JPH04271284A - 静電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固定子と可動子との間
に作用するクーロン力により可動子を移動させる静電ア
クチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、クーロン力を用いた静電アク
チュエータとしては、図１２に示すように、多数の固定
子電極２１を一方向に配列した固定子２と、固定子電極
２１の配列面に対向する誘電体層もしくは高抵抗体層１
５を備えた可動子１と、各固定子電極２１に複数相の駆
動電圧を印加する駆動回路とを設けたものがある（特開
昭６３−９５８６０号公報、特開平２−２８５９７８号
公報参照）。

【０００３】すなわち、固定子電極２１に駆動電圧を印
加することによって可動子１の誘電体層もしくは高抵抗
層１５に静電誘導された電荷と、固定子電極２１の電荷
との間に作用するクーロン力により可動子１が移動する
ものである。ここに、固定子電極２１は駆動電圧と同じ
相数になるように接続されている。特開昭６３−９５８
６０号公報には、駆動電圧を単極とし、固定子と可動子
との間に吸引力のみを作用させるように駆動電圧の印加
タイミングを設定したものと、駆動電圧を複極とし、固
定子と可動子との間に吸引力および反発力を作用させる
ように駆動電圧の極性および印加タイミングを設定した
ものとが開示されている。また、特開平２−２８５９７
８号公報には、図１２（ｂ）に示すように、可動子１が
移動を開始する際には、固定子２と可動子１との対向面
に直交する方向のクーロン力が反発力になるように駆動
電圧の極性を設定したものが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記両公報
に記載された静電アクチュエータは、可動子１に静電誘
導された電荷と、固定子電極２１の電荷との間のクーロ
ン力を利用して可動子１を移動させるものであるから、
可動子１を移動させるために固定子電極２１に駆動電圧
を印加すると、可動子１が次の安定位置に移動するまで
の間に可動子１の誘電体層や高抵抗層１５の中で電荷の
移動が生じたり、不要な分極が生じたりする場合がある
。このような現象が生じると、可動子１の安定位置の間
の距離が一定せず、乱調や脱調の原因になる。

【０００５】こうした問題を解決するには、誘電体層や
高抵抗層１５に電荷の移動度が小さい材料を用いること
が考えられるが、可動子１に電荷が誘導されていない初
期状態から駆動しようとすれば、可動子１に電荷が誘導
されるまでに時間遅れが生じるから、初動時と定常動作
時とで駆動電圧を変えることが必要になり、制御が複雑
になるという問題がある。さらに、可動子１の任意の位
置に電荷を生じさせることができるから、基準位置を再
現性よく設定することができないという問題がある。

【０００６】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、可動子の安定位置間の距離が正確に設定でき
るとともに駆動電圧の制御が容易であって、しかも、基
準位置を再現性よく正確に設定できるようにした静電ア
クチュエータを提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１では、上記目的
を達成するために、多数の固定子電極を一方向に所定間
隔で配列したフィルム状の固定子と、絶縁体層を介して
固定子電極に対向して配置される多数の可動子電極を上
記一方向に所定間隔で配列したフィルム状の可動子と、
可動子電極と固定子電極との間に生じるクーロン力によ
り可動子が固定子に対して上記一方向に移動するように
固定子電極および可動子電極に複数相の駆動電圧を印加
する駆動電圧制御手段とを備え、固定子電極と可動子電
極との配列間隔は互いに異なる寸法に設定され、固定子
電極への駆動電圧と可動子電極への駆動電圧とは異なる
相数に設定されているのである。

【０００８】請求項２では、駆動電圧制御手段は、複極
の駆動電圧を出力するとともに各固定子電極および各可
動子電極に印加する各相の駆動電圧の極性の組を順次切
り換えて可動子を固定子に対して移動させるのであって
、各組の駆動電圧の印加を開始した時点で生じるクーロ
ン力の合成成分が、固定子と可動子との対向面に直交す
る方向では反発力になるように各相の駆動電圧の極性が
設定されているのである。

【０００９】請求項３では、固定子および可動子は、そ
れぞれ絶縁基板と絶縁基板の表裏両面を全面に亙って覆
う一対の絶縁体層との間にそれぞれ導電体層を積層した
多層配線板よりなり、絶縁基板の表裏の一面の導電体層
には固定子電極または可動子電極となる導電パターンが
形成され、各導電体層には固定子電極または可動子電極
を各相ごとにまとめて接続する給電ラインが形成されて
いるのである。

