JPH11215852A

JPH11215852A - 静電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH11215852A
Application number: JP10321553A
Authority: JP
Inventors: Carl P Taussig; カール・ピー・タウシグ; Richard E Elder; リチャード・イー・エルダー
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 1999-08-06
Also published as: DE69824364T2; US6181050B1; EP0911952B1; EP0911952A3; DE69824364D1; EP0911952A2

Abstract

(57)【要約】長い走行、高力、及びフレクシャにより支持されたモノ
リシック要素の二次元平面内運動という長所を有し、開
ループでは不安定で、フィードバック制御を使用して動
作する静電アクチュエータである。フィードバック制御
の使用により下記長所が実現される。すなわち同じ最大
平面内力レベルに対して平面内力が大きく、所定の最小
平版印刷形体の大きさに対する解像度が大きく、また平
面外力が無い。トランスレータおよび固定子が不安定平
衡位置にあるとき各固定子電極に共通のバイアス電圧を
加えることにより、平面内力を不安定平衡にしたまま反
発を０まで減らすことができる。不安定平衡位置におけ
る平面内力の安定化は、固定子電位分布の電気的位相を
所定方向に移行して平衡位置から遠ざけるトランスレー
タの運動に対抗する平面内力を発生することにより行な
われる。線形制御およびパルス幅変調制御が固定子のピ
ッチより少ない位相の変更を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に静電アクチ
ュエータに関し、更に詳細にはマイクロ機械加工した静
電アクチュエータに関する。

【０００２】

【発明の背景】マイクロ機械加工法の出現と共に、「マ
イクロモータ」と言われることがある静電アクチュエー
タへの関心が再現してきた。静電アクチュエータは、高
エネルギ密度を達成し、率直な製造技法を使用して製造
することができる。静電アクチュエータは、光学装置を
位置決めするのに、スイッチを操作するのに、および小
さい伝動装置を回転させるのに使用されている。高等デ
ータ記憶装置および他の用途には、大きい走行距離を有
し、その位置決めを大きな精度で制御でき、且つ低作動
電圧に応答するマイクロ機械加工アクチュエータが必要
である。これら要求事項は、既知のマイクロ機械加工静
電アクチュエータでは満たされない。

【０００３】上の要求事項の幾つかを満足するマイクロ
機械加工静電アクチュエータについては、トリマおよび
ガブリエルが、センサーズ・アンド・アクチュエータ
ズ、Ｖol.11、p.189-206（1987）に「実用静電マイクロ
モータに関する設計考察事項」で、および合衆国特許第
4,754,185号に記している。これら文書は、接地した可
動シリコン基板または「回転子」「トランスレータ」と
言われることがある）を固定シリコン基板または「固定
子」に対して移動させる静電アクチュエータを記述して
いる。固定子は、その表面に数組の電極を備え、その一
つは回転子を位置決めするために大地とは異なる電圧に
保持されている。固定子および回転子電極のピッチをバ
ーニヤ関係に設定することによりステップ運動が与えら
れる。回転子電極はすべて同じ電圧、すなわち、大地電
位を有し、装置をかなり製作しやすくしている。

【０００４】しかし、トリマおよびガブリエルが記して
いる静電アクチュエータは、上に示した要求事項の必ず
しもすべてを満たしていない。たとえば、回転子に、高
等記憶装置を動作させるのに必要な力の範囲で、回転子
表面の平面に平行な方向に力（「平面内力」）を加える
には約100ボルトの作動電圧が必要である。この作動電
圧は、ＣＭＯＳ集積回路を使用して制御できる電圧の範
囲外である。その上、平面内力は、回転子の平面に垂直
な平面外力を伴う。平面外力は回転子を固定子の方に引
き付け、また平面内力より10倍も大きい。

【０００５】大きい引き付け平面外力は、回転子と固定
子との間に間隔を維持するのに使用される支持装置にか
なりな制約を加える。通常の大きさの静電アクチュエー
タでは、スペーサ、軸受、および潤滑層を使用して回転
子を引き付け力に抗して支持することができる。しか
し、マイクロ規模の構造では、回転子と固定子との間に
間隔を、動作に悪影響を及ぼす大きい摩擦力なしに維持
する有効な方法を与えるのは一層困難である。

【０００６】折り返し梁湾曲体は、回転子を固定子の上
に支持するのにマイクロ機械加工装置で最も普通に使用
されている。高等データ記憶装置の用途では、回転子−
固定子間隔を0.1μｍの精度に維持しながら、横方向に2
5μｍ走行できるアクチュエータが必要である。平面内
力に対する平面外力の比が、トリマおよびガブリエルが
記している静電アクチュエータのように、10に近けれ
ば、２μｍ幅の梁湾曲体は、十分な平面外剛性を得るの
に、少なくとも100μｍの高さを必要とする。このよう
な構造は、通常のプロセスを使用して製作するには極め
て困難である。

【０００７】マイクロ機械加工した装置において平面外
引力の効果を緩和する第１の方法は、可動板の反対側に
二つの静止電極板を使用することである。適切な電極構
成を選択することにより、可動板を二つの電極板の間の
比較的安定な位置に浮揚させるのは可能である。しか
し、この方法では製作および/または組立中に正確なプ
ロセス制御が必要である。

【０００８】マイクロ機械加工装置に適用できる第２の
既知の方法は、可動基板の重量を利用して引力に対抗さ
せることである。しかし、この方法は、静電アクチュエ
ータが傾けば働かず、その有効性はかなり制限される。

【０００９】上述の両方法において、回転子電極は、す
べて単一電圧に保持されている。固定子および回転子の
双方に存在する三つ以上の電圧を有するマクロの大きさ
の静電アクチュエータは既知である。３相振動電圧パタ
ーンを使用する一つの方法は、Ｈiguchi等の米国特許第
5,534,740号に記されている。この方法は、非常に大き
な平面内力を発生することができる。しかし、大きな平
面内力は平面内力より約４倍大きい大きな平面外力を伴
う。支持要素の摩擦に打ち勝つのに十分な大きさの平面
内力を発生するには約200ボルトの振動電圧が必要であ
る。したがって、この方法は、大きな平面外力および三
つの振動電圧を回転子電極に接続する要求事項のため、
マイクロ機械加工装置に便利な規模ではない。可動回転
子に電気接続を行なうことは、特にマイクロ機械加工回
転子の場合、困難であるから、回転子電極に存在する電
圧の数を極小にするのが望ましい。他に、電圧が時間と
ともに変わる方法を可能なかぎり簡単にすべきである。

