JP2008029108A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】高湿環境下においても能力を発揮できるアクチュエータを提供すること。
【解決手段】固定部材１と、上記固定部材に設置され、第１の方向とその逆の第２の方向に微小変位を発生する圧電素子２と、上記圧電素子の上記微小変位によって往復運動するとともに、その平面上に第１の電極３１を有する振動基板３と、上記振動基板の上記平面上に配置され、上記第１の電極と絶縁膜３１０を介して対向する平面に第２の電極４１を有する移動体４と、上記第１の電極と上記第２の電極との間に電圧を印加して静電吸着力を作用させることによって、上記振動基板と上記移動体との間の摩擦力を制御することで、上記移動体を移動させる摩擦力制御手段とを備え、更に、上記振動基板の上記平面上の上記第１の電極の外側で且つ上記移動体と対向する部位に、上記電圧印加によって上記第１及び上記第２の電極の間に生じている電界を遮断する電界緩和領域３０１を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子の振動に静電吸着を同期させることによって歩進駆動するアクチュエータに関する。

携帯電話や携帯用情報機器にデジタルカメラの搭載が進み、撮像用の光学モジュールは大幅な小型化が求められている。これに伴い、従来の電磁式アクチュエータに変えて静電型アクチュエータが提案されている。

そのような静電型アクチュエータの一つとして、例えば特許文献１に開示されているような、圧電素子の振動に静電吸着を同期させることによって歩進駆動するアクチュエータが知られている。

この歩進駆動アクチュエータは、図９にその構成を示すように、所定の方向に延びた固定基板１０１に対して、その方向に振動可能に振動部材１０２を支持し、固定基板１０１及び振動部材１０２に対向する対向面を有する可動部材１０５の対向面に可動電極１１１を配置するとともに、その可動電極１１１に対向するように固定基板１０１又は振動部材１０２に固定電極１０４または振動電極１０３を配置し、圧電素子１０６による振動部材１０２の所定の方向の振動により振動部材１０２が固定基板１０１に対して所望の方向に相対変位する際に、振動部材１０２と可動部材１０５との間の見かけ上の摺動抵抗が固定基板１０１と可動部材１０５との間の見かけ上の摺動抵抗より大きくなるように、可動電極１１１と固定電極１０４または振動電極１０３との間に電位差を印加して静電気力を作用させることによって、可動部材１０５を固定基板１０１に対して所望方向に相対移動させるアクチュエータである。
特開２００４−３０４９４２号公報

一般に、静電型アクチュエータは高湿度環境下において、その能力を最大限に発揮することは難しいとされ、上記のような静電気力を用いた歩進駆動アクチュエータにおいても高湿環境下で最大限の能力を発揮するのは困難であると予想される。

図１０はその要因を示したものである。同図に示すように、高湿度により結露した水分が振動部材１０２の振動電極１０３上部に発生した場合、可動部材１０５が振動部材１０２上を移動して結露した水分付近に達すると、結露した水分は可動部材１０５に設置されている可動電極１１１と振動部材１０２に設置されている振動電極１０３の間に引き込まれる現象が生じる。これは、静電吸着力を得るために可動電極１１１と振動電極１０３との間に電圧を印加しているために生じた電界によって、結露した水分は誘電泳動現象によって電界の生じている可動電極１１１と振動電極１０３の間に引き込まれるというものである。

引き込まれた水分によって可動電極１１１と振動電極１０３との間の静電容量の変動により静電気力が変動してしまうため、アクチュエータの動作が安定しなくなる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、高湿環境下においても、その能力を発揮できるアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明のアクチュエータの一態様は、
固定部材と、
上記固定部材に設置され、第１の方向とその逆の第２の方向に微小変位を発生する変位手段と、
上記変位手段の上記微小変位によって往復運動するとともに、その平面上に第１の電極を有する振動基板と、
上記振動基板の上記平面上に配置され、上記第１の電極と絶縁体層を介して対向する平面に第２の電極を有する移動体と、
上記第１の電極と上記第２の電極との間に電圧を印加して静電吸着力を作用させることによって、上記振動基板と上記移動体との間の摩擦力を制御することで、上記移動体を移動させる摩擦力制御手段と、
を具備し、
上記振動基板の上記平面上の上記第１の電極の外側で且つ上記移動体と対向する部位に、上記電圧印加によって上記第１及び上記第２の電極の間に生じている電界を遮断する電界緩和領域を有することを特徴とする。

