に省略した静電浮上装置を模式的に示している。
この装置は、浮上体１２３を静電力で浮上させる静電アクチュエータ１２０の電極１２１、１２２と、電極１２２と浮上体１２３との間隔を検出するギャップセンサ１４０と、可変キャパシタ１３０を構成する固定電極１３２及び可動電極１３１と、可動電極１３１を可動するボイスコイルモータ（ＶＣＭ）１３３と、ギャップセンサ１４０の検出結果に基づいてＶＣＭ１３３を制御するコントローラ１５０と、一定の高電圧を発生する定電圧源１１０とを備えており、定電圧源１１０は、直列接続した静電アクチュエータ１２０及び可変キャパシタ１３０の両端に一定の高電圧を印加している。
この装置では、静電アクチュエータ１２０の電極１２２と浮上体１２３との間隔が常にギャップセンサ１４０で検出され、検出結果がコントローラ１５０に送られる。
コントローラ１５０は、この間隔が目標値と一致するようにＶＣＭ１３３を駆動して、固定電極１３２に対する可動電極１３１の距離を変え、可変キャパシタ１３０の静電容量Ｃvを調整する。そのため、静電アクチュエータ１２０の電極１２１、１２２に印加される電圧Ｖaは、（数１）により変化し、浮上体１２３を浮上させる静電力が変わり、電極１２１、１２２及び浮上体１２３間の間隔と目標値とのずれが修正される。
ＷＯ２００６／０８２８０７ Ａ１
この装置では、静電アクチュエータ１２０の電極１２２と浮上体１２３との間隔が常にギャップセンサ１４０で検出され、検出結果がコントローラ１５０に送られる。
コントローラ１５０は、この間隔が目標値と一致するようにＶＣＭ１３３を駆動して、固定電極１３２に対する可動電極１３１の距離を変え、可変キャパシタ１３０の静電容量Ｃvを調整する。そのため、静電アクチュエータ１２０の電極１２１、１２２に印加される電圧Ｖaは、（数１）により変化し、浮上体１２３を浮上させる静電力が変わり、電極１２１、１２２及び浮上体１２３間の間隔と目標値とのずれが修正される。
しかし、この装置は、静電アクチュエータ１２０の状態を検知するセンサ１４０を必要としているため、コストが掛かり、また、このセンサ１４０の取付けや配線作業に多大の負担を伴う。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、センサ無しで等価容量型アクチュエータの駆動が可能な駆動装置を提供し、また、その駆動方法を提供することを目的としている。
本発明は、等価容量型アクチュエータと、前記等価容量型アクチュエータに直列接続した可変キャパシタと、直列接続した前記等価容量型アクチュエータ及び可変キャパシタの両端に電圧を印加する定電圧源と、前記等価容量型アクチュエータの変位量を制御するために、前記可変キャパシタの静電容量を変えて前記等価容量型アクチュエータの印加電圧を調整する制御手段と、を備える等価容量型アクチュエータの駆動装置であって、前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧であって、前記等価容量型アクチュエータの両端の電位差に相当する電圧と、前記可変キャパシタの静電容量とから前記等価容量型アクチュエータの変位量を推定する推定手段を備え、前記制御手段が、前記推定手段の推定結果に基づいて前記可変キャパシタの静電容量を制御して、前記等価容量型アクチュエータへの印加電圧を調整することを特徴とする。
この駆動装置は、等価容量型アクチュエータと可変キャパシタとの接続箇所における電圧と、可変キャパシタの静電容量とから等価容量型アクチュエータの状態を推定しているため、等価容量型アクチュエータの状態を検知するためのセンサを必要としない。
この駆動装置は、等価容量型アクチュエータと可変キャパシタとの接続箇所における電圧と、可変キャパシタの静電容量とから等価容量型アクチュエータの状態を推定しているため、等価容量型アクチュエータの状態を検知するためのセンサを必要としない。
また、本発明の駆動装置では、前記制御手段が、前記推定手段を兼ねることができる。
制御手段は、可変キャパシタを自ら制御しているため、その静電容量が既知であり、等価容量型アクチュエータと可変キャパシタとの接続箇所における電圧を知ることで、等価容量型アクチュエータの状態を推定することができる。
制御手段は、可変キャパシタを自ら制御しているため、その静電容量が既知であり、等価容量型アクチュエータと可変キャパシタとの接続箇所における電圧を知ることで、等価容量型アクチュエータの状態を推定することができる。
また、本発明の駆動装置では、前記定電圧源を、直流高電圧を出力する直流定電圧源と、前記直流高電圧に高周波の交流電圧を重畳する交流電圧源とで構成し、前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧を扱い易い低電圧に変換して前記推定手段に出力する電圧変換手段を備えるように構成することができる。
この駆動装置では、等価容量型アクチュエータの状態を推定する際に、高電圧を扱う必要が無いため、処理が容易である。
この駆動装置では、等価容量型アクチュエータの状態を推定する際に、高電圧を扱う必要が無いため、処理が容易である。