【００１０】或る通常の静電アクチュエータは精密な位
置制御および大きな範囲の走行距離を与えるが、マイク
ロ機械加工静電アクチュエータでの使用のために簡単に
大きさを変えることができない。これは、これらアクチ
ュエータがＣＭＯＳ集積回を使用して制御できるものよ
り大きい作動電圧で動作し、平面内力に比較して大きす
ぎる平面外力を発生し、且つ回転子に多すぎる電気接続
を必要とするからである。

【００１１】必要なのは、静電アクチュエータおよび精
密な位置決めを与え、且つＣＭＯＳ集積回を使用して制
御できる静電アクチュエータを制御する方法である。ま
た必要なのは、集積回路を作るのに使用されるものと同
様の処理を利用するマイクロ機械加工技法を使用して製
作できるこのような静電アクチュエータである。

【００１２】発明人Storrs HoenおよびCarl Taussigの
「交番電圧パターンを有する静電アクチュエータ」とい
う名称の、1997年３月14日出願の米国特許出願08/818,2
09（今後「前の発明」という）は、参考のため記載して
おくが（ただしこれはこの特許出願の出願時には公表さ
れていない）、これら必要性を部分的に満足する、業界
でこれまで未知の、静電アクチュエータを記している。
交番電圧パターンが回転子および固定子の両者の対向電
極表面に設置された電極に加えられる。アクチュエータ
は、所定の平面内力に対してかなり低い平面外力を与え
る。アクチュエータは、ＣＭＯＳ集積回を使用して制御
できる範囲の作動電圧で駆動されるとき、高等記憶装置
に必要な力の範囲にある平面内力を与える。アクチュエ
ータは、集積回路を作るのに使用されるものと同様の処
理を利用するマイクロ機械加工技法を使用して製作する
ことができる。

【００１３】静電アクチュエータは、対向表面に沿って
設置された電極の第１の線形配列を有する固定子と、固
定子の対向表面とは反対の対向表面に沿って設置された
電極の第２の線形配列を有する回転子と、を備えてい
る。固定子および回転子の対向表面は、間隔ｄだけ離れ
ている。回転子は、固定子に対して支持され、回転子を
対向表面に平行な平面内方向に移動させる。最初、交番
電圧パターンが回転子および固定子の両者の電極に加え
られる。たとえば、第１の電圧レベルが各配列の一つお
きの電極に加えられ、第１の電圧レベルとは異なる第２
の電圧レベルが第１の電圧レベルにある電極に隣接する
各電極に加えられる。固定子の交番電圧パターンに局部
破壊を導入することにより、回転子を平面内方向に精密
な距離だけ移動させることができる。

【００１４】交番電圧パターンはそれ自身、平面外力を
大きい平面内力に匹敵するレベルにまで減らさない。所
定平面内力に対して平面外力を減らすには、回転子の電
極ピッチｐと回転子の対向面と固定子との間の間隔ｄと
の比であるピッチ/間隔比ｐ/ｄを最適範囲内にしなけれ
ばならない。ピッチ/間隔比が８より小さいとき使用可
能に低い平面外力が生ずる。ピッチ/間隔比が2.25より
小さいとき平面外力は、所定平面内力に対して極小にな
る。

【００１５】好適実施形態では、平面内運動は、回転子
の対向表面に設置された電極のステッパ被駆動配列およ
び固定子の対向表面に設置された対応する電極のステッ
パ駆動配列により与えられる。各被駆動配列は、偶数ｎ
_rの回転子電極を備え、各駆動配列は、奇数ｎ_sの固定子
電極を備えており、したがってｎ_s＝ｎ_r±１である。固
定子電極のピッチに対する回転子電極のピッチの比はｎ
_s/ｎ_rである。

【００１６】駆動電極を代わりに回転子に設置すること
ができ、この場合には、各被駆動配列は、固定子に設置
される。この場合には、各被駆動配列は、偶数の固定子
電極を備え、各駆動配列は、奇数の回転子電極を備え、
その数が固定子電極の数と１だけ違っている。固定子電
極のピッチに対する回転子電極のピッチの比は回転子電
極の数と固定子電極の数との比に等しい。

【００１７】上に述べたように、交番電圧パターンは最
初、各固定子および回転子に設置された電極配列に存在
する。固定子の交番電圧パターンは第１の電圧と第２の
電圧との間で交替し、第１の電圧は、固定子配列の第１
の電極に加えられる。回転子の平面内移動は、第１の電
極にかかる電圧を第１の電圧から第２の電圧に切り替え
ることにより最初の交番電圧パターンを局部的に破壊す
ることにより誘導される。更に他の平面内移動を第２の
固定子電極を第１の電圧に切り替え、第１の電極にかか
る電圧を第２の電圧のままにしておくことにより、誘導
することができる。

【００１８】いま述べた動作の態様は、回転子に固定子
の方に向かう引力を加える。しかし、すべての回転電極
が同じ電圧に保持されている場合とは異なり、平面外引
力の大きさを回転子に加わる最大平面内力にほほ等しい
レベルまで約10分の１に減らすことができる。回転子を
梁湾曲体により支持すれば、平面外力のこの10分の１ま
での減少は梁湾曲体のアスペクト比を通常の技法で容易
に製造することができるものまで減少させる。

【００１９】本発明による静電アクチュエータの更に他
の長所は、所定の作動電圧に対して大きい平面内力を与
えるということである。平面内力を同等の大きさの平行
板コンデンサの二つの板の間の引力の大きさの３分の１
もの大きさにすることができる。

【００２０】この前の発明による静電アクチュエータ
は、回転子の平面内位置を回転子電極に加わる交番電圧
パターンを変えずに漸次ステップさせることができると
いう点で他の長所を持っている。その結果、ステップ比
は、回転子の動的電気特性により制限されない。その
上、回転子の位置をステップさせるのに各組の固定子電
極の一つの固定子電極だけを或る一つの時刻に切り替え
るだけでよい。これは、固定子電圧制御回路に極小のタ
イミング制約を加える。

