JP2010093916A - 静電モータ及び積層型静電モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＰＣフィルム等のフィルム部材間に静電気力を発生させることによりフィルム部材（可動子）を駆動する静電モータにおいて、フィルム部材を積層した内側ユニットと外側ユニットを組み付けてユニット化する。フィルム部材間のギャップのバラツキを低減して駆動出力を安定化させる。
【解決手段】固定子（フィルム部材）１₁ ，１₂ 、のカバー部１５，１５を接合し、不織布等の付勢部材３を絶縁体１４，１４に当接させて内側ユニットＩＵを構成する。可動子（フィルム部材）２₁ ，２₂ をカバー部２５，２５を接合して外側ユニットＯＵを構成する。外側ユニットＯＵ内に内側ユニットＩＵを組み付ける。外側ユニットＯＵと内側ユニットＩＵ間にビーズを配設する。カバー部２５は絶縁体２５内の裏側の集合線２２Ａをカバーする。付勢部材５の弾性力により固定子１ を可動子２側に押圧し、ギャップを均一にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁体内に複数相の電極を配列した可動子及び同固定子となるフィルム状部材間に静電気力を発生させることにより、電極の配列方向に沿って一方のフィルム状部材を移動させるようにした静電モータ及び積層型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１２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。また、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。
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＞

前記非特許文献１には、可動子と固定子を複数組積層するものが開示されており、このように複数組積層することで駆動力（推力）を増大することが可能である。しかしながら、この非特許文献１のものは、可動子と固定子を交互に単に積層するだけであり、この非特許文献１の技術で一つのアクチュエータを構成した場合、固定子と可動子を全て積層した状態が一つのアクチュエータ（ユニット）となる。したがって、アクチュエータとして必要な力を設定するには、その必要な力毎に積層数を異ならせてアクチュエータを構成する必要がある。

また、筺体等への固定子及び可動子の実装の際、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。

さらに、非特許文献１には、固定子及び可動子のフィルムの表面側に三相電極が形成され、裏面側に一相分の集合線が形成され、この集合線を表側の電極とスルーホールにより接続した構成について記載されいる。そして、このスルーホール部分と集合線とをカバーするカバーフィルムがあるため、電極からフィルム外部までの距離は表側より裏側で大きくなるため、積層した際に駆動力を有効に増大するのが困難であることが記載されている。そして、このカバーフィルムをスルーホールの部分のみとすることでこの問題を解消することも記載されている。しかしながら、このような構成であっても、固定子と可動子を積層してユニット化する構造については開示がなく、改良の余地を残している。

そこで、本発明は、フィルム部材を積層した内側ユニットと外側ユニットを組み付けてユニット化した静電モータを得るとともに、対向するフィルム部材間のギャップのバラツキを低減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、フィルム状の絶縁体内に帯状に構成された複数相の帯状電極を配列するとともに該帯状電極に電圧を導く集合線を該帯状電極の配列方向に延設してなり、前記複数相の少なくとも１相の帯状電極が対応する集合線に対してスルーホール部を介して接続され、該スルーホール部及び該集合線がカバー部によりカバーされたフィルム状部材を二枚有し、該二枚のフィルム状部材の前記カバー部同士を接合して構成された内側ユニット、及び外側ユニットと、前記内側ユニットと前記外側ユニットの両フィルム状部材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、前記外側ユニットの前記カバー部は前記スルーホール部及び集合線の部分となる前記フィルム状部材の両縁部分のみに形成され、該外側ユニットの両縁部分のカバー部の内側にて該外側ユニットの両フィルム状部材により、前記スペーサを介して前記内側ユニットを挟むようにし、外側ユニットの帯状電極と内側ユニットの帯状電極とを対向させるように該外側ユニットと内側ユニットを組み付けて構成し、前記外側ユニット及び内側ユニットの前記帯状電極への印加電圧の切り換えにより該外側ユニットと内側ユニットのフィルム状部材間に静電気力を発生させることにより該外側ユニットと内側ユニットとを相対的に帯状電極の配列方向に移動させ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、前記内側ユニットの前記カバー部は前記スルーホール部及び該スルーホール部に対応する前記集合線の部分となる前記フィルム状部材の両縁部分のみに形成され、該内側ユニットの両縁部分のカバー部の内側で該内側ユニットの前記絶縁体に当接する付勢部材であって、略均一な厚みを有し該絶縁体を前記外側ユニットの両フィルム状部材の絶縁体の内側面に押し付ける方向の付勢力を発生する付勢部材を備えたことを特徴とする。

