JPH02211078A - 静電形アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、微小位置決め用アクチュエータに係り、超小
形光ヘッドなどを精密に位置決めするのに好適な静電力
応用のアクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

従来の微小位置決め用小形アクチュエータとしては、特
開昭６２−２６２２３３号に記載のように、チタン酸ジ
ルコン酸鉛などのような圧電物質に電圧を印加する時に
変位が発生する圧電効果を利用したものが主であった。

一方静電力を応用したアクチュエータとしては。

センサーズ　アンド　アクチュエーターズ、１１巻、第
２号、（１９８７年）１８９頁から２０６頁（Ｓａｎｇ
ｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｖｓ、　Ｖ　ｏ　ｎ　
１１　、　Ｎｕ　２（１９８７）　ｐ　ｐ　１８９〜２
０６）において論じられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術のうち、圧電素子応用のものは圧電素子の
変位量が極めて小さく、精密な位置決め許容範囲が小さ
い問題があった。市販されている圧電素子の例では１０
μｍの変位をさせるためには、１０■程度の長さが必要
であり、アクチュエータ全体の大きさは圧電素子の寸法
の２倍程度必要なことを考慮すると、大きすぎて１■程
度の寸法を目標としている超小形光ヘッドのアクチュエ
−夕としては大きすぎる。

一方、静電アクチュエータの例では、回転モータへ適用
しており、２次元方向へ負荷物体を駆動するための２次
元アクチュエータや、更に高次元のアクチュエータへ適
用する場合↓こついては配慮されていない、また摩擦力
の影響を排除する点についても配慮されていない。

本発明は、光ヘッド等の精密位置決めに十分な変位を発
生させることのできる摩擦のない小形軽址のアクチュエ
ータを提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、平面上に複数の電極を設けた平板を小さな
間隔を隔てて平行に対向して配置し、−方の平板を固定
、他方の平板を柔らかなばね部材で可動に支持し、対向
する固定電極と可動電極の対の間に電圧を印加する構造
とし、ｘ、ｙ、ｚの各軸のうち必要な方向の、正、負方
向に上記電極の対を配置し、各電極対に印加する電圧を
制御することにより、任意の方向へ可動部を変位させる
ことができる。上記静電力発生用の電極は極めて薄い金
属膜で構成できるため力発生部の重量はほとんど無視で
きる。また電極の変位方向寸法を必要な変位より少し大
きくすることにより、必要変位を取ることができる。

〔作用〕

第６図に示すように同一形状の短冊状電極１０゜１１が
あり、電極１０がＸ方向に少しずれている場合、電極１
１に作用する力は下記め式で表わされる。ここでΩはＹ
方向の電極が重なった部分の長さ、ＷはＸ方向の電極が
重なった部分の長さ。

ｈは電極間のＺ方向の間隔、■は電極間に作用している
電圧、εは電極間の空間の誘電率である。

Ｘ方向の力をＦＸ、Ｚ方向の力をＦＸで表わす。

　　　　ｈ 　ｈ （２）式によれば電極板間の吸引力により可動電極が変
位すると電極板間の間隔りが小さくなるため、発生する
力Ｆｚを電圧だけでは制御できない。

一方（１）式より横方向の駆動力ＦＸは電圧Ｖのみで決
定できるので、精密な制御を行なうには横方向の駆動力
を用いた方がやり易い、しかし、一般に電極の重なり量
Ｗより間隔りを小さく取るので、力の大きさは吸引力Ｆ
ｚの方が横方向駆動力Ｆｘより大きい、横方向駆動力Ｆ
Ｘは電極の重なり量Ｗに依存しないことを利用して、電
極の重なり量Ｗを必要最小限とし、第６図と同様の電極
対を複数組設ければ、一定面積内で発生する横方向駆動
力を大きくすることができる。又、第７図のように隣接
する電極を異符号の極性にし、下部電極２１ａ、２１ｂ
を固定、上部電極２０ａ、２０ｂを可動の状態にすると
力の作用は、電極２０ａと２１ｃ間では矢印ａ方向に作
用する。ここで力の大きさに矢印の長さを表示する。こ
の力をｘ、ｚ方向成分に分けると矢印ａＸ、ａＺのよう
になる。

