JP3095642B2 - 静電アクチュエータおよびその駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電気力によって駆動さ
れる静電アクチュエータおよびその駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製造プロセスを利用して作
成される微小な様々なマイクロマシン駆動用静電アクチ
ュエータが発表されている。これら静電アクチュエータ
は静電気力によって駆動されるが、いずれもマイクロマ
シン駆動用としては必ずしも十分な性能を持つには至っ
ていない。その原因のひとつであり、これらのアクチュ
エータに共通する問題点として、可動子と固定子間の摩
擦の問題がある。この解決策として主に可動子を弾性
体により支持し、可動子と固定子が接触しないようにす
る、静電気力を利用して可動子を固定子より瞬間的に
反発させ、わずかな隙間を生じさせることにより摩擦力
を低減させる方法が代表的である。

【０００３】の方法を用いた静電アクチュエータの代
表例を図１７に示す。この静電アクチュエータは、ガラ
ス基板１００ａ，１００ｂに各々固定電極１０１，１０
２，１０３が形成された固定子１０４ａ，１０４ｂと、
シリコン製の可動子１０５と、弾性支持部１０６ａ，１
０６ｂとを備えており、固定子１０４ａ，１０４ｂの固
定電極１０１，１０２，１０３と可動子１０５間に電圧
をかけたときに発生する静電気力により可動子１０５を
図１７に示す矢印の方向に駆動するものである。図１７
に示す静電アクチュエータに弾性支持部１０６ａ，１０
６ｂが設けられていないと、固定電極１０１，１０２，
１０３に位相が１／３ずつずれている電圧を順に印加し
た場合には、可動子１０５は固定子１０４ａまたは１０
４ｂに吸着され、このときに発生する摩擦力で可動子１
０５の動作は困難となる。そこで図１７に示す静電アク
チュエータでは弾性支持部１０６ａ，１０６ｂを設けて
可動子１０５を弾性支持し、固定子１０４ａ，１０４ｂ
と可動子１０５との間の隙間を保持して駆動していた。

【０００４】図１８に上記の方法を用いた静電アクチ
ュエータの代表例を示す。この静電アクチュエータは電
極１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが形成された固定子１
２１の上に高抵抗体１２２と絶縁体１２３とからなる可
動子１２４を置き、電極１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ
に順に電圧を印加することにより図１８（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように可動子１２４を駆
動するものである。この場合、単に電極同士を対向さ
せ、電圧を加えたのでは電極同士が接触、吸着し、摩擦
力のため動作が困難である。そこで、図１８に示す静電
アクチュエータにおいては、静電気の反発力を利用する
方法をとっている。即ち、例えば可動子１２４が固定子
１２１に吸着している状態で電極１２０ａにプラスの電
圧を印加すると、対向する可動子１２４の対応する箇所
Ｂは静電誘導によりマイナスに帯電する（図１８
（ａ），（ｂ）参照）。この状態で電極１２０ａの電圧
を急速にマイナスに切替えると、Ｂ部に帯電したマイナ
ス電荷との反発力により可動子１２４と固定子１２１が
瞬間的にわずかだけ離れ、電極１２０ｂに現われている
プラス電荷との吸引力により可動子１２４が移動する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の静電
アクチュエータにおいては、可動子と固定子間の摩擦を
如何に低減するかが重要な課題であった。

【０００６】しかしながら、上述のの方法を用いた静
電アクチュエータにおいては、可動子が弾性支持されて
いるために、大きな動作範囲を実現するのが困難であっ
た。

【０００７】また上述のの方法を用いた静電アクチュ
エータにおいては、比較的複雑な物理現象を利用してい
るため、設計は必ずしも容易ではなく、また、可動子、
固定子の材料特性（誘電率、抵抗率）も必ずしも自由に
選択できなかった。また、駆動電源も切替速度等の面で
工夫が必要であった。

【０００８】そこで本発明は、大きな動作範囲を得るこ
とができるとともに、スムーズに吸着、剥離を繰返すこ
とのできる静電アクチュエータおよびその駆動方法を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明による静電ア
クチュエータの第１の態様は、本体部と、この本体部の
対向する面上に形成される複数の電極と、を各々備え、
所定の隙間をもって対向配置された一対の固定子と、前
記一対の固定子間に配置され、前記固定子の電極に所定
の電圧パルスが印加されることにより一方の端部から他
方の端部へと順次、前記一対の固定子に交互に吸着され
ながら前記隙間を進行する可動子と、を有する、ことを
特徴とする。

【００１０】また第１の発明による静電アクチュエータ
の第２の態様は、第１の本体部と、所定のピッチをもっ
て平行に配置される複数の平行電極部およびこれらの平
行電極部の一端を接続する接続用電極部を各々有する第
１、第２電極と、を有し、前記第１および第２の電極を
前記第１の本体部上に交互に形成してなる第１の固定子
と、第２の本体部と、所定のピッチをもって平行に配置
される複数の平行電極およびこれらの平行電極部の一端
を接続する接続用電極部を各々有する第３、第４の電極
と、を有し、前記第３および第４の電極を前記第２の本
体部上に交互に形成してなる第２の固定子と、本体電極
部と、この本体電極部から櫛の歯状に延びた複数の櫛の
歯状電極とを有する可動子と、を備え、前記第１および
第２の固定子は所定の隙間をもって対向配置され、前記
可動子は前記隙間に配置されることを特徴とする。

【００１１】また第１の発明による静電アクチュエータ
の第３の態様は、各々が、電極および電極を覆う絶縁層
を有し、所定の隙間をもって対向配置される一対の固定
子と、電極およびこの電極を覆う絶縁層を有し、前記固
定子間の隙間に配置されてこの隙間を移動可能な可動子
と、を備え、前記固定子の絶縁層と前記可動子の絶縁層
は同一の材料から形成されることを特徴とする。

