(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
等価容量型アクチュエータに直列接続した可変キャパシタと、直列接続した前記等価容量型アクチュエータ及び可変キャパシタの両端に電圧を印加する直流定電圧源とを備え、前記可変キャパシタの静電容量を変えて、前記等価容量型アクチュエータへの印加電圧を調整することを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
【請求項２】
等価容量型アクチュエータに直列接続した可変キャパシタと、直列接続した前記等価容量型アクチュエータ及び可変キャパシタの両端に電圧を印加する定電圧源と、前記定電圧源と並列に接続した大容量キャパシタとを備え、前記可変キャパシタの静電容量を変えて、前記等価容量型アクチュエータへの印加電圧を調整することを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の駆動装置であって、前記等価容量型アクチュエータが静電アクチュエータであることを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の駆動装置であって、前記等価容量型アクチュエータが圧電アクチュエータであることを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置であって、制御信号に応じて前記可変キャパシタの静電容量を変える駆動手段を具備し、前記駆動手段が、前記可変キャパシタの電極間の距離を変えることを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置であって、制御信号に応じて前記可変キャパシタの静電容量を変える駆動手段を具備し、前記駆動手段が、前記可変キャパシタの電極間の対向面積を変えることを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
【請求項７】
請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置であって、制御信号に応じて前記可変キャパシタの静電容量を変える駆動手段を具備し、前記駆動手段が、前記可変キャパシタの電極間の圧電体に加える応力を変えることを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
【請求項８】
請求項１から３のいずれかに記載の駆動装置であって、制御信号に応じて前記可変キャパシタの静電容量を変える駆動手段を具備し、前記駆動手段が、前記可変キャパシタの複数の電極との間に静電容量を形成する移動体を移動して、前記複数の電極との間の静電容量を差動的に変えることを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
【請求項９】
請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置であって、前記可変キャパシタが、並列接続された複数の固定コンデンサと、前記固定コンデンサの一部の並列接続を周期的に断続するスイッチとを備え、前記スイッチによる断の時間長と続の時間長との比率を変更して前記複数の固定コンデンサの合成容量を変えることを特徴とする等価容量型アクチュエータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電力を利用する静電アクチュエータや逆圧電効果を利用する圧電アクチュエータ等の駆動装置に関し、特に、これらのアクチュエータの駆動制御を低コストで実現するものである。
【背景技術】
【０００２】
静電アクチュエータは、従来から、静電力を利用して物体を浮上させたり、物体を移動したり、物体を吸着したりするために利用されている。
静電アクチュエータを使用した静電浮上装置については、例えば下記特許文献１等にその原理が説明されている。この装置は、図２７に示すように、絶縁基板から成る固定子８１０と、固定子８１０に形成された複数の電極８１１〜８１８と、静電力の作用で浮上する浮上体８２０と、浮上体８２０との距離（ギャップ）を検出する変位センサ８３０〜８３３と、制御電圧を発生する制御器８４０と、制御電圧を増幅して各電極８１１〜８１８に与える高電圧アンプ（増幅器）８７０〜８７３とを備えている。
固定子８１０に向き合う浮上体８２０は、高電圧が印加された電極８１１〜８１８により浮上力が与えられる。変位センサ８３０〜８３３は、浮上体８２０とのギャップを示す検出信号を制御器８４０に出力する。制御器８４０は、この検出信号と目標値とを比較して、浮上体８２０を安定浮上させるための制御電圧を作り出し、高電圧アンプ８７０〜８７３に出力する。高電圧アンプ８７０〜８７３で増幅された制御電圧は固定子８１０の電極８１１〜８１８に印加され、浮上体８２０は安定浮上する。【０００３】
また、静電アクチュエータを使用した静電浮上搬送装置の原理については、例えば下記特許文献２等で説明されている。図２８（ａ）は、この装置の側面図、図２８（ｂ）は、固定子に形成された電極を示す平面図である。
