JPH06113563A - 静電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 静電アクチュエータにおいて静電力をより効
率的に発生させ、同じ印加電圧で駆動力を高める。 【構成】 帯状電極１０４への電圧を切り換えることに
より、固定子１０１上に載置された移動子１１０を浮上
させ、帯状電極１０４の配列方向に沿って駆動させる静
電アクチュエータにおいて、固定子１０１を板状もしく
はフィルム状の絶縁体からなるベース層１０３と、該ベ
ース層上に配線される帯状電極１０４と、該帯状電極１
０４の上に形成される帯状誘電体１０５とで形成し、各
々の帯状誘電体１０５が互いに接触しないようにクリア
ランスＬを確保する。これにより、帯状電極によって発
生される電気力線は図２（Ｂ）に示されるように発生
し、各帯状電極１０４を短絡的につなぐような電気力線
が発生するのを回避でき、全ての電気力線を有効に移動
子１１０にまで到達させることができる。その結果、同
じ印加電圧でもより高い静電力を得ることができ、より
強力な駆動力を確保することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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、誘電体を用いた誘導
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。誘電体を用いた誘導モータは、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２−２８
５９７８号公報に提案されている。

【０００７】この静電アクチュエータは、図４、図５
（拡大図を図８）に示すように、固定子１と移動子１０
を有する。

【０００８】固定子１は、板状もしくはフィルム状の絶
縁体からなるベース層３と、誘電体層５との間に複数の
帯状電極４を一定ピッチで配列したものである。又、移
動子１０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の誘電体５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。

【０００９】次に、この静電アクチュエータの動作を図
６を参照して説明する。

【００１０】まず、図６（ａ）に示すように、固定子１
内に埋め込まれた第１の電極群（Ｉ相）である電極４a
1、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、４c2、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。

【００１１】この電荷は、図６（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言う。

【００１２】次に、図６（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。

【００１３】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
プと言う。

【００１４】移動子１０が右方向に１ピッチ移動する
と、図６（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。

【００１５】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５（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４c1、４
c2、４c3に負電圧−Ｖを、それぞれ印加することによ
り、移動子１０上に再び鏡像電荷を誘導（充電）する。
この段階も充電ステップと言う。

【００１６】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を１ピ
ッチずつ移動させる。

【００１７】図７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。

【００１８】この静電アクチュエータは、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という点
で有益である。

【００１９】又、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、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
ことができるという点でも有益である。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
固定子の構成では、図８に示されるように、電気力線が
移動子の方向に向き難く（プラス極からマイナス極に漏
れる（リークする）ものがあり）その結果、有効に電気
力線が移動子にまで届かないため十分な電荷を誘導する
ことができず、高い静電力を得ることが難しいという問
題があった。

【００２１】又、より高い静電力を得るために、高電圧
をかけるようにした場合には、固定子自体が帯電してし
まい易く、その結果、各電極に前述の図７で示されるよ
うな電圧を印加しようとしたとき、当該電圧の切り換え
に遅れが生じたり印加する電圧自体が弱められたりする
という不具合が発生し易くなるという問題があった。

【００２２】こうしたことから、従来の静電アクチュエ
ータは有効に固定子と移動子との間に強い静電力を発生
し得るような構成であるとは必ずしも言えないというの
が実状であった。

【００２３】本発明は、このような従来の問題に鑑みて
成されたものであって、電極に発生する電気力線を有効
に移動子にまで到達させ、その結果同じ印加電圧でもよ
り強い静電力を発生することのできる静電アクチュエー
タを提供し、上記課題を解決せんとしたものである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本第１発明は、複数の帯
状電極を具備する固定子と、該固定子上に載置されるフ
ィルム状の移動子と、前記帯状電極への電圧の切り換え
により前記移動子を浮上させ、該移動子を帯状電極の配
列方向に沿って駆動する手段とを具備する静電アクチュ
エータにおいて、前記固定子は、板状もしくはフィルム
状の絶縁体からなるベース層と、該ベース層上に配線さ
れる前記帯状電極と、該帯状電極の上に形成される帯状
誘電体とを備え、且つ、各々の帯状誘電体が互いに接触
しないように配置されていることにより、上記課題を解
決したものである。