【００１２】また第１の発明による静電アクチュエータ
の第４の態様は、各々が、駆動電極を有し、所定の隙間
をもって配置される一対の固定子と、駆動電極を有し、
前記固定子間の隙間に配置されこの隙間を移動可能な可
動子と、を備え、前記固定子および可動子に、各々の駆
動電極に対となる電極を設けたことを特徴とする。

【００１３】また第２の発明による静電アクチュエータ
の駆動方法は、電極を有し、所定の隙間をもって対向配
置された一対の固定子と、前記固定子間の隙間に配置さ
れ、前記電極に電圧が印加されることにより前記一対の
固定子に交互に吸着される可動子と、を備えた静電アク
チュエータにおいて、前記可動子を吸着される際に前記
電極に印加される電圧は、印加直後の電圧の絶対値がそ
の後の電圧値の絶対値に比べて高くなるように設定され
ていることを特徴とする。

【００１４】

【作用】上述のように構成された第１の発明の静電アク
チュエータの第１の態様によれば、一つの固定子に２つ
以上の電極を形成しておくと、可動子を固定子に吸着す
る際に、可動子を一度に吸着するのではなく、可動子の
片側を先に吸着、他方側をこれより遅れて吸着すること
ができる。このように可動子を吸着すると、可動子は微
小量だけ遅れて吸着される側に移動する。これを高速で
何度も繰り返すことにより、可動子は大きな範囲で移動
することができる。

【００１５】また上述のように構成された第１の発明の
静電アクチュエータの第２の態様によれば、固定子のそ
れぞれに２相以上の平行パターン状電極を、その間に位
置する可動子に対して各相の電極が順番に現れる様に、
また、それぞれの固定子の電極同士は逆の位相となる様
に形成し、固定子の各相の電極に順々に電圧を印加する
ことにより、固定子の少なくとも１相の電極に対応する
様な平行パターン状電極を持つ可動子に対して、可動子
をそれぞれの対応する固定子電極への交互吸着を繰り返
すことができ、これにより微小量の移動を実現する。

【００１６】また上述のように構成された第１の発明の
静電アクチュエータの第３の態様によれば、固定子と可
動子の接触する箇所の電極部の絶縁層の材料を同一とす
る。これにより固定子と可動子同士が静電気による帯電
により吸着し続けることを防止し、スムーズな剥離を実
現することができる。

【００１７】また、第１の発明による静電アクチュエー
タの第４の態様によれば、固定子および可動子に、各々
の駆動電極に対となる電極が設けられる。これにより発
生する電荷をできるだけ相対している駆動電極の表面に
集めることができ、各々の駆動電極に対して静電気によ
る吸引力と併せて反発力を利用することが可能となり、
大きな出力とスムーズな駆動を実現することができる。

【００１８】また第２の発明の静電アクチュエータの駆
動方法によれば、電圧印加直後には瞬間的に高い電圧を
かけ、可動子が固定子に接近してくると電圧を落とす。
これにより離れた位置にある可動子も大きな静電力で吸
着することができ、かつ、可動子と固定子が近づいてき
ても、放電あるいは電極上に形成された絶縁膜の絶縁破
壊が生ずることはない。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。

【００２０】第１の発明による静電アクチュエータの第
１の実施例の構成を図１に示す。この実施例の静電アク
チュエータは向い合って配置される一対の固定子１，２
と、可動子３と、スペーサ４ａ，４ｂとを備えている。
固定子１は極めて電気抵抗の高い材料（例えばガラス）
の板からなる本体部１０を有し、この本体部１０の、固
定子２と向い合う面上に２個の電極１１，１２が形成さ
れている。また、固定子２も同様に極めて電気抵抗の高
い材料の板からなる本体部２０を有し、この本体部２０
の、固定子１と向い合う面上に２個の電極２１，２２が
形成されている。固定子１の電極１１は本体部１０の一
方の端部から中央部にかけて延びるように形成されてお
り、電極１２は他方の端部から中央部にかけて延びるよ
うに形成されている。なお、電極１１，１２は、各々の
端部の側面にも延びており、これらの側部１１ｂ，１２
ｂに各々、外部から電圧を印加するための導線１５，１
６が接続されている。また、固定子２の電極２１，２２
も同様に各々の端部から中央部にかけて延びるように形
成されているとともに、対応する端部の側面にも延びて
いる。そしてこれらの側部２１ｂ，２２ｂには外部から
電圧を印加するための導線２５，２６が各々接続されて
いる。

【００２１】そして、固定子１および２はその間にスペ
ーサ４ａ，４ｂを介在させることにより隙間が形成さ
れ、この隙間に可動子３が挿入される。したがって可動
子３は固定子１，２と、スペーサ４ａ，４ｂとに囲まれ
た空間に位置することになる。なお、可動子３には導線
３３が接続されており、この導線３３を介して外部から
可動子３の電位を調整することができる。

【００２２】また固定子１の２つの電極１１，１２は図
２に示すように例えばガラスウェハからなる本体部上に
導電膜１１ａ，１２ａを形成し、この導電膜１１ａ，１
２ａ上に絶縁膜１１ｃ，１２ｃが各々形成されている構
造となっている。導電膜１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２
ｂは本体部１０，２０に金属薄膜を接着することにより
形成しても良いし、スパッタリングや蒸着等の手段を用
いて本体部１０，２０上に導電膜を堆積し、エッチング
プロセス等を用いてパターニングすることによって形成
しても良い。また絶縁膜１１ｃ，１２ｃは電気抵抗の高
い物質からなる薄いシートを導電膜上に接着することに
よって形成しても良いし、スパッタリング法又はＣＶＤ
法を用いて酸化シリコン膜を堆積することによって形成
しても良い。また導線１５，１６は導電性の接着剤を用
いて接着するか又はワイヤボンディング等の手段を用い
て接合される。なお、固定子２も固定子１と同様の構造
となっている。