【００１０】請求項４では、各固定子電極および各可動
子電極は、それぞれ直線状の電極素片の一端同士を所定
の角度で連結した形状に形成されている。

【００１１】

【作用】請求項１の構成によれば、固定子と可動子とに
それぞれ多数の固定子電極と可動子電極とを配列し、固
定子電極と可動子電極とに印加する駆動電圧を制御して
可動子を移動させるので、可動子の安定位置間の距離は
、固定子電極と可動子電極との間隔によって正確に設定
されるのである。また、固定子に固定子電極を設けると
ともに可動子に可動子電極を設けているので、従来のよ
うに、初動時に静電誘導による電荷を可動子に生じさせ
る必要がなく、初動時と定常動作時とで駆動電圧の制御
状態を変更する必要がないのであり、制御が容易になる
のである。しかも、固定子電極および可動子電極がそれ
ぞれ所定の間隔で配列されているので、固定子電極と可
動子電極との位置関係によって固定子に対する可動子の
基準位置を正確に設定できることになる。さらに、固定
子電極と可動子電極との配列間隔を互いに異なる寸法に
設定し、固定子電極への駆動電圧と可動子電極への駆動
電圧とを異なる相数に設定しているので、可動子の安定
位置間の距離を、固定子電極と可動子電極とのいずれか
小さいほうの間隔よりも小さい距離に設定することが可
能になるのである。

【００１２】請求項２の構成によれば、各組の駆動電圧
の印加を開始した時点で生じるクーロン力の合成成分が
、固定子と可動子との対向面に直交する方向では反発力
になるように各相の駆動電圧の極性を設定しているので
、可動子が固定子に対して移動を開始する際に可動子が
固定子から浮上することになり、固定子と可動子との間
に生じる摩擦力が小さくなって、印加電圧に対する駆動
力を大きくすることができるのである。

【００１３】請求項３の構成によれば、固定子および可
動子をそれぞれ２層の導電体層を有した多層配線板によ
って形成し、一方の導電体層を固定子電極または可動子
電極とし、各導電体層を固定子電極または可動子電極を
各相ごとに接続する給電ラインとしているので、既製の
多層配線基板の加工技術を用いて精密な加工が可能にな
るのであり、固定子電極および可動子電極のそれぞれの
間隔が正確に設定でき、可動子の移動距離を一層精密に
制御できるようになるのである。さらに、２層の導電体
層を用いて給電ラインを形成しているから、固定子電極
と可動子電極とがそれぞれ複数相であるにもかかわらず
、固定子電極および可動子電極を各相ごとに一括して接
続するのが容易になるのである。

【００１４】請求項４の構成によれば、各固定子電極お
よび各可動子電極を、それぞれ直線状の電極素片の一端
同士を所定の角度で連結した形状に形成しているので、
固定子と可動子との対向面に平行な面内で、可動子の移
動方向に直交する方向において、各電極素片による拮抗
した力が作用することになり、可動子の横振れが少なく
なるのである。

【００１５】

【実施例】（実施例１）本実施例では、固定子電極を３
相とし可動子電極を４相としているが、これに限定され
るものではなく、相数については各種の組み合わせが可
能である。図２および図５に示すように、可動子１およ
び固定子２は、それぞれ多層配線板３を用いてフィルム
状に形成され、互いに対向するように配置される。多層
配線板３は、絶縁基板３１の表裏両面にそれぞれ絶縁体
層３２、３３を接着材層３６、３７を介して積層し、絶
縁基板３１と各絶縁体層３２、３３との間にそれぞれ銅
箔よりなる導電体層３４、３５を挟装したものであって
、全体として２００μｍ程度の厚みのフィルム状に形成
されている。絶縁基板３１、絶縁体層３２、３３には、
ポリイミドやポリエチレンテレフタレートなどが用いら
れる。ただし、摩擦による帯電を避けるために、絶縁基
板３１、絶縁体層３２、３３などには同一材料を用いる
。

【００１６】可動子１となる多層配線板３の導電体層３
４には、図３に示すように、直線帯状に形成した多数の
可動子電極１１を、互いに平行になるように一定間隔ｐ
１　で配列した導電パターンが形成されている。各相の
可動子電極１１は循環的に配列され、各相をＡ〜Ｄ相と
すれば、ＡＢＣＤＡＢ・・・という順に配列される。ま
た、各相の可動子電極１１は、導電体層３４により形成
された給電ライン１２に対して、各相ごとにまとめて接
続される。ここに、４相のうちの２相の給電ライン１２
は可動子電極１１と同じ導電体層３４に形成され、残り
の２相の給電ライン１２は他の導電体層３５に形成され
る。導電体層３５に形成された給電ライン１２と可動子
電極１１とを接続するには、可動子電極１１の一端部に
設けたランド１３の中心に穿孔したスルーホール１４を
用いてめっきスルーホール法などの周知の方法を適用す
る。

