JPH07213077A - 光制御型静電気駆動アクチュエータ - Google Patents

光制御型静電気駆動アクチュエータ

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JPH07213077A
JPH07213077A JP354094A JP354094A JPH07213077A JP H07213077 A JPH07213077 A JP H07213077A JP 354094 A JP354094 A JP 354094A JP 354094 A JP354094 A JP 354094A JP H07213077 A JPH07213077 A JP H07213077A
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JP
Japan
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light
mover
stator
drive actuator
control type
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Application number
JP354094A
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English (en)
Inventor
Ikutake Yagi
生剛 八木
Hironori Yamazaki
裕基 山崎
Yasuyuki Sugiyama
泰之 杉山
Iwao Hatakeyama
巌 畠山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】光の照射のみ、もしくは光と静電場の組み合わ
せという比較的簡単な構成で駆動力を得ることができる
とともに、光を制御することで静電気駆動アクチュエー
タの動きを、一次元もしくは二次元的に容易に制御する
ことのできる光制御型静電気駆動アクチュエータを提供
することにある。 【構成】光源からの光照射によって、可動子中に生じる
周期的電荷分布と、前記可動子に対向する固定子の周期
的電荷分布との静電気的相互作用によって前記可動子を
移動させる光制御型静電気駆動アクチュエータにおい
て、少なくとも前記可動子に、光照射させて電流を発生
するフォトヴォルタイック結晶材料を用いてなることを
特徴とする光制御型静電気駆動アクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、マイクロマシン等の
微小部品を駆動するアクチュエータ、例えば電気や光の
スイッチが必要となる電気、光学機器、遠隔操作を必要
とする医療機器、ロボット分野等に適用され、電場と光
で駆動する光制御型静電気駆動アクチュエータに関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】静電力を利用したアクチュエータはこれ
までにも種々提案されている。例えばNIKKEI MECHANICA
L 43頁 1989.3.20号やPROCEEDINGS IEEE CATALOG NUMBE
R 91CH2957-9(1991) 9頁等がある。図7は回転タイプの
静電気アクチュエータの概略を示すである。
【0003】この図7において、基板10上に12個の
固定子電極11を円形状に配置して固定子電極群を形成
する。この固定子電極群の内部には可動子12を配置す
る。この可動子12の4本の突起部分には、固定子電極
11に対向するロータ電極13が形成されている。前記
12個の固定子電極11を4種類のグループに分け、そ
れぞれ異なる位相(Φ1 ,Φ2 ,Φ3 )で電圧が印加さ
れる。一つのグループの固定子電極11に電圧を印加す
ると、この固定子電極11とロータ電極13との間に静
電気引力が働き、前記可動子12に偶力が生じて回転を
始める。電圧を加える固定子電極11のグループを順次
切り換えることにより、可動子12が連続的に回転す
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ような従来の静電気駆動アクチュエータの場合、固定子
電極11に加える電圧を切り替えることによって連続運
動を実現しているので、固定子電極11に電圧を与える
電気回路を形成する必要があり、さらには、前記可動子
12の軸受を形成する必要がある。これは、アクチュエ
ータ素子が小さくなればなるほど困難な作業となり、実
現可能なアクチュエータ素子の大きさの下限が加工精度
に依存してしまうという欠点があった。また、この場合
は、可能な運動が回転運動であり、一つの自由度の運動
しか実現されない、という欠点もある。
【0005】この発明は、前述のような従来の静電気駆
動アクチュエータの欠点を解消すべくなされたもので、
その目的は、光の照射のみ、もしくは光と静電場の組み
合わせという比較的簡単な構成で駆動力を得ることがで
きるとともに、光を制御することで静電気駆動アクチュ
エータの動きを、一次元もしくは二次元的に容易に制御
することのできる光制御型静電気駆動アクチュエータを
提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明は、前記目的を
達成するために、可動子としてフォトヴォルタイック結
晶材料を用い、可干渉な二光束照射による光の干渉縞の
濃淡に由来する可動子中の電荷分布と、固定子の電場と
の静電気相互作用によって駆動力が得られる構成とし
た。ここで、固定子として、電極を予め形成しておく場