この装置は、絶縁基板から成る固定子９１０と、固定子９１０に形成された櫛の歯状電極９１１ａ〜９３０ａ、９１１ｂ〜９３０ｂと、静電力の作用で浮上搬送される被搬送体９５０と、被搬送体９５０の位置を検出する変位センサ９９１〜９９８とを備えている。
この装置では、変位センサ９９１〜９９８が検出した被搬送体９５０の位置を基に、被搬送体９５０の真上に位置する電極９１１ａ〜９１８ａ、９１１ｂ〜９１８ｂに電圧を印加して、被搬送体９５０を静電浮上させる。このとき、電極９１１ａ〜９１８ａ、９１１ｂ〜９１８ｂに印加する電圧を制御して、被搬送体９５０と固定子９１０との距離や被搬送体９５０の傾きを調整する。【０００４】
次いで、被搬送体９５０の移動方向に位置する次の電極９１９ａ、９１９ｂに電圧を印加し、同時に、被搬送体９５０の移動により被搬送体９５０の真上から外れる電極９１１ａ、９１１ｂへの印加電圧を遮断して、被搬送体９５０を右方向に電極の１ピッチ分移動し、これを順次繰り返して、浮上した状態の被搬送体９５０を右方向に搬送する。
これらの装置は、環境を汚さない非接触の保持・移送手段であり、クリーンルームでのシリコンウエハやアルミディスクの保持・移送などに適している。また、静電アクチュエータは、構造が簡単で、小型化するほど重量当たりの出力向上が期待できるため、マイクロマシーン用アクチュエータとしての利用も注目されている。【０００５】
また、圧電アクチュエータは、電界を加えると伸び縮みする圧電素子の性質を利用したアクチュエータであり、下記特許文献３に記載されているように、物体の精密位置決めなどに使用されている。圧電素子（電歪素子とも呼ばれる。）は、印加電圧に対して素早く応答し、高精度に変位する。ただ、発生応力は大きいが変位量は小さい。そのため、大きな変位を必要とする場合は、電極で挟んだ圧電層を複数積層した積層型圧電素子が使用される。圧電アクチュエータは、この圧電素子の高速応答、高精度変位及び高分解能の性質を利用して、半導体製造装置の微細位置制御や高速プリンタの駆動源等に使用されており、また、マイクロ・メカトロニクスのキーデバイスとしても注目されている。
【特許文献１】特開平９−３２２５６４号公報
【特許文献２】特開平１０−１１２９８５号公報
【特許文献３】特開２００４−２８０３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
静電力は、磁気力に比べて単位面積当たりの利用可能な力の上限が桁違いに小さいため、静電力を用いて物体の非接触浮上等を行う場合は、キロボルトオーダの高電圧を電極に印加する必要があり、さらに、浮上物体の安定化や搬送駆動のために、その電圧を素早く変化させる必要がある。
従来の静電アクチュエータでは、これらの駆動条件を満たすために、高精度で大掛かりな高電圧増幅器を用いて、電極への供給電圧を増幅している。【０００７】
また、圧電素子では、全長の１／１０００程度の歪みを生じさせるのに１０００Ｖ／ｍｍ程度の電界を印加する必要があり、積層型圧電素子により大きな変位を得る場合は、キロボルトオーダの高電圧が必要になる。
従来の圧電アクチュエータでは、このような高電圧を発生し、さらにそれを動的に素早く変化させるために、高精度で大掛かりな高電圧増幅器を用いている。
しかし、この種の増幅器は極めて高コストであり、静電アクチュエータや圧電アクチュエータ等の等価容量型アクチュエータの利用の妨げとなっている。【０００８】
本発明は、こうした従来の問題点を解決するものであり、高電圧増幅器を必要としない等価容量型アクチュエータの駆動装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の等価容量型アクチュエータの駆動装置は、等価容量型アクチュエータに直列接続した可変キャパシタと、直列接続した等価容量型アクチュエータ及び可変キャパシタの両端に電圧を印加する直流定電圧源とを備え、可変キャパシタの静電容量を変えて、等価容量型アクチュエータへの印加電圧を調整する。
この装置に用いる定電圧源は、一定の直流高電圧を発生するものであれば良い。等価容量型アクチュエータは、等価的にキャパシタであり、この装置では、直列接続した二つのキャパシタの一方の静電容量を変えて、他方のキャパシタである等価容量型アクチュエータの印加電圧を調整する。
【００１０】
また、本発明の等価容量型アクチュエータの駆動装置は、等価容量型アクチュエータに直列接続した可変キャパシタと、直列接続した等価容量型アクチュエータ及び可変キャパシタの両端に電圧を印加する定電圧源と、定電圧源と並列に接続した大容量キャパシタとを備え、可変キャパシタの静電容量を変えて、等価容量型アクチュエータへの印加電圧を調整する。
この大容量キャパシタは、等価容量型アクチュエータの印加電圧を変化させるために必要な移動電荷を等価容量型アクチュエータに供給し、あるいは、等価容量型アクチュエータから吸収する。そのため、定電圧源の内部抵抗の影響などを受けずに、等価容量型アクチュエータの印加電圧を瞬時に変化させることができる。この装置に用いる定電圧源は、一定の直流高電圧または一定振幅の交流高電圧を発生するものであれば良い。
【００１１】
また、本発明では、等価容量型アクチュエータとして、静電アクチュエータまたは圧電アクチュエータを用いる。