本発明によれば、電界緩和領域を形成することで、この領域内では電界が弱くなるため、第１の電極と第２の電極との間に水分が引き込まれることは無くなり、静電気力の変動によるアクチュエータの性能劣化を防止できる。従って、高湿環境下においても、その能力を発揮できるアクチュエータを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの斜視図、平面図及び側面図である。

本実施形態に係るアクチュエータにおいては、変位手段としての圧電素子２の一端が固定部材１に固定され、他端は振動基板３の一端に固定されている。振動基板３上には、圧電素子２の振動方向に移動可能な移動体４が配置されている。振動基板３，移動体４のそれぞれ対向する平面には第１の電極３１，第２の電極４１が形成されており、第１，第２の電極は第１の電極上に形成された絶縁体層である絶縁膜３１０を介して互いに対向して接触している。第１の電極３１と第２の電極４１の間に電位差を与えると電極間に静電吸着力が作用するようになっている。なお、図面の簡略化のために図示は省略してあるが、移動体４が不所望の方向及び範囲に移動することがないように、ガイドレールが設けられて、その移動方向及び移動範囲が規制されていることは、従来と同様である。また、振動基板３の他端は、バイアスバネ５で上記圧電素子２側に向けて付勢されている。

図２（Ａ）は、移動体４を図１（Ｂ）及び（Ｃ）において左方向に移動させる場合に図示しない摩擦力制御手段から印加される駆動電圧の波形図であり、図２（Ｂ）は移動体４を逆の右方向に移動させるための駆動電圧波形を示している。ここで、図２（Ａ）を参照して、駆動原理を説明する。

図２（Ａ）に示された時点Ａから時点Ｂまでの間で、圧電素子２への印加波形は急峻に立ち上がっており、これにより圧電素子２が急激に左へ変位するのに伴い振動基板３も急激に左へ移動する。このとき同時に第１の電極３１への印加電圧と第２の電極４１への印加電圧には電位差が生じているため、静電吸着力が振動基板３と移動体４の間に作用し摩擦力が増大する。従って、振動基板３の変位とともに移動体４も左へ移動する。

次に、図２（Ａ）中の時点Ｃから時点Ｄの間では、逆に圧電素子２への印加波形は急激な立ち下がりであり、圧電素子２が急激に縮むとともに振動基板３は急激に右へと移動する。このとき第１の電極３１への印加電圧と第２の電極４１への印加電圧は同電圧であるため、電極間に静電吸着力が発生しない。従って、移動体４の慣性により振動基板３との間の摩擦力に打ち勝ってその位置に留まろうとする。

これを繰り返すことにより、移動体４が振動基板３に対して左方向へ移動することになる。

また、右方向に移動させる場合には、図２（Ｂ）に示すように、圧電素子２を急激に縮める際に電極間への電位差を与えれば良い。

以上が本アクチュエータの基本的な駆動原理である。圧電振動に同期させて摩擦を与えているため摩擦が増加したときのみ移動体４は移動するため駆動効率が上がるとともに、圧電素子２の変位速度を往復で変化させることなく慣性駆動させることが可能であり駆動波形を簡略化できる。

図１（Ａ）乃至（Ｃ）を参照して引き続き第１実施形態に係るアクチュエータの構成について説明する。本実施形態に係るアクチュエータにおいては、振動基板３の第１の電極３１を除く平面と移動体４が対向する部位（移動体４が移動する範囲内）には電界緩和領域３０１が存在する。この電界緩和領域３０１は、電界が発生しない領域であり、仮にこの部位に水分が存在しても電界が生じていないために誘電泳動現象が生じず、第１の電極３１と第２の電極４１との間に水分を引きこませないようになっている。

本実施形態では、電界緩和領域３０１には第２の電極４１に対向する電極が存在しない構成になっている。電界緩和領域３０１は、図３（Ａ）に示すように移動体４が左に移動した場合、及び、図３（Ｂ）に示すように移動体４が右に移動した場合において、第１の電極３１の両側及び（平面図は図示していないが）第１の電極３１の外側に存在しているので、第１及び第２の電極３１，４１の対向領域は電界緩和領域３０１に覆われている。

