JPH05176558A - 静電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 移動子の平面的な移動の自由度を広げると共
に、回転軸方向への移動、及び回転方向への駆動を自由
に行うことが可能な静電アクチュエータを提供する。 【構成】 ベース１３と、このベース１３上に配線され
たマトリクス型のスイッチング回路と、このスイッチン
グ回路によって電位が制御される表面電極部１６と、こ
の表面電極部１６上に積層された絶縁フィルムとよりな
る固定子１１を設け、この固定子１１の絶縁フィルム上
に置かれた絶縁体膜と、この絶縁体膜上に積層された抵
抗体膜とよりなる移動子１２を設け、表面電極部１６の
電位を変化させ移動子を駆動する移動子駆動制御手段を
設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡用ステージやメ
モリ読み書きヘッド、さらには、微小位置決め用アクチ
ュエータとして利用される静電アクチュエータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来における静電アクチュエータとして
は、その第一の従来例として、特開平２−２８５９７８
号公報に開示されている図１１に示すような装置があ
る。これは、固定子１と、この固定子１の上部に形成さ
れた移動子２とよりなる。固定子１は、その絶縁体３中
に帯状の電極４が多数個埋め込まれており、電圧±Ｖ、
０（ｖ）を印加できるようになっている。移動子２は、
固定子１の面と対向する絶縁体５と、この上部に形成さ
れた抵抗体６とよりなっている。このような構成におい
て、まず、（ａ）に示すように、固定子１内の各部の電
極４に＋Ｖ、−Ｖ、０（ｖ）の電圧を印加する。これに
より、（ｂ）に示すように、移動子２の側には、点線の
位置に示すような電極４の電荷とは逆符号の誘導電荷７
が発生する。次に、（ｃ）に示すように、固定子１側の
電圧を切換えると、各電極４の電位は瞬時に変化する
が、これと対向する移動子２内の誘導電荷７は抵抗値が
高いため瞬時には移動することができない。このため、
同符号の電荷間による反発力が発生して移動子２が瞬時
の間浮上し、これにより誘導電荷７は隣りの電極４との
間で吸引力が作用し移動子１は矢印方向に移動する。そ
の結果、（ｄ）に示すように、移動子１は、電極１ピッ
チ分移動した固定子２上の位置に置かれた状態となる。
従って、このような（ａ）〜（ｄ）のサイクルを繰り返
して行うことにより、移動子２を固定子１の面上に沿っ
て移動させることができる。なお、実際には、空気の抵
抗などにより移動子２は浮上までは至らないが、反発力
の効果により接触面における摩擦力が減少して移動す
る。

【０００３】次に、その第二の従来例として、図１２に
示すような円筒型をした静電アクチュエータがある。こ
の場合、内筒体８の表面には電極ａ，ｂ，ｃがらせん状
に配線されている。この内筒体８の外周には外筒体９が
配設されており、その内周面には高抵抗層１０が形成さ
れている。このような構成において、その駆動方法とし
ては、電極ａ，ｂ，ｃに順次異なる電圧を繰り返して印
加させることにより、前述した第一の従来例と同様な駆
動原理により内筒体８又は外筒体９を円筒の軸方向に沿
って移動させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】第一の従来例では、移
動子２を固定子１の面に沿って平面的に一方向に移動さ
せることは可能であるが、このような機構にさらに２次
元的な駆動又は回転駆動を起こさせようとすると、複雑
な電極配線が必要となり、しかも、このような複雑化し
た配線を行うと、設計の自由度が狭いものとなる。

【０００５】第二の従来例では、内筒体８又は外筒体９
を軸方向に移動させることはできるが、このような機構
にさらに回転動作を行わせようとすると、上述したよう
に複雑化した配線を必要とし、設計の自由度が狭いもの
となる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、ベースと、このベース上に配線されたマトリクス型
のスイッチング回路と、このスイッチング回路によって
電位が制御される表面電極部と、この表面電極部上に積
層された絶縁フィルムとよりなる固定子を設け、絶縁体
膜と、この絶縁体膜上に積層された抵抗体膜とよりなる
移動子を前記固定子上に設け、前記表面電極部の電位を
変化させ前記移動子を駆動する移動子駆動制御手段を設
けた。