また、本発明の駆動装置では、前記定電圧源を、直流高電圧を出力する直流定電圧源と、前記直流高電圧に高周波の交流電圧を重畳する交流電圧源とで構成し、前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧を扱い易い低電圧に変換して前記制御手段に出力する電圧変換手段を備えるように構成することができる。
この駆動装置では、等価容量型アクチュエータの状態を推定し、且つ、可変キャパシタの静電容量を制御する制御手段に対して低電圧が入力するため、制御手段における処理が容易となる。
この駆動装置では、等価容量型アクチュエータの状態を推定し、且つ、可変キャパシタの静電容量を制御する制御手段に対して低電圧が入力するため、制御手段における処理が容易となる。
また、本発明の駆動装置では、前記電圧変換手段を、前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧から高周波成分を取出すハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタが取出した高周波成分を検波して出力する検波回路とで構成することができる。
高周波が重畳された高電圧は、ハイパスフィルタ及び検波回路により、扱い易い電圧に変換される。
高周波が重畳された高電圧は、ハイパスフィルタ及び検波回路により、扱い易い電圧に変換される。
また、本発明の駆動装置では、前記等価容量型アクチュエータが静電アクチュエータの場合、前記推定手段は、前記静電アクチュエータの変位量を推定する。
制御手段は、静電アクチュエータの変位量が目標値と一致するように可変キャパシタの静電容量を制御する。
制御手段は、静電アクチュエータの変位量が目標値と一致するように可変キャパシタの静電容量を制御する。
また、本発明の駆動装置では、前記等価容量型アクチュエータが圧電アクチュエータの場合、前記推定手段は、前記圧電アクチュエータの変位量を推定する。
制御手段は、圧電アクチュエータの変位量が目標値と一致するように可変キャパシタの静電容量を制御する。
制御手段は、圧電アクチュエータの変位量が目標値と一致するように可変キャパシタの静電容量を制御する。
また、本発明の等価容量型アクチュエータの駆動方法は、等価容量型アクチュエータに可変キャパシタを直列接続し、直列接続した前記等価容量型アクチュエータ及び可変キャパシタの両端に定電圧を印加し、前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧であって、前記等価容量型アクチュエータの両端の電位差に相当する電圧と、前記可変キャパシタの静電容量とから前記等価容量型アクチュエータの変位量を推定し、推定結果に基づいて前記可変キャパシタの静電容量を制御して前記等価容量型アクチュエータへの印加電圧を調整することにより前記等価容量型アクチュエータの変位量を制御することを特徴とする。
この駆動方法では、等価容量型アクチュエータと可変キャパシタとが直列接続された接続箇所の電圧と可変キャパシタの静電容量とから等価容量型アクチュエータの状態を推定しているため、等価容量型アクチュエータの状態を検知するセンサが必要でない。
この駆動方法では、等価容量型アクチュエータと可変キャパシタとが直列接続された接続箇所の電圧と可変キャパシタの静電容量とから等価容量型アクチュエータの状態を推定しているため、等価容量型アクチュエータの状態を検知するセンサが必要でない。
また、本発明の等価容量型アクチュエータの駆動方法は、等価容量型アクチュエータに可変キャパシタを直列接続し、直列接続した前記等価容量型アクチュエータ及び可変キャパシタの両端に高周波の交流電圧を重畳した定電圧を印加し、前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧であって、前記等価容量型アクチュエータの両端の電位差に相当する電圧を扱い易い低電圧に変換し、前記低電圧と前記可変キャパシタの静電容量とから前記等価容量型アクチュエータの変位量を推定し、推定結果に基づいて前記可変キャパシタの静電容量を制御して前記等価容量型アクチュエータへの印加電圧を調整することにより前記等価容量型アクチュエータの変位量を制御することを特徴とする。
この駆動方法では、等価容量型アクチュエータの状態を推定する際に、高電圧を扱う必要が無いため、処理が容易である。
この駆動方法では、等価容量型アクチュエータの状態を推定する際に、高電圧を扱う必要が無いため、処理が容易である。
また、本発明の駆動方法では、前記低電圧を得るために、前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧の高周波成分をハイパスフィルタで取出し、前記ハイパスフィルタで取出した高周波成分を検波回路で検波することが好ましい。
この駆動方法では、等価容量型アクチュエータと可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の高電圧が、ハイパスフィルタ及び検波回路により扱い易い電圧に変換されるため、等価容量型アクチュエータの状態の検知が容易となる。