静電アクチュエータまたは圧電アクチュエータの駆動を、高コストの高電圧増幅器を用いずに行うことができる。【００１２】
また、本発明の等価容量型アクチュエータの駆動装置は、制御信号に応じて可変キャパシタの静電容量を変える駆動手段を具備し、この駆動手段が、可変キャパシタの電極間の距離を変える。【００１３】
また、可変キャパシタの機構は、種々の構成を採ることができ、駆動手段が可変キャパシタの電極間の対向面積を変えるもの、駆動手段が可変キャパシタの電極間の圧電体に加える応力を変えるもの、また、駆動手段が、可変キャパシタの複数の電極との間に静電容量を形成する移動体を移動して、複数の電極との間の静電容量を差動的に変えるものでも良い。
また、可変キャパシタを、並列接続された複数の固定コンデンサと、その固定コンデンサの一部の並列接続を周期的に断続するスイッチとで構成し、このスイッチによる断の時間長と続の時間長との比率を変更して複数の固定コンデンサの合成容量を変えるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明における等価容量型アクチュエータの駆動装置は、高コストな高電圧増幅器を用いずに、簡単な構成で、静電アクチュエータや圧電アクチュエータ等の印加電圧を素早く制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における静電アクチュエータの駆動装置を模式的に示している。この装置は、静電アクチュエータ１０の固定子４０に、対を成す電極８１ａと８１ｂ、８２ａと８２ｂ、８３ａと８３ｂ及び８４ａと８４ｂを具備し、対電極の一方８１ａ、８２ａ、８３ａ、８４ａと他方８１ｂ、８２ｂ、８３ｂ、８４ｂとの間に直列接続された可変キャパシタ２１２〜２１５及び定電圧源１１２を有し、さらに、静電アクチュエータ１０の状態量に応じて可変キャパシタ２１２〜２１５の静電容量を調整するコントローラ１４を有している。この装置では、可変キャパシタ２１２〜２１５の静電容量を変化させて静電アクチュエータ１０に印加する電圧を調整する。【００１６】
静電アクチュエータは、電気回路的にはキャパシタと等価なものとして扱うことができる。例えば、図３（ａ）に示すように、固定子４に形成された対電極２ａ、２ｂに浮上体１３が対向する構造の静電アクチュエータの場合は、電極端子５ａ、５ｂの間に図３（ｂ）に示す仮想的コンデンサ９が形成される。
そのため、この駆動装置は、可変キャパシタをＣ１、静電アクチュエータをＣ２として、図２に示す等価回路で表すことができる。即ち、Ｃ１とＣ２とが直列に接続し、Ｃ１に直流定電圧源Ｅの＋側が接続し、Ｃ２に直流定電圧源Ｅの−側が接続し、この−側は、必要に応じてアースされる。【００１７】
図２の等価回路において、キャパシタＣ１の端子間電圧をＶ１、キャパシタＣ２の端子間電圧をＶ２とするとき、Ｖ１、Ｖ２は、次の（数１）（数２）で与えられる。
Ｖ１＝｛Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）｝Ｅ                                （数１）
Ｖ２＝｛Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）｝Ｅ                                （数２）
また、キャパシタＣ１の電荷Ｑ１及びキャパシタＣ２の電荷Ｑ２は、次の（数３）で与えられる。
Ｑ１＝Ｑ２＝｛Ｃ１・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）｝Ｅ                    （数３）
（ここで、Ｑ１＝Ｑ２＝Ｑとする。）【００１８】
この状態で、キャパシタＣ１の容量をＣ１からＣ１＋ΔＣ１に変化させたとする（変化後の状態量を、「’」を付けて表示する。即ち、Ｃ１＋ΔＣ１＝Ｃ１’）。このとき、キャパシタＣ１及びキャパシタＣ２の電荷Ｑは、次の（数４）のように変化する。
Ｑ’＝Ｑ＋ΔＱ
＝｛Ｃ１’・Ｃ２／（Ｃ１’＋Ｃ２）｝Ｅ                      （数４）【００１９】
従って、静電アクチュエータに印加される電圧Ｖ２は、次の（数５）のようになる。
【数５】
0004742277.tif 000002
このように、キャパシタＣ１の静電容量が変わると、静電アクチュエータに印加される電圧Ｖ２は瞬時にＶ２’に変化する。
従って、定電圧源Ｅにキロボルトオーダの直流定電圧を発生する高電圧源を使用して、可変キャパシタＣ１の容量を制御することにより、静電アクチュエータＣ２の電極に、静電浮上や静電浮上搬送等に必要な電圧を印加することができる。【００２０】
この駆動装置の可変キャパシタＣ１は、以下に示すように、種々の構造を採ることができる。
図４（ａ）に示す可変キャパシタ機構は、ベース４０１、４０２間に、弾性を有する誘電体３１及び電極２を交互に重ねて形成した多段コンデンサと、直進方向１８にストロークを可変するアクチュエータ１とを備えている。多段コンデンサは、図４（ｂ）に示す仮想的コンデンサ９を形成しており、その電極端子５ａ、５ｂの一方が静電アクチュエータＣ２に接続し、他方が電源Ｅの＋側に接続する。