図４は、電界緩和領域３０１の拡大図を示したものである。このように、第１の電極３１の周囲に第２の電極４１が対向しない電界緩和領域３０１を設けることによって、仮に振動基板３上に水分が存在しても、電界緩和領域３０１内の電界強度を水分が引き込まれない強さあるいは電界が生じないようにしているため、電極間への水分を引き込む誘電泳動現象が発生しない。従って、第１の電極３１と第２の電極４１との間の静電気力は変動しないため、振動基板３の表面が結露するような高湿度環境下に本慣性駆動アクチュエータを使用しても、その能力を十分発揮できる。

［第２実施形態］
図５（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの平面図及び側面図である。

本実施形態に係るアクチュエータでは、移動体４の第２の電極４１を除いた平面とそれに対向する振動基板３の平面との部位で電界緩和領域３０１を形成している。

上記第１の実施形態では、電界緩和領域３０１に第２の電極４１も含まれていたが、本実施形態に係るアクチュエータでは、第２の電極４１も含めない構成となっている。そのため、第１の電極３１と第２の電極４１の間の電界はこの電界緩和領域３０１によって遮断される。従って、電界緩和領域３０１の対向する平面間では一切電界が生じていないため、仮に振動基板上で結露によって水分が発生したとしても第１の電極３１と第２の電極４１の間に引き込まれていく誘電泳動現象は無くなる。よって、高湿度環境下に本実施形態に係るアクチュエータを使用しても、その能力を十分発揮できる。

なお、本実施形態においては、第２電極４１と第１電極３１の対向面を同じ長さにしているが、図６に示すように、第２の電極４１の対向面が第１の電極３１の対向面より小さくでも良い。

［第３実施形態］
図７（Ａ）は、本発明の第３実施形態に係るアクチュエータの側面図であり、図７（Ｂ）は、振動基板３の平面図（移動体４は不図示）である。

本実施形態に係るアクチュエータでは、電界緩和領域３０１内の第１の電極３１の外周を取り囲むリング状の電界遮断電極３０２が形成されている。この電界遮断電極３０２は、移動体４に設置された第２の電極４１と対向するように形成されている。

このような電界遮断電極３０２を第１の電極３１の外側に配置することによって一種のガード電極を配置することと同じ効果が得られる。即ち、第１の電極３１と第２の電極４１との間に生じている電界は、この電界遮断電極３０２によって電界遮断電極３０２の外側に漏れることはなくなる。従って、誘電泳動現象を抑えることができ、静電気力変動を抑えることができる。

また、リング状に形成された電界遮断電極３０２には常に第２の電極４１に印加する電圧を印加するようにしておく。このようにしておけば、対向する電界遮断電極３０２と第２の電極４１との間は等電位であり、且つ、第１の電極３１と第２の電極４１との間の電界を遮断することもできる。従って、誘電泳動現象は生じないため、電界遮断電極３０２より内側に水分が引き込まれることは無くなる。

これまでの実施形態は誘電泳動現象を起こさない施策をとってきているが、逆に電界遮断電極３０２を用いて積極的に誘電泳動現象を起こし、第１の電極３１と第２の電極４１との間に水分を引き込ませないことも可能である。誘電泳動現象は、強い電界が生じている近傍に水分が存在するとその電界中に水分が引き込まれるという現象である。しかしながら、引き込まれた水分はその電界から外に出ることは無く、電界内に安定して存在し続ける。

そこで、電界遮断電極３０２と第２の電極４１との間に常に電位差が生じるように電圧を印加することによって、電界遮断電極３０２と第２の電極４１との間に電界が発生するようにしておく。こうすることによって、仮に結露等によって水分が振動基板上に存在しても、電界遮断電極３０２と第２の電極４１との間の電界によって水分は引き込まれ、この電界内で安定し、この領域からは外に出ないため、第１の電極３１と第２の電極４１との間にこの水分が引き込まれるようなことは無く、第１の電極３１と第２の電極４１との間の静電気力が変動することは無い。

