(57)【要約】【課題】推力リップルを極力抑えた大型の静電アクチュエータを提供すること。【解決手段】所定のピッチで等間隔に並んだ複数の帯状電極を形成した固定子と、固定子と同じピッチで等間隔に並んだ複数の帯状電極を形成した移動子を備えてなり、平板状の基板表面に、移動子の移動方向に、固定子を２個以上配列して固定させた静電アクチュエータであって、移動子の帯状電極と固定子の帯状電極が対向する部分の面積が、移動子が帯状電極のピッチの整数倍移動した場合に、ほぼ同じになるように、帯状電極を形成する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のピッチで等間隔に並んだ複数の帯状電極を形成した固定子と、固定子と同じピッチで等間隔に並んだ複数の帯状電極を形成した移動子を備えてなり、平板状の基板表面に、移動子の移動方向に、固定子を２個以上配列して固定させた静電アクチュエータであって、移動子の帯状電極と固定子の帯状電極が対向する部分の面積が、移動子が帯状電極のピッチの整数倍移動した場合に、ほぼ同じになるように、帯状電極を形成したことを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
所定のピッチで等間隔に並んだ複数の帯状電極を形成した固定子と、固定子と同じピッチで等間隔に並んだ複数の帯状電極を形成した移動子を備えてなり、平板状の基板表面に、移動子の移動方向に、固定子を２個以上配列して固定させ、かつ移動子を２個以上配列した静電アクチュエータであって、移動子の帯状電極と固定子の帯状電極が対向する部分の面積が、移動子が帯状電極のピッチの整数倍移動した場合に、ほぼ同じになるように、帯状電極を形成したことを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項３】
移動子を移動させるとき、移動子と対向していない固定子の帯状電極には、電圧を印加しないようにすることを特徴とする請求項１から２に記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】
前記平板状の基板表面には、複数の固定子の帯状電極同士および／または複数の移動子の帯状電極同士を結線するための凹部が形成されていることを特徴とする請求項１から３に記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】
前記平板状の基板表面への固定子および／または移動子の固定は、機械的に接合することを特徴とする請求項１から４に記載の静電アクチュエータ。
【請求項６】
前記平板状の基板は、剛性体であることを特徴とする請求項１から５に記載の静電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電気力を動力源とす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】
静電アクチュエータには、大きく分けて、パルス駆動誘導電荷形静電アクチュエータと交流駆動両電極形静電アクチュエータとの２種類がある。
【０００３】
まず、パルス駆動誘導電荷形静電アクチュエータについて、図２９から３３に基づき説明する。図２９はパルス駆動誘導電荷形静電アクチュエータの概略図である。本静電アクチュエータは、固定子１と移動子２の２つから構成される。固定子１は３相に配線された多数の帯状の電極３を持ち、表面は絶縁膜４で覆われている。一方、移動子２は，誘電体層５上に微弱な導電性を有する抵抗体層６を持ち、電極等の歯状の構造は有していない。
【０００４】
駆動原理を、図２９から図３３を用いて示す。駆動する際は、移動子２を固定子１の上に置き、初期充電を行い、移動子２に電荷を蓄積する、駆動と再充電を繰り返し行い、移動子２をステップ状に駆動する。