アクチュエータ１には、コントローラ１４から静電アクチュエータＣ２の印加電圧を制御する制御信号が入力する。アクチュエータ１は、その制御信号に応じて直進方向１８にストロークを伸縮し、そのため、多段コンデンサの電極間隔が変化して多段コンデンサの容量が変わり、静電アクチュエータＣ２の印加電圧が調整される。
なお、アクチュエータ１の駆動には、通常、増幅器（不図示）が使用されるが、アクチュエータ１を駆動する増幅器（不図示）は、高電圧を直接制御する必要が無いため、低コストのものが利用できる。【００２１】
図５に示す可変キャパシタ機構は、ベース４０１に固定された固定電極２０１と、アクチュエータ１により移動する可動電極２０２と、両電極間に介在する誘電体３１とで構成されたコンデンサを有している。このコンデンサは、ベース４０２に取り付けられたアクチュエータ１の伸縮により、固定電極２０１と可動電極２０２との対向面積が変化し、容量が可変する。【００２２】
図６に示す可変キャパシタ機構は、底板４０３と被覆体４０４とがバネ材１１で接合された容器内に、弾性誘電体３１及び電極２から成る多段コンデンサを有している。また、被覆体４０４には電磁石アクチュエータ１０が固定され、底板４０３には電磁石アクチュエータ１０のターゲット１２が固定されている。この装置では、静電アクチュエータＣ２の印加電圧を制御する制御信号が、コントローラ１４から電磁石アクチュエータ１０に供給され、電磁石の吸引力でターゲット１２を固定した底板４０３が被覆体４０４の側に引き付けられ、そのため、多段コンデンサの電極間隔が変化して容量が変わる。【００２３】
図７に示す可変キャパシタ機構は、モータ等の回転型アクチュエータ７１の回転軸に固定された可動電極２０２と、固定電極２０１とで可変コンデンサが構成されている。この装置では、回転型アクチュエータ７１が、コントローラ１４から制御信号を受信して所定角度回転し、そのため、固定電極２０１と可動電極２０２との対向面積が変化して容量が変わる。【００２４】
図８に示す可変キャパシタ機構は、圧電体８０と、その両面に形成された電極２と、圧電体８０に応力を加えるアクチュエータ１とを備えている。この装置では、コントローラ１４からアクチュエータ１に制御信号が入力し、その制御信号に応じてアクチュエータ１がストロークを伸縮すると、圧電体８０に加わる応力が変化し、そのために電極２間の電圧が変わる。【００２５】
図９（ａ）に示す可変キャパシタ機構は、差動形コンデンサであり、二つの固定電極２０１ａ、２０１ｂ及び可動電極２０２により、図９（ｂ）に示す仮想的コンデンサ９０（即ち、仮想的コンデンサ９０ａと仮想的コンデンサ９０ｂ）を構成している。この差動形可変キャパシタ機構では、アクチュエータ１の伸縮で可動電極２０２が移動すると、仮想的コンデンサ９０ａ、９０ｂの一方の静電容量が減少し、他方の静電容量が増加する。【００２６】
この差動形可変キャパシタ機構は、差動形静電アクチュエータの駆動に適している。差動形静電アクチュエータは、例えば図１０（ａ）に示すように、絶縁体１００の両面に設けた電極８ａ、８ｂの一方（電極８ａ）が固定子４の対電極２ａ、２ｂに対向し、他方（電極８ｂ）が反対側の固定子６の対電極３ａ、３ｂに対向し、浮上した絶縁体１００を両側から引っ張っている。この差動形静電アクチュエータでは、図１０（ｂ)に示す２つの仮想的コンデンサ９ａ、９ｂが形成される
この差動形静電アクチュエータと差動形可変キャパシタ機構とを組み合わせて、図９（ｃ）に示すように、差動形可変キャパシタ機構の可動電極２０２と差動形静電アクチュエータの電極２ｂ、３ｂとを定電圧源１１２を介して接続し、差動形可変キャパシタ機構の固定電極２０１ａ、２０１ｂをそれぞれ差動形静電アクチュエータの電極２a、３aに接続すると、差動形静電アクチュエータの二つの仮想的コンデンサ９ａ、９ｂを一つの可変キャパシタ機構で駆動できるというメリットがある。【００２７】
図１１は、回転型の差動形可変キャパシタ機構を示しており、二つに分かれた固定電極２０１a、２０１ｂと、回転型アクチュエータ７１の回転軸に固定された可動電極２０２とで差動コンデンサを構成している。この回転型の差動形可変キャパシタ機構も、図９の可変キャパシタ機構と同様に、差動形静電アクチュエータと組み合わせて使用することができる。【００２８】
また、図１２は、可変キャパシタを回路的に構成する例について示している。この回路は、並列に接続した固定コンデンサＣ１１及びＣ１２と、その一方の固定コンデンサＣ１２の接続をオン・オフするスイッチＳＷ１とを備えている。スイッチＳＷ１は、図１３に示すように、１周期の内のｔ１時間だけオン、残りのｔ２時間をオフにするスイッチング動作を周波数ｆにより繰り返す。この回路の端子５ａ、５ｂ間に現れる合成容量は、ｔ１時間とｔ２時間との比を変えて、実効的に変化させることができる。【００２９】
このように、この静電アクチュエータの駆動装置で用いる高電圧源は、一定の高電圧を供給するものであれば良い。また、可変キャパシタは、様々なアクチュエータを使用した機械的な容量可変手段や、回路的な容量可変手段により構成することができる。機械的な容量可変手段のアクチュエータを駆動するために用いる増幅器は、高電圧を直接制御する必要が無いので、低コストのものが使用できる。【００３０】