【００１７】固定子２は、可動子１と同様の構成であっ
て、図４に示すように、多層配線板３０の導電体層３４
に直線帯状の多数の固定子電極２１を一定間隔ｐ２　で
配列した導電パターンを有している。各層の固定子電極
２１は循環的に配列され、各相をＥ〜Ｇとすれば、ＥＦ
ＧＥＦ・・・という順に配列されるのである。また、各
層の固定子電極２１は、給電ライン２２に対して、各相
ごとにまとめて接続される。ここに、３相のうちの２相
の給電ライン２２は固定子電極２１と同じ導電体層３４
に形成され、残りの１相の給電ライン２２は他の導電体
層３５に形成される。導電体層３５に形成された給電ラ
イン２２と、固定子電極２１との接続は、可動子１の場
合と同様であって、図５に示すように、固定子電極２１
の両端部に設けたランド２３の中心にそれぞれ穿孔した
スルーホール２４を用いて、めっきスルーホール法など
の周知の方法を適用する。このようにして、導電体層３
５には同相の給電ライン３２が２本形成されることにな
る。

【００１８】可動子電極１１と固定子電極２１とは、（
可動子電極の相数×可動子電極の間隔）＝（固定子電極
の相数×固定子電極の間隔）という関係が成立するよう
に配列されている。すなわち、４×ｐ１　＝３×ｐ２　
＝ｕになっている。また、固定子電極２１の幅は、可動
子電極１１の幅よりも大きく設定されており、上記寸法
ｕの間で、いずれか一つの可動子電極１１と固定子電極
２１との中心同士が対向している状態で、他のいずれか
の固定子電極２１に可動子電極１１の半分程度の面が対
向できるように設定されている。

【００１９】可動子１の各給電ライン１２および固定子
２の各給電ライン２２には、図１に示すように、リレー
接点等からなるスイッチ要素４を介して直流電源５が接
続される。直流電源５は、＋Ｖ、０、−Ｖの３種類の電
圧を出力し、スイッチ要素４は、各給電ライン２２に対
して直流電源５の３種類の出力電圧を駆動電圧として選
択的に印加する。また、スイッチ要素４の切り換えは、
切換制御部６によって制御される。したがって、各給電
ライン１２、２２には、＋Ｖ、０、−Ｖのいずれかの電
圧が選択的に印加される。換言すれば、各可動子電極１
１および各固定子電極２１には、複極の駆動電圧が印加
されるのであって、スイッチ要素４、直流電源５、切換
制御部６によって駆動電圧制御手段が構成されるのであ
る。駆動電圧は、可動子電極１１および固定子電極２１
の各相ごとに制御される。

【００２０】各相の駆動電圧の印加パターンにはいろい
ろな形式が考えられるが、たとえば図６に示すような駆
動電圧を与えれば、可動子電極１１および固定子電極２
１の極性を図７のように変化させて、可動子１を固定子
２に対して移動させることができる。ここで、ＡＢＣＤ
は可動子電極１１の各相を示し、ＥＦＧは固定子電極２
１の各相を示す。この駆動電圧の印加パターンでは、可
動子電極１１および固定子電極２１のうち中心同士が対
向しているものに＋Ｖを印加し、＋Ｖを印加した可動子
電極１１および固定子電極２１に対して図７における左
隣の可動子電極１１および固定子電極２１に−Ｖを印加
する（図７（ａ）参照）。このように駆動電圧を印加す
れば、−Ｖを印加された可動子電極１１と固定子電極２
１とは中心がずれているために、反発力によって中心の
距離を広げる向きに可動子１を移動させる。また、可動
子１がｕ／１２だけ移動すると、初めに＋Ｖを印加され
た可動子電極１１および固定子電極２１の右隣の可動子
電極１１および固定子電極２１の中心同士が対向するこ
とになるから（図７（ｂ）参照）、この時点で駆動電圧
を切り換えるようにすれば（図７（ｃ）参照）、図７（
ａ）と同じ形に戻り、以後同様にして可動子１を移動さ
せることができるのである。要するに、各相の駆動電圧
の組を｛（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ），（Ｅ，Ｆ，Ｇ）｝とすれ
ば、可動子１がｕ／１２進むごとに、｛（−Ｖ，＋Ｖ，
０，０），（−Ｖ，＋Ｖ，０）｝→｛（０，−Ｖ，＋Ｖ
，０），（０，−Ｖ，＋Ｖ）｝というように、１相分だ
け駆動電圧を偏位させるようにするのである。可動子１
を逆向きに移動させる場合には、｛（０，＋Ｖ，−Ｖ，
０），（０，＋Ｖ，−Ｖ）｝→｛（＋Ｖ，−Ｖ，０，０
），（＋Ｖ，−Ｖ，０）｝というように、初動の向きを
逆にするように極性を設定するとともに駆動電圧を偏位
させる向きを逆にすればよい。