この駆動方法では、等価容量型アクチュエータと可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の高電圧が、ハイパスフィルタ及び検波回路により扱い易い電圧に変換されるため、等価容量型アクチュエータの状態の検知が容易となる。
本発明により、センサ無しで等価容量型アクチュエータを駆動することが可能となり、コストの低減を図ることができる。また、センサの取付けスペースや配線用スペースが不要になり、取付け作業や配線作業の作業負担からも解放される。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る静電浮上装置の駆動機構の等価回路、図２は、この駆動機構を備えた静電浮上装置、図３は、静電アクチュエータの電極を１対だけ表示した静電浮上装置の模式図である。
この静電浮上装置は、図１の等価回路に示すように、静電アクチュエータ２０と、静電アクチュエータ２０に直列接続した可変キャパシタ３０と、直列接続した静電アクチュエータ２０及び可変キャパシタ３０の両端に一定の直流高電圧を印加する定電圧源１０と、静電アクチュエータ２０と可変キャパシタ３０との接続箇所における電圧と可変キャパシタ３０の静電容量とから静電アクチュエータ２０の状態を推定する推定手段６０と、推定手段６０の推定結果に基づいて可変キャパシタ３０の静電容量を制御するコントローラ（制御手段）５０とを有している。
この静電浮上装置は、図２に示すように、浮上体２３を安定的に浮上させるため、静電アクチュエータ２０が４対の電極２１、２２を具備しており、各電極対の各々に対して図１の等価回路が構成される。
図１は、第１の実施形態に係る静電浮上装置の駆動機構の等価回路、図２は、この駆動機構を備えた静電浮上装置、図３は、静電アクチュエータの電極を１対だけ表示した静電浮上装置の模式図である。
この静電浮上装置は、図１の等価回路に示すように、静電アクチュエータ２０と、静電アクチュエータ２０に直列接続した可変キャパシタ３０と、直列接続した静電アクチュエータ２０及び可変キャパシタ３０の両端に一定の直流高電圧を印加する定電圧源１０と、静電アクチュエータ２０と可変キャパシタ３０との接続箇所における電圧と可変キャパシタ３０の静電容量とから静電アクチュエータ２０の状態を推定する推定手段６０と、推定手段６０の推定結果に基づいて可変キャパシタ３０の静電容量を制御するコントローラ（制御手段）５０とを有している。
この静電浮上装置は、図２に示すように、浮上体２３を安定的に浮上させるため、静電アクチュエータ２０が４対の電極２１、２２を具備しており、各電極対の各々に対して図１の等価回路が構成される。
図３は、この静電アクチュエータ２０における電極２１、２２の表示を１対に省略した静電浮上装置を示している。
この装置は、浮上体２３を静電力で浮上させる静電アクチュエータ２０の電極２１、２２と、可変キャパシタ３０を構成する固定電極３２及び可動電極３１と、可動電極３１を可動するボイスコイルモータ（ＶＣＭ）３３と、一定の高電圧を発生する定電圧源１０と、静電アクチュエータ２０と可変キャパシタ３０との接続箇所における電圧と可変キャパシタ３０の静電容量とから静電アクチュエータ２０の変位量を推定する推定手段６０と、推定手段６０から入力する信号に基づいて可変キャパシタ３０を制御するコントローラ５０とを備えている。
定電圧源１０は、静電アクチュエータ２０の電極２１と可変キャパシタ３０の可動電極３１との間に一定の高電圧を印加する。
また、コントローラ５０は、推定手段６０の推定結果に基づいてＶＣＭ３３を駆動し、可変キャパシタ３０の可動電極３１を可動して固定電極３２との距離を変え、可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvを制御する。
この装置は、浮上体２３を静電力で浮上させる静電アクチュエータ２０の電極２１、２２と、可変キャパシタ３０を構成する固定電極３２及び可動電極３１と、可動電極３１を可動するボイスコイルモータ（ＶＣＭ）３３と、一定の高電圧を発生する定電圧源１０と、静電アクチュエータ２０と可変キャパシタ３０との接続箇所における電圧と可変キャパシタ３０の静電容量とから静電アクチュエータ２０の変位量を推定する推定手段６０と、推定手段６０から入力する信号に基づいて可変キャパシタ３０を制御するコントローラ５０とを備えている。
定電圧源１０は、静電アクチュエータ２０の電極２１と可変キャパシタ３０の可動電極３１との間に一定の高電圧を印加する。
また、コントローラ５０は、推定手段６０の推定結果に基づいてＶＣＭ３３を駆動し、可変キャパシタ３０の可動電極３１を可動して固定電極３２との距離を変え、可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvを制御する。
静電アクチュエータ２０と可変キャパシタ３０との接続箇所における電位は、図１の等価回路から明らかなように、静電アクチュエータ２０の電極２２と同電位であり、これは静電アクチュエータ２０の接地された電極２１と電極２２との間の電位差Ｖaに相当し、（数１)の関係を有している。
