JPH0767362A

JPH0767362A - 静電アクチュエータおよびその駆動方法

Info

Publication number: JPH0767362A
Application number: JP23426793A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Matsuzaki; 一成松崎; Yoshikazu Mikuriya; 美和御厨; Koji Yagi; 晃治八木; Toshihiro Matsuo; 智弘松尾
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1995-03-10

Abstract

(57)【要約】【目的】簡素な構造で摩擦が小さく、推力の大きい、か
つ高精度の位置決めが可能な静電アクチュエータを得
る。【構成】絶縁物からなる基体の表面部に複数の駆動電極
を所定のピッチで配置させた固定子(1) と、固定子と微
少空隙を介して対向させて、固定子の電極のピッチと所
定の関係を持つピッチで配列された電極を設けた可動子
(2) とを備えた静電アクチュエータにおいて、固定子は
基体表面に設けた第１電極(12)とその上に絶縁体または
強誘電体を介して重なるように設けた略同形状の第２電
極(14)からなり、可動子は基体表面に設けた第１電極(2
2)とその上に絶縁体または強誘電体を介して重なるよう
に設けた略同形状の第２電極(24)からなる構成にし、固
定子の第１電極と可動子の第１電極に同極性の電圧を加
え、固定子の第２電極および可動子の第２電極には第１
電極に印加した極性とは異なる極性の電圧を順次加える
ようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電気を用いて可動子
を移動させる静電アクチユエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、静電アクチュエータは電磁アクチ
ュエータに比べ発生力が小さく実用に適さないとされて
いたが、静電力は面積比例であることや構造が簡単であ
ること等からマイクロアクチュエータへの適用が有望視
されている。マイクロアクチュエータの領域では移動す
る際の摩擦がモータ出力に大きな影響を与えるため、低
摩擦の支持機構が必要となる。その一例として、玉によ
るころがり軸受を用いて、可動子と固定子の間に電圧を
印加して駆動させる静電アクチュエータが開示されてい
る（特開昭６３−９５８６３号）。これは固定子および
可動子の端部に設けたガイド溝の中にボールを挿入して
組み立てたアクチュエータであり、３相になった固定子
の駆動電極の各相にパルス状の電圧を順次加えると、正
の電圧がかかっている固定子の駆動電極と、負の電圧が
かかっている可動子の駆動電極との間に吸引力が働き、
可動子は印加電圧の相順の方向に印加電圧の周波数に同
期して駆動されるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、支持機構を
ボールとし、静電吸引力により駆動を行うと、ボールを
圧縮する方向に大きな吸引力が働いて、支持機構の摩擦
力が増大し、モータの実質的な推力が低下するという問
題がある。また、駆動力を大きくするには固定子電極と
可動子電極との空隙を可能なかぎり小さくしなければな
らない。この電極間の微少な空隙を保持するには、微小
なボールの直径を一定にする必要がある。したがって、
高精度で小型なボールが要求されるため、ボールの製作
が困難であるという問題があった。そこで、本発明は簡
素な構造で摩擦が小さく、推力の大きい、かつ高精度の
位置決めが可能な静電アクチュエータを提供することを
目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明は絶縁物からなる基体の表面部に複数の駆動
電極を所定のピッチで配置させた固定子と、固定子と微
少空隙を介して対向させて、固定子の電極のピッチと所
定の関係を持つピッチで配列された電極を設けた可動子
とを備えた静電アクチュエータにおいて、固定子は基体
表面に設けた第１電極と前記第１電極の上に絶縁体また
は強誘電体を介して重なるように設けた前記第１電極と
略同形状の第２電極からなり、可動子は基体表面に設け
た第１電極と前記第１電極の上に絶縁体または強誘電体
を介して重なるように設けた前記第１電極と略同形状の
第２電極からなる構成にしている。また、この静電アク
チュエータを駆動させるため、固定子の第１電極と可動
子の第１電極に同極性の電圧を加え、固定子の第２電極
および可動子の第２電極には第１電極に印加した極性と
は異なる極性の電圧を順次加えるようにしている。

【０００５】

【作用】上記手段により、固定子および可動子ともに第
１の電極と第２の電極を設けているので、帯電量を大き
くでき、対向する固定子と可動子の第２電極間に同極性
の電圧を印加するので、同極性の電荷が励起され、静電
反発力が生じて、可動子は浮上する。印加電圧を各相の
電極に順次切り替えることにより、浮上したまま移動す
るので、摩擦力は全く発生せず、推力の損失がない。ま
た、ボールによる空隙の設定が不要なので、高精度の位
置決めが可能となる。