【００２５】又、本第２発明は、複数の帯状電極を具備
する固定子と、該固定子上に載置されるフィルム状の移
動子と、前記帯状電極への電圧の切り換えにより前記移
動子を浮上させ、該移動子を帯状電極の配列方向に沿っ
て駆動する手段とを具備する静電アクチュエータにおい
て、前記固定子は、板状もしくはフィルム状の絶縁体か
らなるベース層と、該ベース層上に配線される前記帯状
電極と、該帯状電極の上に形成される帯状誘電体と、各
々の帯状誘電体間に挿入される少なくとも該帯状誘電体
よりも誘電率の低い誘電体とを備えたことにより、同じ
く上記課題を解決したものである。

【００２６】

【作用】従来の静電アクチュエータにおいては、図８に
示されるように、固定子の帯状電極によって発生された
電気力線の方向が固定子の各々の帯状電極間に向き易
く、このため、この方向の電気力線は移動子に電荷を誘
導せず、従って、有効に固定子と移動子の間に静電力を
発生させ得る構成とはなっていなかった。

【００２７】これに対し、本第１発明に係る静電アクチ
ュエータにおいては、例えば図２に示されるように、固
定子を、板状もしくはフィルム状の絶縁体からなるベー
ス層と、該ベース層に配線される帯状電極と、この帯状
電極上に形成される帯状の誘電体とから構成し、且つ、
この各々の帯状誘電体が互いに接触しないようにクリア
ランスＬ分だけ離反させた状態で配置させるようにした
ため、帯状電極同士を短絡的につなぐような電気力線が
発生するのを防止でき、ほぼ全ての電気力線を有効に移
動子にまで届かせることができるようになる。

【００２８】又、この第１発明の構成によれば、固定子
と移動子との接触面積を低減できるため、それだけ摩擦
力を小さくすることができ、駆動性能を一層向上させる
こともできる。

【００２９】又、本第２発明においては、この帯状誘電
体の間に、該帯状誘電体より誘電率の低い誘電体を配置
するようにしたため、この場合も帯状電極によって発生
するほぼ全ての電気力線を有効に移動子にまで届かせる
ことができる。この第２発明によれば、固定子の最上面
（移動子との接触面）が面一になっているため、例えば
各帯状電極の間に誘電率の高い微粉体が詰まって、結果
としてこの微粉体を介して電気力線が各帯状電極をつな
いでしまうのを防止することができる。従って、効率の
良い静電力発生構造を長期に亘って維持することができ
る。

【００３０】なお、本出願において誘電率に注目した絶
縁体を誘電体と呼んでいる。

【００３１】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例を詳細に
説明する。

【００３２】図１に本第１発明の実施例を示す。図１に
おいて、符号１０１が固定子、１１０は移動子である。
固定子１０１は、板状もしくはフィルム状の絶縁体から
なるベース層１０３と、該ベース層１０３上に配線され
る帯状電極１０４と、該帯状電極の上に形成される帯状
誘電体１０５とからなる。各帯状誘電体１０５の間に
は、所定のクリアランスＬが形成されており、各々の帯
状誘電体１０５が互いに接触しないように配置されてい
る。又、各帯状誘電体１０５の移動子１１０側の角には
所定の面取りＲがなされ、移動子１１０がこの角にぶつ
かってその移動が阻害されることがないように配慮され
ている。

【００３３】この実施例に係る静電アクチュエータで
は、図２に示されるように電気力線が形成されるため、
従来のように各帯状電極１０４を短絡的につなぐような
電気力線が発生するのを回避でき、その結果発生したほ
ぼ全ての電気力線を有効に移動子にまで到達させること
ができ、効率の良い静電力を発生させることができる。

