JP2010093915A - 静電モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＰＣフィルム等の固定子と可動子との間に静電気力を発生させることにより可動子を駆動する交流駆動両電極形静電モータあるいはパルス駆動誘導電荷形モータにおいて、対向する固定子と可動子のギャップを安定にして駆動出力を安定化させる。
【解決手段】筺体３内に固定子１₁ ，１₂ 、可動子２₁ ，２₂ を積層した配設する。固定子１₁ ，１₂ 、可動子２₁ ，２₂ 間にビーズ４（スペーサ）を配設する。固定固定子１₁ ，１₂ を連結固定部１ａで筺体３に固定する。可動子２₁ ，２₂ の一端を連結固定部２ａで連結する。連結固定部２ａの伝達部２ｃから駆動力の出力を得る。筺体３の天板３ｃの内面３Ａと固定子１₁ とに当接する不織布等の付勢部材６を配設する。付勢部材６の弾性力により固定子１₁ を押圧し、、固定子１₁ ，１₂ 、可動子２₁ ，２₂ 間の距離をビーズ４の大きさまで規制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流駆動両電極形静電モータ及びパルス駆動誘導電荷形モータのように、フィルム状の可動子と固定子との間に静電気力を発生させることにより、可動子を固定子に対して電極の配列方向に沿って移動させるようにした静電モータに関する。

従来、この種の静電モータとして、例えば後記非特許文献１及び２に開示されたものがある。図７は静電モータの基本構造及び動作原理を説明する図である。この静電モータは交流駆動両電極形静電モータであり、三相の帯状電極ａを内部に有するＦＰＣ（Frexible printed Circuit）フィルムからなる可動子１０と、同様に三相の帯状電極ｂを内部に有するＦＰＣフィルムからなる固定子２０を対向させたものである。可動子１０と固定子２０の間には、両者間に発生する摩擦を低減するとともに適切なギャップを維持するために直径２０μｍ程度のガラスやプラスチック等のビーズ３０が散布されている。また、これらの可動子１０、固定子２０及びビーズ３０は絶縁破壊防止のためにシリコンオイル等の絶縁液に浸されて駆動される。

可動子１０の帯状電極ａと固定子２０の帯状電極ｂは結線の順が互いに逆順となるようにして三相正弦波電源４０に接続され、この帯状電極ａ，ｂには互いに逆位相の三相正弦波電圧が印加される。これにより、可動子１０内と固定子２０内には図中に波線で示すように進行電圧分布が励起され、互いに逆向きに進行する。そして、この二つの電位分布の間には両者の空間的な位相差に応じた静電気力が発生し、常に安定な位相差が保たれるように可動子１０が図の矢印のように駆動される。なお、非特許文献１には、可動子と固定子を複数組積層する積層形静電モータが開示されている。

また、非特許文献２には、パルス駆動誘導電荷形モータが開示されている。このパルス駆動誘導電荷形モータは、フィルム状の固定子と可動子（移動子）からなり、固定子は３相に配線された多数の帯状電極を備えており、可動子は微弱な導電性を有する抵抗体層を有しており、それぞれ絶縁層で覆われている。そして、固定子の帯状電極への電圧の印加により可動子に逆極性の電荷を誘導し、帯状電極への電圧の極性の切り換えを繰り返すことにより固定子と可動子間に静電気力を発生させて、可動子を移動させるものである。
精密工学会誌Vol.71.No.10.2005 p1245-1249 「東京大学 先端メカトロニクス 静電アクチュエータ」インターネット＜http://www.aml.t.u-tokyo.ac.jp/japanese/index＿j.html＞

前記のような静電モータをアクチュエータとして製品等に実装する場合には、固定子及び可動子を筺体内に設置した状態で、可動子から力を取り出す必要がある。この場合、筺体内への固定子及び可動子の実装の最に、ビーズのみで固定子と可動子の間の最小ギャップは保持可能であるが、このギャップの広がりに対してはこれを防止する方向の力が小さいため、ギャップにバラツキが生じてしまう。このため、電圧印加時及び駆動方向反転時に駆動出力の立ち上がりが不安定になるという問題がある。