【０００６】

【実施例】本発明の実施例を図を用いて詳述する。図１
は本発明のリニア型静電アクチュエータの概観を示す斜
視図である。図２は図１のＡ−Ａ’断面図、図３は同じ
くＢ−Ｂ’の断面図である。図において、１は固定子、
２は可動子である。いずれも短冊状の導電性金属膜から
なる第１電極と第２電極が絶縁膜もしくは強誘電体を介
して設けてある。すなわち、固定子１は絶縁物からなる
基体１１の表面に、第１電極１２がその幅方向を移動方
向に合わせて複数配置され、その上に絶縁膜もしくは強
誘電体１３の膜を設け、さらにその直上に第１電極と略
同形状の第２電極１４を同数配置し、最上面には絶縁膜
１５がコーティングされた構成になっている。両端部に
は可動子を支持するため、凹状の支持部１６が設けられ
その外側内壁には支持電極１７が設けられている。可動
子２も固定子１と同様に絶縁物からなる基体２１の表面
に、短冊状の導電性金属膜からなる第１電極２２がその
幅方向を移動方向に合わせて複数配置され、その上に絶
縁膜もしくは強誘電体２３の膜を設け、さらにその直上
に第１電極と略同形状の第２電極２４が同数配置されて
おり、両端部には支持部２６が設けられその外壁には支
持電極２７が設けられた構成である。電極の配置および
配線はつぎのようになっている。まず、可動子２の第１
電極２２および第２電極２４はその単位となる電極221,
222,223,・・227 ・・・がピッチλで配置されている。
そして図４に示す配線図のように第１電極２２は全て共
通の接続線Ｇ₁ に接続され、第２電極２４は全て共通の
接続線Ｇ₂ に接続されている。図４はＲ相に電圧を印加
して整列させた時の状態を表わしている。固定子の第１
電極１２および第２電極１４はその単位となる電極121,
122,123,・・127 がピッチ４λ／３で配置されている。
この固定子の第１および第２の電極はいずれも３相構造
にっている。すなわち、２つ置きに結線しており、第１
電極では121,124,・・・のグループはＲ相、122,125,・
・・のグループはＳ相、123,126 ・・・のグループはＴ
相である。第２電極２４も同様に各相を共通線に接続し
ている。第１電極の共通線はＲ₁、Ｓ₁、Ｔ₁であり、
第２電極の共通線はＲ₂、Ｓ₂、Ｔ₂である。つぎに、
動作について説明する。図５（ａ），（ｂ）は動作状態
の固定子１と可動子２の位置関係を示したもので、図６
は各相に印加する電圧のパターンを示したものである。
表１は図６の電圧のパターンを極性で表したものであ
る。

【０００７】

【表１】

【０００８】まず、可動子２の並進および回転による可
動子電極と固定子電極とのずれを防ぐため、固定子１の
支持電極１７と可動子２の支持電極２７に同じ極性の印
加する。つぎに、可動子２を右方向に駆動させる方法に
ついて説明する。図５（ａ）は可動子２の電極２４のａ
と固定子電極Ｒ₂が整列している状態である。この状態
で可動子２の第１電極２２の共通線Ｇ₁に負（−Ｖ）電
位を与え、共通線Ｇ₂に正（＋Ｖ）を与える。これによ
り、可動子２は固定子１の中央部の位置に支持される。
一方、固定子１の第１電極１２のＲ₁に−Ｖ電位を与
え、第２電極１４のＲ₂に＋Ｖ電位を与えると、それぞ
れ対向する可動子２の第２電極２４のａと固定子１の第
２電極１４のＲ₂では、＋の電荷が励起され、各電極面
に対して垂直方向の反発力が発生する（矢印）。同時に
固定子１の第１電極１２のＴ₁に−Ｖを与え、第２電極
１４のＴ₂に＋Ｖ電位を与えると可動子２の第２電極２
４のｄと固定子１の第２電極１４のＴ₂間では＋の電荷
が励起され、反発力が発生し可動子２を右方向に動かす
力が働く。可動子２が右に移動しはじめると、可動子２
の電極ａと固定子１の電極Ｒ₁との位置関係が変わり、
今まで垂直方向に働いていた反発力は一部、可動子２を
右方向に移動させる力に変わる。このようにして可動子
２は右方向に移動する。移動後、可動子２の電極ｂと固
定子１の電極Ｓ₂が整列すると、図５（ｂ）に示すよう
に可動子２の電極ｄを中心に可動子２の電極ｃ、ａと固
定子１の電極Ｔ₂とＲ₂が線対称の関係になるため、移
動方向の力成分が互い打ち消し合い（矢印）、可動子２
は停止する。ここでステップ１が完了する。ステップ２
はステップ１と同様に固定子１の電極Ｓ₂に電圧を印加
し、同時に固定子１の電極Ｒ₂に電圧を印加すると可動
子２は再び右に移動し始め、可動子２の電極ｃと固定子
１の電極Ｔ₂が整列したときに可動子２は停止する。順
次このステップを繰り返すことにより、可動子２を連続
的に右方向に移動させることができる。つぎに、可動子
２を左方向に駆動させる場合は電圧を印加する順序を逆
にすることで可能になる。すなわち、右方向の移動では
Ｒ→Ｔ→Ｓの順としたが、左方向の移動ではＲ→Ｓ→Ｔ
の順にすればよい。移動後、可動子１を一時固定する場
合は対向する第２電極の極性が異極になるように電圧を
印加すると、静電吸引力によってクランプすることもで
きる。また、固定子１または可動子２の第１電極の極性
を負極（−）としたが零Ｖ（０Ｖ）にしてもよく、さら
に固定子２の浮上を補助するために、支持部１６の底面
とこれに対向する支持部２６の先端に浮上用の電極を設
けてもよい。なお、本実施例ではリニア形のモータにつ
いて述べたが、回転形のモータについても同様に適用で
きる。

