JPH06233555A - 静電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 容易な構成と、容易な駆動方法により移動子
に複雑な運動をさせることができ、十分な駆動力が得ら
れる微細ピッチの帯状電極を備えた静電アクチュエータ
を得る。 【構成】 絶縁材料に３極以上の複数組の帯状電極４を
設けた固定子１と、高抵抗層を有する移動子１０と、前
記帯状電極４に電圧を印加する電源装置２０から構成
し、帯状電極４に電源装置２０より繰り返し正負の電圧
を印加する静電アクチュエータにおいて、絶縁材料に設
ける帯状電極４のピッチ間隔を一定間隔とせず、その一
部において不等間隔とする。また、絶縁材料に設ける帯
状電極４の一部において、配線作業を容易に行うために
その間隔を拡大した領域を設けるとともに、前記複数組
の帯状電極４を１箇所に配線するための引出し部２３ａ
〜２３ｃを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電気を利用した薄型
または小型アクチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１３、図１４、図１５は例えば特開平
２−２８５９７８号公報に示された従来の静電アクチュ
エータの斜視図、断面図、および拡大断面図である。図
１４において、１は絶縁体２と絶縁体２に配線された複
数の帯状電極４からなる固定子、１０はＰＥＴフィルム
１１と高抵抗層１２より構成されるシートであり、静電
アクチュエータの基本構成をなす。さらに、図１５にお
いて、２は絶縁体であり、固定子１の基板となるガラス
エポキシ基板３と、該ガラスエポキシ基板上に設けられ
た帯状電極４の表面に塗布されるエポキシ樹脂５、およ
びそのカバーフィルムとして貼つけられたＰＥＴフィル
ム６、７よりなる。

【０００３】次に、上記の構成の静電アクチュエータの
動作を説明する。第１ステップとして、前記帯状電極４
に所定の電圧を印加する。帯状電極４には印加電圧など
の物性諸元に応じて帯状電極４の静電容量に対応する量
の電荷が生じる。シート１０の高抵抗層１２は、帯状電
極４に生じた電荷による電界の影響で誘電される。その
結果、高抵抗層１２には、帯状電極４の電荷がほぼ鏡像
反転されたかたちで、その表面に電荷が生じる。高抵抗
層１２は、抵抗値が大きく内部で電荷が移動しにくいた
め、十分に誘電するまでに時間を要する場合もあるが、
一旦その表面に生じた電荷は内部で移動しにくい性質を
有する。

【０００４】第２ステップとして、前記帯状電極４に印
加していた電圧値を切り換える。このとき、第１ステッ
プで前記移動子１０の高抵抗層１２に生じている電荷に
対して静電気力による浮上力と、横方向への吸引力が作
用するように帯状電極４に印加する電圧を切り換える
と、移動子１０は横方向に帯状電極４の１ピッチ分だけ
移動する。

【０００５】これらの操作を繰り返すことにより、移動
子１０は固定子１上を印加電圧の切り換え速度に応じた
速度で移動する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の構成による静電
アクチュエータにおいては、帯状電極４が固定子１上に
等間隔に１列に設けられている。したがって、移動子１
０に作用する駆動力は移動子１０の全体にわたって均等
であり、直線的に駆動することしかできない。すなわ
ち、回転運動などの複雑な動作を行うことができる静電
アクチュエータを得ることができない構成であった。

【０００７】また、静電アクチュエータにおいては、そ
の単位面積当りの駆動力を増すために帯状電極４の間隔
を十分に小さくする必要がある。上記従来例においては
詳細について記述されていないが、等間隔に設けられた
帯状電極４はその端部から直接リード線に配線されてい
る。固定子１上に設けられる複数組の帯状電極４の間隔
が小さくなった場合、複数組のそれぞれの帯状電極４を
１箇所に配線する作業は技術的に困難になり、精度良く
全ての帯状電極を配線するには労力と時間を要するよう
になる。例えば、帯状電極４の間隔がオーダーとして数
ｍｍ間隔であれば手作業でリード線に半田付けすること
が可能であるが、数１０μｍ以下の間隔になると、手作
業では不可能になる。