一方、静電アクチュエータ２０の静電容量をＣa、誘電率（一定）をε0、電極面積（一定）をＳ、浮上体２３と電極２１、２２とのエアーギャップをｄaとすると、
Ｃa＝ε0Ｓ／ｄa （数２）
の関係を有している。そのため、（数１）及び（数２）から、
ｄa＝ε0ＳＶa／｛Ｃv（Ｅ−Ｖa）｝ （数３）
となる。
一方、静電アクチュエータ２０の静電容量をＣa、誘電率（一定）をε0、電極面積（一定）をＳ、浮上体２３と電極２１、２２とのエアーギャップをｄaとすると、
Ｃa＝ε0Ｓ／ｄa （数２）
の関係を有している。そのため、（数１）及び（数２）から、
ｄa＝ε0ＳＶa／｛Ｃv（Ｅ−Ｖa）｝ （数３）
となる。
ここで、ε0、Ｓ、Ｅは一定であり、Ｃvは、コントローラ５０がＶＣＭ３３を駆動して設定した可変キャパシタ３０の静電容量である。そのため、推定手段６０は、可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvを知り、また、静電アクチュエータ２０と可変キャパシタ３０との接続箇所における電位Ｖaを知ることにより、浮上体２３と電極２１、２２とのエアーギャップｄaを推定することが可能になる。
推定手段６０は、推定したエアーギャップｄaをコントローラ５０に出力し、コントローラ５０は、このｄaが目標値と一致するようにＶＣＭ３３を駆動し、可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvを制御する。可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvが変わると、静電アクチュエータ２０の電極２１と電極２２との間の電位差Ｖaが変化し、浮上体２３と電極２１、２２とのエアーギャップｄaが変化する。
推定手段６０は、推定したエアーギャップｄaをコントローラ５０に出力し、コントローラ５０は、このｄaが目標値と一致するようにＶＣＭ３３を駆動し、可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvを制御する。可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvが変わると、静電アクチュエータ２０の電極２１と電極２２との間の電位差Ｖaが変化し、浮上体２３と電極２１、２２とのエアーギャップｄaが変化する。
図４は、図３のＶＣＭ３３に三角波信号を入力して可変キャパシタ３０の可動電極３１と固定電極３２との距離ｄvを変えたときの可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvの変化（ａ）と、静電アクチュエータ２０の浮上体２３に作用する静電力Ｆの変化（ｂ）とを示している。なお、ここでは、浮上体２３と電極２１、２２との距離の変化を測定する代わりに、測定の容易さから、浮上体２３と電極２１、２２との距離が変わらないように設定して、浮上体２３に加わる力の変化を測定している。
図４から明らかなように、可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvを制御することにより、静電アクチュエータ２０の浮上体２３に作用する静電力Ｆを制御することができ、従って、浮上体２３と電極２１、２２との距離を制御することができる。
図４から明らかなように、可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvを制御することにより、静電アクチュエータ２０の浮上体２３に作用する静電力Ｆを制御することができ、従って、浮上体２３と電極２１、２２との距離を制御することができる。
このように、この装置は、静電アクチュエータ２０と可変キャパシタ３０とを直列接続した接続箇所の電圧と、可変キャパシタ３０の静電容量とに基づいて静電アクチュエータ２０の変位量を推定しているため、静電アクチュエータ２０の状態を検知するセンサを必要としない。
そのため、センサに要するコストを引き下げることができる。また、センサを使用しないから、センサの取付けや配線のためのスペースが不要であり、取付けや配線の作業負担からも解放される。
そのため、センサに要するコストを引き下げることができる。また、センサを使用しないから、センサの取付けや配線のためのスペースが不要であり、取付けや配線の作業負担からも解放される。
なお、ここでは、説明の都合上、推定手段６０を設けているが、コントローラは、自身が設定した可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvについて既知であるため、図５に示すように、静電アクチュエータ２０と可変キャパシタ３０との接続箇所における電位Ｖaをコントローラ５２に直接入力して、浮上体２３と電極２１、２２とのエアーギャップｄaを推定する推定手段６０の動作をコントローラ５２自身が行うようにしても良い。
