JP2015012774A - 静電電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】可動子と固定子の間の距離を狭めることなく、出力トルクの向上を図る。
【解決手段】本発明に係る静電電動機１は、互いに絶縁され、所定の方向でかつ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極５Ａ〜５Ｃを有する固定子２と、固定子に対向するように配置され、エレクトレット材料からなる複数の帯状電極６Ａを有する可動子３と、固定子の帯状電極に所定の電圧を印可し、固定子と可動子との電極間に作用する静電気のクーロン力で可動子を移動させるものであって、可動子のエレクトレット材料からなる帯電電極を配する基板表面３Ａから当該帯電電極の表面６Ａ１までの距離を離すことにより、帯電電極からの電界を固定子の帯状電極へ作用させるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、エレクトレット材料で構成した電極を有する静電電動機に関する。

磁石を使用しない静電電動機の１つとして静電モータが知られている。静電モータは軽い、薄い、構成が簡単といったメリットがあるが、磁石を使った電磁モータに比べ出力トルクが小さく、高電圧を必要とするため、未だに実用化に至っていない。出力トルクを大きくするためには、半導体プロセス技術を使ってフィルムに複数の電極を形成し、この複数の電極が形成されたフィルムを積層することで、大トルクを取り出す方法やエレクトレットと呼ばれる永久帯電した物質を電極として使用して駆動電圧を下げる方法が既に知られている。
特許文献１（特開平６−３１１７６３号公報）には、固定子上の電極に犠牲層を形成し、犠牲層上にエレクトレット層、多結晶シリコンの層を形成し、犠牲層を除去することで、エレクトレット層および多結晶シリコン層を剥離し、剥離したエレクトレット層および多結晶シリコン層が可動子となる構成が開示されている。この場合、固定子と可動子を対で作製するため、エレクトレットとそれに対向する電極間のギャップを精度良く形成することができる。
しかしながら、特許文献１の構成では生産性が悪い、コストがかかるといった問題がある。近年、フッ素樹脂をベースとした表面電荷密度の大きいエレクトレット材料（アモルファスフッ素樹脂、商品名「サイトップ」旭硝子製）が開発されており、モータの高トルク化にはこのような表面電荷密度の大きいエレクトレット材料を用いることが望ましい。しかしながら、特許文献１において、プロセス上の理由でフッ素樹脂系のエレクトレット材料を用いることは難しいと予想される。

特許文献２（特開２０１２−２５７３６８号公報）には、金属材料の上にエレクトレット材料を厚さ１５ｕｍ程度形成して一方の電極（エレクトレット電極）とし、１００μｍの距離（ギャップ）空けて他方の電極（対向電極）を配置し、一方の電極と他方の電極の間の静電誘導により発電を行う発電素子の構成が開示されている。特許文献２の構成では、エレクトレット材料の厚さ１５ｕｍに対し、距離（ギャップ）を１００μｍと十分離して、発電素子を構成している。この場合、距離（ギャップ）を狭めることにより、発電効率は良くなることが予想されるが、ギャップを狭めると、一方の電極と他方の電極の接触が懸念される。つまり、エレクトレット材料と対向電極間に形成される電界強度を、ギャップ間距離を狭めることで大きくする方法は、コスト、生産性およびデバイスの安定性の面で課題がある。

本発明は、互いに対向する可動子と固定子の間の距離を狭めることなく、出力トルクの向上を図ることを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る静電電動機は、互いに絶縁され、所定の方向でかつ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有する固定子と、固定子に対向するように配置され、エレクトレット材料からなる複数の帯状電極を有する可動子と、固定子の帯状電極に所定の電圧を印可し、固定子と可動子との電極間に作用する静電気のクーロン力で可動子を移動させるものであって、可動子のエレクトレット材料からなる帯電電極を配する基板表面から当該帯電電極の表面までの距離を離すことにより、帯電電極からの電界を固定子の帯状電極へ作用させるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、可動子のエレクトレット材料からなる帯電電極を配する基板表面から当該帯電電極の表面までの距離を離すことにより、帯電電極からの電界を固定子の帯状電極へ作用させるようにしたので、固定子と可動子の距離を狭めることなく、固定子側の帯状電極と可動子のエレクトレット材料からなる帯電電極の間で効率よく電界を形成することができる。それにより、固定子と可動子の距離が離れていても電界強度が弱くなることがなく、出力トルクの向上を図ることができる。