【０００８】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、直進運動以外に回転運動が可能な静
電アクチュエータを得ることを目的とする。

【０００９】また、本発明は帯状電極の間隔が小さい場
合であっても、複数組の帯状電極を容易に配線すること
ができる静電アクチュエータを得ることを目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る静電アクチ
ュエータは、絶縁材料とその表面に設けられた３極以上
からなる複数組の帯状電極とからなる固定子と、所定の
表面抵抗率を有する高抵抗体をその少なくとも一部に有
する移動子と、前記固定子の帯状電極に高電圧を印加す
る電源装置と、駆動回路を構成要素とし、前記移動子を
前記固定子表面に配し、前記電源装置より駆動回路によ
って帯状電極に正負の電圧を繰り返し切り換えて印加す
る静電アクチュエータにおいて、前記複数組の帯状電極
を前記絶縁材料の少なくとも一部において、不等間隔に
設けたものである。

【００１１】また、絶縁材料と、その表面に設けられた
３極以上からなる複数組の帯状電極とからなる固定子
と、所定の表面抵抗率を有する高抵抗体をその少なくと
も一部に有する移動子と、前記固定子の帯状電極に高電
圧を印加する電源装置と、駆動回路を構成要素とし、前
記移動子を前記固定子表面に配し、前記電源装置より駆
動回路によって帯状電極に正負の電圧を繰り返し切り換
えて印加する静電アクチュエータにおいて、前記複数組
の帯状電極を１箇所に配線する引出し部を設けると共
に、該引出し部近傍に帯状電極間隔を拡大した領域を設
けたものである。

【００１２】

【作用】本発明に係る静電アクチュエータは、固定子に
設けられた帯状電極４に電源装置から繰り返し切り換え
て正負の電圧を印加する。帯電した帯状電極によって誘
電される移動子は、印加される電圧が切り換わるごとに
静電気による反発力と吸引力を受けて固定子上を駆動さ
れる。その際、移動子は帯状電極の１ピッチ分の距離づ
つ移動する。帯状電極は、固定子上の一部において不等
間隔に設けられているため、場所によって１回の切り換
えに対して駆動される距離が異なる。たとえば、帯状電
極の長手方向にピッチの異なる領域を設ける場合には、
移動子に帯状電極の間隔の分布に応じて（直進運動）＋
（回転運動）を行わせることができる。

【００１３】また、帯状電極のピッチ方向に間隔の異な
る領域を設ける場合には、一定の周波数で印加電圧の切
り換えを行っても、移動子は固定子上を速度を換えなが
ら移動する。

【００１４】また、本発明に係る静電アクチュエータ
は、複数組の帯状電極を１箇所に配線するための引出し
部を有するとともに、帯状電極の一部においてその間隔
が拡大されている。したがって、狭ピッチ間隔の帯状電
極であっても、容易に全ての帯状電極を引出し部に配線
することが可能である。たとえば、帯状電極の間隔が数
１０μｍピッチ間隔のものであっても、その一部を数ｍ
ｍピッチ間隔に拡大することが可能であり、容易に配線
することができる。

【００１５】

【実施例】実施例１．図１は本発明の実施例１における
静電アクチュエータを示す概略図、図２、図３はその部
品図、図４は一部の断面図、図５は動作原理図である。
図１において、１は絶縁材料であるＰＥＴフィルム上に
銅箔の帯状電極４を備える固定子基板である。４は相互
に絶縁された３極からなる複数組の帯状電極であって、
エッチングによりＰＥＴフィルム上に設けられている。
また、本実施例では、帯状電極４はＰＥＴフィルム上に
そのピッチ方向にわたって徐々にその間隔が変化するよ
うに配列されている。図１において、帯状電極４は左か
ら右に徐々にその間隔が狭くなるよう構成されている。
１０は表面に界面活性剤をわずかに塗布されて表面抵抗
率が１０¹²〜１０¹³ΩのＰＥＴフィルムからなるシート
であって、固定子基板１上に自然に置かれている。２３
ａ〜ｃは、３極からなる複数組の帯状電極４に対してそ
れぞれ１箇所づつ設けられている引出し部であって、全
ての帯状電極４が該部分に配線されている。２０は帯状
電極４に正負の高電圧を印加するための高圧電源であっ
て、その切り換えをリレースイッチ２２で行うととも
に、その制御をパソコン２１で行う。