【００２１】本発明による静電アクチュエータを平面内
および平面外の両方向に、すなわち、固定子および回転
子の対向表面にそれぞれ平行および垂直の方向に、変位
を与えるのに使用することができる。交番電圧パターン
を加える対向電極を使用して平面外力を回転子に加える
こともできる。このような平面外力を使用して、回転子
に加わる平面外引力を平面内力を発生する電極により相
殺するのに使用することができる。加えてまたは代わり
に、平面外力を使用して平面外方向の回転子の位置を制
御することができる。

【００２２】平面外力は好適に固定子の対向表面に設置
された浮揚子駆動電極の配列および回転子の対向表面に
設置された浮揚子被駆動電極の配列により与えられる。
浮揚子駆動電極の配列および浮揚子被駆動電極の配列
は、等しいピッチを有する。交番電圧パターンは、回転
子にかかる高電圧状態にある浮揚子電極が固定子にかか
る高電圧状態にある浮揚子電極と整列するように加えら
れる。この構成を用いて、回転子は固定子から反発され
る。平面外力は、回転子または固定子のいずれかまたは
双方にかかる電圧を変えることにより制御することがで
きる。浮揚子駆動電極の配列を代わりに回転子の対向表
面に設置することができ、浮揚子被駆動電極の配列を代
わりに固定子の対向表面に設置することができる。

【００２３】主に平面内力を発生する電極配列（「ステ
ッパ電極配列」）および平面外力を発生する電極配列
（「浮揚子電極配列」）を組み合わせて別の機能を与え
ることができる。たとえば、多数の同じ電極配列を使用
して単独電極配列により加えられる力を増大させること
ができる。その上、第２のステッパ電極配列に垂直に設
置された第１のステッパ電極配列は、回転子を二つの垂
直な平面内方向のいずれかまたは双方に移動させること
ができる。ステッパ電極配列に垂直に設置された浮揚子
電極配列を使用してステッパ電極配列により発生された
引き付け平面外力を相殺することができる。最後に、ピ
ッチの異なる平行ステッパ電極配列を使用して関連平面
外力なしに平面内力を回転子に加えることができる。

【００２４】ステッパ配列により加えられる平面外力
を、回転子と固定子との間の空間に固体または流体の誘
電体を詰めることにより減らすこともできる。

【００２５】回転子配列の電極の半分を、大地電位のよ
うな所定の電圧に設定された導電平面で置換ることがで
きる。この導電平面は、隣接する物理的電極の間に「有
効な」電極を形成している。たとえば、導電平面を形成
し、電気的に相互接続した物理的電極の線形配列をその
上に設置する絶縁層により、覆うことができる。隣接す
る物理的電極の間の導電平面の各領域は、有効電極とし
て働く。交番電圧パターンは、電気的に相互接続した物
理的電極を導電平面のものとは異なる電圧に設定するこ
とにより確定される。

【００２６】ステッパ配列の駆動電極は好適に、対応す
る被駆動電極と同じ組の電圧レベルに接続されるが、そ
の電圧を変化させて交番電圧パターンを破壊する電極を
その組の電圧レベルの中間に接続すれば、別の位置決め
精度を得ることができる。

【００２７】本発明による静電アクチュエータの高い電
圧対平面内力変換効率のため、交番電圧パターンを加え
る電極に加えられる電圧の組を、ＣＭＯＳ回路との適合
性を与えるよう選定することができる。20Ｖ未満だけ異
なる電圧対は、50μｍの範囲にわたり回転子の急速移動
を与える。

【００２８】この開示を通じて、用語「回転子」および
「トランスレータ」を、可動部分が実際に移動すると否
とにかかわらず、また横に移動するか回転するかにかか
わらず、アクチュエータの可動部分を記述するのに使用
する。下に記す実施形態を回転および線形のアクチュエ
ータの双方に直接採用することができる。回転静電アク
チュエータでは、ステッパ配列の電極は、回転中心の周
りに放射状に設置されており、浮揚子配列の電極は回転
中心と同心である。

【００２９】センス電極の配列を他にまたは代わりに、
回転子および固定子の双方の対向電極に設置して回転子
の位置を示す電気信号を発生することができる。回転子
および固定子の対応するセンス配列は、等しいピッチを
有する。交番電圧パターンは、好適には回転子に設置さ
れているセンサ駆動配列に加えられ、好適には固定子に
設置されているセンサ被駆動配列に誘導される電圧パタ
ーンが検出され、回転子の位置が電圧パターンから決定
される。

【００３０】上に記したとおり、回転子の被駆動の役割
をステッパ電極および浮揚子電極の固定子の駆動役割と
交換することができ、回転子の駆動の役割をセンサ電極
の固定子の被駆動役割と交換することができる。

【００３１】上に記したとおり、ピッチ/間隔比ｐ/ｄが
８より小さいとき使用可能に低い平面外力が得られ、ピ
ッチ/間隔比が2.25より小さいとき所定の平面内力に対
する平面外力が極小になる。ピッチ/間隔比が2.25より
小さいとき平面内力は極大になり、引き付け平面外力は
所定の作動電圧に対して極小になる。

【００３２】回転子にかかる交番電圧パターンは時間と
共に変化する必要はないから、この前の発明による静電
アクチュエータは、交番電圧パターンが或る他の方法で
回転子の対向表面に確立されたときも動作する。たとえ
ば、交番電圧パターンを、対向表面に蓄積された静電荷
により、対向表面に設置された有極強誘電体により、ま
たは対向表面に設置された圧電材料内に確立された歪み
場により、確立することができる。これら代案を説明す
るのに、間隔ｄで表した平面内力を極大にする関係を、
回転子および固定子の対向表面の上の電圧分布の一次空
間波長λにより記述することができる。この一層分析的
記述は、電極に加えられる電圧パターンが正確に交番パ
ターンでないとき、または中間電圧レベルが電極の幾つ
かに加えられるとき、静電アクチュエータの正確な記述
に必要である。