また、ここでは、可変キャパシタ２０の電極間の距離を変えるためにＶＣＭ３３を使用しているが、その他の可動手段を用いても良い。また、可変キャパシタの電極間の対向面積を変えることで可変キャパシタの静電容量を制御するようにしても良い。
また、ここでは、可変キャパシタ２０の電極間の距離を変えるためにＶＣＭ３３を使用しているが、その他の可動手段を用いても良い。また、可変キャパシタの電極間の対向面積を変えることで可変キャパシタの静電容量を制御するようにしても良い。
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、圧電アクチュエータの駆動装置について説明する。
図６は、圧電アクチュエータを用いた位置決め装置の等価回路である。
この駆動装置は、図６に示すように、圧電アクチュエータ７０と、圧電アクチュエータ７０に直列接続した可変キャパシタ３０と、直列接続した圧電アクチュエータ７０及び可変キャパシタ３０の両端に一定の直流高電圧を印加する定電圧源１０と、圧電アクチュエータ７０と可変キャパシタ３０との接続箇所における電圧と可変キャパシタ３０の静電容量とから圧電アクチュエータ７０の状態を推定する推定手段６２と、推定手段６２の推定結果に基づいて可変キャパシタ３０の静電容量を制御するコントローラ５４とを有している。
第２の実施形態では、圧電アクチュエータの駆動装置について説明する。
図６は、圧電アクチュエータを用いた位置決め装置の等価回路である。
この駆動装置は、図６に示すように、圧電アクチュエータ７０と、圧電アクチュエータ７０に直列接続した可変キャパシタ３０と、直列接続した圧電アクチュエータ７０及び可変キャパシタ３０の両端に一定の直流高電圧を印加する定電圧源１０と、圧電アクチュエータ７０と可変キャパシタ３０との接続箇所における電圧と可変キャパシタ３０の静電容量とから圧電アクチュエータ７０の状態を推定する推定手段６２と、推定手段６２の推定結果に基づいて可変キャパシタ３０の静電容量を制御するコントローラ５４とを有している。
圧電アクチュエータ７０に印加する電圧を増加させると、圧電アクチュエータ７０は伸び、逆に、印加電圧を減少させると縮む。圧電アクチュエータ７０の変位量（伸び・縮みの大きさ）は、単調増加または単調減少であるが、同じ電圧を印加しても増加時と減少時とでは変位量が異なる。これはヒステリシスまたは履歴現象と呼ばれており、圧電アクチュエータを使用する場合の大きな問題となっている。
通常の圧電アクチュエータの駆動方法では、レーザ測長器、静電容量型変位センサまたは歪みゲージで圧電アクチュエータの変位を検出し、フィードバックすることによってヒステリシスを低減している。
通常の圧電アクチュエータの駆動方法では、レーザ測長器、静電容量型変位センサまたは歪みゲージで圧電アクチュエータの変位を検出し、フィードバックすることによってヒステリシスを低減している。
一方、圧電アクチュエータ７０の変位Ｄaは、圧電アクチュエータ７０への注入電荷Ｑaに対しては、ヒステリシスがなく、比例する。即ち、
Ｄa＝ＫaＱa （数４）
の関係がある。Ｋaは比例定数である。
図６の等価回路では、圧電アクチュエータ７０への注入電荷Ｑaは、直列に接続した可変キャパシタンス３０の電極に蓄えられる電荷量Ｑvと等しくなる。即ち、
Ｑa＝Ｑv （数５）
の関係にある。
ここで、電荷量Ｑvは、
Ｑv＝ＣvＶv＝Ｃv（Ｅ−Ｖa） （数６）
と表される。（数４）〜（数６）から、次式が得られる。
Ｄa＝ＫaＣv（Ｅ−Ｖa）
Ｃvは、コントローラ５４が設定した可変キャパシタ３０の静電容量である。そのため、推定手段６２は、Ｖaを知ることにより、このＶaと可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvとに基づいて圧電アクチュエータ７０の変位量Ｄaを推定することが可能になる。
Ｄa＝ＫaＱa （数４）
の関係がある。Ｋaは比例定数である。
図６の等価回路では、圧電アクチュエータ７０への注入電荷Ｑaは、直列に接続した可変キャパシタンス３０の電極に蓄えられる電荷量Ｑvと等しくなる。即ち、
Ｑa＝Ｑv （数５）
の関係にある。
ここで、電荷量Ｑvは、
Ｑv＝ＣvＶv＝Ｃv（Ｅ−Ｖa） （数６）
と表される。（数４）〜（数６）から、次式が得られる。
Ｄa＝ＫaＣv（Ｅ−Ｖa）
Ｃvは、コントローラ５４が設定した可変キャパシタ３０の静電容量である。そのため、推定手段６２は、Ｖaを知ることにより、このＶaと可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvとに基づいて圧電アクチュエータ７０の変位量Ｄaを推定することが可能になる。
推定手段６２は、推定した変位量Ｄaをコントローラ５４に出力する。コントローラ５４は、変位量Ｄaが目標値と一致するようにＶＣＭ３３を駆動して、可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvを制御する。可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvが変わると、圧電アクチュエータ７０に印加される電圧Ｖaが変化し、変位量Ｄaが目標値に一致する。