【００２３】一方可動子３は図２に示すように導体また
は抵抗体３ａの両面に絶縁膜３ｂ，３ｃを形成すること
によって構成される。したがって固定子の場合と同様に
金属薄板に絶縁シートを接着したり、スパッタリング等
により絶縁膜を形成しても良い。また導体３ａとしては
例えばシリコンやシリコンの表面に金属膜を形成したも
のでも良い。

【００２４】また、シリコンウェハから半導体製造技術
を用いてスペーサ４ａ，４ｂを製造する場合は、上記シ
リコンウェハを固定子１，２の材料となるガラスウェハ
で挟んで陽極接合を用いてスペーサ４ａ，４ｂを固定子
１，２に接合させることができる。

【００２５】次に本実施例の静電アクチュエータの動作
を図３および図４を参照して説明する。図３は動作の順
序を説明する工程図であり、図４は固定子１，２の電極
１１，１２，２１，２２に印加される電位Ｖ₁₁，Ｖ₁₂，
Ｖ₂₁，Ｖ₂₂のタインミングチャートである。この動作は
各電極１１，１２，２１，２２に順次電圧を引力してゆ
き、可動子３を固定子１，２間で交互に吸着しながら図
３において左側に移動する例である。可動子３の電位は
常に０とし（導線３３を介してグランドへおとしてお
く）、各電極の電位を０又は所定値Ｖに順次切換えてゆ
く。Ｖは正でも負でもよい。したがって例えばある電極
の電位をＶとすると、可動子３との間に電位差が生じ、
静電気力により、可動子は電極に吸引される。図３は４
つのステップからなっている。

【００２６】まず、ステップ（ａ）では、電極１１，１
２の電位Ｖ₁₁，Ｖ₁₂がＶ、電極２１，２２の電位Ｖ₂₁，
Ｖ₂₂が０とした状態であり（図４参照）、この時、可動
子３は固定子１に吸着されている。次にこの状態から電
極１１の電位Ｖ₁₁を０に、電極２１の電位Ｖ₂₁をＶに切
替えると（図４の時刻ｔ₁ ）、可動子３はステップ
（ｂ）の状態になる。この時ステップ（ａ）からステッ
プ（ｂ）への移行の際、可動子３は図示のαの点を中心
に回転し、この時可動子３の後端は図３においてδ分だ
け左側へ移動することがわかる。次に電極２２の電位Ｖ
₂₂をＶに電極１２の電位Ｖ₁₂を０に切替えると（図４の
時刻ｔ₂ ）、ステップ（ｃ）に移行する。さらに、電極
１１の電位Ｖ₁₁をＶに電極２１の電位Ｖ₂₁を０に切替え
ると（図４の時刻ｔ₃ ）、ステップ（ｄ）の状態に移行
し、この時、可動子３の後端は再びδ分だけ図３におい
て左側へ移動することがわかる。さらに電極１２の電位
Ｖ₁₂をＶに電極２２の電位Ｖ₂₂を０にすると（図４の時
刻ｔ₄ 参照）、再び可動子３は固定子１に吸着される
（ステップ（ｅ）参照）。この４つのステップのシーケ
ンスの間に可動子３は図３において左側へ２δ分だけ移
動する。このシーケンスを繰り返すことにより可動子３
は図３において左側へ動いていく、なお、上述のステッ
プと逆の順序で電極１１，１２，２１，２２の電位を切
替えていくと、可動子３は図３において右側に移動する
ことになる。

【００２７】以上述べたように本実施例によれば、従来
の場合に比べて大きな動作範囲を得ることができるとと
もに、スムーズに吸着・剥離を繰返すことができる。

【００２８】なお、上記実施例においては、固定子１，
２および可動子３の両方に絶縁層が形成されているが、
固定子１，２かまたは可動子３のいずれか一方に絶縁層
が形成されていれば、本実施例と同様の効果を得ること
ができることは云うまでもない。

【００２９】次に上記第１の実施例の変形例を図５を参
照して説明する。上記第１の実施例においては可動子３
は曲げ剛性が比較的高い場合、即ち可動子３が厚みを有
する場合、または比較的硬い材料でできている場合であ
ったが、この変形例においては可動子３は厚みが薄かっ
たり、または導電性ゴムや高分子フィルムのようにやわ
らかい材料で作られ、曲げ剛性が低く、曲げ変形が生じ
やすい場合の例である。この変形例において、電極１
１，１２，２１，２２への電位の印加パターンは第１の
実施例と同じとすると、第１の実施例に比べて可動子３
の曲げ剛性が低いため、図５に示すように可動子３は曲
げ変形しながら対向電極間を移動することになる。この
変形例のように可動子３に曲げ剛性の低いものを用いた
場合は、第１の実施例のような曲げ剛性が高い場合に比
べて、固定子１，２と可動子３との接触面積が増えるた
め、固定子と可動子との静電力も増し、大きな推進力を
得ることができる。

【００３０】次に第１の発明による静電アクチュエータ
の第２の実施例を図６を参照して説明する。この実施例
の静電アクチュエータは曲げ剛性の低い可動子３を用
い、かつ固定子１，２の対向面に、可動子３の進行方向
に沿って多数の電極を設けたものである。