請求項３の積層型静電モータは、請求項１または２に記載の静電モータを複数備え、該複数の静電モータの前記外側ユニット同士を積層して構成したことを特徴とする。

請求項４の積層型静電モータは、請求項１または２に記載の静電モータの少なくとも２つと、請求項１または２に記載の前記内側ユニット及び前記スペーサとを備え、該２つの静電モータの前記外側ユニット同士の間に前記スペーサを介して前記内側ユニットを配置して、該静電モータ及び内側ユニットを積層して構成したことを特徴とする。

請求項１の静電モータによれば、外側ユニットと内側ユニットとを組み付けてユニット化されたものとなり、外側ユニットが二枚のフィルム状部材の両縁部分のカバー部同士を接合して構成され、このカバー部の内側にて両フィルム状部材でスペーサを介して内側ユニットを挟むようにしているので、外側ユニットのフィルム状部材と内側ユニットのフィルム状部材とのギャップにバラツキが生じず、安定した駆動力が得られる。

請求項２の静電モータによれば、請求項１の効果に加えて、内側ユニットが二枚のフィルム状部材の両縁部分のカバー部同士を接合して構成され、この両縁部分のカバー部の内側で両フィルム状部材の絶縁体に当接する付勢部材を備え、この付勢部材により両フィルム状部材を外側ユニットの両フィルム状部材の内側面に押し付ける方向の付勢力を発生するので、外側ユニットのフィルム状部材と内側ユニットのフィルム状部材とのギャップにバラツキが生じず、さらに安定した駆動力が得られる。

請求項３の積層型静電モータによれば、請求項１または２の効果に加えて、複数の静電モータにより大きな駆動力が得られるとともに、静電モータの数により必要な駆動力を容易に設定できる。

請求項４の積層型静電モータによれば、請求項３と同様な効果が得られる。

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実施例の静電モータの内側ユニットと外側ユニットの要部断面図、図２は同静電モータの組み立て状態の要部断面図、図３は同静電モータの組み立て状態の要部斜視図、図４は内側ユニットにおける固定子の内部平面図、図５は外側ユニットにおける可動子の内部平面図、図６は固定子における電極の詳細を示す図である。なお、図１及び図２は図３におけるＡ−Ａ矢視断面に対応している。また、図６(A) は電極サイズを示す図、図６(B) は電極パターンの概略図である。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。

この第１実施例の静電モータは、図１(A) の内側ユニットＩＵと図１(B) の外側ユニットＯＵを組み付けて構成される。内側ユニットＩＵは、後述のようにＦＰＣフィルムとして構成された２枚の「フィルム状部材」としての固定子１₁ ，１₂ と付勢部材３とを備えている。また、外側ユニットＯＵは、同様にＦＰＣフィルムとして構成された２枚の「フィルム状部材」としての可動子２₁ ，２₂ と両面テープ４とを備えている。なお、図において、固定子１₁ ，１₂ 、可動子２₁ ，２₂ 、付勢部材３及び両面テープ４の積層方向の厚み、後述のビーズ５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。

図４及び図６(B) に示すように、固定子１は、長尺のベースフィルム１４ａ上に、第１、第２及び第３の帯状電極１１，１２，１３を順番に複数配列した三相の電極を有している。なお、図４及び図５では帯状電極１１，１２，１３、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１１は第１の集合線１１Ａを介して第１の端子１１Ｂに接続され、第２の帯状電極１２はスルーホール部１２１、第２の集合線１２Ａ及びスルーホール部１２２を介して第２の端子１２Ｂに接続されている。また、第３の帯状電極１３は第３の集合線１３Ａを介して第３の端子１３Ｂに接続されている。ここで、各帯状電極１１，１２，１３、第１及び第３の集合線１１Ａ，１３Ａ、第１〜第３の端子１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂは、それぞれベースフィルム１４ａの表側に形成されているが、第２の集合線１２Ａはベースフィルム１４ａの裏側に形成されている。