【００３３】静電アクチュエータの動作を一次空間波長
で記述するとき、間隔ｄで表した平面内力を極大にする
関係を、間隔ｄに対する一次空間波長λの比、すなわ
ち、空間波長/間隔比は4.5未満であるという要求事項と
して記述することができる。電圧パターンが厳密に交番
で且つ電極のピッチが一様でｐに等しければ、一次空間
波長は簡単に２ｐであり、λに関わる制約は、ｐに関わ
る制約と同一である。電圧パターンが、固定子にかかる
交番電圧パターンが局部的に破壊して回転子の位置を変
えているとき生ずるように、厳密に交番でなければ、一
次空間波長λは電圧分布のフーリエ変換を計算すること
により決定される。

【００３４】この前の発明による静電アクチュエータの
主な長所は、ＣＭＯＳ回路に適合する電圧が回転子を固
定子に対して数十ミクロンの距離にわたり移動させるの
に十分な大きさの平面内力を発生すること、および平面
内力を発生する副次効果として発生される平面外力が普
通に製作される折り返し梁湾曲体に回転子を支持させる
のに十分小さいことである。第２の長所は、二つの電圧
だけを回転子に接続すればよく、これにより回転子を極
小数の電気接続で製作できるということである。その
上、回転子にかかる電圧が静的であるため、これら電気
接続は、比較的高いインピーダンスを備えることができ
る。電気接続が簡単になればプロセスの複雑さが減り、
異なる材料の使用から生ずる残留機械歪みの影響が極小
になる。

【００３５】前の発明は、長い走行、高力、および湾曲
体により支持されるモノリシック要素の二次元平面内運
動の分野で従来技術に優る長所を備えているが、それは
ステッパ・モータとして動作している。その上、同じ最
大平面内力レベルに対する平面内剛性の増大、所定の最
小石版印刷形体の大きさに対する解像度の増大、および
平面外力の排除、の必要性が存在し続けている。前の発
明と同様、このような静電アクチュエータおよびこのよ
うな静電アクチュエータを制御する方法は、精密な位置
決めを与え、且つＣＭＯＳ集積回路を使用して制御され
るべきである。このような静電アクチュエータは、集積
回路を作るのに使用されるものと同様の処理を採用する
マイクロ機械加工技法を利用して製作されるべきであ
る。

【００３６】

【発明の概要】上の要求事項は、下に更に詳細に説明す
る構造を有する静電アクチュエータにより満たされる。
本発明は、長い走行、高力、および湾曲体により支持さ
れるモノリシック要素の二次元平面内運動という長所を
前の発明、米国特許出願08/818,209、と共有している。
本発明は、ステッパ・モータとして動作しないという点
で前の発明と異なっている。現在の発明は、開ループで
は不安定であり、動作するのにフィードバック制御を使
用している。フィードバック制御の使用により、前の発
明に対して下記長所、すなわち、同じ最大平面内力レベ
ルに対する平面内剛性の増大、所定の最小石版印刷形体
の大きさに対する解像度の増大、および平面外力の排
除、が実現されている。この最後の長所は、製作の観点
から特に重要である。平面外力の究極的排除は、簡単な
加法的プロセスを使用するマイクロ製作を可能とする。

【００３７】機械的には装置は前の発明に関して上に説
明したものと同様である。固定子ストライプの長さは対
面するトランスレータ（または回転子）ストライプのも
のより大きく、それらは、対面ストライプ間の重なりが
平面内移動を通じて短い方のストライプの長さに等しい
ままである。したがって、平行平面内方向の運動は、対
面ストライプ間のキャパシタンスに影響せず、したがっ
てストライプに垂直な二つの方向の力は変わらない。ス
トライプの二つの直交群により生ずる力を直交平面内移
動から分離することにより、単独剛性要素を二つの垂直
方向に移動させることができる。これにより、入れ子式
または積み重ねを必要とする構成と比較するとき平面外
剛性が高くなり、牽引力発生形体に利用できる面積が大
きくなり、二次元運動、たとえば、二次元櫛状駆動が達
成される。

【００３８】固定子の電位関数の空間周波数および振幅
は、そのそれぞれのトランスレータの対応部と同じであ
るが、電位分布の空間位相を電気的に移行することがで
きる。固定子電位の空間周期を固定子電極のピッチで割
ったものは固定子の電気位相の数ｎを与える。ｎ個の固
定子電気位相に関する電圧を変調して固定子電位分布の
空間位相を移すことができる。

【００３９】固定子電位分布の空間位相を、トランスレ
ータの分布に対して、０度から180度まで移すにつれ
て、トランスレータと固定子との間の平面内力は、二つ
の平衡位置を通過する。０度では、平面内力は不安定な
平衡状態にある。この点では平面外力が正の最大（最大
平面外力反発）に達している。180度では、発生する第
２の平衡状態にある。平面内力はこの点で安定であり、
平面外力は負の最大（最大引力）にある。

【００４０】トランスレータおよび固定子が不安定な平
衡位置にあるとき各固定子電極に共通バイアス電圧を加
えることにより、平面内力を不安定平衡にしたまま、反
発を０に減らすことができる。代わりに、これらバイア
ス電圧をトランスレータ電極に加えて同じ効果を得るこ
とができる。

【００４１】不安定平衡位置での平面内力の安定化は、
固定子電位分布の電気位相を平衡位置から遠ざけるトラ
ンスレータの運動に対抗する平面内力を生ずる方向に移
すことにより達成される。固定子電位分布の位相を固定
子電極のピッチに等しい量だけｎ個の固定子電気位相に
大きさ１のモジュロｎ移行で、すなわち、位相「Ｉ」に
位相「Ｉ−１」（または他の方向に移すには「Ｉ＋
１」）に現在加えられている電圧を割り当てて、電圧を
加えることにより、移すことができる。

【００４２】二つの同等に好ましい技法を、位相を固定
子ピッチより少なく変えることにより実証してきた。第
１の技法は、各固定子電極位相の電圧をその現在の値と
後続の（または先行の）電極位相に現在加えられている
値との間で直線的に変えることである。第２の技法は、
現在の電極位相電圧と隣接電極位相の電圧との間で位相
移行に比例するデューティ・サイクルで時間多重するこ
とである。多重サイクルの時間の周期は、マイクロモー
タの機械的時定数よりはるかに短く選定される。これら
の方法を、線形制御およびパルス幅変調制御といい、実
験的に実証されている。