このように、この駆動装置は、ヒステリシスの影響を受けずに、圧電アクチュエータ７０を高精度に駆動することが可能である。
このように、この駆動装置は、ヒステリシスの影響を受けずに、圧電アクチュエータ７０を高精度に駆動することが可能である。
また、この駆動装置においても、第１の実施形態（図５）と同様、図７に示すように、コントローラ５４が推定手段６２を兼ねるように構成することができる。
（第３の実施形態）
図１の駆動装置は、静電アクチュエータ２０と可変キャパシタ３０との接続箇所における電位Ｖaに基づいて静電アクチュエータ２０の変位量を推定しているが、Ｖaは高電圧であるため、測定が難しい。第３の実施形態の駆動装置は、この点を改良している。
図８は、第３の実施形態に係る静電浮上装置の等価回路、図９は、静電アクチュエータの電極を１対だけ表示した静電浮上装置の模式図、図１０は、図９の静電浮上装置の各箇所の信号波形を示す図である。
図１の駆動装置は、静電アクチュエータ２０と可変キャパシタ３０との接続箇所における電位Ｖaに基づいて静電アクチュエータ２０の変位量を推定しているが、Ｖaは高電圧であるため、測定が難しい。第３の実施形態の駆動装置は、この点を改良している。
図８は、第３の実施形態に係る静電浮上装置の等価回路、図９は、静電アクチュエータの電極を１対だけ表示した静電浮上装置の模式図、図１０は、図９の静電浮上装置の各箇所の信号波形を示す図である。
図８に示すように、この装置は、静電アクチュエータ２０、可変キャパシタ３０、定電圧源１０の他に、定電圧源１０が発生する直流高電圧に高周波の交流電圧を重畳する交流電圧源１１を備え、また、静電アクチュエータ２０及び可変キャパシタ３０の接続箇所の電圧から高周波成分を取出すハイパスフィルタ４１と、ハイパスフィルタ４１で取出された高周波成分を検波する検波回路４２とから成る電圧変換手段４０を備え、さらに、検波回路４２から入力する信号に基づいて静電アクチュエータ２０の変位量を推定する推定手段６１、及び、推定手段６１から入力する信号に基づいて可変キャパシタ３０の静電容量を制御するコントローラ５１を備えている。
交流電圧源１１は、定電圧源１０が発生するキロボルトオーダの高電圧に対して、例えば３０Ｖp-p、５ｋＨｚの交流電圧を重畳する。
ハイパスフィルタ４１は、静電アクチュエータ２０及び可変キャパシタ３０の接続箇所の電圧の交流成分だけを通し、直流成分を含む低周波成分の通過を阻止する。
検波回路４２は、ダイオード、コンデンサ、抵抗などを用いて構成され、ハイパスフィルタ４１を通過した信号を検波する。
図９は、図３に対応するものであり、図３に比べて、交流電圧源１１が追加され、さらに、推定手段６１の前にハイパスフィルタ４１及び検波回路４２から成る電圧変換手段４０が追加されている。
ハイパスフィルタ４１は、静電アクチュエータ２０及び可変キャパシタ３０の接続箇所の電圧の交流成分だけを通し、直流成分を含む低周波成分の通過を阻止する。
検波回路４２は、ダイオード、コンデンサ、抵抗などを用いて構成され、ハイパスフィルタ４１を通過した信号を検波する。
図９は、図３に対応するものであり、図３に比べて、交流電圧源１１が追加され、さらに、推定手段６１の前にハイパスフィルタ４１及び検波回路４２から成る電圧変換手段４０が追加されている。
図１０に示すように、交流電圧源１１は、３０Ｖp-p、５ｋＨｚの交流電圧（ａ）を出力し、この交流電圧が、定電圧源１０から発生される直流高電圧に重畳される。
静電アクチュエータ２０において浮上体２３の変位が（ｂ）のように変動したとすると，電極２１、２２間の容量Ｃaも変動するので，静電アクチュエータ２０及び可変キャパシタ３０の接続箇所における“交流電圧が重畳された高電圧”も同様に変動する。
ハイパスフィルタ４１は、この静電アクチュエータ２０及び可変キャパシタ３０の接続箇所における電圧から高周波成分（ｃ）を取出す。
検波回路４２では、ダイオードなどを用いてハイパスフィルタ４１の出力の＋成分を抽出し、その波形をコンデンサなどを用いて平滑化する。そのため、検波回路４２からは電圧（ｄ）が出力される。
静電アクチュエータ２０において浮上体２３の変位が（ｂ）のように変動したとすると，電極２１、２２間の容量Ｃaも変動するので，静電アクチュエータ２０及び可変キャパシタ３０の接続箇所における“交流電圧が重畳された高電圧”も同様に変動する。
ハイパスフィルタ４１は、この静電アクチュエータ２０及び可変キャパシタ３０の接続箇所における電圧から高周波成分（ｃ）を取出す。
検波回路４２では、ダイオードなどを用いてハイパスフィルタ４１の出力の＋成分を抽出し、その波形をコンデンサなどを用いて平滑化する。そのため、検波回路４２からは電圧（ｄ）が出力される。
推定手段６１は、検波回路４２の出力電圧（ｄ）と可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvとから浮上体２３と電極２１、２２とのエアーギャップｄaを推定し、コントローラ５１に出力する。コントローラ５１は、推定手段６１から入力する信号に基づいて可変キャパシタ３０の静電容量を制御する。