図１４は、可変キャパシタの容量変化に伴う静電アクチュエータの発生力（静電力）の変化を測定するために用いた実験装置を示している。この実験装置は、支柱６７に固定された導体板６３と、絶縁膜（誘電体層）６５を介して導体板６３に対向する可動板６４と、導体板６３の反対側の面に対向する導体板６２と、導体板６２の垂直方向の位置を調整する位置決めステージ６６と、可動板６４及び導体板６２の間に一定の高電圧を印加するための導線６１とを備えている。
導体板６３は、支柱６７に対し絶縁されて固定されている。可動板６４は、板バネ部分が固定され、板バネの弾性により他端部６９が絶縁膜６５から浮いている。この可動板６４と絶縁膜６５と導体板６３とは静電アクチュエータを構成しており、可動板６４の他端部６９の垂直方向の位置は、導体板６３と可動板６４との間に作用する静電力によって制御することができる。
また、導体板６２は、絶縁層６８を介して位置決めステージ６６に取り付けている。導体板６２と導体板６３とは可変キャパシタンス機構を構成しており、位置決めステージ６６により導体板６２と導体板６３との間の空隙の大きさを変えることによってキャパシタンスの大きさを調整している。【００３１】
図１５は、この実験装置の等価回路を示している。この等価回路の両端に加わる定電圧をＥ（ここではＥ=１ｋＶとしている）、電極６２と６３とで構成される可変キャパシタの容量をＣ１、電極６３と６４とで構成されるキャパシタの容量をＣ２とすると、静電アクチュエータを構成する電極６３及び６４間の電圧Ｖ２は、（数２）から
Ｖ２＝｛Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）｝Ｅ
で与えられ、可動板６４に作用する静電吸引力（推力）Ｆは、理論的にはＶ２の二乗に比例する。
図１６は、この実験装置で実際に吸引力（推力）を測定した結果を示している。横軸は可変キャパシタＣ１の容量、縦軸は推力を表しており、可変キャパシタンスの容量Ｃ１を大きくすると推力も大きくなっていることが分かる。【００３２】
また、図１７は、可変キャパシタの容量が時間的に変化したときの静電アクチュエータの静電力の変化を測定するために用いた実験装置を示している。この装置では、可変キャパシタ６００が固定電極６０１と可動電極６０２とで構成され、静電アクチュエータ７００が固定電極７０１と可動電極７０２とで構成されている。そして、可変キャパシタ６００の可変電極６０２と静電アクチュエータ７００の可変電極７０２とが接続され、可変キャパシタ６００の固定電極６０１と静電アクチュエータ７００の固定電極７０１との間に定電圧源Ｅ１１が挿入され、図２の等価回路を構成している。
可変キャパシタ６００の可動電極６０２は、ＶＯＣ（Voice Coil Motor）６０３の可動部に固定されており、可動電極６０２と固定電極６０１との距離が可動部の動きに応じて周期的に変化する。可動電極６０２と固定電極６０１との距離は、ギャップセンサ６０４で測定している。
また、静電アクチュエータ７００の可動電極７０２は、荷重の大きさを測定するロードセル７０３に固定されており、可動電極７０２に加わる静電力の大きさをロードセル７０３により電気信号に変換し、取り出している。
図１８（ａ）は、ＶＯＣ６０３を１Ｈｚで駆動したときの可動電極６０２−固定電極６０１間の距離（Ｇａｐ）（単位：ｍｍ）の変化、及び、可変キャパシタ６００の静電容量（Ｃｖ）（単位：ｐＦ）の変化を示している。また、図１８（ｂ）は、そのときの静電アクチュエータ７００における静電力(Ｅｆ)（単位：Ｎ）の変化を示している。
なお、ここでは、定電圧源Ｅ１１の電圧を１ｋＶ、静電アクチュエータ７００の静電容量Ｃａを２００ｐＦとしている。また、図１８（ａ）（ｂ）のグラフにおいて、横軸の１目盛は０．５秒を表している。
図１９は、図１８（ａ）に示す可変キャパシタ６００の電極間距離（Ｇａｐ）の波形と、図１８（ｂ）に示す静電アクチュエータ７００の静電力(Ｅｆ)の波形とを併せて表示している。
図１９から、静電アクチュエータ７００の静電力が可変キャパシタ６００の容量変化に追従していること、従って、可変キャパシタ６００の容量を変えることで、静電アクチュエータ７００の印加電圧や静電力を素早く制御できることが分かる。【００３３】
また、図２０は、この駆動装置を静電浮上搬送装置に用いた例を示している。
この装置は、ベース１０９に形成された櫛の歯状電極１０３と、静電力の作用で浮上搬送される被搬送体１０４と、この被搬送体１０４の位置を検出する変位センサ１０５と、定電圧源１１０と、可変コンデンサ１０２及びアクチュエータ１０１から成る可変キャパシタ機構と、装置の動作を制御するコントローラ１０７と、変位センサ１０５の信号を合成するセンサ合成器１０６と、電極１０３に制御電圧を印加する分配器１０８とを備えている。
櫛の歯状電極１０３は、定電圧源１１０の−側に接続するアースされた電極と、分配器１０８に接続する電極とが交互に配置されている。また、図２８（ｂ）に示すように、櫛の歯状電極１０３を２列に配置し、一方の列の電極が定電圧源１１０に接続する場合に、他方の列の隣接する電極が分配器１０８に接続するように構成しても良い。【００３４】
