JP2000037084A - 静電モータ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速かつ正確な位置決めが可能な静電モータ
及びその駆動方法を提供する。 【解決手段】 ロータの回転中心から見たロータ電極の
幅に対応する中心角が、ステータ電極の幅に対応する中
心角と、隣接するステータ電極同士の間隔に対応する中
心角の２倍の角度との和に等しくなるように構成し、前
記ロータ電極に対向する位置に配置されるステータ電極
に、前記ロータ電極に印加する電圧と極性の異なる電圧
を印加し、前記ステータ電極の両側に隣接するステータ
電極には、前記ロータ電極に印加する電圧と同極性の電
圧を印加することによって、ステッピング動作時のロー
タのオーバーシュート量を小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電力を利用した
静電モータ及びその駆動方法に関し、特に電極形状に特
徴を有する静電モータ及びその駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】

【０００３】従来の静電モータの構造を図５に示す。従
来の静電モータは、複数のステータ電極１１を円周状に
均等配置したステータ１３の内側に、複数のロータ電極
１５を放射状に均等配置したロータ１７を設置し、ベア
リング部１９をロータ１７の回転中心に設けることで、
ロータ電極１５とステータ電極１１の間の距離を一定に
保持し、前記ステータ電極に順次印加される電圧と前記
ロータ電極に印加される電圧との間に作用する静電力に
より前記ロータを回転させるように構成されている。

【０００４】従来の静電モータは、モータの中心軸から
みた、ステータ電極１１の幅に対応する中心角θ１とロ
ータ電極１５の幅に対応する中心角θ２が同じであるた
め、ステッピング動作をさせた時の駆動時間に対する回
転角の変化は、図６に示すように、ロータが回転を始め
て、その後、静止するときにオーバーシュートが起こ
り、これが原因となり、ロータは減衰振動した後に静止
する。

【０００５】これについては、Ｓ．Ｆ．Ｂａｒｔ，Ｍ．
Ｍｅｈｒｅｇａｎｙ，Ｌ．Ｓ．Ｔａｖｒｏｗ，Ｊ．Ｈ．
Ｌａｎｇ，Ｓ．Ｄ．Ｓｅｎｔｕｒｉａ，”Ｍｅａｓｕｒ
ｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍ
ｏｔｏｒ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，”Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎ
ｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，１９（１９９０）１９−２９
に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】回転時間及び静止時間
を短くするには、駆動電圧を高くするなどの手段で、静
電引力を大きくすれば良いがことが知られているが、駆
動電圧を高くするとオーバーシュート量は大きくなって
しまう。

【０００７】また、オーバーシュート量を小さくするに
は、ロータ電極とステータ電極との間に作用する静電引
力を小さくする方が有利であるが、そうなると回転時間
及び静止時間は長くなってしまう。

【０００８】この様に、相反する問題を持つため、高速
かつ正確な位置決めが出来ないという大きな課題があ
る。

【０００９】本発明は、上記課題を解消し、高速かつ正
確な位置決めが可能な静電モータ及び、その駆動方法を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の静電モータは、複数のステータ電極を円周
状に均等配置したステータと、該ステータの内側に設け
る複数のロータ電極を放射状に均等配置したロータとを
備え、前記ステータ電極と前記ロータ電極との間の距離
を一定に保持し、前記ステータ電極に順次印加される電
圧と前記ロータ電極に印加される電圧との間に作用する
静電力により前記ロータを回転させる静電モータにおい
て、ロータの回転中心から見たロータ電極の幅に対応す
る中心角θｒ、前記ロータの回転中心から見たステータ
電極の幅に対応する中心角θｓ、前記ロータの回転中心
から見た互いに隣接するステータ電極同士の間隔に対応
する中心角θｓｓが、 θｒ＝θｓ＋２×θｓｓ の条件を満たすように構成されていることを特徴とす
る。

【００１１】また、本発明における静電モータの駆動方
法は、複数のステータ電極を円周状に均等配置したステ
ータと、該ステータの内側に設ける複数のロータ電極を
放射状に均等配置したロータとを備え、前記ステータ電
極と前記ロータ電極との間の距離を一定に保持し、前記
ステータ電極に順次印加される電圧と前記ロータ電極に
印加される電圧との間に作用する静電力により前記ロー
タを回転させる静電モータの駆動方法において、ロータ
電極に対向する位置に配置されるステータ電極に、ロー
タ電極に印加する電圧と極性の異なる電圧を印加し、前
記ステータ電極の両側に隣接するステータ電極には、前
記ロータ電極に印加する電圧と同極性の電圧をそれぞれ
印加することを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態における静電モータの構成を説明する。本実施形
態においては、ロータ電極数とステータ電極数との比
が、３：１の場合を例に挙げて説明する。