【００４３】位置情報は、サーボの動作にとって非常に
重要である。トランスレータおよび固定子の駆動電極
を、パルス幅変調または線形制御を使用するモータの動
作と同時に、トランスレータおよび固定子の平面内およ
び平面外の相対変位に対する位置センサとして使用する
ことができる。この方法は、トランスレータ電極に供給
されるＤＣ励振の上にＡＣ励振を重畳し、これら信号を
固定子電極で検出することにより、位相間キャパシタン
スを測定し、したがって変位を推論することである。平
面内位置を測定する技法は、下記特性を持っている。す
なわちモータの同時動作を妨害せず、完全な４象限位置
検出に関して同相および直交信号を与え、またトランス
レータ−固定子間隙の変化に影響されない。他に、同じ
測定を別の仕方で処理して、トランスレータおよび固定
子の相対的平面内位置に無関係のトランスレータ−固定
子間隙の測定値を与えることができる。

【００４４】

【発明の好適な実施例の説明】本発明による静電アクチ
ュエータ10の基本実施形態を図１に概略示してある。こ
のアクチュエータの構造は、下に説明する実施形態の特
性である。静電アクチュエータは、固定子12と回転子14
と、を備えている。固定子は、平面状対向表面13を備
え、これに沿って固定子電極20、22、24、および26の線
形配列11が設置されている。回転子は、固定子の対向表
面13に対向する平面状対向表面15を備えている。対向表
面15に沿って設置されているのは、回転子電極30、32、
34、および36の線形配列17である。固定子電極および回
転子電極は各々、図面の平面に垂直な平面内にあって細
長い。

【００４５】下の説明を通じて、用語「アクチュエー
タ」および「マイクロモータ」を交換可能に使用してい
る。同様に、用語「回転子」および「トランスレータ」
を下の説明を通じて交換可能に使用している。

【００４６】小さいＡＣディザ電圧62、Ｖω₁sinω₁t、
およびＤＣ励振64、Ｖrotor₁ＤＣ、を混合して66、回転
子電極30および32に加える。同様に、小さいＡＣディザ
電圧72、Ｖω₂sinω₂t、およびＤＣ励振74、Ｖrotor₂Ｄ
Ｃ、を混合して76、回転子電極34および36に加える。

【００４７】ＲＣクロスオーバ・ネットワーク40、42、
44、および46がそれぞれ固定子電極20、22、24、および
26に結合されている。ＲＣクロスオーバ・ネットワーク
40、42、44、および46は、それぞれのＡＭ復調器50、5
2、54、および56を介して閉ループ制御器60にも結合さ
れている。今度は、フィードバック・ループを完成する
のに、閉ループ制御器60がＲＣクロスオーバ・ネットワ
ーク40、42、44、および46に結合されている。

【００４８】この例において、四つの固定子位相、すな
わち、それぞれの固定子電極20、22、24、および26に関
連する固定子φＡ、固定子φＢ、固定子φＣ、および固
定子φＤが存在する。同様に、二つの回転子位相、すな
わち、回転子φＡおよび回転子φＢが存在する。しか
し、回転子φＡは、回転子電極30および32が共に結合し
ているので、回転子電極30および32に関連していること
に注目のこと。同様に、回転子電極34および36が共に結
合しているので、回転子φＢは、回転子電極34および36
に関連している。

【００４９】図１の静電アクチュエータの動作は、図２
−図４の実施形態に関連して最も良く説明される。図２
は、図１に示す静電アクチュエータの一実施形態の上面
図である。図３は、図２に示す線３−３で切った断面図
である。同様に、図４は、図２に示す線４−４で切った
断面図である。

【００５０】図２で、静電アクチュエータ210の回転子2
14がばね213により固定子212に平衡に支持されているの
を見ることができる。４個の回転子電極配列217が４個
の対応する組の固定子電極配列を有する固定子212の表
面に面する回転子214の表面に配置されている。固定子
電極配列は図２に図示されていないが、図３および図４
に固定子電極配列211として図示されていることに注目
のこと。

【００５１】この例の場合、各回転子電極配列217は、
８個の個別回転子電極ストリップを備え、図１の４個の
回転子電極配列17と同じように動作する。図２の回転子
電極配列217は、各配列217がその斜め方向にない隣接配
列に直交するような向きにある。

【００５２】同様に、図３および図４に示す固定子電極
配列211の各々は、８個の個別固定子電極ストリップを
備え、図１の４電極固定子配列12と同じように動作す
る。固定子電極配列211は、各配列211がその斜め方向に
ない隣接配列に直交するような向きにある。

【００５３】静電アクチュエータの好適実施形態は、通
常の集積回路製作技法を使用してマイクロ機械加工によ
り形成される。たとえば、回転子および固定子は、その
上にパターン化誘電体および導電層を形成する半導体基
板を備えることができる。一実施形態では、単結晶シリ
コン基板を、その表面を窒化シリコンの層で保護して使
用した。タングステンの層を二酸化シリコン層の上に堆
積し、選択的にエッチして電極および電極を相互接続す
る導体を形成した。マイクロ機械加工静電アクチュエー
タを形成するのに集積回路製作技法を使用することは、
業界で公知である。代わりに、回転子および固定子の基
板を印刷回路板またはフレックス回路を製作するのに通
常使用される材料から形成することができる。

【００５４】図２は、回転子214を固定子212に平行に支
持するのに使用されているばね213の概略表現である。
しかし、回転子を多数の別の仕方で固定子上方に支持す
ることができる。上に説明したように、折り返し梁湾曲
体のような曲がり湾曲体を使用する機械的支持は、この
ような構造が回転子を認め得る静的または動的摩擦なし
に支持するので、好ましい。本発明による静電アクチュ
エータで達成される無視できる平面外力は、比較的小さ
いアスペクト比の折り返し梁湾曲体を使用できるように
する。このような折り返し梁湾曲体を通常の半導体製作
技法を使用して比較的容易に作ることができる。