このとき、推定手段６１が推定に用いる検波回路４２の出力電圧（ｄ）は、３０Ｖのレベルであり、ハイパスフィルタ４１及び検波回路４２により、扱い易い電圧に変換されている。
このとき、推定手段６１が推定に用いる検波回路４２の出力電圧（ｄ）は、３０Ｖのレベルであり、ハイパスフィルタ４１及び検波回路４２により、扱い易い電圧に変換されている。
なお、この場合も、第１の実施形態と同様に、コントローラは、自身が設定した可変キャパシタ３０の静電容量Ｃvについて既知であるため、図１１に示すように、静電アクチュエータ２０及び可変キャパシタ３０の接続箇所の電圧から高周波成分を取出すハイパスフィルタ４１と、ハイパスフィルタ４１で取出された高周波成分を検波する検波回路４２とから成る電圧変換手段４０を設けて、検波回路４２の出力をコントローラ５３に直接入力し、推定手段６１の動作をコントローラ５３自身が行うようにしても良い。
図１２は、静電アクチュエータ２０における浮上体２３の変位と検波回路４２の出力電圧との関係を測定した結果を示している。図１２の縦軸は検波回路４２の出力電圧を示し、横軸は、静電アクチュエータ２０の電極２１、２２と浮上体２３とのギャップを示している。
このように、この装置では、静電アクチュエータ２０と可変キャパシタ３０とを直列接続した接続箇所の高電圧が、ハイパスフィルタ４１及び検波回路４２により扱い易い電圧に変換されているため、静電アクチュエータ２０の状態（浮上体２３の変位）の検知が容易である。
ここでは、静電アクチュエータの駆動について説明したが、第２の実施形態に示す圧電アクチュエータの駆動装置にも適用できる。
ここでは、静電アクチュエータの駆動について説明したが、第２の実施形態に示す圧電アクチュエータの駆動装置にも適用できる。
また、ここでは、高周波を重畳した高電圧を扱い易い低電圧に変換するためにハイパスフィルタ４１及び検波回路４２を用いているが、その他の変圧手段や整流手段を組み合わせて用いても良い。
本発明の等価容量型アクチュエータの駆動装置及び駆動方法は、低コスト、高電圧・大電流出力、高速応答性、等の有用性を備えており、半導体製造システム、極微小領域計測システム、超精密加工・組立システム、マイクロマシン等、幅広い分野で利用することができる。
１０ 定電圧源
１１ 交流電圧源
２０ 静電アクチュエータ
２１ 静電アクチュエータの電極
２２ 静電アクチュエータの電極
２３ 浮上体
３０ 可変キャパシタ
３１ 可変キャパシタの可動電極
３２ 可変キャパシタの固定電極
３３ ＶＣＭ
４０ 電圧変換手段
４１ ハイパスフィルタ
４２ 検波回路
５０ コントローラ（制御手段）
５１ コントローラ
５２ コントローラ
５３ コントローラ
５４ コントローラ
５５ コントローラ
６０ 推定手段
６１ 推定手段
６２ 推定手段
７０ 圧電アクチュエータ
１１０ 定電圧源
１２０ 等価容量型アクチュエータ
１２１ 静電アクチュエータの電極
１２２ 静電アクチュエータの電極
１２３ 浮上体
１３０ 可変キャパシタ
１３１ 可変キャパシタの可動電極
１３２ 可変キャパシタの固定電極
１３３ ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）
１４０ ギャップセンサ
１１ 交流電圧源
２０ 静電アクチュエータ
２１ 静電アクチュエータの電極
２２ 静電アクチュエータの電極
２３ 浮上体
３０ 可変キャパシタ
３１ 可変キャパシタの可動電極
３２ 可変キャパシタの固定電極
３３ ＶＣＭ
４０ 電圧変換手段
４１ ハイパスフィルタ
４２ 検波回路
５０ コントローラ（制御手段）
５１ コントローラ
５２ コントローラ
５３ コントローラ
５４ コントローラ
５５ コントローラ
６０ 推定手段
６１ 推定手段
６２ 推定手段
７０ 圧電アクチュエータ
１１０ 定電圧源
１２０ 等価容量型アクチュエータ
１２１ 静電アクチュエータの電極
１２２ 静電アクチュエータの電極
１２３ 浮上体
１３０ 可変キャパシタ
１３１ 可変キャパシタの可動電極
１３２ 可変キャパシタの固定電極
１３３ ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）
１４０ ギャップセンサ
Claims (10)
- 等価容量型アクチュエータと、
前記等価容量型アクチュエータに直列接続した可変キャパシタと、
直列接続した前記等価容量型アクチュエータ及び可変キャパシタの両端に電圧を印加する定電圧源と、
前記等価容量型アクチュエータの変位量を制御するために、前記可変キャパシタの静電容量を変えて前記等価容量型アクチュエータの印加電圧を調整する制御手段と、を備える等価容量型アクチュエータの駆動装置であって、
前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧であって、前記等価容量型アクチュエータの両端の電位差に相当する電圧と、前記可変キャパシタの静電容量とから前記等価容量型アクチュエータの変位量を推定する推定手段を備え、