【００１３】図１は、本発明の実施の形態における静電
モータの構成を示す上面図であり、１２個のステータ電
極３１を円周状に均等配置したステータ３３の内側に、
８個のロータ電極３５を放射状に均等配置したロータ３
７を設置し、ベアリング部１９をロータ３７の回転中心
に設けることで、ロータ電極３５とステータ電極３１の
間の距離を一定に保持し、前記ステータ電極に順次印加
される電圧と前記ロータ電極に印加される電圧との間に
作用する静電力により前記ロータを回転させるように構
成されている。

【００１４】また、ロータ電極及びステータ電極につい
ては、ロータ３７の回転中心から見たロータ電極３１の
幅に対応する中心角θｒが、ステータ電極３５の幅に対
応する中心角θｓと、円周上に均等配置したステータ電
極３１同士の間隔に対応する中心角θｓｓの２倍の角度
との和に等しいという関係を満たすように構成されてい
る。即ち、θｒ＝θｓ＋２×θｓｓの条件を満たすよう
に構成されていることを特徴とする。

【００１５】本発明の静電モータは、「動くシリコンへ
Ｓｉマイクロマシニング技術」、日経エレクトロニク
ス１９８９．８．２１に開示されている、ＬＳＩ微細加
工技術、成膜技術及び電鋳技術などを用いて作成した。

【００１６】本発明の静電モータのサイズは、ロータ電
極１５の外径＝５００μｍ、ロータ電極１５の厚さ＝１
００μｍ、ロータ電極１１とステータ電極１５の距離＝
１０μｍ、θｒ＝３５゜、θｓ＝２５゜、θｓｓ＝５゜
とした。

【００１７】次に、図３（ａ）から図３（ｃ）を用い
て、本発明の駆動方法とロータ１７の動きについて順番
に説明していく。

【００１８】まず、図３（ａ）に示すように、ロータ電
極１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄには常に（−）の電
圧を印加しており、前記それぞれのロータ電極に対向す
る位置に配置されるそれぞれのステータ電極には（＋）
の電圧を印加する。また、前記それぞれのステータ電極
の両隣のステータ電極には、（−）の電圧を印加する。

【００１９】ロータ電極１１ａの近傍を例に説明する。
ロータ電極１１ａに（−）の電圧を印加し、ステータ電
極１１ａに（＋）、ステータ電極１１ａの両隣のステー
タ電極１１ｄとステータ電極１１ｂには、（−）の電圧
を印加する。

【００２０】静電引力は、力を及ぼし合う電極間の静電
容量が最大になるように働くため、ロータ電極１５ａと
ステータ電極１１ａは、半径方向に互いに引力を及ぼし
合うが、円周方向には力が働いていない。

【００２１】また、ロータ電極１５ａとステータ電極１
１ｄは、円周方向に時計回りの斥力、ロータ電極１５ａ
とステータ電極１１ｂは、円周方向に反時計回りの斥力
を及ぼし、斥力同士は打ち消し合っている。

【００２２】このため、図３（ａ）の状態において、ロ
ータ１７は静止している。また、ロータ電極１５ｂ、ロ
ータ電極１５ｃ、ロータ電極１５ｄの周辺についても、
ロータ電極１５ａ周辺と同じように力を受けているが、
説明を省略する。

【００２３】次に、図３（ｂ）に示すように、ステータ
電極１１ｂを（＋）、ステータ電極１１ａ及びステータ
電極１１ｃを（−）の電圧に切り替えると、ロータ電極
１５ａとステータ電極１１ｂの間の静電容量が最大にな
るまで、即ち、ロータ電極１５ａの回転方向の電極の端
とステータ電極１１ｂのと右端が回転中心から見たとき
に同一線上に並ぶまで、ロータ電極１５ａとステータ電
極１１ｂの間には円周方向に時計回りの引力が働く。

【００２４】そして、図３（ｃ）に示すように、ロータ
電極１５ａの回転方向の電極の端とステータ電極１１ｃ
の左端が回転中心から見たときに同一線上に並ぶまで
は、慣性力で回転するが、既にロータ１７とベアリング
１９との間に働く摩擦力で、慣性力は減衰仕始めてお
り、その後、ロータ電極１５ａはオーバーシュート状態
に入るが、ロータ電極１５ａとステータ電極１１ｃの間
に発生する反時計方向の斥力により、オーバーシュート
量は、小さく抑えられる。

