JPH05207760A

JPH05207760A - 静電力アクチュエータ

Info

Publication number: JPH05207760A
Application number: JP1174892A
Authority: JP
Inventors: Junichi Takahashi; 淳一高橋; Hiroyuki Horiguchi; 浩幸堀口; Motomi Ozaki; 元美尾崎
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-01-27
Filing date: 1992-01-27
Publication date: 1993-08-13

Abstract

(57)【要約】【目的】強誘電性材料の分極作用により移動子を移動
させることにより、移動の際の動作速度を速め、作製が
容易な静電力アクチュエータを提供する。【構成】絶縁基板上に複数の電極９を有する固定子７
を設け、この固定子７上に載置され強誘電性材料からな
る移動子８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、超薄型のフィルムを利
用した静電力アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来におけるフィルムを用いた静電力ア
クチュエータとしては、例えば、特開平２−２８５９７
８号公報に開示されているものがある。これを、今、図
１３〜図１５に基づいて説明する。まず、図１３は静電
力アクチュエータの外観構成を示すものである。平板状
をした固定子１上には移動子２が載置されている。図１
４はその断面形状を示すものであり、固定子１は、絶縁
体からなるベース層３と、このベース層３中に埋め込ま
れた帯状電極４とからなっている。移動子２は、絶縁体
層５と、この絶縁体層５の上部に形成された高抵抗体層
６とからなっている。

【０００３】このような構成において、静電力アクチュ
エータの動作原理を図１５に基づいて説明する。なお、
ここでは、便宜上、帯状電極４を、電極ａ₁，ｂ₁，ｃ
₁ 、電極ａ₂，ｂ₂，ｃ₂… のように用いることにする。
まず、（ａ）に示すように、電極ａ₁，ａ₂，ａ₃ に正の
電圧＋Ｖ、電極ｂ₁，ｂ₂，ｂ₃ に負の電圧−Ｖ、電極ｃ
₁，ｃ₂，ｃ₃ に０の電圧（ｖ）をそれぞれ印加する。こ
れにより、（ｂ）に示すように、電荷の存在していなか
った高抵抗体層６内に電流が流れ、その高抵抗体層６と
絶縁体層５との境界に電荷が誘導され平衡状態となり、
この電荷は点線で示した位置の鏡像電荷で置き換えるこ
とができる。この状態では、移動子２は固定子１に吸引
されることになる。次に、（ｃ）に示すように、各電極
に（ａ）とは異なる電圧を印加して切換える。すなわ
ち、電極ａ₁〜ａ₃は＋Ｖ→−Ｖ、電極ｂ₁〜ｂ₃は−Ｖ→
＋Ｖ、電極ｃ₁〜ｃ₃は０→−Ｖにそれぞれ切換える。こ
れにより、各電極内の電荷は瞬時に移動するが、高抵抗
体層６に誘導された鏡像電荷は抵抗値が高いため、すぐ
には移動できない。この場合、各電極と鏡像電荷とは同
一符号となるため反発力が発生し、移動子２は浮上す
る。また、この浮上の際に、各電極と、これら電極に隣
接する電極の上方の鏡像電荷との間では吸引力が作用
し、これにより、移動子２は右方向の駆動力を受け、右
方向に移動する。次に、（ｄ）に示すように、１電極分
だけ移動した際、電極の電荷と、その上部の鏡像電荷と
は異極性となるため、吸引力が作用し移動子２はそこで
移動を停止する。以下、（ｂ）から（ｄ）までの各工程
を繰り返して行う。具体的には、（ｅ）に示すように、
一部の電極に（ｃ）とは異なる電圧を印加して切換え
る。すなわち、電極ａ₁〜ａ₃は−Ｖ→０、電極ｂ₁〜ｂ₃
は＋Ｖ、電極ｃ₁〜ｃ₃は−Ｖにそれぞれ切換える。これ
により、移動子２が移動するまでの間は鏡像電荷は拡散
するため、再び鏡像電荷を誘導（充電）する。次に、
（ｆ）に示すように、各電極に、その電極の上部に存在
する鏡像電荷と同一符号の電荷を印加する。すなわち、
電極ａ₁〜ａ₃は０→−Ｖ、電極ｂ₁〜ｂ₃は＋Ｖ→−Ｖ、
電極ｃ₁〜ｃ₃は−Ｖ→＋Ｖにそれぞれ切換える。これに
より、（ｃ）の場合と同様に、電極の電荷とその上部の
鏡像電荷とは同極性となり、その反発力によって移動子
２は浮上し、その後、各電極はその隣接する電極上部の
鏡像電荷との吸引力により右方向に駆動される。そし
て、（ｇ）に示すように、電極の電荷と、その電極上部
の鏡像電荷とが異極性となる位置、すなわち、１ピッチ
移動した位置に位置決めされる。従って、（ａ）の時点
から移動子２は、２ピッチだけ移動したことになる。以
後、このような一連の動作を繰り返して行っていくこと
により、移動子２を右方向に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】上述した図１５の
（ｂ）において、最初に高抵抗層６と絶縁体層５との界
面に電荷を充電するためには約１０秒程度の時間を要
し、また、（ｅ）において、再度、充電する際も１秒程
度を有することになるため、移動速度が遅い。また、充
電時間を速くするためには、高抵抗層６の抵抗値を低く
すればよいが、（ｃ）において電極への印加電圧の極性
を切換えた際、（ｂ）で充電した電荷が速く消え（放
電）してしまうため、動作が不安定になる。