【００５５】回転子を他の仕方で固定子上方に支持する
ことができる。回転子を空気層または誘電体液体のよう
な流体層により、転がり軸受または他の転がり接触によ
り、滑り接触により、一方の部材が超音波振動して摩擦
を減らす滑り接触により、およびその間に適切な誘電体
流体を設置する表面間のファン・デル・ワールス反発に
より、支持することができる。

【００５６】したがって、今や、本発明は、平行表面を
互いに両表面に平行な平面内で二つの直交する方向のい
ずれかに表面に垂直な方向に力を生ずることなく移動さ
せる方法を提供することを見ることができる。表面に作
用する力は、互いに対向する表面の側にある電極のパタ
ーンにより発生される静電場により発生する。電極に加
わる電位は、パターンの互いに対する位置の関数であ
る。重畳ＡＣ電位の容量性結合を介してこれら同じ電極
パターンを使用して二つの表面の相対位置が検出され
る。

【００５７】本発明は、長い走行、高力、および湾曲に
より支持されるモノリシック要素の二次元平面内運動と
いう長所を、前の発明である米国特許出願08/818,209と
共有している。本発明は、ステッパ・モータとして動作
しないという点で、前の発明とは異なる。現在の発明
は、開ループでは不安定で、動作するにはフィードバッ
ク制御が必要である。フィードバック制御の使用によ
り、前の発明に対して下記長所が実現される。すなわち
同じ最大平面内力レベルに対して平面内剛性が増大し、
最小石版印刷形体の大きさについて解像度が大きくな
り、および平面外力が排除される。この最後の長所は、
製作の観点から特に重要である。前の構成は、少なくと
も平面内力と同じ大きさである平面外力を備えており、
これは、ほぼ一定の間隙を維持しながら、大きい平面内
平行移動を得たいという希望と混合し、支持体を構成し
ている梁に大きいアスペクト比を強制的に与える。この
要求事項は、可能な製作技法を制約する。対照的に、平
面外力が究極的に排除されると簡単な加法的プロセスを
使用するマイクロ製作が可能になる。

【００５８】機械的には装置は、要約して上に、および
以前の米国特許出願08/818,209に一層詳細にに説明され
ているものと同様である。装置は、電極のパターンを堆
積させる平面状表面のある静止誘電体要素から構成され
ている。この要素を固定子という。第２の同様の要素は
その電極パターンを、固定子電極の入っている平面に平
行なただしその平面から間隙だけ偏った平面内にある固
定子の電極パターンに対向させて、設置されている。こ
の要素をトランスレータという（または時には回転子と
いう）。トランスレータは、平行平面内で二つの直交方
向に移動させる湾曲支持体を用いて固定子に取り付けら
れている。

【００５９】トランスレータの電極パターンは、一定幅
だけ離れている、一定幅の平行な導電ストライプの二つ
の直交群から構成されている。ストライプの各群を、隣
接させることができ、またはトランスレータの表面にわ
たり分布した多数の領域に細分することができる。各群
内で電圧の周期的シーケンスが連続した隣接ストライプ
に加えられる。これにより空間電位分布が一つの方向で
トランスレータ・ストライプのピッチの周期関数であ
り、他の方向で一定である二つの領域を生ずる。簡単な
構成は、ストライプをＶボルトだけ異なる電位に交互に
接続することである。

【００６０】固定子電極も直交ストライプの二つの群に
分割されている。各群は、トランスレータ電極の対応す
る群と同じように細分され、トランスレータの平行スト
ライプの対応する領域に向かい合って整列している。固
定子のストライプのパターンは、それらに向き合うトラ
ンスレータ電極のピッチの整数因数であるピッチを備え
ている。固定子のストライプの長さは、向き合うトラン
スレータのストライプの長さより大きく、向き合うスト
ライプの間の重なりが平面内平行移動を通じて短い方の
ストライプの長さに等しいままであるように整列してい
る。したがって、平行な平面内方向の運動は、向き合う
ストライプの間のキャパシタンスには影響せず、したが
って、ストライプに垂直な二つの方向の力は変わらな
い。二つの直交ストライプ群により発生する力を直交平
面内移動から分離すると単独剛性要素を二つの垂直方向
に移動させることができる。これにより、二次元運動、
たとえば二次元櫛形駆動を達成するのに入れ子または積
み重ねを必要とする装置に比較して、平面外剛性の高
い、牽引力発生形体に利用できる区域の広い、更に簡潔
なマイクロモータを生ずる。

【００６１】固定子電位関数の空間周波数および振幅
は、そのそれぞれのトランスレータの対応部と同じであ
るが、電位分布の空間位相を電気的に移すことができ
る。固定子電位の空間周期を固定子電極のピッチで割っ
たものは、固定子の電気的位相ｎの数を与える。ｎ個の
固定個電気位相に関する電圧の変調を使用して固定子の
電位分布の空間位相を移行させることができる。

【００６２】固定子の電位分布の空間位相が、トランス
レータ分布に対して、０度から180度に移行するにつれ
て、トランスレータと固定子との間の平面内力は、二つ
の平衡位置を通過することになる。０度で、平面内力
は、不安定平衡位置にある。この点では平面外力は、正
の最大（最大平面外反発）に達している。180度では、
第２の平衡状態が生じている。平面内力はこの点で安定
であり、平面外力は負の最大（最大引力）にある。

【００６３】トランスレータおよび固定子が不安定平衡
位置にあるとき、各固定子電極に共通のバイアス電圧を
加えることにより、平面内力が不安定平衡にあるまま、
反発を０に減らすことができる。代わりにこれらバイア
ス電圧をトランスレータ電極に加えて同じ効果を得るこ
とができることに注目する。

【００６４】不安定平衡位置での平面内力の安定化は、
固定子の電位分布の空間位相を所定方向に移行して平衡
位置から遠ざけるトランスレータの運動に対抗する平面
内力を発生することにより行なわれる。固定子電位分布
の位相を、ｎ個の固定子の電気位相に加えられる電圧を
大きさ１のモジュロｎ移行で変更することにより、すな
わち、位相「Ｉ」に現在位相「Ｉ−１」（または他の方
向に移行するには「Ｉ＋１」）に加えられている電圧を
割り当てることにより、固定子電極のピッチに等しい量
だけ移行させることができる。