図５に示すように、可動子２は、固定子１より長さの短いベースフィルム２４ａ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。可動子２と前記固定子１は外形及び帯状電極の長さと本数が異なるだけで、その他の構造は同様である。すなわち、可動子２においても、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、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。また、各帯状電極２１，２２，２３、集合線２１Ａ，２３Ａ、端子２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂはそれぞれベースフィルム４５ａの表側に形成され、第２の集合線２２Ａはベースフィルム２４ａの裏側に形成されている。

図６(A) に示すように、固定子１の第１〜第３の帯状電極１１，１２，１３の電極幅は７０μｍ、電極ピッチは１８０μｍ、集合線１１Ａ（１３Ａ），１２Ａの幅は５００μｍである。この電極幅及び電極ピッチは可動子２においても同様である。

図１(C) は図１(A) 及び(B) において固定子１及び可動子２の二点鎖線で囲ったスルーホール部１２１（２２１）の部分の拡大断面図であり、括弧付きの符号は可動子２に対応している。以下、簡単のために固定子１について説明するが、この断面構造は固定子１と可動子２において同様な構造になっており、括弧付きの符号に読み替えれば可動子２の構造となる。固定子１は、ベースフィルム１４ａの表側に第１、第２及び第３の帯状電極１１，１２，１３が形成され、その上に接着層１４ｂ及び表カバー１４ｃが形成されている。このベースフィルム１４ａ、接着層１４ｂ及び表カバー１４ｃは絶縁体１４を構成している。また、ベースフィルム１４ａの裏側に第２の集合線１２Ａが形成され、この第２の集合線１２Ａとスルーホール部１２１の部分のみに、接着層１５ｂ及び裏カバー１５ａが形成されている。この接着層１５ｂ及び裏カバー１５ａはカバー部１５を構成している。なお、可動子２も同様に、ベースフィルム２４ａ、接着層２４ｂ及び表カバー２４ｃは絶縁体２４を構成し、第２の集合線２２Ａとスルーホール部２２１の部分のみに形成された接着層２５ｂ及び裏カバー２５ａはカバー部２５を構成している。

なお、ベースフィルム１４ａ，２４ａ、表カバー１４ｃ，２４ｃ及び裏カバー１５ａ，２５ａの材質はポリイミドであり、帯状電極１１〜１３，２１〜２３の材質は銅である。さらに、固定子１₁ ，１₂ 及び可動子２₁ ，２₂ それぞれの厚さは１５０μｍ程度である。また、固定子１のサイズは１２０ｍｍ×２２ｍｍ、可動子２のサイズは４５ｍｍ×３５ｍｍである。

図１(A) に示すように、内側ユニットＩＵは、固定子１₁ ，１₂ の絶縁体１４，１４の内側に付勢部材３を挟み込むようにして、各カバー部１５，１５を接着して構成されている。すなわち、付勢部材３は、内側ユニットＩＵの両縁部分のカバー部１５，１５の内側で内側ユニットＵＩの絶縁体１４，１４に当接するように配設されている。

図１(B) に示すように、外側ユニットＯＵは、可動子２₁ ，２₂ の各カバー部２５，２５を両面テープ４，４で接着して構成されている。これにより、外側ユニットＯＵには、上下の絶縁体２４，２４と両側上下のカバー部２５，２５，２５，２５及び両面テープ４，４で囲まれた空間Ｓを形成している。

そして、図２及び図３に示すように、外側ユニットＯＵのこの空間Ｓ内に内側ユニットＩＵが嵌挿されている。また、図２に示すように、外側ユニットＯＵと内側ユニットＩＵの間、すなわち固定子１₁ と可動子２₁ の間、可動子２₁ と固定子１₂ の間にはそれぞれ「スペーサ」としてのビーズ５が配設されている。

以上の構成により、図示しないケーブルから固定子１₁ ，１₂ 、可動子２₁ ，２₂ に対して、図１２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 、を有する外側ユニットＯＵが内側ユニットＩＵに対して図３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。