合には、一次元運動を行い、一方、固定子としてフォト
ヴォルタイック結晶材料を用いる場合には、二次元的運
動が可能となる。図1に可動子と固定子の双方にフォト
ヴォルタイック結晶材料を用いる場合のこの発明の構成
を示す。
【0007】固定子22の上に可動子21を配置し、そ
れぞれのフォトヴォルタイック結晶での電流の流れる材
料固有の方向23,24が、お互いに反対を向いている
構成とする。可動子21に当たるように、お互いに可干
渉な光25,26を照射し、可動子21内に光の干渉縞
を形成する。同時に可動子21を透過した光は、固定子
22内にも光の干渉縞を形成する構成とする。
【0008】図3には可動子44にフォトヴォルタイッ
ク結晶材料を、固定子41にはストライプ状の電極を表
面に形成した場合の構成を示す。すなわち、固定子41
上に櫛形電極42,43を形成し、それぞれ異なる電圧
を印加し、その上にフォトヴォルタイック結晶材料でで
きた可動子44を乗せ、光が照射される構成とする。
【0009】
【作用】図2は、図1の可動子21と固定子22の双方
にフォトヴォルタイック結晶材料を使用した場合の構成
を説明するためのもので、可動子の移動原理を示したも
のである。図2中、可動子31と固定子32の双方にお
いて光の干渉縞が形成され、光強度の強い部分33,3
5と光強度の弱い部分34,36ができる。さて、フォ
トヴォルタイック結晶材料において、光を照射したとき
の電流の流れる方向はフォトヴォルタイック結晶の方位
によって決まっており、また、電流密度は光強度に比例
する。従って、光強度の強い部分33,35で、フォト
ヴォルタイック結晶中で電荷分布が生じるが、可動子3
1と固定子32でフォトヴォルタイック結晶の方向すな
わち電流の方向が反転していることから、可動子31と
固定子32の界面で同種の電荷が発生する。従って、両
者は静電気的に反発する。
【0010】ここで、光の干渉縞が図2のように斜めに
なっている時は、電荷発生位置が、固定子32と可動子
31とでずれており、可動子31に対する力はベクトル
37の方向に発生する。これをベクトル39とベクトル
38に分解すると、ベクトル38は可動子31を移動さ
せる力の成分を表し、可動子31の移動方向を示す。可
動子31の移動方向を変えるには、光の入射角度あるい
は方向を変えて、干渉縞の方向を変えれば良い。従っ
て、可動子31は固定子32上を二次元的に自由に移動
することが可能となる。可動子31が移動すると、電荷
分布と干渉縞の位置がずれるが、光照射によって、電荷
分布は図2のように再配列しよううとするので、結局、
光照射を空間的に固定しておいたとしても、可動子31
に光が当たっている限り、可動子31は運動を続ける。
【0011】図4には図3の可動子44としてはフォト
ヴォルタイック結晶材料を、固定子41としては櫛形電
極42,43を備えた構成に対応するもので、可動子5
4の移動原理を示したものである。固定子51上には、
各々極性の異なる櫛形電極52,53が交互に配置さ
れ、固定子51上に周期電場を形成している。一方、フ
ォトヴォルタイック結晶薄片でできた可動子54の結晶
の向き、すなわち、光電流の流れる方向57は、固定子
面内にあって、櫛形電極52,53に直交している。可
動子54に照射する互いに可干渉な光55,56の作る
干渉縞は櫛形電極52,53に平行で、ピッチは櫛形電
極ペアの倍周期である。図4に示したように、光の照射
によって、光強度の強い部分に電荷の偏りが生じるが、
ここで、干渉縞と櫛形電極52,53の位相をずらして
おくことによって、ずらした方向に静電気反発力が生じ
て可動子54が動かされる。この場合、可動子54の移
動は櫛形電極52,53に垂直な方向のみで、一次元的
自由度を持つ。
【0012】
【実施例】
実施例.1図5はこの発明の第一実施例を示す。可動子
63と固定子62共に、フォトヴォルタイック結晶材料
であるストロンチウム・バリウムニオブ酸(Sr0.6 B
a0.4 Nb2 6 :以後SBNと記す)を用いる。使用
環境は室温(約20℃)である。固定子62として、1
0mm×10mm×3mmのSBN単結晶を用いるが、
ここで、電流の流れる方向は3mmの辺に沿う方向(結
晶のC軸方向)で、10mm×10mmの片方の面を光
学研磨してある。
【0013】一方、可動子63としては、同じくSBN
単結晶の1mm×1mm×0.05mmの薄片を用い
る。ここで、電流の流れる方向は、0.05mmの辺に
沿う方向である。ここでも、1mm×1mmの片方の面
を光学研磨する。次に、可動子63と固定子62共に光
学研磨した面を0V、反対側の面に4KV/cmの電場
になるように正電圧を加えて100℃に加熱する。その
後、電圧を加えたままで、約1時間かけて室温まで徐冷
し、最後に電圧を落とす。以上が固定子62と可動子6
3の準備である。
【0014】次に、固定子62と可動子63の光学研磨
面が接着するようにして、固定子62を下に、可動子6
3を上に配置し、全体を屈折率1.5のマッチングオイ
ル61に浸す。これはSBN結晶表面での光の反射を極
力小さくするためである。
【0015】照射する光は、波長488nm、強度20
W/cm2 のレーザー光64をウェッジをもつガラスプ
レート65を通して、微小な角度差をもつ二つのレーザ
ービーム66,67に分けたものである。ここで干渉縞
の間隔は約50μmである。なお、ガラスプレート65
は、表面の平坦度が20nm以下で、かつ、回転機構を
有しており、干渉縞の向きを変えることができる。
【0016】この条件では、約0.1秒の光照射で重力
に打ち勝つだけの電荷が溜まり、移動を始める。毎秒約