【００２５】そして、ロータ電極１５ａとステータ電極
１１ａ間の時計方向の斥力と、ロータ電極１５ａとステ
ータ電極１１ｃ間の反時計方向の斥力によりロータ電極
１５ａは、位置が規制され静止する。

【００２６】本発明の静電モータをステッピング動作を
させた時の駆動時間に対する回転角の変化を、図２に示
す。この変化については、ストロボスコープを用いて観
察した回転角を時間に対してプロットすることで得た。

【００２７】従来の駆動時間に対する回転角の変化を示
した図６と比較すると、ロータ１７が回転を始めて、そ
の後、目標とする静止角度までの到達時間は殆ど変わら
ないのに、オーバーシュート量は約７゜から約４度と少
なくなり、かつ、ロータ１７の静止時間は約３５０μｓ
ｅｃから約２００μｓｅｃと短くなりなっている。

【００２８】本発明の実施の形態では、回転軸の半径方
向にロータ電極とステータ電極が形成され、回転軸の半
径方向に一定の距離を保持する形状の静電モータを用い
て説明したが、図４に示すように、回転軸の垂直方向に
ロータ電極２５とステータ電極２１が形成され、回転軸
に垂直方向に一定の距離を保持する形状の静電モータの
場合でも同様の効果を得ることができる。

【００２９】本発明の実施の形態では、ロータ電極を常
に（−）の電圧にした例で説明したが、常に（＋）の電
圧にして駆動する場合においても同様の効果を得ること
は、いうまでもない。

【００３０】

【発明の効果】本発明の静電モータ及びその駆動方法を
用いることで、ロータ静止時のオーバーシュート量を小
さくし、かつ、振動時間を短くするすることが出来る。

【００３１】即ち、短時間で、正確な位置決めが可能な
静電モータのを実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における静電モータの構造
を示す上面図である。

【図２】本発明の実施の形態における静電モータの特性
を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態における静電モータの構造
を示す上面図である。

【図４】本発明の実施の形態における静電モータの構造
を示す上面図である。

【図５】従来の静電モータの構造を示す上面図である。

【図６】従来の静電モータの特性を示す図である。

【符号の説明】

１１、２１、３１ ステータ電極 １３、２３、３３ ステータ １５、２５、３５ ロータ電極 １７、２７、３７ ロータ １９ ベアリング θｒ ロータ電極の幅に対応する中心角 θｓ ステータ電極の幅に対応する中心角 θｓｓ ステータ電極同士の間隔に対応する中心角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 重之 埼玉県所沢市大字下富字武野840番地 シ チズン時計株式会社技術研究所内 (72)発明者 鈴木 一男 埼玉県所沢市大字下富字武野840番地 シ チズン時計株式会社技術研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のステータ電極を円周状に均等配置
   したステータと、該ステータの内側に設ける複数のロー
   タ電極を放射状に均等配置したロータとを備え、前記ス
   テータ電極と前記ロータ電極との間の距離を一定に保持
   し、前記ステータ電極に順次印加される電圧と前記ロー
   タ電極に印加される電圧との間に作用する静電力により
   前記ロータを回転させる静電モータにおいて、ロータの
   回転中心から見たロータ電極の幅に対応する中心角θ
   ｒ、前記ロータの回転中心から見たステータ電極の幅に
   対応する中心角θｓ、前記ロータの回転中心から見た互
   いに隣接するステータ電極同士の間隔に対応する中心角
   θｓｓが、 θｒ＝θｓ＋２×θｓｓ の条件を満たすように構成されていることを特徴とする
   静電モータ。
2. 【請求項２】 複数のステータ電極を円周状に均等配置
   したステータと、該ステータの内側に設ける複数のロー
   タ電極を放射状に均等配置したロータとを備え、前記ス
   テータ電極と前記ロータ電極との間の距離を一定に保持
   し、前記ステータ電極に順次印加される電圧と前記ロー
   タ電極に印加される電圧との間に作用する静電力により
   前記ロータを回転させる静電モータの駆動方法におい
   て、ロータ電極に対向する位置に配置されるステータ電
   極には、前記ロータ電極に印加する電圧と極性の異なる
   電圧を印加し、前記ステータ電極の両側に隣接するステ
   ータ電極には、前記ロータ電極に印加する電圧と同極性
   の電圧を印加することを特徴とする静電モータの駆動方
   法。