【０００５】また、（ｃ）から（ｄ）への移動の際、固
定子１の帯状電極４の１ピッチ分の移動が行われない場
合（移動に失敗したような場合）、再度、絶縁体層５の
界面に固定子１の電極形状に対応した電荷を充電する必
要があるため、そのたび毎に１０秒程度の充電時間を要
する。

【０００６】図１６は、高抵抗体層６のシート抵抗と、
図１５（ｂ）〜（ｅ）の１シーケンスにおいて、移動子
２が移動する量との関係を示したものである。この場
合、固定子１の電極ピッチを４２０μｍとすると、高抵
抗体層６のシート抵抗により著しく移動子２の移動距離
が影響を受けることがわかる。また、シート抵抗は、１
０¹²Ω／□以上の高抵抗領域においては、アクチュエー
タ使用時の湿度等に大きく依存する。従って、移動子２
の１シーケンスの移動距離は使用時の大気の湿度等の環
境に大きく左右されることになり、移動量の精度の信頼
性及びその確実性が劣ることになる。さらに、図１４に
示したように、移動子２が高抵抗体層６を絶縁体層５上
に積層する構造になっているため、耐熱性の低い高分子
有機フィルム上に焼成により作製する高抵抗体層６を作
る必要がある等の移動子２の作製上の困難がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、絶縁基板上に複数の電極を有する固定子を設け、こ
の固定子上に載置され強誘電性材料からなる移動子を設
けた。

【０００８】請求項２記載の発明では、絶縁基板上に複
数の電極を有する固定子を設け、この固定子上に載置さ
れ強誘電性材料とこの材料上に積層された導電体層とを
有する移動子を設けた。

【０００９】

【作用】請求項１記載の発明においては、移動子の強誘
電性材料の特性を活かして分極させることにより発生し
た電荷と、固定子の電極に発生した電荷との間での反発
力や吸引力により移動子を移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、移動子は
強誘電性材料と導電体層との積層構造になっているた
め、一段と低い電圧により移動子の強誘電性材料を分極
させることが可能となる。

【００１１】

【実施例】請求項１記載の発明の第一の実施例を図１〜
図６に基づいて説明する。まず、図１は、静電力アクチ
ュエータの構成を示すものである。このアクチュエータ
は、固定子７と、この固定子７上に載置された移動子８
とからなっている。前記固定子７は絶縁性の基板からな
り、その表面上には一定の間隔をもって一方向に電極と
しての帯状電極９が埋め込まれている。これら各帯状電
極９には、図２に示すように、電圧を印加するための電
極線１０が接続されており、電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを印
加できるようになっている。

【００１２】また、これら帯状電極９の上部には、前記
移動子８が載置されている。この移動子８は、強誘電性
材料からなっている。この強誘電性材料の特性は、図３
に示すように、印加する電界Ｅを横軸にとり、その材料
の分極を縦軸にとると、ヒステリシスの曲線を描く。こ
のような強誘電性材料としては、例えば、フッ化ビリニ
デン／三フッ化エチレン共重合体のような強誘電性の高
分子材料を挙げることができる。