【００３１】即ち可動子３の進行方向に沿って固定子１
には多数の電極１３₁ ，…１３₁₀が設けられ、固定子２
には多数の電極２３₁ ，…２３₁₀が設けられている。
今、可動子３の電位を０とし、固定子１の左側の方に位
置する電極１３₁ ，１３₂ ，１３₃ および固定子２の右
側の方に位置する電極２３₅ ，…２３₁₀にＶの電圧をか
け、残りの電極１３₄ ，…１３₁₀および２３₁ ，…２３
₄ の電圧を０にしたとする。この状態では可動子３は図
６に示す実線で描いた状態にある。この状態から、固定
子１上の電極を順に左から印加してゆき、また固定子２
上の電極を左から順に０電位に接地してゆくと、可動子
はしだいに左側の方から順に、固定子１側に引きつけら
れてゆき、点線に示す状態を経て、やがて固定子１側に
完全に移動する。このように固定子１，２に多数の電極
を形成し、これを順次切替えてゆくことにより、可動子
３を変形させながら、２つの固定子間を移動させること
が確実にできるようになる。

【００３２】なお以上の説明では固定子２側にあった可
動子３を固定子１側に切替える例について述べたが、固
定子１側から固定子２側への切替えも全く同様であり、
これを繰り返すことにより、図５で述べたのと同じ動作
が実現できる。

【００３３】次に第２の発明による静電アクチュエータ
の駆動方法の一実施例を図７を参照して説明する。この
実施例に用いられる静電アクチュエータは図１に示す実
施例のアクチュエータであって、固定子１の電極１１，
１２および固定子２の電極２１，２２には図７に示す電
圧パターンの電圧Ｖ₁₁，Ｖ₁₂，Ｖ₂₁，Ｖ₂₂が印加され
る。この図７に示す電圧パターンは図４に示す電圧パタ
ーンにおいて、印加電圧が０から所定値Ｖに立上がると
きに、所定値Ｖよりも高い電圧Ｖ₁ を時間Δｔ（例え
ば、所定値Ｖの印加時間が１０ｍｓｅｃであれば１ｍｓ
ｅｃ）だけ印加し、その後は所定値Ｖに低下させるもの
である。

【００３４】この図７に示す電圧パターンを図１に示す
静電アクチュエータに印加した場合の動作を図３を参照
して説明する。図３のステップ（ａ）においては、固定
子１の電極１１，１２には所定値Ｖの電圧が印加され、
固定子２の電極２１，２２は値が０の電圧が印加されて
いるため（図７の時刻ｔ₀ 〜ｔ₁ の間）、可動子３は固
定子１に吸着された状態、すなわち可動子３は電極２１
とは離れた位置にある。一般に静電気力は距離の２乗に
反比例するため、図３のステップ（ａ）の状態において
電極２１の電圧を０から所定値Ｖに切替えても可動子３
を電極２１の側に吸引する力は弱い。そこで図７の時刻
ｔ₁ に示すように電圧の切替直後（印加直後）のみに高
い電圧Ｖ₁ をかけ、可動子３が電極１８に接近した時点
で電極１８に所定値Ｖの電圧をかける。

【００３５】このように一方の固定子に吸着していた可
動子を他方の固定子の電極に印加する電圧を切替えるこ
とによって他方の固定子に吸着させる場合に電圧の切替
直後のみに高い電圧を印加し、可動子が他方の固定子の
電極に接近した時点でこの電極に印加する電圧を低い電
圧に落すことにより、放電や、固定子または可動子の電
極上に形成さた絶縁膜の絶縁破壊を防ぐことができる。

【００３６】この実施例の駆動方法においては、使用さ
れる静電アクチュエータを図１に示すものを用いて説明
したが、一般に２つの固定子に交互に吸着されながら固
定子間を進行する可動子を有する静電アクチュエータに
も適用できることは云うもでもない。

【００３７】次に第１の発明による静電アクチュエータ
の第３の実施例を図８（ａ），（ｂ）を参照して説明す
る。図８（ａ）はこの実施例の静電アクチュエータ４０
の平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示す切断線
Ｚ−Ｚで切断した場合の断面図である。この実施例の静
電アクチュエータ４０は、２つの固定子４１，４２とそ
の間の可動子４３で構成される。固定子４１と４２は同
構造であるので、固定子４１について説明し、固定子４
２についての説明は省略する。

【００３８】固定子４１の母材は、ガラスウェハで作ら
れ、４つの電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄが形成
される。これは例えば蒸着により金属薄膜をつけ、その
上に例えばスパッタリングにより酸化シリコン膜の絶縁
膜が形成される。固定子４１には中央に比較的大きい穴
４１ｉおよび４辺に小さい穴４１ｅ，４１ｆ，４１ｇ，
４１ｈがあけられている。この４つの穴４１ｅ，４１
ｆ，４１ｇ，４１ｈには導線４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，
４５ｄが差し込まれ、導電性接着剤により固定されてそ
れぞれの電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄに電気的
に接合される。

【００３９】一方、可動子４３（図８（ａ）上では点線
で表示）は例えばシリコンウェハで作られ、シリコンウ
ェハ両面に金属膜を形成し、その上に絶縁膜として酸化
シリコン膜が形成される。可動子４３の中央には小さな
穴４３ｈが形成され、そのまわりは絶縁膜が形成されな
い。この穴に導電性のシャフト（図示せず）を通すこと
により可動子４３の動きを外部にとり出したり、またシ
ャフトを通じて、可動子４３の電位を外部から調整する
ことができる（これについては後述する）。

【００４０】またスペーサ４４は４辺に設けられ、固定
子４０，４１間のギャップを保つとともに可動子４３が
アクチュエータ４０の外部にでないようにガイドの役目
をはたす。スペーサ４４をシリコン製とすれば、一枚の
シリコンウェハから可動子４３と一緒に製作することも
可能で、また固定子４１，４２との接合には陽極接合を
用いることができる。