【０００７】請求項２記載の発明では、内筒体と、この
内筒体の表面上に互いに絶縁された少なくとも２本の往
復した形状をなす往復電極部と、この往復電極部の両側
に隣接して配線され往路側と復路側とで配線間隔の異な
る複数本のくし歯電極部と、前記往復電極部及び前記く
し歯電極部の上部に積層された絶縁フィルムとよりなる
固定子を設け、この固定子の前記内筒体の外側を覆う外
筒体と、この外筒体の前記絶縁フィルムと対向する面に
形成された絶縁体膜と、この絶縁体膜の外側に形成され
た抵抗体膜とよりなる移動子を設け、前記往復電極部及
び前記くし歯電極部の電位を変位させ前記移動子を回転
駆動及び円筒軸方向へ駆動する移動子駆動制御手段を設
けた。

【０００８】請求項３記載の発明では、外筒体と、この
外筒体の表面上に互いに絶縁された少なくとも２本の往
復した形状をなす往復電極部と、この往復電極部の両側
に隣接して配線され往路側と復路側とで配線間隔の異な
る複数本のくし歯電極部と、前記往復電極部及び前記く
し歯電極部の上部に積層された絶縁フィルムとよりなる
固定子を設け、この固定子の前記外筒体の内側を覆う内
筒体と、この内筒体の前記絶縁フィルムと対向する面に
形成された絶縁体膜と、この絶縁体膜の内側に形成され
た抵抗体膜とよりなる移動子を設け、前記往復電極部及
び前記くし歯電極部の電位を変位させ前記移動子を回転
及び円筒軸方向へ駆動する移動子駆動制御手段を設け
た。

【０００９】

【作用】請求項１記載の発明においては、マトリクス状
に配置された各電極の電位を自由に変化させることがで
きるため、移動子に対する上方向への反発力と横方向へ
の吸引力とを制御することにより、移動子を平面方向に
２次元的に駆動、及び、回転駆動させることが可能とな
る。

【００１０】請求項２記載の発明においては、内側の固
定子の電極配線の電位を自由に変化させることにより、
外筒体である移動子に対する外方向の反発力と円筒面方
向の吸引力との制御を行うことができるため、移動子の
回転軸方向の移動、及び、回転方向への駆動を行うこと
が可能となる。

【００１１】請求項３記載の発明においては、外側の固
定子の電極配線の電位を自由に変化させることにより、
内筒体である移動子に対する内方向の反発力と円筒面方
向の吸引力との制御を行うことができるため、移動子の
回転軸方向の移動、及び、回転方向への駆動を行うこと
が可能となる。

【００１２】

【実施例】請求項１記載の発明の一実施例を図１〜図４
に基づいて説明する。まず、静電アクチュエータの構成
を図１及び図２に基づいて説明する。本アクチュエータ
は、固定子１１と、移動子１２とよりなっている。前記
固定子１１には、下方にベース１３が設けられ、このベ
ース１３上にはＸ方向及びＹ方向のマトリクス型に１０
０μｍの間隔でゲート線１４ａとデータ線１４ｂとが配
線され、これらゲート線１４ａ、データ線１４ｂには１
ブロック毎にスイッチング回路１５が接続されている。
これら各スイッチング回路１５には、表面電極部として
の電極１６が接続されている。これら電極１６の上部は
絶縁フィルム１７により覆われている。また、前記移動
子１２には、前記絶縁フィルム１７の面と接する絶縁体
膜１８が設けられ、この絶縁体膜１８上には抵抗体膜１
９が積層されている。さらに、前記ゲート線１４ａの端
末にはゲート線駆動回路２０が接続され、前記データ線
１４ｂの端末にはデータ線駆動回路２１が接続されてい
る。

【００１３】また、ここでは、前記電極１６の電位を変
化させ、前記移動子１２を駆動する図示しない移動子駆
動制御手段が設けられている。

【００１４】このような構成において、移動子駆動制御
手段を用いて移動子１２を駆動制御する方法を図３及び
図４（ａ）〜（ｃ）に基づいて述べる。図３は、固定子
１１内に設けられた電極１６に電圧を印加制御させた場
合における状態を上部から見た平面図である（なお、こ
こでは便宜上、電極個数を図２の場合よりも数多く設け
ている）。この場合、“０”は印加なしの状態を示し、
“−”は電極１６に負の電圧を印加させた状態を示し、
“＋”は電極１６に正の電圧を印加させた状態を模式的
に表したものである。また、中央部の２列ずつに正と負
の電圧が印加された状態となっている。