この定電圧源１１０に接続する電極１０３、及び、分配器１０８に接続する電極１０３は、被搬送体１０４と共に、図３のキャパシタを形成している。また、分配器１０８は、可変コンデンサ１０２の固定電極に接続し、可変コンデンサ１０２の可動電極は、定電圧源１１０の＋側に接続している。従って、この装置の等価回路は、図２と同じになる。
被搬送体１０４は、分配器１０８から電圧が印加されている電極１０３の静電力を受けて浮上する。変位センサ１０５は、被搬送体１０４までの距離を検出して検出信号１１１をセンサ合成器１０６に出力し、センサ合成器１０６は、各変位センサ１０５の検出信号を合成して、コントローラ１０７及び分配器１０８に出力する。【００３５】
コントローラ１０７は、変位センサ１０５の検出信号から、被搬送体１０４の傾きやベース１０９との距離の適否を判断し、修正が必要であれば、可変キャパシタ機構のアクチュエータ１０１に駆動信号１１３を送り、アクチュエータ１０１を駆動して可変コンデンサ１０２の容量を変え、可変コンデンサ１０２の固定電極側の電圧を調整する。
また、コントローラ１０７は、変位センサ１０５の検出信号から、被搬送体１０４を搬送するために電圧の印加が必要な電極１０３と印加の停止が必要な電極１０３とを判定し、分配器１０８に制御信号１１２を送り、それらの電極１０３への電圧の印加または停止を指示する。【００３６】
分配器１０８は、可変コンデンサ１０２の固定電極側の電圧をコントローラ１０７から指示された電極１０３に印加し、被搬送体１０４に作用する静電力を変える。
こうした動作を繰り返すことにより、被搬送体１０４は、安定した状態で浮上搬送される。
このように、本発明の駆動装置は、静電浮上や静電浮上搬送等を行う静電アクチュエータを、高価な高電圧増幅器を用いずに駆動することができる。【００３７】
また、本発明の駆動装置は、圧電アクチュエータにも適用することができる。
図２１は、定電圧源５２と可変キャパシタ５３とを用いて圧電アクチュエータを駆動する形態を模式的に示している。圧電アクチュエータは、圧電素子５０と、圧電素子５０を支える基部５１とを備えている。圧電素子５０は、例えば、図２２に示すように、電極５０１に挟まれた圧電体５０２が多数積層されて積層型圧電素子を構成している。電極５０１は、それぞれ、基部５１に設けられた端子に電気接続し、対向する電極５０１と圧電体５０２とで等価的なキャパシタを構成している。圧電体５０２の各々は、対向電極５０１間の電圧に応答して矢印方向に伸縮し、各圧電体５０２の伸縮が合わさって積層型圧電素子の変位となる。【００３８】
この圧電アクチュエータの駆動装置は、図２３に示す等価回路で表すことができ、この回路は図２と同じである。従って、静電アクチュエータの場合と同様に、定電圧源Ｅ（５２）にキロボルトオーダの直流定電圧を発生する高電圧源を使用し、可変キャパシタＣ１（５３）の容量を制御することにより、圧電アクチュエータＣ２（５０）の電極に、圧電素子を所要量変位させるための必要な電圧を印加することができる。
また、可変キャパシタ５３には、図４、図５、図６、図７、図８、図１１、図１２に示すものが使用できる。【００３９】
なお、ここでは、定電圧源として一定電圧の直流電圧源を使用しているが、この直流電圧源に代えて、一定振幅の交流電圧源を定電圧源として用いることも可能である。【００４０】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、定電圧源が内部抵抗を含んでいる場合でも、静電アクチュエータや圧電アクチュエータへの印加電圧を素早く変化させることができる、速応性を備えた駆動装置について説明する。
図２（あるいは図２３）に示す等価回路の場合、キャパシタＣ１の静電容量が変化すると、静電アクチュエータ（あるいは圧電アクチュエータ）Ｃ２に印加された電圧Ｖ２は、（数５）に示す電圧Ｖ２’に瞬時に変化する。【００４１】
しかし、電源Ｅに内部抵抗があると、等価回路は図２４のようになり（ここでは、電源Ｅの内部抵抗の大きさを２Ｒとしている）、また、電源ＥからキャパシタＣ１、Ｃ２に供給される電荷量、あるいは、キャパシタＣ１、Ｃ２から電源Ｅに流れ込む電荷量が限られるため、これらが原因して、キャパシタＣ１の静電容量が変化した場合でも、静電アクチュエータ（あるいは圧電アクチュエータ）Ｃ２の印加電圧は、瞬時に変化しない。【００４２】
この実施形態の駆動装置では、こうした点を解消して速応性を確保するため、図２５に示すように、電源Ｅと並列に大容量のキャパシタＣ３を挿入している。
このキャパシタＣ３は、静電アクチュエータ（あるいは圧電アクチュエータ）Ｃ２の印加電圧を変化させるために必要な移動電荷をＣ２に供給し、あるいは、Ｃ２から吸収する。この動作は、基本的にキャパシタからキャパシタへ電荷が移動するだけであるため、静電アクチュエータ（あるいは圧電アクチュエータ）Ｃ２の印加電圧の変化に殆んど遅れは生じない。【００４３】
この点をさらに詳しく説明する。
図２５に示す等価回路の場合、定常状態でのキャパシタＣ１の端子間電圧Ｖ１及びキャパシタＣ２の端子間電圧Ｖ２は、それぞれ（数１）（数２）で与えられる。
Ｖ１＝｛Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）｝Ｅ                                （数１）