同様に、電極２０ｂと２１ｂ間でもＸ、Ｚ方向にそれぞ
れ矢印ｂｘ、ｂｚの長さだけ力が作用する。

これら２対の電極間においては、上部電極にはＸ。

２それぞれの負方向に力が作用する。又、これに対し、
電極２０ａと２１ｂ間では矢印ａｂ力方向、電極２１ａ
と２０ｂ間では矢印ｂａ力方向力が作用する。この２つ
の力の大小は、電極の幅に対して、隣接する電極間のピ
ッチをできるだけ小さくし、電極２０ａと２０ｂの中央
に電極２１ｂを配置すれば、電極２０ａと２ｉｂ間に作
用する力ａｂは、力ａ及びｂと同等の力が作用し、電極
２０ｂと２１ｃ間に作用する力はそれに比べて小さくで
きる。同様に電極２０ｂ、２１ｃでも力ａｂと同等の力
ｂｅが作用する０以上により、上部電極２０ａと２０ｂ
に作用する全体の力は横方向の力をＦに、上下方向の力
をＦｘで表わせば次式のようになる。

Ｆｘ＝ａＸ＋ｂＸ＋　（ａｂａ）Ｘ　　　　　＝（３）
Ｆｘ＝ａ　Ｚ＋ｂ　Ｚ　−（ａ　ｂ　ａ）　Ｚ　　　　
　−（４）上式の最後の項の添字はＸ、Ｚの成分を表わ
す。

上式より、上部電極には、Ｘの負方向と、Ｚの負方向に
、力が作用する。

次に電極の位置をそのままにして、上部電極の各抵抗を
変えずに、下部各電極の極性を入れ変えた場合の力の作
用を第８図に示す、電極２０ａと２１ａ間では矢印ａ′
の力、電極２０ｂと２１ｂ間では矢印ｂ′の力、電極２
０ａと２１ｂ間、電極２０ｂと２１ａ間の合成した力は
矢印ａ′　ｂ′ａ′に作用するので、上部型［１２０ａ
、２０ｂにはＸの正方向のＺの正方向に力が作用するこ
とになる。

第７図に対し、隣接する電極を同符号の極性にし対向す
る電極を異符号の極性にした場合を、第９図に示す、電
極２０ａと２１ａ間、及び電極２０ｂと２１ｂ間では、
上部電極に第７図の場合と同様にそれぞれ矢印ａ、矢印
す方向に力が作用する。電極２０ａと２１ｂ間では、矢
印ａ′ｂ′電極２０ｂと２１ａ間では、矢印１，１　ａ
／に力が作用し、これら２つの力を合成すると矢印ａ′
ｂ′　ａ′となり、上部電極２０ａ、２０ｂに作用する
力は、横方向の力をＦχ′、上下方向の力をＦｚ’で表
わせば次式のようになる。

Ｆｚ’　＝ａＸ＋ｂＸ−（ａ’　ｂ’　ａ’　）Ｘ　−
（３）’Ｆｚ’　　＝ａＺ＋ｂＺ＋（ａ’　　ｂ’　　
ａ’　　）Ｚ　　−（４）’式（３）　、（４）と式（
３）’　、（４）’　を比べてわかるように、隣接する
電極を異符号の極性にした場合のほうが同符号の極性に
した場合よりも横方向に作用する力が大きくなる。また
、隣接する電極を異符号の極性にすると上部電極あるい
は、下部電極のいずれかの極性を変えるだけで作用する
力の方向を変えることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図から第６図を用いて説
明する。第１図は、Ｘ軸方向に駆動するアクチュエータ
を示す、又、第２図は第１図の組立状態のＸｚ断面図を
示す、絶縁体で作られた可動ホルダ４の下面には可動電
極１ａ、ｌｂが固定されており、小さなすき間りを隔て
て平行に固定電極２８〜２ｈが固定ホルダ５に固定され
ている。

可動ホルダ４と固定ホルダ５はｚ、Ｙ軸方向に剛性が高
く、Ｘ＃力方向剛性が低い支持はね３ａ〜３ｄで支持さ
れている。そのため可動ホルダ４は、下面に固定した可
動電極１ａ、ｌｂと固定電極２ａ〜２ｈの間に吸引力が
作用してもＺ、Ｙ軸方向には変位することなくＸ軸方向
のみに変位する。

可動電極”ｌａ、ｌｂ及び固定電極２ａ、２ｂはＹ軸方
向に細長い短冊状に複数個形成されており。

第２図に示すように、可動電極１ａ、ｌｂ及び固定電極
２ａ、２ｂは、ピッチＰｚを隔てて隣設しており、可動
電極１ａ、ｌｂは、固定電極２ａ。

２ｂに対してＸの負方向にずれており電極重り量ｗ１は
、どの電極対でも一定になる様、配置しである。

電極がＸ方向にずれることにより、２方向の吸引力ある
いは反発力のみだけでなく横方向の力も作用する。又、
可動電極１ａ、ｌｂ及び固定電極２ａ、２ｂは制御器６
により印加する電圧を個別に制御されている。