ここで、内側ユニットＩＵの付勢部材３は例えば不織布で構成されている。そして、付勢部材３は、その弾性力により固定子１₁ ，１₂ 、を外側ユニットＯＵの可動子２₁ ，２₂ 側に押圧している。また、ビーズ５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３は固定子１と可動子２との距離を、ビーズ５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、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、図２に示すように、内側ユニットＩＵの固定子１は外側ユニットＯＵのカバー部２５，２５の内側にあり、固定子１の帯状電極１１，１２，１３と可動子２の帯状電極２１，２２，２３の実行ギャップを最小限にすることができる。例えば、外側ユニットＯＵのカバー部２５を絶縁体２４の裏側全面に形成すると、上記実行ギャップはこのカバー部２５の厚さ分だけ大きくなり、大きな駆動出力が得られなくなるが、本発明のように実行ギャップを最小限にすることで大きな駆動出力が得られる。

図１１は上記のようにカバー部を絶縁体の裏側全面に形成した３枚の固定子１１ ′，１２ ′，１３ ′に対して３枚の可動子２１ ′，２２ ′，２３ ′を対向させて積層した静電モータの比較例である。そして、次表１は、第１実施例の静電モータと上記比較例との駆動力を測定した測定結果であり、この例からわかるように、第１実施例の静電モータのほうが、比較例より大きな力が得られ、さらに、力の変動が小さく抑えられている。

図７は第２実施例の積層型静電モータの要部断面図、図８は第２実施例の積層型静電モータの要部斜視図である。なお、以下の実施例では図面上細部の符号を省略してあるが第１実施例と同様であることはいうまでもない。この第２実施例は第１実施例の静電モータを３つ（３ユニット）積層したものであり、各外側ユニットＯＵ₁ ，ＯＵ₂ ，ＯＵ₃ は互いに接着されている。また、内側ユニットＩＵ₁ ，ＩＵ₂ ，ＩＵ₃ は図示しない部材に固定されている。そして、これらの外側ユニットＯＵ₁ ，ＯＵ₂ ，ＯＵ₃ は内側ユニットＩＵ₁ ，ＩＵ₂ ，ＩＵ₃ に対して図３に示す可動方向に移動する。この第２実施例の積層型静電モータは第１実施例の静電モータの略３倍の駆動力が得られる。また、第１実施例の静電モータはユニット化されているので、この第２実施例のように複数ユニットを容易に積層することができ、そのユニット数に応じて積層型静電モータ全体として所望の駆動力を得ることができる。

図９は第３実施例の積層型静電モータの要部断面図、図１０は第２実施例の積層型静電モータの要部斜視図である。この第３実施例は第１実施例の静電モータを２つ（２ユニット）用い、この２つの静電モータの間に第１実施例における内側ユニットＵＩの一つを挟むようにして積層したものである。すなわち、外側ユニットＯＵ₁ と内側ユニットＩＵ₁ が上側の静電モータ、外側ユニットＯＵ₂ と内側ユニットＩＵ₂ が下側の静電モータであり、２つの外側ユニットＯＵ₁ ，ＯＵ₂ の間に第３の内側ユニットＩＵ₃ を挟み込んでいる。そして、外側ユニットＯＵ₁ ，ＯＵ₂ は両面テープ６で接着されている。また、内側ユニットＩＵ₁ ，ＩＵ₂ ，ＩＵ₃ は図示しない部材に固定されている。そして、外側ユニットＯＵ₁ ，ＯＵ₂ は内側ユニットＩＵ₁ ，ＩＵ₂ ，ＩＵ₃ に対して図１０に示す可動方向に移動する。

なお、図示は省略するが、いずれの実施例でも、外側ユニット及び内側ユニットは、前記ビーズを混入したシリコンオイル等の絶縁液と共にカバーケース等により覆われており、外側ユニットに連結された伝達部をカバーケース等から露出することにより駆動出力が得られるようになっている。

いずれの実施例でも、付勢部材３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５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、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。

なお、実施例では、内側ユニットＩＵの固定子１，１間に付勢部材３を設けるようにしているので上記の効果が得られるが、ユニット化するという点では、内側ユニットＩＵはカバー部１５を絶縁体１４の裏面の全面に形成した固定子を接着したものすなわち付勢部材３を設けないものでもよい。