本発明は、静電モータにおいて、対向する固定子と可動子のギャップを安定にして駆動出力を安定化させることを課題とする。

請求項１の静電モータは、フィルム状の固定子と、１つの面が該固定子と対向して配置されたフィルム状の可動子と、前記固定子と可動子の対向面間に配置され、該対向面間の最小距離を規制し、かつ摩擦を低減するスペーサとを備え、前記固定子及び／または可動子への印加電圧の切り換えにより固定子と可動子との間に静電気力を発生させることにより可動子を固定子に対して該固定子の面に沿って移動させる静電モータにおいて、前記固定子、可動子及びスペーサを内部に内包し、少なくとも固定子と対向する内面を有する筺体であって、前記固定子を内部に固定し、前記可動子の出力を伝達する該可動子の伝達部を外部に露出して該可動子を内部に可動可能に内包した筺体と、前記筺体と、該筺体の前記内面の最も近くに配置された前記固定子の対向面との間に、該筺体の内面と該対向面との両者に当接するように配置された付勢部材と、を備え、前記付勢部材によって、前記固定子を、該固定子と対向する前記可動子との距離を縮める方向に付勢するようにしたことを特徴とする。

請求項２の静電モータは、請求項１に記載の静電モータであって、前記可動子が絶縁体内に帯状に構成された複数相の帯状電極を配列してなる可動子であり、前記固定子が絶縁体内に帯状に構成された複数相の帯状電極を配列してなる固定子でり、前記固定子及び前記可動子の電極への印加電圧の切り換えにより該固定子と可動子との間に静電気力を発生させて前記可動子を固定子に対して移動させることを特徴とする。これは交流駆動両電極形静電モータの例である。

請求項３の静電モータは、請求項１に記載の静電モータであって、前記可動子が絶縁体内に微弱な導電性を有する抵抗対層を有する可動子であり、前記固定子が絶縁体内に帯状に構成された複数相の帯状電極を配列してなる固定子であり、前記固定子の電極への印加電圧の切り換えにより該固定子と可動子との間に静電気力を発生させて前記可動子を固定子に対して移動させることを特徴とする。これはパルス駆動誘導電荷形モータの例である。

請求項４の静電モータは、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の静電モータであって、前記固定子を第１の固定子、前記付勢部材を第１の付勢部材とし、前記可動子を挟んで該第１の固定子と反対側に該可動子に対向して配置された第２の固定子と、該第１の固定子、第２の固定子及び該第１の付勢部材からなるユニットを複数ユニット備え、前記複数ユニットを、前記第２の固定子を対向させて対向配置し、両ユニットの各第２の固定子間に当接するように第２の付勢部材を配置するようにしたことを特徴とする。

請求項５の静電モータは、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の静電モータであって、前記付勢部材は不織布で構成されていることを特徴とする。

請求項１の静電モータによれば、筺体の内面と固定子の対向面とに当接する付勢部材により、固定子及び可動子（電極面）の全体に均一に力をかけることができ、いかなる場合にも安定した駆動力が得られる。また、固定子と可動子の積層時には、付勢部材を同時に積層して筺体に実装するのみであり、付勢部材が厚さ方向（積層方向）の誤差を吸収するため、なんら厚さ方向の精度を気にせずに簡単に組み付けることができる。

請求項２の静電モータによれば、交流駆動両電極形静電モータによって請求項１の効果が得られる。

請求項３の静電モータによれば、パルス駆動誘導電荷形モータによって請求項１の効果が得られる。

請求項４の静電モータによれば、請求項１、２または３の効果に加えて、複数ユニットにより大きな駆動出力が得られるとともに、各ユニットにおいても固定子及び可動子の全体に均一に力をかけることができ、いかなる場合にも安定した駆動力が得られる。

請求項５の静電モータによれば、請求項１、２、３または４の効果に加えて、付勢部材が不織布であるので、固定子に圧接する力が全体的に均一になるとともに容易に積層できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の第１実施例の交流駆動両電極形静電モータの要部断面図である。以下、各実施例において、混同のおそれがない限り同様な要素には同符号を付記して説明する。