【００１６】図４において、２５はＰＥＴフィルムであ
って固定子基板１の基材をなし、その上面にはエッチン
グにより銅箔からなる第１の帯状電極４ａと第２の帯状
電極４ｂが設けられている。２４は、前記ＰＥＴフィル
ム２５より薄いＰＥＴフィルムであって、固定子基板１
の基材をなすとともに、その下面に銅箔からなる第３の
帯状電極４ｃを有する。２６は帯状電極間の絶縁性を向
上させるために、ＰＥＴフィルム２４とＰＥＴフィルム
２５の間に塗布されたシリコン樹脂である。シリコン樹
脂２６は、均一な厚さに塗布するために、スピナやシル
クスクリーンを使用して塗布する。なお、図２に示され
た第１の帯状電極４ａ、４ｂおよび、図３に示された第
３の帯状電極４ｃは、ＰＥＴフィルム２４と２５が図４
に示すように重ね合わされた際に、交互に順番に並列す
るようパターン化されている。

【００１７】動作を図５（ａ）〜（ｄ）により説明す
る。まず、図５（ａ）は初期状態を示す図である。パソ
コン２１の制御信号にしたがってリレースイッチ２２に
よって、高圧電源２０の高電圧は遮断され固定子基板１
に設けられた帯状電極４には電圧は印加されていない。
したがって、帯状電極４およびシート１０も全く帯電し
ていない。

【００１８】図５（ｂ）はつぎにパソコン２１の制御信
号を切り換えることにより、リレースイッチ２２を介し
て固定子基板１に設けられている帯状電極４に高圧電源
２０から所定の正負の高電圧を印加した状態を示す。た
とえば、第１の帯状電極４ａに正の所定電圧＋Ｖを印
加、第２の帯状電極４ｂおよび第３の帯状電極４ｃに負
の電圧−Ｖを印加する。帯状電極４の表面には、それぞ
れ印加された電圧および帯状電極４の間隔、シリコン樹
脂２６の誘電率などに応じて所定の電荷が発生する。固
定子基板１の上に置かれたシート１０の表面は、わずか
に界面活性材が塗布されて高抵抗体になっているあるた
め、若干の時間遅れの後、帯状電極４と対向した部分が
電界により誘電され一定量帯電する。

【００１９】図５の（ｃ）はパソコン２１の制御信号を
さらに次のステップに切り換え、帯状電極４に印加する
電圧を切り換えた状態を示す。第１の帯状電極４ａを−
Ｖに、第２の帯状電極４ｂはそのままで、第３の帯状電
極４ｃは＋Ｖに電圧を切り換える。その際、シート１０
の表面の帯電した電荷は、高抵抗体であるから瞬時には
移動できない。この瞬間、シート１０において第１の帯
状電極４ａと対向した部分は、−Ｖが印加されている第
１の帯状電極４ａとは反発力が作用するとともに、＋Ｖ
が印加されている隣接する第３の帯状電極４ｃとは吸引
力が作用する。すなわち、図においてシート１０には左
方向に駆動しようとする力が作用する。またシート１０
において第２の帯状電極４ｂと対向する部分は、第２の
帯状電極４ｂが−Ｖのままであり相互に吸引力が作用し
ているが、隣接する第１の帯状電極４ａとも吸引力が作
用する。さらに、右に隣接する第３の帯状電極４ｃは＋
Ｖであり、反発力が作用する。トータルとして、第２の
帯状電極４ｂと対抗する部分には左方向に駆動しようと
する力が作用する。また、シート１０において、第３の
帯状電極４ｃと対抗する部分は、第３の帯状電極４ｃか
ら反発力を受けるとともに、両隣から吸引力が作用し、
不安定な状態となる。これらの力を総合すると、シート
１０には帯状電極４から左に移動するように力が作用
し、帯状電極４の１ピッチ分だけ左に移動する。