【００３４】なお、各帯状電極１０４への印加電圧やそ
れによる移動子３０の基本的な移動メカニズム自体につ
いては基本的に従来と同様である。

【００３５】但し、固定子１０１と移動子１１０との接
触が帯状誘電体１０５の上面部分のみとなり、それだけ
接触面積が減少するため、固定子１０１と移動子１１０
との間の摩擦抵抗の影響をそれだけ小さくでき、より一
層良好な移動子１１０の移動ができるようになる。

【００３６】次に、図３に本第２発明の実施例を示す。

【００３７】この実施例では、各帯状誘電体２０５の間
に該帯状誘電体より誘電率の低い誘電体２０８を配置す
るようにし、その結果固定子２０１の上面（移動子２１
０側の面）が、いわゆる「面一」となるようにしてい
る。

【００３８】図３に示されるように、この実施例によっ
ても電気力線を有効に移動子２１０にまで到達させるこ
とができ、効率良く静電力を発生させることができる。
又、この実施例では、各帯状誘電体２０５の間に物理的
な隙間が全く形成されていないため、この隙間に例えば
誘電率の高い微粉体が詰まってしまったりする恐れが全
くなく、従って、効率の良い静電力発生構造を長期に亘
って維持することができるようになる。

【００３９】なお、両実施例とも、移動子１１０、２１
０については、適切な物性値を持ちさえすれば、この静
電アクチュエータで駆動することができるため、特に材
質等の制限はなく、むしろ駆動効率が高まることにより
従来は移動が困難であったような材質の移動子でも本発
明によって駆動することができるようになる可能性があ
る。

【００４０】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、帯
状電極によって発生するほぼ全ての電気力線を有効に移
動子にまで到達させることができるため、より効率的に
静電力を発生させることができ、同じ印加電圧であって
も、その分強い駆動力を得ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す概略斜視図

【図２】図１の矢示II−II線に沿う拡大断面図

【図３】本発明の第２実施例を示す図２相当の拡大断面
図

【図４】従来の静電アクチュエータの構成を示す斜視図

【図５】図４の矢示Ｖ−Ｖ線に沿う断面図

【図６】この種の静電アクチュエータの動作を順を追っ
て示す線図

【図７】上記アクチュエータに印加する電圧パターンを
示す線図

【図８】従来の静電アクチュエータによって形成される
電気力線の形成状態を示す断面図

【符号の説明】

１、１０１、２０１…固定子 ３、１０３、２０３…ベース層 ４、１０４、２０４…帯状電極 ５…（従来の）誘電体 １０５、２０５…帯状誘電体 １０、１１０、２１０…移動子 ２０８…帯状誘電体より誘電率の低い誘電体 Ｌ…クリアランス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の帯状電極を具備する固定子と、該固
   定子上に載置されるフィルム状の移動子と、前記帯状電
   極への電圧の切り換えにより前記移動子を浮上させ、該
   移動子を帯状電極の配列方向に沿って駆動する手段とを
   具備する静電アクチュエータにおいて、 前記固定子は、板状もしくはフィルム状の絶縁体からな
   るベース層と、 該ベース層上に配線される前記帯状電極と、 該帯状電極の上に形成される帯状誘電体とを備え、且
   つ、 各々の帯状誘電体が互いに接触しないように配置されて
   いることを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 【請求項２】複数の帯状電極を具備する固定子と、該固
   定子上に載置されるフィルム状の移動子と、前記帯状電
   極への電圧の切り換えにより前記移動子を浮上させ、該
   移動子を帯状電極の配列方向に沿って駆動する手段とを
   具備する静電アクチュエータにおいて、 前記固定子は、板状もしくはフィルム状の絶縁体からな
   るベース層と、 該ベース層上に配線される前記帯状電極と、 該帯状電極の上に形成される帯状誘電体と、 各々の帯状誘電体間に挿入される、少なくとも該帯状誘
   電体より誘電率の低い誘電体と、 を備えたことを特徴とする静電アクチュエータ。