【００４１】次に動作について説明する。このアクチュ
エータ４０は２つの固定子４１，４２で合せて８つの電
極４１ａ，…４１ｄ，４２ａ，…４２ｄをもつが、これ
を２つずつ組合せればＸ，Ｙ方向へそれぞれ、第１の実
施例と同様に動作させることができる。即ち、固定子４
１の電極４１ａと４１ｄ，４１ｂと４１ｃ、固定子４２
の電極４２ａと４２ｄ，４２ｂと４２ｃをそれぞれ第１
の実施例における一つの電極として見れば、Ｘ方向に動
作させることができる。また、同様に電極４１ａと４１
ｂ，４１ｃと４１ｄ，４２ａと４２ｂ，４２ｃと４２ｄ
をそれぞれ第１の実施例における一つの電極として見れ
ばＹ方向に可動子を動作させることができる。このよう
にこの実施例のアクチュエータ４０は、Ｘ，Ｙ方向に自
由に駆動可能な２自由度アクチュエータとなる。

【００４２】次に図８に示す実施例のアクチュエータ４
０をパンチルト雲台に適用した場合の例を図９を参照し
て説明する。アクチュエータ４０の可動子４３に設けら
れた穴４３ｈにはシャフト５０が通される。そしてアク
チュエータ４０は、中央部に凹部が設けられた支持部材
５１によって支持される。この支持部材５１の凹部の中
央にはピボット軸受５１ａが形成されている。またシャ
フト５０の、支持部材５１側の一端にはピボット５０ａ
が形成され、シャフト５０が揺動運動可能のようにピボ
ット５０ａがピボット軸受５１ａに支持されている。ま
た、シャフト５０の支持部材５１側の部分５０ｂの軸径
は可動子４３の穴４３ｈの径よりも大きくなっており、
シャフト５０が、アクチュエータ４０の支持部材５１と
は反対の側に抜け出るのを防止している。そして、シャ
フト５０のピボット５０ａとは反対の端部にはパンチル
ト可動部が取付けられている。

【００４３】このように構成されたパンチルト雲台にお
いて、アクチュエータ４０を駆動し、可動子４３が図９
（ａ）に示すＸ方向に動作すると、パンチルト可動部５
２はψ_Y 方向の揺動運動を行ない、また可動子４３がＹ
方向に動作すると、パンチルト可動部５２はψ_X 方向の
揺動運動を行なうことになる。

【００４４】次に第１の発明による静電アクチュエータ
の第４の実施例を図１０乃至図１３を参照して説明す
る。図１０はこの実施例の構成を説明する分解図であ
る。この実施例の静電アクチュエータは２つの固定子
１，２と、可動子３と、２つの固定子１，２間のギャッ
プを保持するスペーサ４ａ，４ｂとを備えている。

【００４５】固定子１は絶縁物または極めて電気抵抗の
高い材料からなる本体部１０の、固定子２と対向する面
に２つの電極１３，１４を設けたものである。電極１３
は所定のピッチＰをもって平行に配置される複数の平行
電極部１３ａと、これらの平行電極部１３ａの一端を接
続する接続用電極部１３ｂとから構成される。また電極
１４も同様に、所定のピッチＰをもって平行に配置され
る複数の平行電極部１４ａと、これらの平行電極部１４
ａの一端を接続する接続用電極部１４ｂとから構成され
る。なお、接続用電極部１３ｂ，１４ｂの配線幅は平行
電極部１３ａ，１４ａの配線幅よりも広くなるよう形成
される。そして、電極１３と電極１４は互い違いとなる
ように１／２ピッチずれて配置されている。接続用電極
部１３ｂ，１４ｂには外部電源に接続する導線１７，１
８が各々結線されている。

【００４６】また固定子２も固定子１と同様に、絶縁物
または極めて電気抵抗の高い材料からなる本体部２０
の、固定子１と対向する面に２つの電極２３，２４が設
けられている。電極２３はピッチＰをもって平行に配置
される複数の平行電極部２３ａと、これらの平行電極部
２３ａの一端を接続する接続用電極部２３ｂとから構成
され、電極２４はピッチＰをもって平行に配置される複
数の平行電極部２４ａと、これらの平行電極部２４ａの
一端を接続する接続用電極部２４ｂとから構成される。
接続用電極部２３ｂ，２４ｂの配線幅は平行電極部２３
ａ，２４ａの配線幅よりも広くなるように形成されてい
る。そして電極２３と電極２４は互い違いとなるように
１／２ピッチずれて配置される。また接続用電極部２３
ｂ，２４ｂには外部電源に接続する導線２７，２８が各
々接続されている。なお、固定子２の電極２３，２４は
固定子１と組合わさった際に、その平行電極部２３ａ，
２４ａが固定子１の平行電極部１３ａ，１４ａの間の、
電極が形成されていない部分と対向するように、固定子
１の電極１３，１４に対して１ピッチ分ずらした配置と
なっている。

【００４７】一方可動子３は、長手方向に延びた本体部
３４と、固定子１，２の電極１３，１４，２３，２４と
同一のピッチをもち上記本体部３４と直交する方向に延
びた櫛の歯状の電極３５とを備えている。なお、本体部
３４の両端には導線３９を接続するためのパッド３２
ａ，３２ｂが設けられている。そして、可動子３はこの
導線部を介して外部電源に接続され、これにより電位が
調節される。

【００４８】固定子１，２はスペーサ４ａ，４ｂを介し
て接合される。このスペーサ４ａ，４ｂは組立時には、
例えば接着や陽極接合を用いて固定子１，２に密着接合
され、そしてこのスペーサ４ａ，４ｂと２つの固定子
１，２に囲まれた空間に可動子３は位置する。