次に本実施例の動作について説明する。

第２図の状態で、可動ホルダ４をＸの正方向に駆動する
場合、第３図に示すように隣接する電極が異符号の極性
になるように、対向する電極も異符号の極性になるよう
に電圧を印加する。すると可動ホルダ４の下面に設けら
れた可動電極と、固定ホルダの上面に設けられた固定電
極との間で対向するＩ！極対１ａと２８％ｉｂと２ｂで
は、可動電極１ａ、ｌｂにＸの正方向に吸引力が働き。

１ｂと２８．１ａと２ｂでは、Ｘの正方向に反発力が働
き、可動ホルダ４は、Ｘの正方向に移動する。

可動ホルダ４をＸの負方向に駆動する場合は、第３図の
状態で、可動電極１ａ、ｌｂあるいは。

固定電極２ａ、２ｂのいずれかの極性を変えることによ
り行える。

次に、可動ホルダの駆動範囲について説明する。

第３図において可動電極１ａ、１ｂ及び固定電極２ａ、
２ｂの幅をＷ、対向する電極の重り量をＷｌ　、電極の
ピッチをＰｚとすると、Ｘの正方向には、ｙ　−ｗｌ　
、　Ｘの負方向には、Ｗ　１　＋　Ｐ　ｔだけ移動する
ことが可能となる。すなわち、対向する電極が一致すれ
ば、その状態でいくらか電圧を印加しても、横方向の力
は働かない。

第４図（ｂ）には、第４図（ａ）の状態で可動電極１ａ
をＸ方向に少しずつずらした時の、可動電極１ａと対向
するそれぞれの固定電極との間に働く横方向の力Ｆｘを
示す、可動電極１ａが固定電極２ａと一致しているとき
は、Ｆｘも０で、ずれ量が少しずつ大きくなるにつれて
Ｆｘも大きくなり、ある一定ずれ量になると、Ｆｘも飽
和し、可動電極１ａが固定電極２ｂと一致するとＦＸは
０となり、それ以上ずれるとＦｘの方向が逆になりずれ
量に比例してＦＸも大きくなり、ある一定ずれ量でＦＸ
が飽和し、可動電極１８と固定電極２ａ’　が一致する
Ｆｘも０となる。これが力の変化の一周期である。

本実施例のアクチュエータを２次元アクチュエータとし
て駆動する場合は、第５図に示すようにＹ方向に細長い
短冊状の電極１０１ａ、１０１ｂと、Ｘ方向に細長い短
冊状の電極１０１　ｏ　、　１０１ｄで構成された上部
電極と、対向する下部電極１０２ａ〜１０２ｄｌ−Ｘ、
Ｙ方向にずらして配設すれば、２次元の駆動が行える。

本実施例によれば、電極の配置が簡単なので。

静電力を応用し半導体加工、技術で容易に微小位置決め
用小形アクチュエータを製造することができる。又、駆
動する方向でない上下方向が相殺されて小さくなるので
、制御しやすい、さらに、上下電極のパターンを対称に
すると横方向の力の方向を変えるとき、上下方向の力の
中心が横方向に、電極のピッチ分しかずれないので、モ
ーメントの変化が非常に小さい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電圧制御だけで変位方向を変えること
ができる。又、すべての電極を用いて駆動できるため、
一定範囲内において効率良く駆動力を発生することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の静電形アクチュエータの分
解斜視図、第２図は第１図のアクチュエータの中央位置
のｘ−２断面図、第３図は駆動制御方式の説明図、第４
図（ａ）は駆動制御方式の説明図、第４図（ｂ）は電極
のずれ量による力の変化の説明図、第５図は本発明の他
の実施例で２次元アクチュエータとした場合の電極構成
図、第６図、第７図、第８図及び第９図は、夫々電極間
に作用する力の説明図である。 １・・・可動電極、２・・・固定電極、３・・・支持ば
ね、４４１、Ｉｆ！］ ｂ・・一番’ｔｔｔｐｓ 第 第 ■ 喝 鴇 凹 第 園 （α） ＄４−図（ｂン 第 囚 第 ？ ２０久２０ｂ、−、ヤ樹 ｚｔａ、２／ｂ、２１ｃｍを場

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、短冊状の電極片を複数個突設した電極を、別個の電
   極の電極片が互いに電極片の間に一定のピッチで入り込
   む様に配置して、電気的絶縁体上に装着し、上記電極対
   を平行な小さな間隔を隔て対向させ、短冊状方向に直角
   な直線の正方向または負方向に、対向する電極片をずら
   した状態に配置し、上記電極対の一方を固定し他方を可
   動にし、上記電極対の間に電圧を印加する手段を設け、
   隣接する電極片を異符号の極性にすることを特徴とする
   静電形アクチュエータ。