【００６５】二つの同等に好適な技法が位相を固定子ピ
ッチより少ない量変えることに関して実証されている。
第１の技法は、ｎ個の固定子電気位相の各々をその現在
の値と後続の（または先行の）電極位相に現在加えられ
ている値との間で線形的に変えることである。第２の技
法は、現在の電極位相電圧と隣接電極位相との間で移相
に比例するデューティ・サイクルで時間多重することで
ある。多重サイクルに対する時間の周期は、マイクロモ
ータの機械的時定数よりはるかに短くなるように好適に
選定される。これら技法を線形制御およびパルス幅変調
といい、実験的に実証されている。

【００６６】位置情報はサーボの動作に非常に重要であ
るトランスレータおよび固定子の駆動電極をパルス幅変
調または線形制御を使用して、モータの制御と同時に、
トランスレータおよび固定子の平面内および平面外相対
変位の位置センサとして使用する技法が実証されてい
る。この方法は、ＡＣ励振をトランスレータ電極に供給
されるＤＣ励振の上に重畳し、これら信号を固定子電極
で検知することにより、位相間キャパシタンスをを測定
し、したがって、変位を推測することである。平面内位
置を測定することについて説明される技法は、下記特性
を備えている。モータの同時動作を妨害せず、センサ駆
動信号の振幅の変化により生ずるバイアスから免れ、完
全な４象限位置検出について同相および直角位相の双方
の信号を提供し、且つトセンスレータ・固定子間隙の変
化に影響されない。他に、同じ測定を別の仕方で処理し
て、トランスレータおよび固定子の相対平面内位置に無
関係なトセンスレータ・固定子間隙の測定を行なう。

【００６７】再び図１を参照すると、本発明を実証する
特定の例が提示されている。この例は、一平面内方向お
よび間隙の測定に関する考えを例示している。この例で
は、トランスレータ14および固定子12の電極の機械的ピ
ッチおよび幅は同じである。電位分布の空間周期は、ピ
ッチの４倍に等しい。固定子はこのとき四つの電気的位
相（固定子ΦＡ、ΦＢ、ΦＣ、およびΦＤ）を有する。
トランレータは４相である必要はないことに注目する。
この例では、トランスレータ電極の連続対は、二つの交
番電圧源に接続され、それによりピッチの４倍に等しい
周期を有する電位分布を発生するのに二つのトランスレ
ータ電気相（回転子ΦＡおよびΦＢ）を必要とするだけ
である。

【００６８】小さいＡＣ電圧が二つのトランスレータ位
相の各々に加えられるＤＣ励振に追加される。これら小
さいディザ信号62および72の周波数は、各相ごとに違っ
ている。周波数は、マイクロモータの固有振動数および
サーボの帯域幅より好適に十分上である。これら信号
は、トランスレータ14および固定子12の間の静電力に二
つの理由で無視し得る影響しか与えない。第１に、ディ
ザ信号の振幅をＤＣ励振に対して非常に小さくすること
ができる。第２に、ディザ周波数はモータの帯域幅より
十分上にあるから、信号は、ディザ振幅の二乗に比例す
る小さい片寄せ力を加える。ディザ振幅が一定であれ
ば、この寄与をＤＣトランスレータ励振の一部と考える
ことができる。

【００６９】四つの固定子相は、力の平衡を維持するの
に必要な固定子電位分布の空間位相の制御法則の予測に
基づきそれらに加えられた電圧を有している。二つのト
ランスレータ位相からのディザ信号は、間隙および平面
内位置によって決まるキャパシタンスにより四つの固定
子位相に結合している。各固定子駆動装置をそのそれぞ
れの固定子位相に簡単なＲＣ低域ネットワーク（40、4
2、44、および46）を介してサーボの帯域幅を十分超え
る遮断周波数と接続することにより、ディザ信号をネッ
トワークのコンデンサにより検出できる一方必要な駆動
電圧を位相に加えることができる。四つの固定子位相の
各々は、両ディザ周波数の信号を受取る。これら８個の
信号の振幅を簡単なＡＭ復調器（50、52、54、および5
6）（すなわち、帯域フィルタ、次に整流し、次に低域
フィルタ）により独立に分解することができる。

【００７０】これら振幅は、四つの位置依存キャパシタ
ンス、すなわち回転子位相Ａに対する固定子位相Ａ、回
転子位相Ｂに対する固定子位相Ａ、回転子位相Ａに対す
る固定子位相Ｂ、および回転子位相Ｂに対する固定子位
相Ｂ、によって決まり、位相に対するラベルは図１を参
照する。残りの四つの組合せは、対称により前のキャパ
シタンスに等しい。たとえば、回転子位相Ｂに対する固
定子位相Ｃは、回転子位相Ａに対する固定子位相Ａに等
しい。二つの別々のディザ周波数を使用すると寄与を各
固定子電気位相にある二つのキャパシタンスから分離す
ることができる。固定子位相Ａにある二つのディザ周波
数の振幅の差は、固定子位相Ｃにおける二つのディザ周
波数の振幅の差より小さいが、トランスレータ−固定子
平面内位置とともに周期的に変化するを与え、固定子位
相Ａがトランスレータ位相ＡとＢとの間の中心にあると
き０と交差する。同様に、固定子位相Ｄにおけるディザ
周波数振幅間の差より小さい固定子位相Ｂにあるディザ
周波数振幅間の差は、固定子位相Ｂが二つのトランスレ
ータ位相間の中心にあるとき０と交差する空間的に周期
的の量を生ずる。これら二つの量は、位相が90空間度分
離され、それぞれＥ_iおよびＥ_qといわれる。

【００７１】位置検出に周期的信号を使用するときの直
角位相にある二つの信号を得ることの重要性は、周知で
ある。正しく組み合わせると、直角位相信号を使用して
360度の走行を通じて直線性の明確な位置信号を与える
ことができる。