前記制御手段が、前記推定手段の推定結果に基づいて前記可変キャパシタの静電容量を制御して、前記等価容量型アクチュエータへの印加電圧を調整することを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。 - 請求項１に記載の等価容量型アクチュエータの駆動装置であって、前記制御手段が、前記推定手段を兼ねることを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
- 請求項１に記載の等価容量型アクチュエータの駆動装置であって、前記定電圧源が、直流高電圧を出力する直流定電圧源と、前記直流高電圧に高周波の交流電圧を重畳する交流電圧源とから成り、前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧を扱い易い低電圧に変換して前記推定手段に出力する電圧変換手段を有することを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
- 請求項２に記載の等価容量型アクチュエータの駆動装置であって、前記定電圧源が、直流高電圧を出力する直流定電圧源と、前記直流高電圧に高周波の交流電圧を重畳する交流電圧源とから成り、前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧を扱い易い低電圧に変換して前記制御手段に出力する電圧変換手段を有することを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
- 請求項３または４に記載の等価容量型アクチュエータの駆動装置であって、前記電圧変換手段が、前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧から高周波成分を取出すハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタが取出した高周波成分を検波して出力する検波回路とを備えることを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
- 請求項１から５のいずれかに記載の駆動装置であって、前記等価容量型アクチュエータが静電アクチュエータであり、前記推定手段が、前記静電アクチュエータの変位量を推定することを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
- 請求項１から５のいずれかに記載の駆動装置であって、前記等価容量型アクチュエータが圧電アクチュエータであり、前記推定手段が、前記圧電アクチュエータの変位量を推定することを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
- 等価容量型アクチュエータに可変キャパシタを直列接続し、
直列接続した前記等価容量型アクチュエータ及び可変キャパシタの両端に定電圧を印加し、
前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧であって、前記等価容量型アクチュエータの両端の電位差に相当する電圧と、前記可変キャパシタの静電容量とから前記等価容量型アクチュエータの変位量を推定し、
推定結果に基づいて前記可変キャパシタの静電容量を制御して前記等価容量型アクチュエータへの印加電圧を調整することにより前記等価容量型アクチュエータの変位量を制御することを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動方法。 - 等価容量型アクチュエータに可変キャパシタを直列接続し、
直列接続した前記等価容量型アクチュエータ及び可変キャパシタの両端に高周波の交流電圧を重畳した定電圧を印加し、
前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧であって、前記等価容量型アクチュエータの両端の電位差に相当する電圧を扱い易い低電圧に変換し、
前記低電圧と前記可変キャパシタの静電容量とから前記等価容量型アクチュエータの変位量を推定し、
推定結果に基づいて前記可変キャパシタの静電容量を制御して前記等価容量型アクチュエータへの印加電圧を調整することにより前記等価容量型アクチュエータの変位量を制御することを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動方法。 - 請求項９に記載の等価容量型アクチュエータの駆動方法であって、前記低電圧を得るために、前記等価容量型アクチュエータと前記可変キャパシタとを直列接続した接続箇所の電圧の高周波成分をハイパスフィルタで取出し、前記ハイパスフィルタで取出した高周波成分を検波回路で検波することを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動方法。
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