【００１５】図４（ａ）は、図３の印加状態を側面から
見た時の様子を示すものである。今、このように固定子
１１側の各電極１６に電圧（＋、−）が印加されると、
移動子１２の側にはそれと反対符号の誘導電荷が誘起さ
れる。次に、図４（ｂ）に示すように、固定子１１側の
電極１６の電圧の値を切換えると、第一の従来例でも説
明したように、移動子１２側の誘導電荷は瞬時には切り
替わらないため反発力が生じ、移動子１２には浮力が生
じると同時に、隣りの進行方向の電極１６との間で吸引
力が作用する。これにより、移動子１２は図４（ｃ）に
示すようにＸ方向に電極１ピッチ分だけ移動する。従っ
て、このような（ａ）〜（ｃ）を１サイクルとした駆動
制御を各電極１６に渡って行うことにより、移動子１２
をＸ方向に移動させることができる。

【００１６】また、本実施例においては、電極１６はマ
トリック形状に配置されているため、電圧印加方向を制
御することによって、Ｙ方向や、Ｘ，Ｙ方向に対して斜
め方向に移動させることも可能であり、これにより２次
元的な移動制御を行うことができる。さらに、移動子１
２をローラ状に形成することにより、電極１６の配設さ
れた固定子１１の面上で回転移動の制御を行うことも可
能となる。

【００１７】さらに、移動子１２はミリメートルのオー
ダー以下に作成することができ、しかも、多自由度の方
向への駆動のために積層する必要がないため、きわめて
微小なＸ、Ｙ、θ方向への移動が可能なアクチュエータ
を実現することができる。

【００１８】次に、請求項２記載の発明の一実施例を図
５〜図９に基づいて説明する。本アクチュエータは、図
７に示すように、円筒状をなす固定子２２と、この固定
子２２の外周に位置する移動子２３とよりなっている。
図５はその円筒型をした固定子２２を一面に広げた状態
を示し、図６も図５と同様に固定子２２及び移動子２３
を一面に広げた状態を示すものである。

【００１９】今、この図５及び図６（ａ）において、固
定子２２には、ベースとなる内筒体２４が設けられてい
る。この内筒体２４の表面上には互いに絶縁された往復
した形状をなす２本の往復電極部としての電極ｂ，ｃが
配設されている。これら電極ｂ，ｃの両側の隣接した位
置には、往路側と復路側とで配線間隔の異なる複数本の
くし歯電極部としてのくし歯電極ａ，ｄが互いに向かい
合う形で配線されている。これら電極ｂ，ｃと、その両
側のくし歯電極ａ，ｄとの上部全面に渡って図示しない
絶縁フィルムが積層されている。また、前記移動子２３
には、前記固定子２２の前記内筒体２４を外部より覆う
外筒体２５が設けられている。この外筒体２５の前記絶
縁フィルムと対向する面には図示しない絶縁体膜が形成
され、この絶縁体膜の外側には図示しない抵抗体膜が形
成されている。

【００２０】また、ここでは、前記電極ｂ，ｃ及び前記
くし歯電極ａ，ｄの電位を変位させ前記移動子２３を回
転駆動及び円筒軸方向へ駆動する図示しない移動子駆動
制御手段が設けられている。

【００２１】このような構成において、移動子駆動制御
手段を用いて移動子２３を駆動制御する方法を図６
（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。まず、（ａ）に示
すように、固定子２２内に配線された電極ｂ，ｃ、くし
歯電極ａ，ｄの４本の電線のうち、電極ｂに−の電圧を
印加し、電極ｃに＋の電圧を印加する。これにより、移
動子２３側には反対符号の電荷２６（以下、誘導電荷２
６と呼ぶ）が誘導される。次に、（ｂ）に示すように、
電極ｂに＋、電極ｃに−の電圧をそれぞれ印加すると、
誘導電荷２６は瞬時には反転できないため、同符号同志
の電荷による反発力が作用して移動子２３は浮上する。
また、この時、くし歯電極ａには、−の電圧を印加する
ことにより、移動子２３は浮上と同時にＸ方向へ吸引力
が作用する。この吸引力により、（ｃ）に示すように、
移動子２３は１ブロック（１電極配線間の距離）だけ移
動する。このような（ａ）〜（ｃ）の一連の動作を繰り
返して行うことにより、移動子２３をＸ方向に移動させ
ることができる。