【００１３】ここで、移動子８の強誘電性材料の基本的
な働きを図４（ａ）〜（ｄ）に基づいて説明する。ま
ず、（ａ）に示すように、強誘電性材料が作製された直
後の電圧の印加されていない移動子８においては、その
フィルム中の結晶の分極の向きは、矢印方向に示すよう
にバラバラの状態となっている。次に、（ｂ）に示すよ
うに、分極のバラバラな移動子８に抗電界より十分高い
電圧（図３のＥｐ）を印加するために、帯状電極９（こ
こでは、以下、電極ａ₁，ａ₂，ａ₃、ｂ₁，ｂ₂，ｂ₃、ｃ
₁，ｃ₂，ｃ₃とする）のうちの電極ａ₁〜ａ₃に電圧＋Ｖ
ｐを印加し、電極ｂ₁〜ｂ₃に電圧−Ｖｐを印加し、電極
ａ₁〜ａ₃と電極ｂ₁〜ｂ₃との間に抗電界以上の電界を加
える。これにより、（ｂ）に示したように、電極ａ₁〜
ａ₃から電極ｂ₁〜ｂ₃の方向に向けて分極の方向が揃う
ことになる。そして、このような分極状態は、（ｃ）に
示すように、電圧印加の状態を解除しても残る。さら
に、その後、（ｄ）に示すように、分極とは逆方向の抗
電界以下の電界（図３のＥｏ）と同等な電圧を印加（電
極ａ₁〜ａ₃に−Ｖｏ、電極ｂ₁〜ｂ₃に＋Ｖｏ、電極ｃ₁
〜ｃ₃ に−Ｖｏ）しても、移動子８内で発生した分極方
向は変化しない。しかも、この場合、固定子７の電極ａ
₁〜ａ₃，ｂ₁〜ｂ₃上の電荷と、移動子８の分極により生
じている電荷（移動子８の固定子７側の表面に存在して
いる）との間に反発力が生じ、電極ｃ₁〜ｃ₃との間には
吸引力が作用する。このように図３に示すような強誘電
性材料のヒステリシス特性を利用して、移動子８を矢印
方向に１電極分だけ移動させることができる。

【００１４】次に、静電力アクチュエータの動作説明を
図５（ａ）〜（ｄ）及び図６（ａ）〜（ｅ）に基づいて
行う。まず、図５（ａ）において、移動子８に強誘電性
材料の抗電界以上の電界Ｅｐを発生させるために、電極
ａ₁〜ａ₃に＋Ｖｐ、電極ｂ₁〜ｂ₃に−Ｖｐを印加する。
これにより、移動子８内では、分極方向（矢印方向）は
電極ａ₁〜ａ₃から電極ｂ₁〜ｂ₃の方向にそれぞれ揃うこ
とになり、移動子８の固定子７側の表面に分極電界が発
生する。次に、図５（ｂ）において、電極ａ₁ 〜ａ₃，
ｃ₁〜ｃ₃ に−Ｖｏ、電極ｂ₁〜ｂ₃に＋Ｖｏを印加す
る。ただし、この時のＶｏの値は、移動子８内の電界が
抗電界以下の電界Ｅｏとなるようにする。これにより、
前述した図４で述べたように、移動子８内の分極は、そ
の電界が抗電界以下のままなので変化せず、しかも、移
動子８の固定子７側の表面の電荷もそのままである。ま
た、この時、電極ａ₁〜ａ₃，ｂ₁〜ｂ₃間の電界方向が図
５（ａ）とは逆なので、電極ａ₁〜ａ₃，ｂ₁〜ｂ₃の電荷
と移動子８の電荷との間で反発力が発生する。この反発
力の作用により移動子８は上方に浮上する。この浮上と
同時に、電極ｃ₁〜ｃ₃には−Ｖｏの電圧が印加されてい
るため、この−電荷と電極ｂ₁〜ｂ₃の直上の＋電荷との
間に吸引力が発生し、これにより、図５（ｃ）に示すよ
うに移動子８は右方向に１ステップ（１電極分）だけ移
動する。

【００１５】その後、図５（ｄ）において、電極ａ₁〜
ａ₃の電圧を０にする。図６（ａ）は図５（ｂ）と同様
な動作であり、図６（ｂ）は図５（ｃ）と同様な動作で
あるため、図５（ｄ）〜図６（ｂ）のサイクルでさらに
１ステップだけ右方向に移動する（合計２ステップ）。
さらに、その後、図６（ｃ）〜図６（ｅ）は図５（ｄ）
〜図６（ｂ）と同様なサイクルであるため、さらに１ス
テップだけ右方向に移動する（合計３ステップ）。この
ようにして一連のサイクルを繰り返して行うことによ
り、移動子８を右方向に移動させることが可能となる。