【００２１】上述した駆動電圧の印加パターンによれば
、可動子１の移動が開始されるときには、クーロン力の
合力について可動子１と固定子２との対向面に直交する
方向の成分が反発力になるから、可動子１が固定子２か
ら浮き上がることになり、可動子１と固定子２との間の
摩擦力を軽減された状態で可動子１が移動することにな
る。その結果、摩擦力による駆動力の損失が少なく、印
加電圧の大きさに対して駆動力を大きくすることができ
るのである。

【００２２】（実施例２）実施例１では、可動子１の移
動時に主として反発力が作用するように駆動電圧の印加
パターンを設定していたが、本実施例では、図８に示す
ように、固定子電極２１に印加する駆動電圧の印加パタ
ーンを実施例１とは異なるように設定したことによって
、可動子１の移動時に主として吸引力が作用するように
しているものである。他の構成は実施例１と同様である
。

【００２３】（実施例３）本実施例は、駆動電圧の印加
パターンを図９のように設定したものである。この印加
パターンでは、可動子１の駆動時に対向する可動子電極
１１と固定子電極２１との間の電位差が２Ｖになるよう
に設定しているのであって、可動子１の駆動時に主とし
て反発力が作用する。同じ動作は、複極とする代わりに
、＋２Ｖと０、または、０と−２Ｖという組み合わせで
も可能である。他の構成は実施例１と同様であるから説
明を省略する。

【００２４】（実施例４）上記各実施例では、駆動電圧
の波形を矩形状の波形としていたが、この場合には、可
動子１の移動開始直後の加速度と停止直前の減速度が大
きくなり、乱調や脱調の原因になることがある。そこで
、本実施例では、各極性の駆動電圧の波形を、図１０の
ように、正弦波の半サイクルの波形としているのである
。このようにすれば、加速と減速とが滑らかになり、乱
調や脱調が起こりにくくなるのである。他の構成は実施
例１と同様であるから説明を省略する。

【００２５】（実施例５）上記各実施例では、可動子電
極１１および固定子電極２１が直線状に形成されていた
が、本実施例では、図１１に示すように、可動子電極１
１および固定子電極２１を、直線状の電極素片７の一端
同士を所定の角度をなすように連結した略Ｖ形に形成し
ている。

【００２６】可動子電極１１および固定子電極２１をこ
のような形状に形成すれば、可動子１の移動方向に直交
する方向に、互いに拮抗する分力が作用するようになり
、可動子１の横振れが防止されるのである。他の構成は
実施例１と同様であるから説明を省略する。

【００２７】

【発明の効果】上述のように、請求項１の構成によれば
、固定子と可動子とにそれぞれ多数の固定子電極と可動
子電極とを配列し、固定子電極と可動子電極とに印加す
る駆動電圧を制御して可動子を移動させるので、可動子
の安定位置間の距離は、固定子電極と可動子電極との間
隔によって正確に設定されるのである。また、固定子に
固定子電極を設けるとともに可動子に可動子電極を設け
ているので、従来のように、初動時に静電誘導による電
荷を可動子に生じさせる必要がなく、初動時と定常動作
時とで駆動電圧の制御状態を変更する必要がないのであ
り、制御が容易になるという利点がある。しかも、固定
子電極および可動子電極がそれぞれ所定の間隔で配列さ
れているので、固定子電極と可動子電極との位置関係に
よって固定子に対する可動子の基準位置を正確に設定で
きることになる。さらに、固定子電極と可動子電極との
配列間隔を互いに異なる寸法に設定し、固定子電極への
駆動電圧と可動子電極への駆動電圧とを異なる相数に設
定しているので、可動子の安定位置間の距離を、固定子
電極と可動子電極とのいずれか小さいほうの間隔よりも
小さい距離に設定することが可能になるという効果を奏
するのである。