次に、更に詳しく説明する。最初、移動子２は電荷を持たない。まず、図３０に示すように、固定子１の電極３に（０，−Ｖ、＋Ｖ）の電圧を印加し、移動子２上に電極と逆極性の電荷を誘導する。これにより、固定子１の電極３のパターンが、電荷のパターンとして移動子２上に転写される。充電が完了した時点においては、移動子２は垂直下向きに吸引され、摩擦により強く保持されている。次に、図３１のように、電圧を（−Ｖ、＋Ｖ、−Ｖ）に切り替える。これにより電極の電荷は瞬時に入れ替わるが、移動子２の電荷配置が新たな平衡状態に変化するには、初期充電と同じく、ある程度の時間を要するため、切り替え直後には、図３１のような電荷配置が現れる。このとき、移動子２の電荷とその直下の電極３の電荷は同符号となるため、移動子２には浮上力が働く。それと同時に、斜め下の電極３の電荷の効果により、移動子２には右向きの駆動力が働き、結果として、移動子２は、図３２に示すように右側に電極１ピッチ分駆動される。
駆動中に移動子２の電荷が失われるため、連続して駆動すると、推力が減少する。そこで、移動子２が静止した状態で、図３３のように電極３に１相ずらして正負の電圧を印加し、再充電を行う。
この後、電圧を印加する電極３を１相ずつずらし、図３１，図３２、図３３のステップを繰り返すことにより、連続的な駆動を行う。
【０００５】
次に、交流駆動両電極形静電アクチュエータについて、説明する。図３４は交流駆動両電極形静電アクチュエータの概略図である。
本静電アクチュエータは、固定子１と移動子２の２つから構成される。固定子１、移動子２ともに、３相に結線された多数の帯状電極３を持ち、表面は絶縁膜４で覆われている。１つの３相正弦波を、固定子１、移動子２の両者に、それぞれ接続順が逆向きになるようにして印加する。これにより、固定子１、移動子２上には、それぞれ逆向きに進行する正弦波状の電位分布７が発生する。これら２つの電位分布の間に働く静電気力により、アクチュエータは駆動される。
【０００６】
静電アクチュエータを製造する際に、微細な電極を精度よく加工する必要があるが、大型化に際して加工が困難になり、コストが高くなるなどの問題があった。この問題に関する従来技術として、パルス駆動誘導電荷形静電アクチュエータについて、特開平６−３３５２６４に、小型の固定子を２ヶ以上任意に配列して、大型品に対応すると言う技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特開平６−３３５２６４で開示された技術を移動子の移動方向に、固定子を２ヶ以上配列して固定させた静電アクチュエータに適用すると推力リップル（推力の変動）が生じるおそれがある。これは、図２４に示すように、帯状電極３から固定子１の端面までの距離は通常数ｍｍ程度で設計するため、図２５に示すように、固定子１を配列した場合、どうしても、数ｍｍ程度の帯状電極３が存在しない領域が出来てしまうためである。詳しくは後述する。
図２２に示すように、固定子１の帯状電極３を等間隔のピッチで固定子１の端面すれすれまで形成し、図２３に示すように配列すれば、即ち推力リップルは殆ど無くなる。しかし、現実問題、通常帯状電極３のピッチは、印加電圧を出来るだけ抑えるために、数百μｍで設計する。例えば２００μｍピッチで設計したとすれば、帯状電極３から固定子１の端面までの距離は１００μｍ以下に設定する必要があり、とても容易には製造できない。
推力リップルの発生について図２６から図２８を用いて、詳細に説明する。
図２６に示すように、第１固定子１ａおよび第２固定子１ｂは、平板状の基材８の上に固定されている。また、帯状電極３は、第１固定子１ａおよび第２固定子１ｂおよび移動子２ともに１２本形成されている。ここでは、移動子２は、固定子１ａ上に位置する。つまり、実際の駆動に利用される帯状電極３は、固定子１と移動子２とで対向している１２本である。
図２７では移動子２が、図で示すところの右方向に移動し、第１固定子１ａと第２固定子１ｂの中間に位置した場合を図示した物である。ここでは、実際の駆動に利用される帯状電極３は、第１固定子１ａおよび第２固定子１ｂと移動子２とで対向している９本である。
図２８では移動子２が、図で示すところの右方向に更に移動し、第２固定子１ｂ上に位置した場合を図示した物である。ここでは、実際の駆動に利用される帯状電極３は、固定子１と移動子２とで対向している１２本である。
つまり、移動子２が移動すると、移動子２と第１固定子１ａおよび第２固定子１ｂに形成された帯状電極３の対向する部分の面積が、単純計算で１２÷９＝１．３３、即ち約３３％変動するため、推力リップルが発生してしまう。