【００２０】図５（ｄ）はシート１０が左に帯状電極４
の１ピッチ分だけ移動した状態を示す。この状態で、帯
状電極４の電荷とシート１０の電荷による静電気力はつ
り合って停止する。上記の操作を繰り返すことにより、
シート１０は固定し基板１上を移動し続ける。その際の
駆動速度は、帯状電極４の間隔とパソコン２１による印
加電圧の切り換え周波数によって決まる。また、駆動力
は印加電圧の大きさや、帯状電極４の間隔および面積占
有率、シリコン樹脂２６の誘電率、ＰＥＴフィルム２４
の厚さなどの物性値によって決まる。

【００２１】上記のように構成された静電アクチュエー
タにおいては、説明した動作原理にしたがって、一定の
切り換え周波数で帯状電極４に正負の高電圧を繰り返し
印加すると、シート１０は帯状電極４の１ピッチ分づつ
進行する。したがって、図１において帯状電極４に高電
圧を一定周波数で切り換えて印加し続けると、シート１
０は固定子基板１上の帯状電極４の分布に応じた移動速
度で移動する。すなわち、一定の切り換え周波数で駆動
するだけで、たとえば左から右にシート１０を駆動する
場合には、徐々に走行速度が遅くなり、右から左にシー
ト１０を駆動する場合には徐々に走行速度を早くするこ
とができる。

【００２２】実施例２ 図６は本発明の実施例２における静電アクチュエータを
示す概略図、図７は一部の拡大図である。前記実施例１
と同一部材は同一符号で示してある。４ａ、４ｂ、４ｃ
は固定子基板１上に設けられた銅箔の帯状電極であっ
て、固定子基板１の左半分の領域に設けられた電極ピッ
チが右半分の領域のピッチの約１．５倍になるように構
成されている。

【００２３】上記のように構成された静電アクチュエー
タにおいては、前記実施例１において図５により説明し
た原理にしたがって、シート１０は固定子基板１上を移
動する。その際、高圧電源２０よりリレースイッチ２２
を介して帯状電極４に印加される電圧が１回切り換わる
ごとに、前記帯状電極４の１ピット分の距離づつシート
１０は移動する。本実施例においては、固定子基板１の
右半分の領域より左半分の領域の帯状電極ピッチ４が
１．５倍大きく構成されているため、固定子基板１の上
をシート１０が移動する際、その左側は右側より１ステ
ップごとに１．５倍速く移動するように力が作用する。
従って、シートは単純に直進運動を行うのではなく、回
転しながら進行する。図の下から上方向にシートが移動
する際には、シートは時計方向に回転しながら上方向に
シート、上から下方向に移動する際には、シートは反時
計方向に回転しながら下方向に移動する。

【００２４】実施例３ 図８は本発明の実施例３における静電アクチュエータを
示す概略図、図９は一部の拡大図、図１０は一部の拡大
断面図である。図において、前記実施例１と同一の部材
には同一符号を記載して示してある。図８において、１
は１枚のポリイミドフィルムと、その片面に設けられた
３極からなる帯状電極と、電極の引出し部とからなる固
定子基板である。４はエッチングによってポリイミドフ
ィルム２５の片面に等ピッチ間隔で設けられた全８組の
銅箔の帯状電極であって、相互に絶縁された３極から構
成されており、かつ後述する引出し部２３近傍の一部に
おいて間隔が拡大されている。２３ａ〜２３ｃは前記帯
状電極４の引出し部であって、３極からなる８組の帯状
電極４が、それぞれ１箇所の該引出し部に配線されてい
る。図１０において、３２は金線のワイヤであって、前
記８組からなる第３極の帯状電極４ｃを１箇所の引出し
部２３ｃに他の帯状電極と接触しないようそれぞれ立体
的に配線している。この手法を一般にワイヤボンディン
グという。