【００２８】請求項２の構成によれば、各組の駆動電圧
の印加を開始した時点で生じるクーロン力の合成成分が
、固定子と可動子との対向面に直交する方向では反発力
になるように各相の駆動電圧の極性を設定しているので
、可動子が固定子に対して移動を開始する際に可動子が
固定子から浮上することになり、固定子と可動子との間
に生じる摩擦力が小さくなって、印加電圧に対する駆動
力を大きくすることができるという利点がある。

【００２９】請求項３の構成によれば、固定子および可
動子をそれぞれ２層の導電体層を有した多層配線板によ
って形成し、一方の導電体層を固定子電極または可動子
電極とし、各導電体層を固定子電極または可動子電極を
各相ごとに接続する給電ラインとしているので、既製の
多層配線基板の加工技術を用いて精密な加工が可能にな
るのであり、固定子電極および可動子電極のそれぞれの
間隔が正確に設定でき、可動子の移動距離を一層精密に
制御できるようになるのである。さらに、２層の導電体
層を用いて給電ラインを形成しているから、固定子電極
と可動子電極とがそれぞれ複数相であるにもかかわらず
、固定子電極および可動子電極を各相ごとに一括して接
続するのが容易になるという効果がある。

【００３０】請求項４の構成によれば、各固定子電極お
よび各可動子電極を、それぞれ直線状の電極素片の一端
同士を所定の角度で連結した形状に形成しているので、
固定子と可動子との対向面に平行な面内で、可動子の移
動方向に直交する方向において、各電極素片による拮抗
した力が作用することになり、可動子の横振れが少なく
なるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例を示す概略構成図である。

【図２】実施例の要部断面図である。

【図３】実施例に用いる可動子を示す平面図である。

【図４】実施例に用いる固定子を示す平面図である。

【図５】実施例に用いる可動子の要部断面図である。

【図６】実施例１の駆動電圧の印加パターンを示す動作
説明図である。

【図７】実施例１の動作説明図である。

【図８】実施例２の駆動電圧の印加パターンを示す動作
説明図である。

【図９】実施例３の駆動電圧の印加パターンを示す動作
説明図である。

【図１０】実施例４の駆動電圧の印加パターンを示す動
作説明図である。

【図１１】実施例５に用いる固定子を示す平面図である
。

【図１２】従来例の動作説明図である。

【符号の説明】

１　　可動子 ２　　固定子 ３　　多層配線板 ４　　スイッチ要素 ５　　直流電源 ６　　切換制御部 ７　　電極素片 １１　　可動子電極 １２　　給電ライン ２１　　固定子電極 ２２　　給電ライン ３１　　絶縁基板 ３２　　絶縁体層 ３３　　絶縁体層 ３４　　導電体層 ３５　　導電体層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　多数の固定子電極を一方向に所定間隔
   で配列したフィルム状の固定子と、絶縁体層を介して固
   定子電極に対向して配置される多数の可動子電極を上記
   一方向に所定間隔で配列したフィルム状の可動子と、可
   動子電極と固定子電極との間に生じるクーロン力により
   可動子が固定子に対して上記一方向に移動するように固
   定子電極および可動子電極に複数相の駆動電圧を印加す
   る駆動電圧制御手段とを備え、固定子電極と可動子電極
   との配列間隔は互いに異なる寸法に設定され、固定子電
   極への駆動電圧と可動子電極への駆動電圧とは異なる相
   数に設定されて成ることを特徴とする静電アクチュエー
   タ。
2. 【請求項２】　　駆動電圧制御手段は、複極の駆動電圧
   を出力するとともに各固定子電極および各可動子電極に
   印加する各相の駆動電圧の極性の組を順次切り換えて可
   動子を固定子に対して移動させるのであって、各組の駆
   動電圧の印加を開始した時点で生じるクーロン力の合成
   成分が、固定子と可動子との対向面に直交する方向では
   反発力になるように各相の駆動電圧の極性が設定されて
   成ることを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエー
   タ。
3. 【請求項３】　　固定子および可動子は、それぞれ絶縁
   基板と絶縁基板の表裏両面を全面に亙って覆う一対の絶
   縁体層との間にそれぞれ導電体層を積層した多層配線板
   よりなり、絶縁基板の表裏の一面の導電体層に固定子電
   極または可動子電極となる導電パターンが形成され、各
   導電体層には固定子電極または可動子電極を各相ごとに
   まとめて接続する給電ラインが形成されて成ることを特
   徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
4. 【請求項４】　　各固定子電極および各可動子電極は、
   それぞれ直線状の電極素片の一端同士を所定の角度で連
   結した形状に形成されて成ることを特徴とする請求項１
   記載の静電アクチュエータ。