【００２２】図８は、図５の角のＡ点とＤ点、及び、Ｂ
点とＣ点とを互いに付けるように丸めたものである。ま
た、図９は、図５の角のＡ点とＢ点、及び、Ｃ点とＤ点
とを互いに付けるように丸めたものである。このように
回転体の機構とすることにより、移動子２３を上述した
ような平面方向への２次元の移動のみならず、回転軸方
向への移動、及び、回転方向への駆動を行わせることが
可能となる。

【００２３】また、移動子２２、固定子２３共に、リソ
グラフィー技術により数ミリメートルのオーダー以下に
設計することが可能である。また、移動子２２は、円筒
軸方向への移動と回転方向への駆動とを独立して行わせ
ることができるため、ロボットハンドとしてネジの回し
込みなどとして容易に利用することができる。

【００２４】請求項３記載の発明の一実施例を図１０に
基づいて説明する。ここでは、前述した請求項２記載の
発明の実施例中で述べた内外構成の位置関係を逆にした
もの、すなわち、固定子２２を外側に位置させ、移動子
２３を内側に位置させるようにしたものである。この場
合、それら固定子２２、移動子２３の内部構成及び動作
原理は、前述した場合とほぼ同一（内部構成については
図５、図７と同一、動作原理については図６（ａ）〜
（ｃ）と同一）なため、固定子２２、移動子２３の構成
及びその動作原理についての詳細な説明については省略
する。

【００２５】この場合、固定子２２に移動子駆動制御手
段を用いて、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように順次電圧
を印加していくことにより、移動子２２を平面的に移動
させることができる。また、図１０は、本アクチュエー
タを円筒型として構成したものであり、前述した図７の
構成に対応するものである。このような場合にも、図６
（ａ）〜（ｃ）と同様に順次電圧を印加していくことに
より、内側の移動子２３を円筒軸方向に移動させ、しか
も、回転方向への駆動を行わせることが可能となる。

【００２６】なお、本実施例の場合にも、前述した請求
項２記載の発明の場合と同様に、移動子２２、固定子２
３共に、リソグラフィー技術により数ミリメートルのオ
ーダー以下に設計することが可能であり、また、移動子
２２は、ロボットハンドとしてネジの回し込みなどとし
て容易に利用することもできる。

【００２７】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、ベースと、この
ベース上に配線されたマトリクス型のスイッチング回路
と、このスイッチング回路によって電位が制御される表
面電極部と、この表面電極部上に積層された絶縁フィル
ムとよりなる固定子を設け、絶縁体膜と、この絶縁体膜
上に積層された抵抗体膜とよりなる移動子を前記固定子
上に設け、前記表面電極部の電位を変化させ前記移動子
を駆動する移動子駆動制御手段を設けたので、マトリク
ス状に配置された各電極の電位を自由に変化させること
ができ、移動子に対する上方向への反発力と横方向への
吸引力とを制御することにより、移動子を平面方向への
２次元的な移動、及び、回転を自由に行わせることがで
きるものである。

【００２８】請求項２記載の発明は、内筒体と、この内
筒体の表面上に互いに絶縁された少なくとも２本の往復
した形状をなす往復電極部と、この往復電極部の両側に
隣接して配線され往路側と復路側とで配線間隔の異なる
複数本のくし歯電極部と、前記往復電極部及び前記くし
歯電極部の上部に積層された絶縁フィルムとよりなる固
定子を設け、この固定子の前記内筒体の外側を覆う外筒
体と、この外筒体の前記絶縁フィルムと対向する面に形
成された絶縁体膜と、この絶縁体膜の外側に形成された
抵抗体膜とよりなる移動子を設け、前記往復電極部及び
前記くし歯電極部の電位を変位させ前記移動子を回転駆
動及び円筒軸方向へ駆動する移動子駆動制御手段を設け
たので、内側の固定子の電極配線の電位を自由に変化さ
せることにより、外筒体である移動子に対する外方向の
反発力と円筒面方向の吸引力との制御を行うことができ
るため、これにより移動子の回転軸方向の移動、及び、
回転方向への駆動を自由に行うことができるものであ
る。