【０００９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、可
動子を静電反発力で浮上させているので、特別な軸受機
構を必要とせず、小型、コンパクトな機構で摩擦抵抗に
よる出力低減のない推力の大きい静電アクチュエータを
提供できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の静電アクチュエータの概観を示す斜視
図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ’断面図である。

【図３】図１におけるＢ−Ｂ’断面図である。

【図４】本発明の静電アクチュエータの電極の配線状態
を示す図である。

【図５】本発明の静電アクチュエータの動作原理を示す
断面図である。

【図６】本発明の静電アクチュエータに印加する電圧の
パターン図である。

【符号の説明】

１固定子１１基体１２固定子の第１電極１２１、１２２、・・・１２７固定子の単位電極１３絶縁体もしくは強誘電体１４固定子の第２電極１５絶縁膜１６支持部１７支持電極２可動子２１基体２２可動子の第１電極１２１、１２２、・・・１２７可動子の単位電極２３絶縁体もしくは強誘電体２４可動子の第２電極２５絶縁膜２６支持部２７支持電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松尾智弘福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号株式会社安川電機内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁物からなる基体の表面部に複数の駆動
電極を所定のピッチで配置させた固定子と、前記固定子
と微少空隙を介して対向させて、前記固定子の電極のピ
ッチと所定の関係を持つピッチで配列された電極を設け
た可動子とを備えた静電アクチュエータにおいて、前記固定子は基体表面に設けた第１電極と前記第１電極
の上に絶縁体または強誘電体を介してその直上に重なる
ように設けた前記第１電極と略同形状の第２電極からな
り、前記可動子は基体表面に設けた第１電極と前記第１
電極の上に絶縁体または強誘電体を介してその直上に重
なるように設けた前記第１電極と略同形状の第２電極か
らなることを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】絶縁物からなる基体の表面部に複数の駆動
電極を所定のピッチで配置させた固定子と、前記固定子
と微少空隙を介して対向させて、前記固定子の電極のピ
ッチと所定の関係を持つピッチで配列された電極を設け
た可動子とを備えた静電アクチュエータにおいて、前記固定子は基体表面に設けた第１電極と前記第１電極
の上に絶縁体または強誘電体を介してその直上に重なる
よう設けた前記第１電極と略同形状の第２電極からな
り、前記可動子は基体表面に設けた第１電極と前記第１
電極の上に絶縁体または強誘電体を介してその直上に重
なるよう設けた前記第１電極と略同形状の第２電極から
なり、前記固定子の第１電極および前記可動子の第１電
極に同極性の電圧を加え、前記固定子の第２電極および
前記可動子の第２電極には前記第１電極に印加した極性
とは異なる極性の電圧を順次加えて駆動することを特徴
とする静電アクチュエータの駆動方法。
【請求項３】前記可動子が直線的に移動し、前記固定子
および前記可動子の電極が短冊状であり、前記電極の幅
方向と移動方向が同一になるように配置した請求項１記
載の静電アクチュエータ。
【請求項４】前記可動子を支持する支持電極を前記固定
子および前記可動子の両端にそれぞれ対向するように設
けた請求項１および３記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】前記固定子および前記可動子が円板状であ
り、その中心部に軸支孔を設けた請求項１記載の静電ア
クチュエータ。