【００２５】静電アクチュエータにおいては、その単位
面積当りの駆動力を増すためには帯状電極４のピッチ間
隔を小さくする必要がある。例えば、単位面積当り数ｇ
ｆ／ｃｍ２以上の駆動力を得るためには、帯状電極４の
ピッチ間隔を数１０μｍ以下に設定する必要があること
が実験によりわかっている。上記のような構成による静
電アクチュエータにおいては、固定子基板１上に設けら
れた微細ピッチ間隔の帯状電極４は相互に絶縁された３
極に構成する必要がある。そのため、例えばこの実施例
３に示すように第３電極を他の第１電極や第２電極と接
触しないようにワイヤボンディングによって１箇所づつ
配線する必要がある。

【００２６】ワイヤボンディングとは、微細面積の電極
同士を電気的に接続するために、非常に細いワイヤを用
いて立体的に他の電極と接触しないように接続する技術
である。ワイヤ３２を最初に接続する方をファースト、
もう一方をセカンドという。この実施例では、前記第３
電極４ｃの間隔を拡大した領域にファーストを設定し、
セカンドを前記引出し部２３ｃに設定している。すなわ
ち、金線のワイヤ３２をまず１つの第３帯状電極４ｃの
端部に接続した後、ワイヤ３２を引き伸ばして引出し部
２３ｃに接続し、ワイヤ３２をカットする。ワイヤボン
ディングにおいては、ファーストにワイヤを接続する際
の位置決め精度が重要であるが、通常微細ピッチの電極
では作業が困難である。とくに、静電アクチュエータの
ようにサイズの規格がない基板では自動ボンダの機械を
使用することができず、全てが手作業になることが多
い。

【００２７】この実施例では、微細ピッチの電極２１で
あっても、ファーストに相当する部分が拡大されている
ため、容易に第３の帯状電極を配線することができる。
たとえば、帯状電極４の間隔が数μｍ以下であっても、
ワイヤを配線する領域の間隔を任意に拡大して設定でき
るため、容易に製造することができる。

【００２８】実施例４．図１１は本発明の実施例４を示
す静電アクチュエータの固定子基板の概略図、図１２は
一部の断面図である。図において、前記実施例３と同一
部材は同一符号で表示した。この実施例４は前記実施例
３において、第３帯状電極４ｃの引出し部２３ｃへの接
続方法をスルーホール方式に変えた例である。スルーホ
ールとは、回路上で相互に絶縁する必要がある配線どう
しが幾何学的に交錯して短絡するのを防ぐために、一部
の配線箇所を基板裏面に穴を開けて逃がすように配線す
ることである。２３ｃは第３帯状電極４ｃの引き出し部
であって、スルーホール加工により固定子基板１の裏面
に設けられると共に、その一部は第３帯状電極４ｃの拡
大した領域の裏側に位置するよう構成されている。

【００２９】微細ピッチのスルーホール加工を行う場
合、レーザー光により前記固定子基板１に裏面より穴加
工を行うが、その際レーザー光の位置決め精度が重要で
ある。この例の場合、固定子基板１のおもて面に設けら
れた８組からなる第３の帯状電極４ｃの全てに対して、
裏面より穴加工を施す必要がある。その際、裏面から穴
加工を行うレーザ光の位置決め精度が不十分であれば、
第３の帯状電極４ｃを引出し部２３ｃに配線することが
できない。前記のような構成の静電アクチュエータの固
定子基板１においては、第３の帯状電極４ｃを引出し部
２３ｃにスルーホール加工する際に、電極間隔が拡大し
た領域に穴加工を施せばよく、位置決め精度を緩和でき
る。駆動力を増すために、帯状電極４の間隔が数μｍ以
下のものであっても、帯状電極の一部を任意の拡大率に
拡大してスルーホール加工を施すため、容易に製造する
ことができる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明による静電アクチ
ュエータは、帯状電極の間隔が小さい場合であっても、
複数組の帯状電極を容易に配線できると共に、直進運動
以外に回転運動が可能なように構成したので、以下のよ
うな効果がある。