この交流駆動両電極形静電モータ（以下「静電モータ」ともいう。）は、後述のようにＦＰＣフィルムとして構成された２枚の固定子１₁ ，１₂ と、同様にＦＰＣフィルムとして構成された２枚の可動子２₁ ，２₂ を備えており、筺体３内に収容されている。固定子１₁ と可動子２₁ 、固定子１₂ と可動子２₂ は、後述する各々の帯状電極側を対向させて配置されている。筺体３内には、絶縁破壊防止のために「スペーサ」としてのビーズ４を混入したシリコンオイル等の絶縁液５が充填されている。そして、各固定子１₁ と可動子２₁ の間、可動子２₁ と固定子１₂ の間、固定子１₂ と可動子２₂ の間、可動子２₂ と筺体３の底板３ａの間にビーズ４が介在することになり、このビーズ４がスペーサの機能を果たす。なお、図１において、固定子１₁ ，１₂ 及び可動子２₁ ，２₂ の積層方向の厚み、筺体３の積層方向の厚み、ビーズ４の直径は誇張して図示してある。また、符号の添字は同じ部材で配置場所の違いを示しており、以下の説明において特に区別しない場合など添え字は適宜省略する。

固定子１₁ ，１₂ は片側端部において連結固定部１ａに固定されており、この連結固定部１ａは筺体３の片方の側板３ｂに固定されている。また、可動子２₁ ，２₂ は片側端部において連結固定部２ａに固定されている。この連結固定部１ａ，２ａには、固定子１₁ ，１₂及び可動子２₁ ，２₂ にそれぞれ三相交流電圧を印加するためのケーブル束１ｂ，２ｂが接続されており、筺体３の外部に引き出されている。また、可動子２側の連結固定部２ａには、可動子２₁ ，２₂ の出力を伝達する伝達部２ｃが取り付けられており、この伝達部２ｃの一部は筺体３の外部に露出されている。

筺体３の天板３ｃの内側は上側の固定子１₁ と対向する内面３Ａを構成しており、固定子１₁ と内面３Ａとの間には、この固定子１₁ と内面３Ａに当接するようにクッションの役割をする付勢部材６が配設されている。この付勢部材６は例えば不織布で構成されている。なお、この付勢部材６も図１において厚みを誇張して図示してある。そして、この付勢部材６は、その弾性力により固定子１₁ ，１₂ 、可動子２₁ ，２₂ 及びその間のビーズ４を、それぞれ筺体３の底板３ａ側に押圧している。また、ビーズ４は固定子１と可動子２との対向面間の最小距離を規制するとともに、対向する固定子１と可動子２の摩擦を低減する。これにより、付勢部材６は固定子１と可動子２との距離を、ビーズ４で規制される最小距離まで縮めるように付勢している。

図２は固定子１及び可動子２の内部平面図、図３は固定子及び可動子における電極の詳細を示す図である。なお、図３(A) は電極サイズを示す図、図３(B) は電極パターンの概略図、図３(C) は一部断面図である。固定子１及び可動子２は、ベースフィルム１１上に、第１、第２及び第３の帯状電極２１，２２，２３を順番に複数配列した三相の電極を有している。なお、図２では帯状電極２１，２２，２３の図示を一部省略してある。

第１の帯状電極２１は第１の集合線２１Ａを介して第１の端子２１Ｂに接続され、第２の帯状電極２２はスルーホール部２２１、第２の集合線２２Ａ及びスルーホール部２２２を介して第２の端子２２Ｂに接続されている。また、第３の帯状電極２３は第３の集合線２３Ａを介して第３の端子２３Ｂに接続されている。ここで、各帯状電極２１，２２，２３、第１及び第３の集合線２１Ａ，２３Ａ、第１〜第３の端子２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂは、それぞれベースフィルム１１の表側に形成されているが、第２の集合線２２Ａはベースフィルム１１の裏側に形成されている。そして、図３(C) に示すように、ベースフィルム１１の表側には、各帯状電極２１，２２，２３及び集合線２１Ａ，２３Ａをカバーするように表カバー１２が形成され、ベースフィルム１１の裏側には、第２の集合線２２Ａをカバーするように裏カバー１３が形成されている。この表カバー１２及び裏カバー１３が「絶縁体」である。