【００７２】量Ｅ_iおよびＥ_qもトランスレータ−固定
子間隙によって変わる。それらは、トランスレータ−固
定子間隙の逆二乗にほぼ比例する。この間隙への依存性
を、Ｅ_iおよびＥ_qをＥ_iおよびＥ_qの二乗の和の平方
根で正規化することにより除くことができる。この正規
化は、どんな移動位置にあるＥ_iおよびＥ_qの間隙依存
振幅をもそれらの瞬時値から計算する。これは直角位相
を成すシヌソイドに対してのみ厳密に正しい。この正規
化の第２の長所は、それらの振幅も正規化因子を増減す
るので、位置誤差信号の駆動ディザ・シヌソイドの振幅
への依存性を除くということである。我々は、トランス
レータ−固定子間隙およびディザ駆動信号の振幅が変化
する情況で、このようにして計算した位置誤差信号の不
変性を実証する実験を行なって成功した。

【００７３】トランスレータ−固定子間隙を同じ基本測
定から測定することができる。その移動依存性が反対位
相のものである検出されたディザ信号振幅のどんな対の
和も平面内位置に無関係の間隙測定値を与える。八つの
測定値すべてを合計して測定のノイズを除去することが
できる。この測定値は本質的に平行板コンデンサの間隙
測定値であるから、間隙に逆二乗依存している。信号が
正規化されていなければ、信号は、ディザ駆動信号の振
幅の変化とともに変わるであろう。この信号は、結合に
よるオフセットをも備えており、これはトランスレータ
および固定子の相対位置によって変わる。

【００７４】この量はＥ_iおよびＥ_qの二乗の和の平方
根より計算が簡単であるが、Ｅ_iおよびＥ_qの正規化因
数としては適していないということに注目するのは重要
である。これは、検出されたディザ振幅の各々が部分的
に結合によるためであり、これは間隙または移動位置と
ともに変化しないものである。これら静止結合は、Ｅ_i
およびＥ_qの計算で差を取ると共通モード信号として除
去され、したがって、それらの二乗の和の平方根には存
在しない。

【００７５】本発明の例示実施形体を詳細に説明してき
たが、本発明は説明した精密な実施形体に限定されるも
のではなく、色々な修正案を付記した特許請求の範囲に
より規定された本発明の範囲内で実施できることを理解
すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による静電アクチュエータの基本実施形
態の概略図である。

【図２】図１に示す静電アクチュエータの一実施形態の
上面図である。

【図３】図２に示す線３−３で切った断面図である。

【図４】図２に示す線４−４で切った断面図である。

【符号の説明】

１０静電アクチュエータ１２固定子１３平面状対向表面１４回転子１５平面状対向表面２０固定子電極２２固定子電極２４固定子電極２６固定子電極３０回転子電極３２回転子電極３４回転子電極３６回転子電極４０ＲＣクロスオーバ・ネットワーク４２ＲＣクロスオーバ・ネットワーク４４ＲＣクロスオーバ・ネットワーク４６ＲＣクロスオーバ・ネットワーク５０ＡＭ復調器５２ＡＭ復調器５４ＡＭ復調器５６ＡＭ復調器６０閉ループ制御器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静電アクチュエータを駆動する方法であっ
て、被駆動電極の配列を備えた第１の対向表面を有する第１
の部材を準備するステップと、駆動電極の配列を備えた
第２の対向表面を有する第２の部材を準備するステップ
と、被駆動電極の配列に実質的に交番する電圧パターンを確
立するステップと、駆動電極の配列に実質的に交番する電圧パターンを確立
し、実質的に交番する電圧パターンの変化を駆動電極の
配列に選択的に加えて第１の部材および第２の部材の一
方を他方に対して移動させ、この場合第１および第２の
部材が不安定平衡位置にあるとき共通のバイアス電圧を
駆動電圧に加え、平面内力を不安定平衡にしたまま反発
を実質的に０まで減らすようにすることを特徴とする方
法。
【請求項２】不安定平衡位置にある平面内力を安定化す
るステップは、駆動電極電位分布の電気的位相を所定方
向に移行して第１の部材を平衡位置から遠ざける運動に
対抗する平面内力を発生することにより行なわれること
を特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】駆動電極電位分布の位相は駆動電極の電気
的位相に加えられる電圧を変更することにより駆動電極
のピッチに等しい量だけ移行されることを特徴とする請
求項２に記載の方法。
【請求項４】位相は駆動電極のピッチより少ない量だけ
変えられることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】位相は線形制御により変えられることを特
徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】位相はパルス幅変調制御により変えられる
ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】被駆動電極の配列は被駆動電極の第１の配
列であり、駆動電極の配列は駆動電極の第１の配列であり、第１の対向表面は別に被駆動電極の第１の配列に平行に
設置された被駆動電極の第２の配列を備えており、第２の対向表面は別に駆動電極の第１の配列に平行に設
置された駆動電極の第２の配列を備えており、第１の配列の電極および第２の配列の電極は共同して動
作して第１の部材および第２の部材の一方を他方に対し
て移動させる、ことを特徴とする請求項３に記載の方
法。
【請求項８】第１の部材と第２の部材との間に設置され
て第１の部材および第２の部材を互いに隣接して支持
し、第１の部材および第２の部材の一方を他方に対して
移動させる支持体を準備するステップを備えていること
を特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項９】被駆動電極の配列にかかる実質的に交番す
る電圧パターンは多相ＤＣ励振であり、更に、第１のＡＣディザを第１の被駆動電極のＤＣ励振の第１
の位相に加えるステップと、第２のＡＣディザ信号を第
２の被駆動電極のＤＣ励振の第２の位相に加えるステッ
プと、を備えていることを特徴とする請求項３に記載の
方法。
【請求項１０】前記請求項のいずれかの方法を成し遂げ
るための静電アクチュエータであって、被駆動電極の配列を備えた第１の対向表面を有する第１
の部材と、駆動電極の配列を備えた第２の対向表面を有する第２の
部材と、被駆動電極の配列の上に実質的に交番する電圧パターン
を確立する手段と、駆動電極の配列の上に実質的に交番する電圧パターンを
確立し、駆動電極の配列の上の実質的に交番する電圧パ
ターンに選択的に変化を加えて、第１の部材および第２
の部材の一方を他方に対して移動させ、この場合第１お
よび第２の部材が不安定平衡位置にあるとき共通バイア
ス電圧を駆動電極に加えて、平面内力が不安定平衡にあ
るまま、反発を実質的に０に減らすようにする手段と、
を備えていることを特徴とする静電アクチュエータ。