特開平６−３３５２６４のように、パルス駆動誘導電荷形静電アクチュエータを用いて店頭ディスプレイ等に応用する場合は、固定子上にある移動子を単に移動させることが目的であるので、固定子のつなぎ目で発生する移動子の推力リップルはさほど問題ではなかった。
ところが、静電アクチュエータを半導体製造装置等の搬送ステージ等に応用する場合、安定したステージ駆動が要求されるため、移動子の推力リップルは大きな障害となる。
【０００８】
本発明は上記のような推力リップルを極力抑えた、大型の静電アクチュエータを製造可能にするためになされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決すべく、所定のピッチで等間隔に並んだ複数の帯状電極を形成した固定子と、固定子と同じピッチで等間隔に並んだ複数の帯状電極を形成した移動子を備えてなり、平板状の基板表面に、移動子の移動方向に、固定子を２個以上配列して固定させた静電アクチュエータであって、移動子の帯状電極と固定子の帯状電極が対向する部分の面積が、移動子が帯状電極のピッチの整数倍移動した場合に、ほぼ同じになるように、帯状電極を形成する。
ここで、移動子の帯状電極と固定子の帯状電極が対向する部分の面積というのは、移動子と固定子それぞれの帯状電極全体を一つの多角形としてみた場合の面積であって、一本一本の対向する部分の面積ではない。後者の場合、ピッチなどの誤差の影響を大きく受けてしまうためである。
ほぼ同じとは、必ずしも完全に同じ面積である必要はないことを意味し、製造上の精度等に起因する１０％程度の誤差は、許容される。誤差は５％以下であるとより好ましい。さらに好ましくは１％以下である。これにより、固定子を２個移動子の推力リップルは殆どなくすことが可能となる。移動子と固定子の電極間ピッチについても若干の誤差は許容される。
【００１０】
本発明の一態様においては、所定のピッチで等間隔に並んだ複数の帯状電極を形成した固定子と、固定子と同じピッチで等間隔に並んだ複数の帯状電極を形成した移動子を備えてなり、平板状の基板表面に、移動子の移動方向に、固定子を２個以上配列して固定させ、かつ移動子を２個以上配列した静電アクチュエータであって、移動子の帯状電極と固定子の帯状電極が対向する部分の面積が、移動子が帯状電極のピッチの整数倍移動した場合に、ほぼ同じになるように、帯状電極を形成する。
これにより、移動子を２個以上配列した場合においても推力リップルを殆ど無くすことが可能になる。
【００１１】
本発明の好ましい態様においては、移動子を移動させるとき、移動子と対向していない固定子の帯状電極には、電圧を印加しないようにする。
そうすることで、固定子上に形成された複数の帯状電極の、隣り合った帯状電極により形成される静電容量により流れる電流がカットされ、不要な電力の消費を抑えることが出来る。かつ隣り合った帯状電極間により形成される誘電損失による発熱もカットすることが可能となる。
【００１２】
本発明の好ましい態様においては、前記平板状の基板表面には、固定する固定子および／または移動子に形成された帯状電極同士を結線するための凹部が形成されている。
これにより、駆動用電極である帯状電極と反対の面で結線することが出来るので、駆動用電極側の面に、配線の出っ張りが無くなり、移動子と固定子とのギャップを最小限まで狭くすることが可能なり、結果として推力を向上させることが出来る。
【００１３】
本発明の好ましい態様においては、前記平板状の基板表面への固定子、および／または移動子の固定は、機械的に接合する。機械的な接合とは、接着剤等を用いて接合するのではなく、ボルト締めなどにより接合することを意味する。
これにより、接着剤等で接合した場合のように、接着剤層の厚みのばらつきにより、配列した固定子の平面精度がばらつくことがなく、移動子と固定子のギャップを極力均一に出来るので、結果として推力の均一化、即ち推力リップルを極力抑えることが可能となる。
【００１４】
本発明の好ましい態様においては、前記平板状の基板は、剛性体を使用する。剛性体とは、フィルムなどの材料と異なり、容易に変形しない材料のことを指す。具体的にはヤング率が１０ＧＰａ以上の材料を指し、ガラス、セラミックスのほかにアルミ、鉄、チタンなどの金属材料が含まれる。なお、固定子同士の配線に被覆のない銅線等を使用する場合は、導電性材料を基材に使用すると、短絡もしくは放電する可能性があるので、金属などの導電性材料を基材に用いるときは、表面に絶縁コートを施す必要がある。絶縁コートの方法はＰＶＤ，ＣＶＤ、印刷、ゾルゲル法など公知の方法を用いることができる。