Ｖ２＝｛Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）｝Ｅ                                （数２）
また、キャパシタＣ１の電荷Ｑ１及びキャパシタＣ２の電荷Ｑ２は、（数３）で与えられ、キャパシタＣ３の電荷Ｑ３は、（数６）で与えられる。
Ｑ１＝Ｑ２＝｛Ｃ１・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）｝Ｅ
＝Ｑ                                                  （数３）
Ｑ３＝Ｃ３・Ｅ                                                  （数６）【００４４】
この状態で，キャパシタＣ１の容量をＣ１からＣ１’＝Ｃ１＋ΔＣ１に変化させたとする。キャパシタ間の電荷の移動は瞬時に行われるが、電源Ｅからの電荷の移動は抵抗Ｒを介して行われるので、ゆっくりとした現象となる。そのため、キャパシタＣ１の静電容量を変化させた直後の動作を論じるときには、電源Ｅからの電荷の移動による影響は無視できる。従って、この場合の等価回路は図２６に示すようになる。
キャパシタＣ１の容量をＣ１からＣ１’＝Ｃ１＋ΔＣ１に変化させた後のキャパシタＣ３の端子間電圧をＶ３’、電荷をＱ３’で表すと、次式（数７）（数８）が成立する。
Ｑ１’＝Ｑ２’＝｛Ｃ１’・Ｃ２／（Ｃ１’＋Ｃ２）｝Ｖ３’
＝Ｑ’                                                    （数７）
Ｑ３’＝Ｃ３・Ｖ３’                                            （数８）【００４５】
また、電荷保存則を適用すると、次式（数９）が成立する。
Ｑ＋Ｑ３＝Ｑ’＋Ｑ３’                                          （数９）
従って、
【数１０】
0004742277.tif 000003
よって、
【数１１】
0004742277.tif 000004
となる。
ここで、Ｃ３＞＞Ｃ１、Ｃ３＞＞Ｃ２とすると、
【数１２】
0004742277.tif 000005
となる。
従って、
【数１３】
0004742277.tif 000006
となる。この（数１３）と（数５）とを比較して明らかなように、図２と同じ関係が成立している。即ち、電源の内部抵抗や容量の影響を受けずに静電アクチュエータ（あるいは圧電アクチュエータ）を駆動することが可能となる。【００４６】
ここで注意すべきことは、増幅器を用いて静電アクチュエータ（あるいは圧電アクチュエータ）を駆動する従来方式では、このような方法を適用することができない点である。静電アクチュエータ（あるいは圧電アクチュエータ）と並列に大容量のキャパシタを接続すると、このキャパシタも増幅器の負荷となってしまうために、却って動特性を劣化させてしまう。
即ち、増幅器を用いて静電アクチュエータ（あるいは圧電アクチュエータ）を駆動する従来方式では、速応性は増幅器の最大出力電流の大きさで決まってしまうが、この実施形態の駆動装置では、最大出力電流が小さい直流電源を用いた場合でも、電源に並列に接続した大容量キャパシタによって良好な動特性を持つことができる。【００４７】
なお、各実施形態では、等価容量型アクチュエータとして、静電アクチュエータ及び圧電アクチュエータについて説明したが、その他の等価容量型の素子、例えば、液晶等についても、高電圧で駆動する場合は、本発明を適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の駆動装置は、静電アクチュエータや圧電アクチュエータ等の駆動を低コストで行うことを可能にしており、静電アクチュエータを用いる静電浮上装置や静電浮上搬送装置、また、圧電アクチュエータを用いる精密位置決め装置、精密加工装置、除振装置、自動車エンジンバブル、高速プリンタの駆動源、あるいは、静電アクチュエータ及び圧電アクチュエータを用いるマイクロマシーン等における静電アクチュエータや圧電アクチュエータ等の駆動装置として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態における静電アクチュエータの駆動装置の模式図
【図２】本発明の第１の実施形態における静電アクチュエータの駆動装置の等価回路
【図３】静電アクチュエータの構成を示す図
【図４】本発明の第１の実施形態における可変キャパシタ機構を示す第１の図
【図５】本発明の第１の実施形態における可変キャパシタ機構を示す第２の図
【図６】本発明の第１の実施形態における可変キャパシタ機構を示す第３の図
【図７】本発明の第１の実施形態における可変キャパシタ機構を示す第４の図
【図８】本発明の第１の実施形態における可変キャパシタ機構を示す第５の図
【図９】本発明の第１の実施形態における可変キャパシタ機構を示す第６の図
【図１０】差動形静電アクチュエータの構成を示す図
【図１１】本発明の第１の実施形態における可変キャパシタ機構を示す第７の図