0.2mmの速度で移動した。ウェッジをもつたガラス
プレート65を回転させて、干渉縞の向きを変えること
によって、固定子62上を可動子63が前後左右のいか
なる方向へも移動することが確認できた。
【0017】実施例.2図6はこの発明の第二実施例を
示す。固定子71として櫛形電極72,73を形成した
ものを用い、可動子74として、フォトヴォルタイック
結晶材料であるKNbO3 単結晶薄片(2mm×2mm
×0,1mm)を用いた例を示す。ここで、結晶のc軸
(電流の流れる方向)は、2mmの辺に沿った方向で、
櫛形電極72,73に垂直な方向を向いている。ここ
で、KNbO3 単結晶薄片は、2mm×2mmの一方の
面を光学研磨し、c軸方向に5KV/cmの電圧をかけ
て予めポーリングしておいたものであり、光学研磨した
面が櫛形電極72,73と接するように配置する。
【0018】ここで、櫛形電極72,73は25μmお
きに形成され、櫛形電極72には+20V、櫛形電極7
3には−20Vの電圧を印加する。可動子74に照射す
る光は波長488nm、強度20W/cm2 のレーザー
光78をウェッジをもつガラスプレート77を通して、
微小な角度差を持つ二本のレーザービーム75,76に
分けたもので、干渉縞の間隔は100μmである。干渉
縞は櫛形電極72,73に平行で、その位相は最も可動
子74が移動し易い条件を、ガラスプレート77を櫛形
電極72,73に垂直な方向に平行移動することで探し
出す。この条件では、可動子74は光照射後約5ミリ秒
で動き出し、毎秒2.5mmの速度で移動する。この
時、櫛形電極72,73を交互にまたぐ方向に、可動子
74が移動することを確認できた。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の光制御
型静電気駆動アクチュエータは、可動子と固定子の双
方、もしくは可動子にフォトヴォルタイック結晶材料を
用いることで、光のみ、あるいは光と静電場の組み合わ
せという、比較的に簡単な構成で、可動子を移動させる
ことができた。また、可動子と移動子双方をフォトヴォ
ルタイック結晶材料で作った場合は、二次元的運動が可
能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】可動子と固定子双方にフォトヴォルタイック結
晶材料を用いたこの発明の一構成例を示す図である。
【図2】可動子と固定子双方にフォトヴォルタイック結
晶材料を用いたこの発明の一構成例において、可動子の
移動原理を説明するための図である。
【図3】固定子にストライプ状電極を形成したこの発明
の他の構成例を示す図である。
【図4】固定子にストライプ状電極を形成したこの発明
の他の構成例において、可動子の移動原理を説明するた
めの図である。
【図5】この発明の実施例1の構成を説明するための図
である。
【図6】この発明の実施例2の構成を説明するための図
である。
【図7】従来の静電気駆動アクチュエータの概略を示す
図である。
【符号の説明】
10 基板 11 固定子電極 12 可動子 13 ロータ電極 21 可動子 22 固定子 23 固定子中で電流の流れる方向 24 可動子中で電流の流れる方向 25,26 可干渉な光 31 可動子 32 固定子 33 可動子中の光強度の強い部分 34 可動子中の光強度の弱い部分 35 固定子中の光強度の強い部分 36 固定子中の光強度の弱い部分 37 可動子に発生する力のベクトル方向 38 可動子を移動させる力のベクトル方向 39 可動子を固定子から遠ざけようとする力のベク
トル方向 41 固定子 42,43 櫛形電極 44 可動子 51 固定子 52,53 櫛形電極 54 可動子 55,56 可干渉な光 57 光電流の流れる方向 58 可動子中の光強度の強い部分 59 可動子中の光強度の弱い部分 61 マッチングオイル 62 固定子 63 可動子 64 レーザー光 65 ガラスプレート 66,67 レーザービーム 71 固定子 72,73 櫛形電極 74 可動子 75,76 レーザービーム 77 ガラスプレート 78 レーザー光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 畠山 巌 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光源からの光照射によって、可動子中に生
    じる周期的電荷分布と、前記可動子に対向する固定子の
    周期的電荷分布との静電気的相互作用によって前記可動
    子を移動させる光制御型静電気駆動アクチュエータにお
    いて、 少なくとも前記可動子に、光照射させて電流を発生する
    フォトヴォルタイック結晶材料を用いてなることを特徴
    とする光制御型静電気駆動アクチュエータ。
  2. 【請求項2】前記光源からの光が二分され、この二分さ
    れた光の双方が可干渉な光路差で、同時に前記可動子に
    照射される光学系を有してなることを特徴とする請求項
    1に記載の光制御型静電気駆動アクチュエータ。
  3. 【請求項3】前記可動子に照射される、前記二分された
    光の少なくとも一つの照射方向が可変である光学系を有
    してなることを特徴とする請求項2に記載の光制御型静
    電気駆動アクチュエータ。
JP354094A 1994-01-18 1994-01-18 光制御型静電気駆動アクチュエータ Pending JPH07213077A (ja)

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