【００１６】上述したように、移動子８上に分極を発生
させる動作は抗電界を超える電界を移動子８に生じさせ
ることにより行うため、従来技術で述べたように１０秒
程度充電させる必要がなくなり、これに要する時間は高
分子強誘電性材料においては１００ｎｓｅｃ程度とな
り、初期のスタート立上げ時間が著しく速くなる。

【００１７】また、従来技術においては、図１５（ｅ）
に示したように、その図１５（ｃ）の移動子２が移動す
る動作において移動子２上の少なくなっていく電荷を補
充するため、１秒程度図１５（ｅ）の状態で動作を保持
し、充電を行う。しかし、本実施例においては、移動子
８は強誘電性材料からなっているため、室温において
は、抗電界を超える電界を加えない限り、分極が消滅す
ることはない。従って、図５（ｄ）における補充電動作
は本来的には必要なくなり省略することができ、図５
（ｃ）からいきなり図６（ａ）に移動してもよい。従っ
て、これにより１ステップ分だけシーケンスに必要な時
間を短くすることができるため、移動スピードを従来よ
りも一段と向上させることができる。

【００１８】さらに、従来技術の図１４で述べたような
高抵抗体層６が存在しないため、移動子８の作製上の複
雑さがない。また、図３のような分極作用は湿度に対し
て安定であるし、しかも、温度についてもキューリー点
以下であれば安定である。このようなことから、周囲環
境に対しても、移動動作の精度、確実性について従来技
術よりも優れたものとすることができる。

【００１９】さらにまた、移動子８が１ピッチ分の移動
に失敗したような場合においても、再度、新しく抗電界
を超えて分極を生じさせればよいため、従来のように再
充電のために１０秒程度を要する必要がなく、動作復帰
を速くすることができる。

【００２０】次に、請求項１記載の発明の第二の実施例
を図７〜図１０に基づいて説明する。まず、図７におい
て、固定子７の表面にはマトリックス状（Ｘ，Ｙ方向）
に電極９が配線されている。各電極９にはこれらに電圧
を印加し制御するためのスイッチングトランジスタ１１
が接続されており、これらスイッチングトランジスタ１
１にはデータ線１２、ゲート線１３を介してそれぞれデ
ータ線駆動回路１４、ゲート線駆動回路１５が接続され
ている。この場合、前記移動子８は、強誘電性材料から
なっている。

【００２１】このような構成において、移動子７の移動
原理を図８〜図１０に基づいて説明する。まず、Ｘ方向
に移動子７を移動させる場合には、図８に示すように、
Ｙ方向に平行な方向に正、負の電圧を印加する。図９
（ａ）〜（ｃ）は図８のＸ方向に平行な方向の断面形状
を示すものであり、まず、（ａ）において、図３に示す
抗電界以上の電界が移動子８に加わるように、マトリッ
クス状の電極９に電圧を印加し、これにより移動子８を
分極させる。その後、前述した図５と同様な原理によ
り、マトリックス状の電極９に順次電圧を印加制御して
いくことにより、（ｂ）（ｃ）に示すように移動子８を
Ｘ方向に移動させることが可能となる。

【００２２】また、移動子８をＹ方向に移動させるよう
な場合には、図１０に示すように、まず、マトリックス
状の電極９にＸ方向に平行な方向に正、負の電圧を印加
して移動子８を新たに分極させた後、図９と同様にして
動作させることにより移動子８をＹ方向に移動させるこ
とが可能となる。

【００２３】上述したように、マトリックス状の電極９
にＸ，Ｙ方向への電圧印加の制御を行うことにより、強
誘電性材料からなる移動子８を分極させてＸ，Ｙ方向の
２次元的な移動を実現することが可能となる。この場
合、従来の方法では方向転換のために放電、充電を新た
にする必要があり、このため１０秒以上の時間を必要と
していたが、本実施例では前述した第一の実施例と同様
に分極させるために必要な時間は１００ｎｓｅｃ程度と
なり、方向転換のための時間が著しく短くなり、これに
より動作速度を速くすることができる。