本発明に係る静電電動機の第１の実施形態の主要構成をと示す斜視図。 （ａ）は第１の実施形態における固定子の構成を示す平面視図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 （ａ）は第１の実施形態における可動子の構成を示す平面視図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 固定子と可動子の部分拡大断面図であり、（ａ）、（ｄ）は導電層とエレクトレット電極の間に絶縁層を備えた本発明の特徴部分を示す図、（ｃ）は固定子と可動子の距離を広げた状態を示す図、（ｄ）は固定子と可動子の距離を狭めた状態を示す図。 本発明に係る可動子の構成と固定子との関係を示す部分拡大断面図。 本発明に係る可動子の別な実施形態を示す部分拡大断面図。 本発明に係る可動子の別な実施形態を示す部分拡大断面図。 本発明に係る可動子の別な実施形態を示す部分拡大断面図。 本発明に係る静電電動機の第２の実施形態の概略構成を示す斜視図。 本発明に係る静電電動機の第３の実施形態の主要構成をと示す斜視図。 固定子と可動子の電極数比率が３対２の場合における駆動制御を示すもので、（ａ）は電圧切替えと可動子の移動状態を模式的に示す図、（ｂ）は固定子への印加する電圧の切替えパターンを示す図。 固定子と可動子の電極数比率が３対４の場合における、電圧切替えパターンと可動子の移動状態を模式的に示す図。 電荷の注入に用いるコロナ荷電装置の概略構成図。 エレクトレット材料の電極の厚さと電界強度の関係の解析に用いた３次元電界シミュレーションモデルを示す図 エレクトレット材料の電極の厚さと電界強度の関係を示す図。 ＳＵ−８工法検討モデルの解析結果を示す図。 垂直方向の電界強度、水平方向の電界強度を示す電界ベクトル図。 可動子側のエレクトレット材料の電極の厚みを増やすと電界強度が大きくなることをコンデンサモデルで説明した図。

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。なお各図面において、同一部材又は同一機能を有する部材には、基本的には同一の符号を付し、重複説明は適宜省略する。

(第１の実施形態)
図１、図２、図３を用いて、本発明に係る静電電動機の第１の実施形態の構成について説明する。
第１の実施形態に係る静電電動機は、アキシャルギャップ型の静電モータ１である。図１に示すように、静電モータ１は薄い平面上に帯状電極としてのパターン電極５を形成した固定子２（以下「ステータ」と記す）と、帯状電極としてのパターン電極６を形成した可動子３（以下「ロータ」記す）と、駆動軸４を備えている。ステータ２とロータ３とは互いに対向して配置されていて、微小ギャップを保ちながら複数枚積層されて構成されている。駆動軸４は金属製で、ロータ３だけに連結されていて、ロータ３が回転移動することで一体回転するように構成されている。ステータ２とロータ３の間に微小ギャップを設ける方法としては、例えば特開２００５−２７８３２４号公報に記載のように数十μmのビーズをステータ２とロータ３の間に入れることや、特開２００５−２１０８５２号公報に記載のようにロータ３の側面にスペーサを挟む周知技術を用いて達成することができる。

ステータ２に形成された複数のパターン電極５には、ここでは、３相の配線が３つのパターン電極５を１組としてそれぞれ接続されている。この３相の配線はＵ、Ｖ、Ｗと記載する。図１に示す第１の実施形態では、ステータ２のパターン電極５にＵ、Ｖ、Ｗの３相の配線を接続して極数を３層として構成しているが、ステータ２側の相数は３相に限定されるものでしなく、２相の配線をして駆動するようにしても良い。