なお、図３(A) に示すように、第１〜第３の帯状電極２１，２２，２３の電極幅は７０μｍ、電極ピッチは１８０μｍ、集合線２１Ａ（２３Ａ），２２Ａの幅は５００μｍである。また、ベースフィルム１１、表カバー１２及び裏カバー１３の材質はポリイミドであり、帯状電極の材質は銅である。さらに、固定子１及び可動子２の厚さは８０μｍ程度である。また、は固定子１及び可動子２のサイズは４５ｍｍ×３５ｍｍである。

固定子１₁ ，１₂ は、第１〜第３の端子２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂを図１に示す連結固定部１ａ内に配置して、連結固定部１ａに固定され、端子２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂがケーブル束１ｂに適宜接続されている。また、可動子２₁ ，２₂ は、第１〜第３の端子２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂを連結固定部２ａ内に配置して、連結固定部２ａに固定され、端子２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂがケーブル束２ｂに適宜接続されている。

以上の構成により、ケーブル束１ｂ，２ｂから固定子１₁ ，１₂ 、可動子２₁ ，２₂ に対して、図７で説明した従来と同様に三相正弦波電圧が印加され、可動子２₁ ，２₂ 、連結固定部２ａ及び伝達部２ｃが図１に示す可動方向、すなわち帯状電極２１，２２，２３の配列方向に移動する。なお、帯状電極の「第１〜第３」の表現は、構造上の配置を区別するものであり、三相正弦波の各相とは無関係であり、この各相は固定子１と可動子２の配置条件に応じて設定することはいうまでもない。

図４は第２実施例の静電モータの要部断面図である。この第２実施例は第１実施例にさらに固定子と付勢部材を付加したものであり、可動子２₂ に対して筺体３の底板３ａ側から対向する固定子１₃ を配設し、この固定子１₃ と底板３ａとの間にクッションの役割をする付勢部材７を配設したものである。

図５は第３実施例の静電モータの要部断面図であり、この第３実施例は請求項４に対応している。すなわち、可動子２₁ を挟んで固定子１₁ （第１の固定子）と反対側に可動子２₁ に対向して固定子１₂ （第２の固定子）を配置し、固定子１₁ ，１₂ 、可動子２₁ 及び付勢部材６を一つのユニットとしたものである。また、これと同様に、可動子２₂ を挟んで固定子１₃ （第１の固定子）と反対側に可動子２₂ に対向して固定子１₄ （第２の固定子）を配置し、固定子１₃ 、１₄ 、可動子２₂ 及び付勢部材７を一つのユニットとしたものである。そして、両ユニットの固定子１₂ ，１₄ の間に該固定子１₂ ，１₄ に当接するように第２の付勢部材８を配設したものである。

いずれの実施例でも、付勢部材６，７，８は、その弾性力により固定子１と可動子２との対向面間の距離をビーズ４で規制される最小距離まで縮めるように付勢している。したがって、筺体３の内面３Ａと固定子１の対向面とに当接する付勢部材６，７により、固定子１及び可動子２の全体に均一に力をかけることができ、静電モータを駆動したとき安定した駆動力が得られる。また、２つの可動子２₁ ，２₂ に連結された伝達部２ｃからは、大きな駆動出力が得られる。

図６は付勢部材として約５ｍｍ厚の不織布を用いて固定子１及び可動子２を押したときの荷重と固定子１及び可動子２の積層方向への変位の測定例を示すグラフである。なお、不織布は２００ｍｍ×１４０ｍｍの面積である。図からわかるように、荷重と積層方向への変位に相関関係があり、固定子１及び可動子２に加える必要な荷重を、不織布の厚みと筺体３の内面３Ａと固定子１の対向面との間隔により任意に設定することができる。

次表１は、第１実施例、第２実施例、第３実施例の各伝達部２ｃで得られる発生力の測定結果を、不織布（付勢部材）がない場合と比較して示す比較例である。いずれの実施例でも不織布有りの場合のほうが、不織布なしの場合よりも大きな力が得られている。さらに、いずれの実施例でも不織布有りの場合のほうが、不織布なしの場合よりも力の変動が小さく抑えられている。