【００３１】絶縁フィルム上に設けられた帯状電極が、
そのピッチ方向に間隔が異なる領域を有するために、一
定周波数で印加電圧を切り換えて駆動しても、移動子の
駆動速度を変化させることができる。

【００３２】絶縁フィルム上に設けられた帯状電極が、
その長手方向に間隔が異なる領域を有するために、一定
の正負の電圧を切り換えて印加するだけで、移動子に回
転運動などの複雑な運動を行わせることができる。

【００３３】絶縁フィルム上に設けられた３極以上の複
数組の帯状電極に対して、その一部に間隔を拡大した領
域を設けるとともに、その引出し部を設ける構成を有し
ているために、帯状電極の間隔が微細であっても電極ど
うしが相互に接触して短絡することなく容易に配線して
製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における静電アクチュエータ
を示す概略図である。

【図２】本発明の実施例１における静電アクチュエータ
の部品図である。

【図３】本発明の実施例１における静電アクチュエータ
の部品図である。

【図４】本発明の実施例１における静電アクチュエータ
の断面図である。

【図５】本発明の実施例１における静電アクチュエータ
の動作原理図である。

【図６】本発明の実施例２における静電アクチュエータ
を示す概略図である。

【図７】本発明の実施例２における静電アクチュエータ
の拡大図である。

【図８】本発明の実施例３における静電アクチュエータ
を示す概略図である。

【図９】本発明の実施例３における静電アクチュエータ
の拡大図である。

【図１０】本発明の実施例３における静電アクチュエー
タの断面図である。

【図１１】本発明の実施例４における静電アクチュエー
タを示す概略図である。

【図１２】本発明の実施例４における静電アクチュエー
タを示す断面図である。

【図１３】従来の静電アクチュエータを示す概略図であ
る。

【図１４】従来の静電アクチュエータを示す断面図であ
る。

【図１５】従来の静電アクチュエータを示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 固定子基板 ４ 帯状電極 ４ａ 第１の帯状電極 ４ｂ 第２の帯状電極 ４ｃ 第３の帯状電極 １０ シート（移動子） ２０ 電源 ２１ パソコン ２２ リレースイッチ ２３ 引出し部 ２４、２５ ポリイミドフィルム ２６ シリコン樹脂 ３２ ワイヤ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁材料とその表面に設けられた３極以
   上からなる複数組の帯状電極とからなる固定子と、所定
   の表面抵抗率を有する高抵抗体をその少なくとも一部に
   有する移動子と、前記固定子の帯状電極に高電圧を印加
   する電源装置と、駆動回路を構成要素とし、前記移動子
   を前記固定子表面に配し、前記電源装置より駆動回路に
   よって帯状電極に正負の電圧を繰り返し切り換えて印加
   する静電アクチュエータであって、前記複数組の帯状電
   極を前記絶縁材料の少なくとも一部において、不等間隔
   に設けることを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 絶縁材料と、その表面に設けられた３極
   以上からなる複数組の帯状電極とからなる固定子と、所
   定の表面抵抗率を有する高抵抗体をその少なくとも一部
   に有する移動子と、前記固定子の帯状電極に高電圧を印
   加する電源装置と、駆動回路を構成要素とし、前記移動
   子を前記固定子表面に配し、前記電源装置より駆動回路
   によって帯状電極に正負の電圧を繰り返し切り換えて印
   加する静電アクチュエータであって、前記複数組の帯状
   電極を１箇所に配線する引出し部を設けるとともに、該
   引出し部近傍に帯状電極間隔を拡大した領域を設けるこ
   とを特徴とする静電アクチュエータ。