剛性体は研削や研磨加工により平面精度を出すことが出来るので、平板上の基材に配列された固定子の平面精度も均一にすることが可能となり、結果として推力の均一化、即ち推力リップルを極力抑えることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施態につき、図１から図３に基づいて説明する。
図１から図３は本発明にかかる第１実施例の平面図を示す図である。図１に示すように、第１固定子１ａおよび第２固定子１ｂは、平板状の基材８の上に固定されている。また、帯状電極３は、第１固定１ａおよび第２固定子１ｂでは９本形成してあるのに対し、移動子２では１２本形成されている。
図１では、移動子２は、第１固定子１ａ上に位置する。つまり、実際の駆動に利用される帯状電極３は、第１固定子１ａと移動子２とで対向している９本である。
図２では、移動子２が、図で示すところの右方向に移動し、第１固定子１ａと第２固定子１ｂの中間に位置した場合を図示した物である。ここでも同じように、実際の駆動に利用される帯状電極３は、第１固定子１ａおよび第２固定子１ｂと移動子２とで対向している９本である。
図３では、移動子２が、図で示すところの右方向に更に移動し、第２固定子１ｂ上に位置した場合を図示した物である。ここでも同じように、実際の駆動に利用される帯状電極３は、第２固定子１ｂと移動子２とで対向している９本である。
つまり、移動子２を駆動させるための帯状電極３は、移動子が帯状電極のピッチの整数倍移動した場合でも９本で一定面積なため、推力リップルを極力抑えることが出来る。
図１において、移動子および固定子の帯状電極間ピッチｐは、帯状電極の幅をａ、電極間のギャップをｂとするとｐ＝ａ＋ｂで表される。固定子間の帯状電極の存在しない部分の長さ、すなわち固定子１ａの右端から固定子２ａの帯状電極の左端までの間隔ＧはＧ＝３ａ＋４ｂで表される。また、移動子の帯状電極全体の幅、つまり帯状電極の左端から右端までの距離をＹ、固定子の帯状電極全体の幅をＸとすると、Ｙ＝Ｘ＋３ａ＋３ｂで表される。Ｇ＝３ａ＋４ｂの関係から、Ｙ＝Ｘ＋Ｇ−ｂのとき推力リップルが最小になるということができる。この関係はギャップＧの大きさによらず成立する。また、同じ大きさの固定子が３個以上並んでおり、固定子の帯状電極間のギャップがそれぞれ等しいときはＹが（Ｘ＋Ｇ−ｂ）の整数倍であっても同じように移動子と固定子の対向している部分の面積は一定になる。
【００１６】
更に、本発明の一実施態につき、図４から図６に基づいて説明する。
図４から図６は本発明にかかる第２実施例の平面図を示す図である。図１から図３と異なる点は、移動子２が２ヶ、平板状の基材８上に配列されているところである。このように、移動子が２個のときでも移動子と固定子の対向している部分の面積は一定にすることができ、推力リップルの発生を極力抑えることができる。このとき、移動子の帯状電極全体の幅と固定子の帯状電極全体の幅と固定子間の帯状電極が存在しない部分の長さは、前の段落で記載した式で表される関係を満たす。
【００１７】
更に、本発明の一実施態につき、図７から図９に基づいて説明する。
図７から図９は本発明にかかる第３実施例の平面図を示す図である。図１から図３と異なる点は、移動子２に１２本の帯状電極が形成されているところである。つまり、帯状電極の幅が変わっても移動子と固定子の対向している部分の面積は一定にすることができ、推力リップルの発生を極力抑えることができる。
【００１８】
更に、本発明の一実施態につき、図１０から図１２に基づいて説明する。
図１０から図１２は本発明にかかる第４実施例の平面図を示す図である。図４から図６と異なる点は、第１移動子２ａおよび第２移動子２ｂに１２本の帯状電極が形成されているところである。
作用は、図４から図６と同様である。
【００１９】
更に、本発明の一実施態につき、図１３から図１６に基づいて説明する。
図１３から図１６は本発明にかかる第５実施例の平面図を示す図である。
図１３の状態では、移動子２は第１固定子１ａ上に位置するので、第２固定子１ｂおよび第３固定子１ｃには電圧を印加しない。
