JPH0591761A

JPH0591761A - 静電アクチユエータ

Info

Publication number: JPH0591761A
Application number: JP27195691A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Higuchi; 俊郎樋口; Masatoshi Kondo; 雅俊近藤
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1991-09-24
Publication date: 1993-04-09

Abstract

(57)【要約】【目的】一定の駆動力を得るための印加電圧を下げ
て、安全性及び実用性を高める。【構成】固定子１を、フィルム状の絶縁体からなるベ
ース層３と、その上に配列された複数の帯状電極４と、
その上に形成された比誘電率１０以上のフィルム状の誘
電体層５とで構成する。固定子１の上に、フィルム状の
移動子１０を載置する。そして、帯状電極４への印加電
圧の切り換えにより、固定子１と移動子１０との間に静
電気力を発生させ、それにより移動子１０を固定子１か
ら浮上させて帯状電極４の配列方向に沿って移動させる
ように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フィルム状の薄形の静
電アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアクチュエータは主として電磁力
を利用したものであり、その特質上電磁コイルや永久磁
石等を備えなければならず、構造が複雑で、又消費電力
も非常に大きいものであった。このため、アクチュエー
タよりの発熱量も大きかった。

【０００３】そのため、電磁式に比べ、低消費電力、高
効率、小型化可能という面から、静電モータや静電アク
チュエータが注目されている。

【０００４】静電モータとしては、誘電体の分極の遅れ
を利用した誘導モータや、誘電体の代わりに抵抗体を用
いたモータが存在している。誘導モータの原理は、電界
内におかれた誘電体が分極することに着目し、その分極
の時間遅れを利用したものである。又、抵抗体を用いた
モータは回転電界内で抵抗体内に誘導される電荷が、電
界の向きに対して遅れることを利用したものである。

【０００５】しかしながら、従来の静電モータは、固定
子と回転子とを具備し、ある程度のギャップを有する回
転機構を必須としている。そのため、そのギャップを保
持するために軸受等の機構を用い、より均一なギャップ
の保持のためには固定子、回転子の剛性を高くする必要
がある。従って、上記装置をコンパクトに構成すること
が難しく、又、その力密度も低いものであった。

【０００６】以上のような状況に鑑み、電界内に置かれ
た誘電体の分極の時間遅れを利用して固体表面間で静電
気力を発生させ、該静電気力によりアクチュエータとし
ての駆動力を得る静電アクチュエータが、特開平２−２
８５９７８号公報に記載に提案されている。この静電ア
クチュエータは、図２、図３に示すように、固定子１と
移動子１０を有する。

【０００７】固定子１は、フィルム状の絶縁体２内に複
数の帯状電極４を一定ピッチで配列したものであり、詳
しくはエポキシ基板の上に帯状電極４を形成し、その上
をエポキシ樹脂と２枚のＰＥＴ（Poly Ethylene Tereph
talate）フィルムで覆った構造をなしている。移動子１
０は、絶縁体層１１と高抵抗体層１２とからなるもの
で、固定子１の上に載置されている。そしてこの静電ア
クチュエータは、図示しない駆動制御回路によって帯状
電極４への印加電圧を切り換えることにより、固定子１
と移動子１０との間に静電気力を発生させ、それにより
移動子１０を、固定子１から浮上させて動かすようにな
っている。

【０００８】次に、この静電アクチュエータの動作を図
４を参照して説明する。

【０００９】まず、図４（ａ）に示すように、固定子１
を構成する絶縁体２に埋め込まれた第１の電極群（I
相）である電極４a1、４a2、４a3に正電圧＋Ｖを、第２
の電極群（II相）である電極４b1、４b2、４b3に負電圧
−Ｖを、第３の電極群（III 相）である電極４c1、４c
2、４c3に０Ｖを、それぞれ印加する。すると、始めは
電荷の存在していなかった高抵抗体層１２内に電流が流
れ、高抵抗体層１２と絶縁体層１１の境界に電荷が誘導
され、平衡状態になる。この電荷は、図４（ｂ）の点線
で示した位置の鏡像電荷（反対極性の電荷）で置き換え
ることができる。この状態で、移動子１０は固定子１に
吸引されている。この段階を充電ステップという。

【００１０】次に、図４（ｃ）に示すように、各電極へ
の印加電圧を切り換える。つまり第１の電極群（I 相）
である電極４a1、４a2、４a3に負電圧−Ｖを、第２の電
極群（II相）である電極４b1、４b2、４b3に正電圧＋Ｖ
を、第３の電極群（III 相）である電極４c1、４c2、４
c3に負電圧−Ｖを、それぞれ印加する。すると、各電極
内の電荷は瞬時に移動するが、高抵抗体層１２に誘導さ
れた鏡像電荷は、同層材料の抵抗値が高いためにすぐに
は移動しない。したがって、電極４a1、４b1、４a2、４
b2上の電荷と、その直上の移動子１０上の鏡像電荷とが
同極性（同符号）となることにより反発力が発生し、移
動子１０は固定子１の表面から浮上する。又、電極４c1
上の負電荷と、隣接する電極４b1の直上の鏡像正電荷と
が異極性（異符号）となることにより互いに吸引し、同
時に電極４c1上の負電荷と、電極４a2の直上の鏡像負電
荷とが同極性（同符号）となることにより互いに反発す
るので、移動子１０は右方向の駆動力を受け、右に移動
する。この段階を駆動ステップという。