【００２４】次に、請求項２記載の発明の一実施例を図
１１及び図１２に基づいて説明する。ここでは、移動子
８は、強誘電性材料としての強誘電性材料層８ａと、こ
の強誘電性材料層８ａ上に積層された導電体層８ｂとか
らなっている。なお、固定子７には、前述した図１と同
様に、絶縁基板上に複数の電極９（具体的には、電極ａ
₁〜ａ₃，ｂ₁〜ｂ₃，ｃ₁〜ｃ₃）が形成されている。

【００２５】このような構成において、電極ａ₁〜ａ₃に
＋Ｖｐ、電極ｂ₁〜ｂ₃に−Ｖｐ、電極ｃ₁〜ｃ₃に０
（ｖ）をそれぞれ印加する。この場合、移動子８には導
電体層８ｂが存在するため、容量が各電極と導電体層８
ｂとの間に存在し、これにより電圧を印加すると強誘電
性材料層８ａの膜厚方向に電界が発生して矢印方向の分
極が発生することになる。このことは、請求項１記載の
発明のような導電体層８ｂを含まない構成に比べて一段
と高い電界を強誘電性材料層８ａに加えることができる
ことを意味するため、これにより本実施例ではより一段
と低い電圧で図３に示す抗電界を超える電界を発生させ
ることができることになる。従って、移動子８の強誘電
性材料層８ａにおける分極を低電圧動作で行わせること
が可能となり、これにより低圧電源回路で構成すること
ができるため、より一段と安価な装置を提供することが
できる。

【００２６】なお、これまで述べてきた各実施例におけ
る移動子８は、強誘電性材料上に高抵抗体層を積層した
構成でもよく、この場合、充電時間は長くなるが同様の
移動動作を行わせることができる。

【００２７】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、絶縁基板上に複
数の電極を有する固定子を設け、この固定子上に載置さ
れ強誘電性材料からなる移動子を設けたので、移動子の
強誘電性材料の特性を活かして分極させることにより発
生した電荷と、固定子の電極に発生した電荷との間での
反発力や吸引力により移動子を移動させることが可能と
なり、これにより、初期の移動子への電荷充電時間及び
動作途中の補充電時間のかわりに移動子の強誘電性材料
の抗電界以上の電界を加えればよいことになるため動作
速度が速くなり、また、移動子内には従来のような抵抗
体層が存在しないため移動子の作製が容易となり、移動
量の精度、動作の確実性に優れた状態とすることができ
るものである。

【００２８】請求項２記載の発明は、絶縁基板上に複数
の電極を有する固定子を設け、この固定子上に載置され
強誘電性材料とこの材料上に積層された導電体層とを有
する移動子を設けたので、移動子は強誘電性材料と導電
体層との積層になっているため、一段と低い電圧により
移動子の強誘電性材料を分極させることが可能となり、
これにより低電圧動作ができるため電源回路の構成を一
段と安価なものとする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記載の発明の第一の実施例である静電
力アクチュエータの側面図である。

【図２】静電力アクチュエータの斜視図である。

【図３】移動子の強誘電性材料のヒステリシス曲線を示
す特性図である。

【図４】強誘電性材料の分極原理を示す原理説明図であ
る。

【図５】移動子の動作原理を示す動作説明図である。

【図６】図５に引き続いた移動子の動作原理を示す動作
説明図である。

【図７】請求項１記載の発明の第二の実施例を示すもの
であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。

【図８】Ｘ方向への移動の際の電圧印加状態を示す平面
図である。

【図９】Ｘ方向への移動原理を示す動作説明図である。

【図１０】Ｙ方向への移動の際の電圧印加状態を示す平
面図である。

【図１１】請求項２記載の発明の一実施例を示す側面図
である。

【図１２】移動子の分極状態を示す側面図である。

【図１３】従来の静電力アクチュエータの構成を示す斜
視図である。

【図１４】静電力アクチュエータの断面図である。

【図１５】静電力アクチュエータの動作原理を示す動作
説明図である。

【図１６】移動子の１ステップ移動量と抵抗値との関係
を示す特性図である。

【符号の説明】

７固定子８移動子８ａ強誘電性材料８ｂ導電体層９電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上に複数の電極を有する固定子
と、この固定子上に載置され強誘電性材料からなる移動
子とよりなることを特徴とする静電力アクチュエータ。
【請求項２】絶縁基板上に複数の電極を有する固定子
と、この固定子上に載置され強誘電性材料とこの材料上
に積層された導電体層とを有する移動子とよりなること
を特徴とする静電力アクチュエータ。