【００４９】なお、可動子３に導線３９を設ける代わり
に、可動子３の櫛の歯状電極３５の外部に設けられたス
ペーサ４ａ，４ｂを外部電源もしくは接続された導線と
結線し、可動子３が固定子１，２間を接触、剥離を繰返
しながら、電極３５がスペーサ４ａ，４ｂと接すること
により、電気的接合を実現しても良い。また、可動子３
は必ずしも外形をこのように加工する必要はなく、絶縁
体からなる平板の表裏に、図１０に示すような形状の電
極３４，３５を形成しても良い。

【００５０】次に固定子１（固定子２も同構造）と可動
子３の構造を図１１を参照して更に説明する。固定子１
の母材１０には絶縁物、または極めて電気抵抗が高い物
質ならば特に制限はないが、例えば、ガラスウェハを用
いることが出来る。この固定子１の母材１０の上には、
まず導電性膜１３ａ，１４ａが形成される。本実施例は
アクチュエータの製造方法を限定するものではないが、
例えば、金属薄板を接着して作成してもよいし、スパッ
タ、蒸着等の薄膜形成手段と、フォトリソグラフィー、
エッチングプロセスにより形成してもよい。導電性膜１
３ａ，１４ａ上には、絶縁膜１９が形成される。これ
は、例えば、電気抵抗の高い物質でできた薄いシートを
接着してもよいし、また、例えば、スパッタ、各種ＣＶ
Ｄ法等による酸化シリコン膜を形成してもよい。導線は
電極の一部に、導電性接着剤を用いて接着、またはボン
ディング等の手段を用いて結線される。

【００５１】一方、可動子３は、導体、または抵抗体３
１の電極部の上下を絶縁膜３８で覆うことにより構成さ
れる。なお、絶縁体の上下に、電極のパターン形状に加
工された導電性膜を形成し、その表面を絶縁膜によって
覆うことにより可動子３を構成しても構わないし、この
両者を組み合わせて、櫛の歯状に加工した（櫛の歯状の
凹部は必ずしも貫通している必要はなく、櫛の歯状の凸
部と凹部で段差がついていればよい）。母材の表面に導
電性膜と絶縁膜を形成することにより作成してもよい。
構成の方法は上述の固定子１と同様に、金属薄板や絶縁
シートを用いたり、または、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ等
の気相成長法を用いて形成してもよい。例えば、シリコ
ン薄板の表面に導電性金属薄膜および絶縁膜を形成した
ものまたはシリコン導板の表面に絶縁膜を形成したもの
で作成してもよい。

【００５２】スペーサ４ａ，４ｂについては、例えば、
シリコンウェハを材料として、スペーサ４ａ，４ｂ、可
動子３を半導体製造技術を利用して製作し、ガラスウェ
ハ（固定子１，２）で、シリコンウェハを挟むように構
成し、３者を陽極接合すること、即ち一体成形すること
により作成してもよい。一体成形した場合は位置決め精
度が良い。また、スペーサ４ａ，４ｂを用いて、可動子
３との電気的接合を計るために、スペーサを導電性材料
で作成したり、その表面に導電性膜を形成し、導電性接
着剤やボンディング等を用いて、外部電源に接続もしく
は接地してもよい。

【００５３】次に、本実施例の動作を図１２、および図
１３を用いて説明する。この動作は固定子１，２の各電
極２３，１４，２４，１３に順次電圧を印加してゆき、
可動子３を固定子１，２間で交互に吸着を繰り返しなが
ら、図１２において右側に駆動する例である。可動子３
の電位は常にマイナスもしくは０とし（常に導線３９の
電位を、マイナスもしくはグランドへ落としておく）、
固定子１，２の各電極２３，１４，２４，１３順に電圧
を印加してゆく。例えば、電極２３に正電圧を印加する
と、この電極２３と、可動子３の電極部３５との間に発
生する静電気力により、可動子３は固定子２に吸引さ
れ、ステップ（ａ）に示す位置関係となる。ここで、電
極２３への電圧印加を止め、電極１４へ正電圧を印加す
ると、可動子３は固定子２から離れ、他方の固定子１と
の間の静電吸引力により、固定子１に引き寄せられ、つ
いには接触する。この時、可動子３と固定子１それぞれ
の電極の作成位置により、可動子３は、図１２において
右側に引かれながら、固定子１に吸着する。

【００５４】例えば、固定子１と可動子３の電極部１４
ｃ，１４ｂ，３５ｂを例にとって、もう少し詳しく説明
する。電極２３から電極１４に電圧を切り替えると、可
動子３の電極部３５ｂは、固定子１の電極部１４ｃ，１
４ｂにより静電気力で吸引される。電極１４ｂによる吸
引力より電極１４ｃによる吸引力の方が大きいため、可
動子３はステップ（ｂ）に示すような状態となる。以
降、固定子１，２の電極２３，１４，２４，１３への電
圧を順次切り替え、可動子３の固定子１，２への吸着、
剥離を繰り返すことにより、可動子は図１２のステップ
（ａ）〜（ｄ）に示す状態を順に取りながら、図１２に
おいて右側へと駆動される。この時の固定子１，２の電
極２３，１４，２４，１３への電圧の印加パターンを図
１３に示す。この電圧印加パターンを、電極２３→電極
１３→電極２４→電極１４へと変えると、可動子３は図
１２において左側へと駆動される。