【００１１】移動子１０が右方向に１ピッチ移動する
と、図４（ｄ）に示すように、電極４b1、４c1、４b2、
４c2の電荷と、それらの上の鏡像電荷とが異極性となる
ので、吸引力が働き、移動子１０はその位置で位置決め
されて停止する。移動子１０が移動する間に鏡像電荷は
拡散するが、引き続いて図４（ｅ）に示すように、第１
の電極群（I 相）である電極４a1、４a2、４a3に０Ｖ
を、第２の電極群（II相）である電極４b1、４b2、４b3
に正電圧＋Ｖを、第３の電極群（III 相）である電極４
c1、４c2、４c3に負電圧−Ｖを、それぞれ印加すること
により、移動子１０上に再び鏡像電荷が誘導（充電）さ
れる。この段階も充電ステップという。

【００１２】そして、以下同様に、各電極群への印加電
圧を順次切り換えていくことにより、移動子１０が１ピ
ッチずつ移動していく。

【００１３】図５は、この例での各相へ印加する電圧の
時間変化を示す。駆動制御回路は、充電ステップと駆動
ステップを交互に実行することにより、充電と駆動を制
御する。

【００１４】この静電アクチュエータは次の利点を持
つ。

【００１５】（１）移動子１０には電極がなく、充電操
作によって固定子１側の帯状電極４のパターンを移動子
１０側に転写するようにしているので、固定子１と移動
子１０の位置合わせが不要であり、帯状電極４を高精度
に加工する必要がない。

【００１６】（２）固定子１と移動子１０を接触させる
ことで、固定子１と移動子１０間の距離（ギャップ）を
保持しているので、その距離を極めて小さくすることが
できる。よって、薄形でコンパクトな構造にすることが
できる上、大きな力密度（単位当たりに発生する力）を
得ることができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この静電ア
クチュエータにおいて実際に移動子を駆動する場合は、
空気又は絶縁体の絶縁破壊電圧に近い高電圧（特開平２
−２８５９７８号公報の実施例では、Ｖ＝１ｋｖ）を印
加する必要がある。そのため、電極同士間又は移動子と
電極間がショートする危険性が常にあり、又操作する人
間への感電の危険性も高い。又、その高電圧の切り換え
操作を行う駆動制御回路も、各素子に十分な耐圧を持た
せて構成し安全性を十分考慮したものにしなくてはなら
ず、そのためコストアップや回路の大形化を招くという
実用上の問題も生じる。

【００１８】本発明は、以上の点を考慮し、駆動に要す
る印加電圧を下げて、安全性や実用性を高めることので
きる静電アクチュエータを提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、絶縁体内に複
数の帯状電極を配列してなるフィルム状の固定子と、前
記固定子上に載置されるフィルム状の移動子と、前記帯
状電極への印加電圧の切り換えにより固定子と移動子と
の間に静電気力を発生させ、それにより前記移動子を固
定子から浮上させて帯状電極の配列方向に沿って移動さ
せる駆動制御回路と、を具備した静電アクチュエータに
おいて、前記固定子を、フィルム状の絶縁体からなるベ
ース層の上に前記帯状電極を形成し、その上に比誘電率
１０以上のフィルム状の誘電体層を形成した構造とする
ことにより、前記課題を解決したものである。

【００２０】なお、前記誘電体層の材料としては、強誘
電体セラミックスの薄膜、高分子圧電材料、強誘電体セ
ラミックスと高分子材料の複合材料、強誘電体セラミッ
クスとガラス材料の複合材料等を採用することができ
る。

【００２１】

【作用】静電アクチュエータが蓄積するエネルギーＵ
は、定性的には概ね平行平板コンデンサのポテンシャル
エネルギーの計算式で表現することができる。

【００２２】Ｕ＝１／２・ＱＶ＝１／２・ＣＶ²＝１／２・（εＳ／ｄ）・Ｖ²

【００２３】但し、Ｑは各極板の電荷、Ｖは両極板間の
電位差、Ｃはコンデンサ容量、εは誘電率、Ｓは極板面
積、ｄは極板間距離である。

【００２４】この式から静電アクチュエータに蓄えられ
るエネルギーＵは、印加電圧（Ｖ）の２乗に比例し、固
定子と移動子間の距離（ｄ）に反比例し、誘電体層の誘
電率（ε）に比例することが分かる。