また、実施例では、内側ユニットのフィルム状部材を固定子、外側ユニットのフィルム状部材を可動子とし、内側ユニットが固定されて外側ユニットが可動するものとして説明したが、何れが可動するかは静電モータあるいは積層型静電モータを利用する利用形態に応じて適宜決めればよい。

本発明の第１実施例の静電モータの内側ユニットと外側ユニットの要部断面図である。 同静電モータの組み立て状態の要部断面図である。 同静電モータの組み立て状態の要部斜視図である。 同静電モータの内側ユニットにおける固定子の内部平面図である。 同静電モータの外側ユニットにおける可動子の内部平面図である。 同静電モータにおける電極の詳細を示す図である。 第２実施例の積層型静電モータの要部断面図である。 同積層型静電モータの要部斜視図である。 第３実施例の積層型静電モータの要部断面図である。 同積層型静電モータの要部斜視図である。 比較例の積層型静電モータの要部断面図である。 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（フィルム状部材）、２…可動子（フィルム状部材）、３…付勢部材、５…ビーズ（スペーサ）、１１，１２，１３…帯状電極、１２１…スルーホール部、１２Ａ…第２の集合線、１２２…スルーホール部、２１，２２，２３…帯状電極、２２１…スルーホール部、２２Ａ…第２の集合線、２２２…スルーホール部、１４…絶縁体、１４ａ…ベースフィルム、１４ｂ…接着層、１４ｃ…表カバー、１５…カバー部、１５ａ…裏カバー、１５ｂ…接着層、２４…絶縁体、２４ａ…ベースフィルム、２４ｂ…接着層 、２４ｃ…表カバー、２５…カバー部、２５ａ…裏カバー、２５ｂ…接着層、ＩＵ…内側ユニット、ＯＵ…外側ユニット

Claims (4)

1. フィルム状の絶縁体内に帯状に構成された複数相の帯状電極を配列するとともに該帯状電極に電圧を導く集合線を該帯状電極の配列方向に延設してなり、前記複数相の少なくとも１相の帯状電極が対応する集合線に対してスルーホール部を介して接続され、該スルーホール部及び該集合線がカバー部によりカバーされたフィルム状部材を二枚有し、該二枚のフィルム状部材の前記カバー部同士を接合して構成された内側ユニット、及び外側ユニットと、
   前記内側ユニットと前記外側ユニットの両フィルム状部材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、
   前記外側ユニットの前記カバー部は前記スルーホール部及び集合線の部分となる前記フィルム状部材の両縁部分のみに形成され、
   該外側ユニットの両縁部分のカバー部の内側にて該外側ユニットの両フィルム状部材により、前記スペーサを介して前記内側ユニットを挟むようにし、外側ユニットの帯状電極と内側ユニットの帯状電極とを対向させるように該外側ユニットと内側ユニットを組み付けて構成し、
   前記外側ユニット及び内側ユニットの前記帯状電極への印加電圧の切り換えにより該外側ユニットと内側ユニットのフィルム状部材間に静電気力を発生させることにより該外側ユニットと内側ユニットとを相対的に帯状電極の配列方向に移動させ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、
   前記内側ユニットの前記カバー部は前記スルーホール部及び該スルーホール部に対応する前記集合線の部分となる前記フィルム状部材の両縁部分のみに形成され、該内側ユニットの両縁部分のカバー部の内側で該内側ユニットの前記絶縁体に当接する付勢部材であって、略均一な厚みを有し該絶縁体を前記外側ユニットの両フィルム状部材の絶縁体の内側面に押し付ける方向の付勢力を発生する付勢部材を備えたことを特徴とする静電モータ。
3. 請求項１または２に記載の静電モータを複数備え、該複数の静電モータの前記外側ユニット同士を積層して構成したことを特徴とする積層型静電モータ。
4. 請求項１または２に記載の静電モータの少なくとも２つと、請求項１または２に記載の前記内側ユニット及び前記スペーサとを備え、
   該２つの静電モータの前記外側ユニット同士の間に前記スペーサを介して前記内側ユニットを配置して、該２つの静電モータ及び内側ユニットを積層して構成したことを特徴とする積層型静電モータ。

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