以上の各実施例では、静電モータとして固定子と可動子に三相正弦波電圧をそれぞれ印加して静電気力を発生させる交流駆動両電極形静電モータを例に説明したが、固定子は帯状電極を有し、可動子として微弱な導電性を有する抵抗体層を有するものとして、前記パルス駆動誘導電荷形モータを構成した場合にも、第１〜第３の各実施例の構成を適用できる。

本発明の第１実施例の交流駆動両電極形静電モータの要部断面図である。 本発明の実施例における固定子及び可動子の内部平面図である。 本発明の実施例における電極の詳細を示す図である。 本発明の第２実施例の交流駆動両電極形静電モータの要部断面図である。 本発明の第３実施例の交流駆動両電極形静電モータの要部断面図である。 本発明の実施例における不織布を用いて固定子及び可動子を押したときの荷重と固定子及び可動子の積層方向への変位の測定例を示すブラフである。 静電モータの基本構造及び動作原理を説明する図である。

符号の説明

１…固定子、２…可動子、２ｃ…伝達部、３…筺体、３Ａ…内面、４…ビーズ（スペーサ）、５…絶縁液、６，７，８…付勢部材、１１…ベースフィルム、１２…表カバー（絶縁体）、１３…裏カバー（絶縁体）、２１…第１の帯状電極、２２…第２の帯状電極、２３…第３の帯状電極

Claims (5)

1. フィルム状の固定子と、１つの面が該固定子と対向して配置されたフィルム状の可動子と、前記固定子と可動子の対向面間に配置され、該対向面間の最小距離を規制し、かつ摩擦を低減するスペーサとを備え、
   前記固定子及び／または可動子への印加電圧の切り換えにより固定子と可動子との間に静電気力を発生させることにより可動子を固定子に対して該固定子の面に沿って移動させる静電モータにおいて、
   前記固定子、可動子及びスペーサを内部に内包し、少なくとも固定子と対向する内面を有する筺体であって、前記固定子を内部に固定し、前記可動子の出力を伝達する該可動子の伝達部を外部に露出して該可動子を内部に可動可能に内包した筺体と、
   前記筺体と、該筺体の前記内面の最も近くに配置された前記固定子の対向面との間に、該筺体の内面と該対向面との両者に当接するように配置された付勢部材と、を備え、
   前記付勢部材によって、前記固定子を、該固定子と対向する前記可動子との距離を縮める方向に付勢するようにしたことを特徴とする静電モータ。
2. 請求項１に記載の静電モータであって、
   前記可動子が絶縁体内に帯状に構成された複数相の帯状電極を配列してなる可動子であり、前記固定子が絶縁体内に帯状に構成された複数相の帯状電極を配列してなる固定子でり、
   前記固定子及び前記可動子の電極への印加電圧の切り換えにより該固定子と可動子との間に静電気力を発生させて前記可動子を固定子に対して移動させることを特徴とする静電モータ。
3. 請求項１に記載の静電モータであって、
   前記可動子が絶縁体内に微弱な導電性を有する抵抗対層を有する可動子であり、前記固定子が絶縁体内に帯状に構成された複数相の帯状電極を配列してなる固定子であり、
   前記固定子の電極への印加電圧の切り換えにより該固定子と可動子との間に静電気力を発生させて前記可動子を固定子に対して移動させることを特徴とする静電モータ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の静電モータであって、
   前記固定子を第１の固定子、前記付勢部材を第１の付勢部材とし、前記可動子を挟んで該第１の固定子と反対側に該可動子に対向して配置された第２の固定子と、該第１の固定子、第２の固定子及び該第１の付勢部材からなるユニットを複数ユニット備え、
   前記複数ユニットを、前記第２の固定子を対向させて対向配置し、両ユニットの各第２の固定子間に当接するように第２の付勢部材を配置するようにしたことを特徴とする静電モータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の静電モータであって、
   前記付勢部材は不織布で構成されていることを特徴とする静電モータ。

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