【００２５】この誘電体層に、前記従来公報の実施例の
ようにＰＥＴ（Poly Ethylene Terephtalate）を用いた
場合は、ＰＥＴの誘電率＝３であり、駆動に要する印加
電圧＝１ｋｖであった。

【００２６】これに対し、本発明のアクチュエータで
は、誘電体層に比誘電率１０以上の物質を用いてるの
で、移動子を駆動するために蓄積するエネルギーＵが上
記従来例と同じだけ必要とすると、駆動に要する印加電
圧は、Ｖ＝（３／１０）^1/2×１０００＝５４８ｖとなる。従って、駆動に要する印加電圧を、従来の１／
２にすることができる。又、より誘電率の高い材料を使
用すれば、更に印加電圧を下げることもできる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照しなが
ら説明する。

【００２８】図１は実施例の静電アクチュエータの要部
断面を示している。この図において、１は固定子、１０
は移動子である。この場合の固定子１は、フィルム状の
絶縁体からなるベース層３と、該ベース層３上に配列さ
れた帯状電極４と、その上に形成されたフィルム状の誘
電体層５とから構成されている。

【００２９】フィルム状の誘電体層５の材質としては、
比誘電率が１０以上の物質が用いられている。比誘電率
が１０以上の材質ならば同等の効果が得られるので、そ
の材質を特定する必要はないが、例として次のものを上
げることができる。

【００３０】（１）強誘電体セラミックスの薄膜。この
薄膜は、スパッタ法等により帯状電極４を配設したベー
ス層３の上に形成する。

【００３１】（２）高分子圧電材料。この材料は成形容
易でありベース層３の上に溶着により形成する。

【００３２】（３）強誘電体セラミックスと高分子材料
との複合材料。高分子圧電材料では特性が不十分な場
合、これを用いるのが効果的である。この材料はベース
層３の上に溶着により形成する。

【００３３】（４）強誘電体セラミックスとガラス材料
との複合材料。同様にベース層３の上に溶着により形成
する。

【００３４】一方、移動子１０は、固定子１上に接触し
た状態で載置されるもので、適切な物性値を持つもので
あれば、特に材質等の制限を受けない。

【００３５】この構成の静電アクチュエータにおいて
は、前述したように誘電体層５の比誘電率が１０以上と
なっているので、従来品と同等の駆動エネルギーを得る
場合、移動子１０を駆動するための印加電圧を、従来品
の１／２程度に下げることができる。又、より誘電率の
高い材料を使用すれば、更に印加電圧を下げることがで
きる。

【００３６】従って、印加電圧を下げることにより、シ
ョートや感電の危険を減らして安全性を高めることがで
き、又部品の耐圧を落としたり回路構成を小形化して実
用性を高めることができる。又、印加電圧を従来品と同
様の値にした場合は、より大きな力密度を発生させるこ
とができ、性能向上を図ることができる。

【００３７】なお、誘電体層５の効果は、比誘電率の値
のみに影響されるため、誘電体層５の組成や製造方法等
によって性能に影響を受けることがない。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の静電アク
チュエータによれば、小さな印加電圧で従来と同等の駆
動エネルギーを発生することができる。従って、印加電
圧を落とすことで安全性及び実用性を高めることができ
る。又、印加電圧を許容範囲内で従来品と同等にした場
合は、従来品より大きな駆動エネルギーを発生すること
ができ、性能向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例の要部詳細断面図で
ある。

【図２】図２は、従来の静電アクチュエータの概観図で
ある。

【図３】図３は、従来の静電アクチュエータの側断面図
である。

【図４】図４は、この種の静電アクチュエータの動作を
順を追って示す図である。

【図５】図５は、駆動制御装置による電圧印加パターン
を示す図である。

【符号の説明】

１…固定子、２…絶縁体、３…ベース層、４…電極、４a1，４a2，４a3，４b1，４b2，４b3，４c1，４c2，４
c3…電極、５…誘電体層、１０…移動子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁体内に複数の帯状電極を配列してなる
フィルム状の固定子と、前記固定子上に載置されるフィ
ルム状の移動子と、前記帯状電極への印加電圧の切り換
えにより固定子と移動子との間に静電気力を発生させ、
それにより前記移動子を固定子から浮上させて帯状電極
の配列方向に沿って移動させる駆動制御回路と、を具備
した静電アクチュエータにおいて、前記固定子が、フィルム状の絶縁体からなるベース層の
上に前記帯状電極を形成し、その上に比誘電率１０以上
のフィルム状の誘電体層を形成してなるものであること
を特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】前記誘電体層が、強誘電体セラミックスの
薄膜で構成されている請求項１記載の静電アクチュエー
タ。
【請求項３】前記誘電体層が、高分子圧電材料で構成さ
れている請求項１記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】前記誘電体層が、強誘電体セラミックスと
高分子材料との複合材料で構成されている請求項１記載
の静電アクチュエータ。
【請求項５】前記誘電体層が、強誘電体セラミックスと
ガラス材料の複合材料で構成されている請求項１記載の
静電アクチュエータ。