なお、本第３実施形態では電界遮断電極３０２をリング状に形成したが、これに限らず、例えば図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第１の電極３１の移動体４が移動する側の外側に配置するだけでも同様の効果が得られる。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

例えば、変位手段は、圧電素子２に限定するものではない。

（付記）
前記の具体的実施形態から、以下のような構成の発明を抽出することができる。

（１） 固定部材と、
上記固定部材に設置され、第１の方向とその逆の第２の方向に微小変位を発生する変位手段と、
上記変位手段の上記微小変位によって往復運動するとともに、その平面上に第１の電極を有する振動基板と、
上記振動基板の上記平面上に配置され、上記第１の電極と絶縁体層を介して対向する平面に第２の電極を有する移動体と、
上記第１の電極と上記第２の電極との間に電圧を印加して静電吸着力を作用させることによって、上記振動基板と上記移動体との間の摩擦力を制御することで、上記移動体を移動させる摩擦力制御手段と、
を具備し、
上記振動基板の上記平面上の上記第１の電極の外側で且つ上記移動体と対向する部位に、上記電圧印加によって上記第１及び上記第２の電極の間に生じている電界を遮断する電界緩和領域を有することを特徴とするアクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（１）に記載のアクチュエータに関する実施形態は、第１乃至第３実施形態が対応する。

（作用効果）
この（１）に記載のアクチュエータによれば、電界緩和領域を形成することで、この領域内では電界が弱くなるため、第１の電極と第２の電極との間に水分が引き込まれることは無くなり、静電気力の変動によるアクチュエータの性能劣化を防止できる。

（２） 上記第１の電極は、上記移動体の移動位置によらず上記移動体の上記平面の内側のみで対向することを特徴とする（１）に記載のアクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（２）に記載のアクチュエータに関する実施形態は、第１乃至第３実施形態が対応する。

（作用効果）
この（２）に記載のアクチュエータによれば、移動体がどのような位置に移動されていても第１の電極が常に移動体の内側で対向するので、確実に電界緩和領域を形成することができ、静電気力の変動によるアクチュエータの性能劣化を防止できる。

（３） 上記電界緩和領域は、上記振動基板の上記平面上の上記第２の電極と対向する部位であることを特徴とする（１）に記載のアクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（３）に記載のアクチュエータに関する実施形態は、第１実施形態が対応する。

（作用効果）
この（３）に記載のアクチュエータによれば、電界緩和領域には第２の電極に対向する第１の電極が存在しないため、電界緩和領域には電界が生じず水分を引き込むことがないため、第１の電極と第２の電極との間には水分が引き込まれず、静電気力の変動によるアクチュエータの性能劣化を防止できる。

（４） 上記電界緩和領域は、上記振動基板の上記平面と上記第２の電極の外側で且つ上記移動体平面と対向する部位であることを特徴とする（１）に記載のアクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（４）に記載のアクチュエータに関する実施形態は、第２実施形態が対応する。

（作用効果）
この（４）に記載のアクチュエータによれば、電界緩和領域には移動体、振動基板の対向する平面に電極がないため、電界は発生せず、第１の電極と第２の電極には水分が引き込まれず、静電気力の変動によるアクチュエータの性能劣化を防止できる。

（５） 上記電界緩和領域の上記振動基板平面上に、上記第２の電極と対向し且つ上記第１の電極の外側に配置されるように電界遮断電極が設置されていることを特徴とする（１）に記載のアクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（５）に記載のアクチュエータに関する実施形態は、第３実施形態が対応する。

（作用効果）
この（５）に記載のアクチュエータによれば、電界緩和領域の第２の電極に対向するように電界遮断電極を設置することにより、第１の電極と第２の電極との間の電界を遮断し、水分の引き込みを防ぐため、静電気力の変動によるアクチュエータの性能劣化を防止できる。

（６） 上記電界遮断電極には上記第２の電極と同様な印加電圧が印加されることを特徴とする（５）に記載のアクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（６）に記載のアクチュエータに関する実施形態は、第３実施形態が対応する。