【００２９】請求項３記載の発明は、外筒体と、この外
筒体の表面上に互いに絶縁された少なくとも２本の往復
した形状をなす往復電極部と、この往復電極部の両側に
隣接して配線され往路側と復路側とで配線間隔の異なる
複数本のくし歯電極部と、前記往復電極部及び前記くし
歯電極部の上部に積層された絶縁フィルムとよりなる固
定子を設け、この固定子の前記外筒体の内側を覆う内筒
体と、この内筒体の前記絶縁フィルムと対向する面に形
成された絶縁体膜と、この絶縁体膜の内側に形成された
抵抗体膜とよりなる移動子を設け、前記往復電極部及び
前記くし歯電極部の電位を変位させ前記移動子を回転及
び円筒軸方向へ駆動する移動子駆動制御手段を設けたの
で、外側の固定子の電極配線の電位を自由に変化させる
ことにより、内筒体である移動子に対する内方向の反発
力と円筒面方向の吸引力との制御を行うことができるた
め、これにより移動子の回転軸方向の移動、及び、回転
方向への駆動を自由に行うことができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の一実施例であるアクチュ
エータの構成を示す側面図である。

【図２】固定子の構成を示す平面図である。

【図３】固定子の電極部への電圧印加状態を示す平面図
である。

【図４】移動子の駆動の様子を示す動作原理図である。

【図５】請求項２記載の発明の一実施例である固定子の
電極配線状態を示す平面図である。

【図６】移動子の駆動の様子を示す動作原理図である。

【図７】アクチュエータを回転体として構成した場合の
様子を示す斜視図である。

【図８】固定子の配設状態を示す斜視図である。

【図９】固定子の配設状態の他の例を示す斜視図であ
る。

【図１０】請求項３記載の発明の一実施例であるアクチ
ュエータの構成を示す斜視図である。

【図１１】第一の従来例を示す動作原理図である。

【図１２】第二の従来例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１１ 固定子 １２ 移動子 １３ ベース １５ スイッチング回路 １６ 表面電極部 １７ 絶縁フィルム ２２ 固定子 ２３ 移動子 ２４ 内筒体 ２５ 外筒体 ２７ 外筒体 ２８ 内筒体 ａ，ｄ くし歯電極部 ｂ，ｃ 往復電極部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベースと、このベース上に配線されたマ
   トリクス型のスイッチング回路と、このスイッチング回
   路によって電位が制御される表面電極部と、この表面電
   極部上に積層された絶縁フィルムとよりなる固定子を設
   け、絶縁体膜と、この絶縁体膜上に積層された抵抗体膜
   とよりなる移動子を前記固定子上に設け、前記表面電極
   部の電位を変化させ前記移動子を駆動する移動子駆動制
   御手段を設けたことを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 内筒体と、この内筒体の表面上に互いに
   絶縁された少なくとも２本の往復した形状をなす往復電
   極部と、この往復電極部の両側に隣接して配線され往路
   側と復路側とで配線間隔の異なる複数本のくし歯電極部
   と、前記往復電極部及び前記くし歯電極部の上部に積層
   された絶縁フィルムとよりなる固定子を設け、この固定
   子の前記内筒体の外側を覆う外筒体と、この外筒体の前
   記絶縁フィルムと対向する面に形成された絶縁体膜と、
   この絶縁体膜の外側に形成された抵抗体膜とよりなる移
   動子を設け、前記往復電極部及び前記くし歯電極部の電
   位を変位させ前記移動子を回転駆動及び円筒軸方向へ駆
   動する移動子駆動制御手段を設けたことを特徴とする静
   電アクチュエータ。
3. 【請求項３】 外筒体と、この外筒体の表面上に互いに
   絶縁された少なくとも２本の往復した形状をなす往復電
   極部と、この往復電極部の両側に隣接して配線され往路
   側と復路側とで配線間隔の異なる複数本のくし歯電極部
   と、前記往復電極部及び前記くし歯電極部の上部に積層
   された絶縁フィルムとよりなる固定子を設け、この固定
   子の前記外筒体の内側を覆う内筒体と、この内筒体の前
   記絶縁フィルムと対向する面に形成された絶縁体膜と、
   この絶縁体膜の内側に形成された抵抗体膜とよりなる移
   動子を設け、前記往復電極部及び前記くし歯電極部の電
   位を変位させ前記移動子を回転及び円筒軸方向へ駆動す
   る移動子駆動制御手段を設けたことを特徴とする静電ア
   クチュエータ。