【００５５】次に第１の発明による静電アクチュエータ
の第５の実施例を図１４を参照して説明する。この実施
例の静電アクチュエータは図１４に示すように固定子１
または２の母材６１上に導電性電極６１ａが形成され、
この電極６１ａを覆うように絶縁層６１ｂが形成されて
いる。また可動子３の母材６３上に導電性電極６３ａが
形成され、この導電性電極６３ａを覆うように絶縁層６
３ｂが形成されている。なお、可動子３の反対面（図１
４においては下側面）にも同様に導電性電極及び絶縁層
が設けられており、またそれと対向する面には固定子が
設けられているが、それらは省略している。このような
場合に固定子１および２の絶縁層６１ｂと可動子３の絶
縁層６３ｂは同一の材料で形成される。もし、固定子
１，２と可動子３の電極６１ａ，６３ａの絶縁層６１
ｂ，６３ｂを異なる材料で形成したり、もしくは固定子
および可動子の一方の電極部のみに絶縁層を形成し、他
方の電極部では導電性電極を直接露出すると、固定子１
または２（図１４においては省略）と可動子３が直接接
触や摩擦による帯電によって、電極に印加される電圧の
正負によらず、各々の絶縁層の材料の組合せや絶縁層と
導電性電極の材料の組合せにより、絶縁層は正もしくは
負のどちらか一方の決まった極性に帯電することにな
る。このためこの電荷により電極同士が静電気的に吸着
してしまい、剥離を困難とし、スムーズな吸着、剥離を
困難にする。

【００５６】この第５の実施例は、絶縁層６１ｂ，６３
ｂを同一の材料で形成することにより、接触や摩擦によ
る帯電によって電極部同士が吸着するのを防止すること
ができる。

【００５７】次に第１の発明による静電アクチュエータ
の第６の実施例を図１５を参照して説明する。この実施
例の静電アクチュエータは、固定子１，２と可動子３の
駆動用電極部に対となる電極を設け、静電気による吸引
力と併せて反発力を利用した静電アクチュエータであ
る。

【００５８】固定子１，２のそれぞれの母材の表裏両面
に電極７３，７４を形成し、可動子３と対向する面には
電極部を覆うように絶縁層７５を形成する。図１５に示
すように電圧を印加すると、可動子３は、固定子１に現
れた電荷による静電気的吸引力によって、固定子１に引
張られるのに加えて、他方の固定子２の電極７３に現れ
た電荷により、静電気的反発力を受け、固定子２から離
れる方向の力を得る。これは、固定子１，２、可動子３
のそれぞれの駆動用電極に、対となる電極を設けたため
に、対向する電極に現れた同極性の電荷が、その相対す
る面から遠ざかるのを妨げ、その表面に出来るだけ同極
性の電荷を残すためである。そのため、可動子３は静電
気による吸引力と併せて、反発力も得て、可動子３を駆
動することが出来る。また、駆動用電極と対となる電極
は、図１５に示したように、絶縁体７７を介して、設置
してもよいし、上下に位置するように固定子１，２を設
けた場合、その側面に対となる電極を設けてもよい。

【００５９】次に第１の発明の第４の実施例の静電アク
チュエータをパンチルト雲台に応用した場合を図１６に
示す。図１６においては、第４の実施例での静電アクチ
ュエータ８１，８２，８３を３個用いて、パンチルト雲
台に応用した例である。本アクチュエータを図１６に示
すように、円柱８５の３箇所を削り、現れた３つの平面
に配置する。それぞれの静電アクチュエータは、駆動電
極８４に順次電圧を印加することにより、図１６の矢印
の１方向（前進と後進）に駆動することができる。アク
チュエータ８１，８２，８３を取り付ける部材８５の中
心軸上に弾性支持部８６を設け、その上にパンチルト動
作をする雲台の底部８７を設置する。駆動される静電ア
クチュエータの可動子を、この弾性支持された雲台底部
８７に接触させ、押すことにより、雲台を駆動する。３
つの静電アクチュエータが３方向に設置してあり、それ
ぞれは独立に動作するため、それぞれの駆動電圧パター
ンを適切に調整することにより、雲台のパンチルト駆動
を実現する。

【００６０】

【発明の効果】第１の発明によれば、可動子と固定子間
の摩擦の問題を解消し、大きな動作範囲を得ることがで
きる。また、接触・剥離をスムーズに行うことができ
る。また、吸引力だけではなく、反発力も利用して大き
な出力を得ることができる。

【００６１】第２の発明によれば、接触・剥離をスムー
ズに行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明による静電アクチュエータの第１の
実施例の構成を示す分解図。

【図２】第１の実施例にかかる固定子と可動子の詳細な
構造を示す断面図。

【図３】第１の実施例の動作を説明する動作説明図。

【図４】第１の実施例に印加される電圧の波形図。

【図５】第１の実施例の変形例の動作を説明する動作説
明図。

【図６】第２の実施例の構成を説明する断面図。

【図７】第２の発明による駆動方法に用いられる電圧波
形図。

【図８】第１の発明による静電アクチュエータの第３の
実施例の構成を示す構成図。

【図９】第３の実施例の静電アクチュエータを用いたパ
ンチルト雲台の構成を示す構成図。

【図１０】第１の発明の第４の実施例の構成を示す分解
図。

【図１１】第４の実施例の固定子と可動子の詳細な構造
を説明する断面図。

【図１２】第４の実施例の動作を説明する動作説明図。

【図１３】第４の実施例に印加される駆動電圧波形図。

【図１４】第１の発明の第５の実施例の構成を示す断面
図。

【図１５】第１の発明の第６の実施例の構成を示す構成
図。

【図１６】第４の実施例の静電アクチュエータを用いた
パンチルト雲台の構成を示す構成図。

【図１７】従来の静電アクチュエータの構成を示す構成
図。

【図１８】従来の他の静電アクチュエータの構成および
動作を説明する説明図。

【符号の説明】

１，２，４１，４２ 固定子 ３，４３ 可動子 ３ａ 導体 ３ｂ，３ｃ，１１ｃ，１２ｃ 絶縁膜 １０，２０，３４ 本体部 １１，１２，１３，１４，２１，２２，２３，２４，４
１ａ，…４１ｄ，４２ａ，…４２ｄ 電極 １１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，２１ｂ，２２ｂ 導
体膜 １３ａ，１４ａ，２３ａ，２４ａ 平行電極部 １３ｂ，１４ｂ，２３ｂ，２４ｂ 接続用電極部 １５，１６ 導線 ３２ａ，３２ｂ パッド ３５ 櫛の歯状電極 ４０ 静電アクチュエータ ４１ｅ，…４１ｈ，４２ｅ，…４２ｈ 穴 ４４ スペーサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−111264（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−211078（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−169277（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 1/00