（作用効果）
この（６）に記載のアクチュエータによれば、電界遮断電極に第２の電極と同じ電圧を印加することにより、第１の電極と第２の電極との間の電界を遮断することができる。従って、水分の引き込みを防ぐことができ、静電気力の変動によるアクチュエータの性能劣化を防止できる。

（７） 上記電界遮断電極と上記第２の電極との間には電位差により常に電界が生じていることを特徴とする（５）に記載のアクチュエータ。

（対応する実施形態）
この（７）に記載のアクチュエータに関する実施形態は、第３実施形態が対応する。

（作用効果）
この（７）に記載のアクチュエータによれば、電界遮断電極と第２の電極との間に電界を生じさせておくことにより、水分をあえてこの間に引き込ませて保持することにより、第１の電極と第２の電極との間への水分の侵入を防ぐことができるため、静電気力の変動によるアクチュエータの性能劣化を防止できる。

図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの斜視図、図１（Ｂ）は、第１実施形態に係るアクチュエータの平面図であり、図１（Ｃ）は、第１実施形態に係るアクチュエータの側面図である。 図２（Ａ）は、移動体を図１（Ｂ）及び（Ｃ）において左方向に移動させる場合の駆動波形を示す図であり、図２（Ｂ）は移動体を同じく右方向に移動させる場合の駆動波形を示す図である。 図３（Ａ）は、移動体が左に移動した場合説明するための図であり、図３（Ｂ）は、移動体が右に移動した場合の電界緩和領域を説明するための図である。 図４は、第１実施形態に係るアクチュエータの作用効果を説明するための電界緩和領域の拡大図である。 図５（Ａ）は、本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの平面図であり、図５（Ｂ）は、第２実施形態に係るアクチュエータの側面図である。 図６は、第２実施形態に係るアクチュエータの変形例の側面図である。 図７（Ａ）は、本発明の第３実施形態に係るアクチュエータの側面図であり、図７（Ｂ）は、その振動基板の平面図（移動体は不図示）である。 図８（Ａ）は、第３実施形態に係るアクチュエータの変形例の側面図であり、図８（Ｂ）は、その振動基板の平面図（移動体は不図示）である。 図９は、従来の歩進駆動アクチュエータの構成を示す斜視図である。 図１０は、高湿環境下での性能劣化の要因を説明するための図である。

符号の説明

１…固定部材、 ２…圧電素子、 ３…振動基板、 ４…移動体、 ５…バイアスバネ、 ３１…第１の電極、 ４１…第２の電極、 ３０１…電界緩和領域、 ３０２…電界遮断電極、 ３１０…絶縁膜。

Claims (7)

1. 固定部材と、
   上記固定部材に設置され、第１の方向とその逆の第２の方向に微小変位を発生する変位手段と、
   上記変位手段の上記微小変位によって往復運動するとともに、その平面上に第１の電極を有する振動基板と、
   上記振動基板の上記平面上に配置され、上記第１の電極と絶縁体層を介して対向する平面に第２の電極を有する移動体と、
   上記第１の電極と上記第２の電極との間に電圧を印加して静電吸着力を作用させることによって、上記振動基板と上記移動体との間の摩擦力を制御することで、上記移動体を移動させる摩擦力制御手段と、
   を具備し、
   上記振動基板の上記平面上の上記第１の電極の外側で且つ上記移動体と対向する部位に、上記電圧印加によって上記第１及び上記第２の電極の間に生じている電界を遮断する電界緩和領域を有することを特徴とするアクチュエータ。
2. 上記第１の電極は、上記移動体の移動位置によらず上記移動体の上記平面の内側のみで対向することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 上記電界緩和領域は、上記振動基板の上記平面上の上記第２の電極と対向する部位であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 上記電界緩和領域は、上記振動基板の上記平面と上記第２の電極の外側で且つ上記移動体平面と対向する部位であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
5. 上記電界緩和領域の上記振動基板平面上に、上記第２の電極と対向し且つ上記第１の電極の外側に配置されるように電界遮断電極が設置されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
6. 上記電界遮断電極には上記第２の電極と同様な印加電圧が印加されることを特徴とする請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 上記電界遮断電極と上記第２の電極との間には電位差により常に電界が生じていることを特徴とする請求項５に記載のアクチュエータ。

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