【図１２】本発明の第１の実施形態における可変キャパシタを構成する回路の回路図
【図１３】本発明の第１の実施形態における可変キャパシタを構成する回路のスイッチング動作を示す図
【図１４】本発明の第１の実施形態における静電浮上の推力測定に用いた実験装置を示す図
【図１５】実験装置の等価回路を示す図
【図１６】静電浮上の推力の測定結果を示す図
【図１７】本発明の第１の実施形態における静電アクチュエータの追従性を測定するために用いた実験装置を示す図
【図１８】図１７の実験装置で測定した可変キャパシタの変化（ａ）と、静電アクチュエータの変化（ｂ）とを示す図
【図１９】図１８の可変キャパシタの変化と静電アクチュエータの変化とを重ね合わせた図
【図２０】本発明の第１の実施形態における静電浮上搬送装置の構成をを示す図
【図２１】本発明の第１の実施形態における圧電アクチュエータの駆動装置の模式図
【図２２】圧電アクチュエータの積層型圧電素子を示す図
【図２３】本発明の第１の実施形態における圧電アクチュエータの駆動装置の等価回路
【図２４】電源の内部抵抗を考慮したときの駆動装置の等価回路
【図２５】本発明の第２の実施形態における静電アクチュエータの駆動装置の等価回路
【図２６】本発明の第２の実施形態における駆動装置の可変キャパシタ変動直後の等価回路
【図２７】従来の静電浮上装置の原理を示す図
【図２８】従来の静電浮上搬送装置の原理を示す図
【符号の説明】
【００５０】
１      アクチュエータ
２      電極
２ａ、２ｂ  電極
３ａ、３ｂ  電極
４      固定子
５ａ、５ｂ  電極端子
７ａ、７ｂ  電極端子
８ａ、８ｂ  電極
９      仮想的コンデンサ
１０    静電アクチュエータ
１１    定電圧源
１２    可変キャパシタ
１３    浮上体
１４    コントローラ
１８    動作方向
３１    誘電体
５０    圧電素子
５１    基部
５２    定電圧源
５３    可変キャパシタ
６２    浮上導体
６３    導体板
６４    可動板
６５    誘電体層
６６    位置決めステージ
６７    支柱
６８    絶縁層
６９    可動板端部
７１    回転型アクチュエータ
８０    圧電体
８１ａ〜８４ａ  電極
８１ｂ〜８４ｂ  電極
９０    仮想的コンデンサ
９０ａ  仮想的コンデンサ
９０ｂ  仮想的コンデンサ
１００  絶縁体
１０１  アクチュエータ
１０２  可変コンデンサ
１０３  電極
１０４  被搬送体
１０５  変位センサ
１０６  センサ合成器
１０７  コントローラ
１０８  分配器
１０９  ベース
１１０  定電圧源
１１２  定電圧源
２０１  固定電極
２０１ａ、２０１ｂ  固定電極
２０２  可動電極
２１２〜２１５  可変キャパシタ
４０１  ベース
４０２  ベース
５０１  電極
５０２  圧電体
６００  可変キャパシタ
６０１  固定電極
６０２  可動電極
６０３  ＶＯＣ
６０４  ギャップセンサ
７００  静電アクチュエータ
７０１  固定電極
７０２  可動電極
７０３  ロードセル
８１０  固定子
８１１〜８１８  電極
８２０  浮上体
８３０〜８３３  変位センサ
８４０  制御器
８７０〜８７３  高電圧増幅器
９１０  固定子
９１１ａ〜９３０ａ、９１１ｂ〜９３０ｂ  櫛の歯状電極
９５０  被搬送体
９９１〜９９８  変位センサ
【図２】
0004742277.tif 000007
【図１２】
0004742277.tif 000008
【図１３】
0004742277.tif 000009
【図１５】
0004742277.tif 000010
【図１６】
0004742277.tif 000011
【図１７】
0004742277.tif 000012
【図１８】
0004742277.tif 000013
【図１９】
0004742277.tif 000014
【図２４】
0004742277.tif 000015
【図２５】
0004742277.tif 000016
【図２６】
0004742277.tif 000017
【図２８】
0004742277.tif 000018
【図１】
0004742277.tif 000019
【図３】
0004742277.tif 000020
【図４】
0004742277.tif 000021
【図５】
0004742277.tif 000022
【図６】
0004742277.tif 000023
【図７】
0004742277.tif 000024
【図８】
0004742277.tif 000025
【図９】
0004742277.tif 000026
【図１０】
0004742277.tif 000027
【図１１】
0004742277.tif 000028
【図１４】
0004742277.tif 000029
【図２０】
0004742277.tif 000030
【図２１】
0004742277.tif 000031
【図２２】
0004742277.tif 000032
【図２３】
0004742277.tif 000033
【図２７】
0004742277.tif 000034