また図１４の状態では、移動子２は第１固定子１ａと第２固定子１ｂの中間上に位置するので、第３固定子１ｃには電圧を印加しない。
また図１５の状態では、移動子２は第２固定子１ｂ上に位置するので、第１固定子１ａおよび第３固定子１ｃには電圧を印加しない。
また図１６の状態では、移動子２は第３固定子１ｃ上に位置するので、第１固定子１ａおよび第２固定子１ｂには電圧を印加しない。
このように、固定子１への電圧の印加を必要最小限に制御することにより、固定子１に形成された複数の帯状電極３の、隣り合った帯状電極３により形成される静電容量により流れる電流がカットされ、不要な電力の消費を抑えることが出来る。かつ隣り合った帯状電極３により形成される誘電損失による不要な発熱も極力カットすることが可能となる。
【００２０】
更に、本発明の一実施態につき、図１７から図２１に基づいて説明する。
図１７から図２１は本発明にかかる第６実施例の平面図を示す図である。図１７に固定子１を、図１８に固定子１のＡ視断面図を、図１９に平板状の基材８の平面図を、図２０に平板状の基材８のＢ視断面図を、図２１に固定子１と平板状の基材８とを接合し、配線１１により帯状電極３同士を結線した断面図を示す。これにより、駆動用電極である帯状電極３と反対の面で結線することが出来るので、駆動用電極側の面に、配線１１の出っ張りが無くなり、移動子２と固定子１とのギャップを最小限まで狭くすることが可能なり、結果として推力を向上させることが可能となる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、推力リップルを極力抑えた大型の静電アクチュエータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる実施例１の側面図
【図２】本発明にかかる実施例１の側面図
【図３】本発明にかかる実施例１の側面図
【図４】本発明にかかる実施例２の側面図
【図５】本発明にかかる実施例２の側面図
【図６】本発明にかかる実施例２の側面図
【図７】本発明にかかる実施例３の側面図
【図８】本発明にかかる実施例３の側面図
【図９】本発明にかかる実施例３の側面図
【図１０】本発明にかかる実施例４の側面図
【図１１】本発明にかかる実施例４の側面図
【図１２】本発明にかかる実施例４の側面図
【図１３】本発明にかかる実施例５の側面図
【図１４】本発明にかかる実施例５の側面図
【図１５】本発明にかかる実施例５の側面図
【図１６】本発明にかかる実施例５の側面図
【図１７】本発明にかかる実施例６の固定子平面図
【図１８】本発明にかかる実施例６のＡ視固定子断面図
【図１９】本発明にかかる実施例６の平板状基材平面図
【図２０】本発明にかかる実施例６のＢ視平板状基材断面図
【図２１】本発明にかかる実施例６の固定子および平板状基材の断面図
【図２２】固定子の平面図
【図２３】固定子の平面図
【図２４】固定子の平面図
【図２５】固定子の平面図
【図２６】従来技術の側面図
【図２７】従来技術の側面図
【図２８】従来技術の側面図
【図２９】パルス駆動誘導電荷形静電アクチュエータの駆動原理を説明するための側面図
【図３０】パルス駆動誘導電荷形静電アクチュエータの駆動原理を説明するための側面図
【図３１】パルス駆動誘導電荷形静電アクチュエータの駆動原理を説明するための側面図
【図３２】パルス駆動誘導電荷形静電アクチュエータの駆動原理を説明するための側面図
【図３３】パルス駆動誘導電荷形静電アクチュエータの駆動原理を説明するための側面図
【図３４】交流駆動両電極形静電アクチュエータの側面図
【符号の説明】
１…固定子、１ａ…第１固定子、１ｂ…第２固定子、１ｃ…第３固定子、１ｄ…第４固定子、２…移動子、２ａ…第１移動子、２ｂ…第２移動子、３…帯状電極、４…絶縁膜、５…誘電体層、６…抵抗体層、７…正弦波状の電位分布、８…平板状の基材、９…スルーホール、１０…平板状の基材の凹部、１１…配線、１２ａ…第１電源、１２ｂ…第２電源、１２ｃ…第３電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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