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】本体部と、この本体部の対向する面上に形
   成される複数の電極と、を各々備え、所定の隙間をもっ
   て対向配置された一対の固定子と、 所定の電位が印加される導電体からなる電極を有し、前
   記一対の固定子間に配置され、前記固定子の電極に所定
   の電圧パルスが印加されることにより、前記導電体から
   なる電極の一方の端部と他方の端部とが、前記一方の端
   部から前記他方の端部へと順次、前記一対の固定子に交
   互に吸着されながら前記隙間を進行する可動子と、 を有することを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 【請求項２】前記一対の固定子の各々の電極は第１の絶
   縁層によって覆われており、前記可動子の電極は第２の
   絶縁層によって覆われてい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】第１の本体部と、この第１の本体部上に所
   定のピッチをもって所定方向に交互に配置される第１お
   よび第２の電極部を有する第１の電極と、前記第１の電
   極部同士の端部を接続する第１の接続用電極部と、前記
   第２電極部同士の端部を接続する第２の接続用電極部
   と、を備えた第１の固定子と、 第２の本体部と、この第２の本体部上に所定のピッチを
   もって所定方向に交互に配置される第３および第４の電
   極部を有する第２の電極と、前記第３の電極部同士の端
   部を接続する第３の接続用電極部と、前記第４の電極部
   同士の端部を接続する第４の接続用電極部と、を備えた
   第２の固定子と、 導電体からなる電極部を有する可動子と、 を備え、前記第１および第２の固定子は前記可動子が前
   記第１の固定子と前記第２の固定子に交互に吸着されな
   がら進行するための所定の隙間をもって対向配置される
   とともに前記可動子が前記隙間に配置されるように構成
   され、前記第１および第２の各々の電極と前記可動子の
   電極部との間に所定の電位差が与えられるように前記第
   １の固定子の第１の電極と、第２の固定子の第２の電極
   とを順次切換え、この切換えに応じて前記第１電極内に
   おいて前記第１および第２の電極部を切換えかつ前記第
   ２の電極内において前記第３および第４の電極部を切換
   えることにより前記所定方向または逆方向に可動子を駆
   動し、前記第１および第２の固定子の第１および第２の
   電極は各々第１の絶縁層によって覆うわれ、前記可動子
   の電極部は第２の絶縁層によって覆われていることを特
   徴とする静電アクチュエータ。
4. 【請求項４】前記第１の絶縁層と、前記第２の絶縁層と
   は同一の材料からなることを特徴とする請求項３記載の
   静電アクチュエータ。
5. 【請求項５】所定の間隔をもって対向配置される第１お
   よび第２の本体部と、前記第１の本体部の対向する面上
   に形成された第１の電極と、前記第２の本体部の対向す
   る面上に形成された第２の電極とを有する一対の固定子
   と、 前記一対の固定子間に配置される可動子と、 を備えている静電アクチュエータにおいて、 前記第１の本体部の対向する面とは反対の面上に前記第
   １の電極と対となるように形成された第３の電極と、前
   記第２の本体部の対向する面とは反対の面上に前記第２
   の電極と対となるように形成された第４の電極と、を設
   けたことを特徴とする静電アクチュエータ。
6. 【請求項６】電極を有し、所定の隙間をもって対向配置
   された一対の固定子と、 前記固定子間の隙間に配置され、前記電極に電圧が印加
   されることにより前記一対の固定子に交互に吸着される
   可動子と、 を備えた静電アクチュエータにおいて、 前記可動子を吸着する際に前記電極に印加される電圧
   は、印加直後の電圧の絶対値がその後の電圧値の絶対値
   に比べて高くなるように設定されていることを特徴とす
   る静電アクチュエータの駆動方法。
7. 【請求項７】所定の間隔をもって対向配置される第１お
   よび第２の本体部と、前記第１の本体部の対向する面上
   に形成された第１および第２の電極と、前記第２の本体
   部の対向する面上に形成された第３および第４の電極と
   を有する一対の固定子と、 前記一対の固定子間に配置される可動子と、を備えた静
   電アクチュエータにおいて、 前記第１および第２の電極に第１の電位を印加するとと
   もに前記第３および第４の電極に前記第１の電位より低
   い第２の電位を印加して前記可動子を前記第１および第
   ２の電極に吸着する第１のステップと、 前記第１の電極の電位を前記第２の電位にするとともに
   前記第３の電極の電位を前記第１の電位にすることによ
   り前記第１の電極に吸着していた前記可動子の一端を前
   記第３の電極に吸着させる第２のステップと、 前記第２の電極の電位を前記第２の電位にするとともに
   前記第４の電極の電位を第１の電位にすることにより前
   記第２の電極に吸着していた前記可動子の他端を前記第
   ４の電極に吸着させる第３のステップと、 前記第１の電極の電位を前記第１の電位にするとともに
   前記第３の電極の電位を前記第２の電位にすることによ
   り前記第３の電極に吸着していた前記可動子の一端を前
   記第１の電極に吸着させる第４のステップと、 前記第２の電極の電位を前記第１の電位にするとともに
   前記第４の電極の電位を前記第２の電位にすることによ
   り前記第４の電極に吸着していた前記可動子の他端を前
   記第２の電極に吸着させる第５のステップと、 を備えていることを特徴とする静電アクチュエータの駆
   動方法。