図２を用いてステータ２の構成についてより詳細に説明する。
ステータ２は、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、中心に貫通孔２Ｃを有する円環状の基板２Ａ上に複数のパターン電極５が形成されている。基板２Ａは、例えばガラス、セラミックス、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド等の絶縁体で構成されている。基板２Ａ上に形成された複数のパターン電極５は、複数の金属電極をパターン化して形成したもので、それぞれの個別電極に３相配線が行われている。図２の例では、Ｕ、Ｖ、Ｗの１組の配線のみを例示している。本実施形態において、Ｕ配線が成されてＵ電極となる個別電極には符号５Ａを付し、Ｖ配線が成されてＶ電極となる個別電極には符号５Ｂを付し、Ｗ配線が成されてＷ電極となる個別電極には符号５Ｃを付して区別している。基板２Ａの貫通孔２Ｃには、駆動軸４が絶縁部材を介してあるいは非接触状態で挿入される。パターン電極５の電極形状は、図２（ａ）に示すように、放射状のパターンとして形成されている。また、パターン電極５の各個別電極５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、エッジからの絶縁破壊を防ぐために、曲率化処理を行うこともある。
図３を用いてロータ３の構成についてより詳細に説明する。
ロータ３は、図３（ａ）に示すように、中心に貫通孔３Ｃを有する円環状の基板３Ａ上に複数のパターン電極６が形成されている。パターン電極６は、基板３Ａの表面に、積層された導電層３Ｂを介して形成されている。本実施形態において、基板３Ａの表面とは、導電層３Ｂの表面３Ｂ１を指す。

本実施形態において、パターン電極６は、帯状パターン膜に電荷を注入したエレクトレットとして形成されている。ここでエレクトレットとは、フッ素樹脂などの絶縁体に電場を加えて電気分極（正と負の電気に分かれた状態）を起させ、その状態が半永久的に保持されているものをいう。本実施形態の場合、図３（ｂ）に示すように、ガラス製の基板３Ａに導電層３Ｂを形成しているので、電場を加えた際の電気分極の状態が安定するので、パターン電極６をエレクトレットとして安定した状態で形成することができる。
上述した特許文献１には、静電引力に加え反発力(斥力)を利用してトルクを大きくする目的で、偶数個のエレクトレットを等間隔に形成し、隣接し合っているエレクトレットを互いに逆極性となるように帯電させて可動子とし、各エレクトレットの個数の倍数の電極をエレクトレットと対面するように等間隔に配置して各エレクトレットにそれぞれ２つの電極を対応させて固定子とし、固定子の電極の極性を順次切り替えることで、可動子を駆動させる駆動回路とが開示されている。しかし、この構成でトルクを大きくしようとすれば、エレクトレットの極数を増加させる必要があるが、極数が大きくなるとその分隣り合う逆極性のパターンが近接し、隣接するパターン(個別電極)間で放電を起す可能性がある。また、極性を交互に帯電させること自体が非常に難しい。

そこで本実施形態のように基板３Ａの同一平面上に形成されるエレクトレット電極となる個別電極６Ａは、全て＋極あるいは−極の何れかの同一極（単極）に帯電させて、単極の電極とした。このため、製造上容易に形成することができる。
このようにステータ２のパターン電極５に、エレクトレットされたパターン電極６を形成されたロータ３を近づけると、ステータ２とロータ３の間に電界が生じるため、ロータ３に給電手段が不要になり、モータ構造が大幅に簡素化できる。さらに、ロータ３のエレクトレット製の電極(パターン電極６／個別電極６Ａ)の表面電荷密度を向上させることによって、ステータ２側に印加する２相又は３相の交流電圧を低減することができる。このため、低電圧駆動が可能になり、モータ本体だけでなく駆動ドライバも小型化することができる。

個別電極６Ａについてより詳細に説明する。
図４（ｃ）、図４（ｄ）に示すように、基板３Ａの上に導電層３Ｂを介してエレクトレット電極となる個別電極６Ａを形成する場合、エレクトレット材料の膜厚は５〜２０μｍ程度が一般的である。そして個別電極６Ａの表面としての対向面６Ａ１と、個別電極６Ａと対向するステータ２側の例えば個別電極５Ａの表面となる対向面５Ａ１との電極間で電場を形成する。このときの電場は、個別電極６Ａの対向面６Ａ１と個別電極５Ａの対向面５Ａ１との間のギャップ距離ｄが短いほど、個別電極６Ａから出る電場が対向する個別電極５Ａへ伝えることができる。従って、図４（ｄ）に示すように、個別電極６Ａ（エレクトレット材料）の膜厚ｄ１よりも小さいギャップ距離ｄで個別電極５Ａを設置したほうが良い。
しかしながら、短いギャップ距離ｄを維持しながら、静電モータや静電アクチュエータを駆動させることは、基板２Ａ、３Ａの面精度や個別電極５Ａや個別電極６Ａの厚さのばらつきなど面から難しい。これを実現させるには、面精度の良いステータ２およびロータ３（可動子）を必要とし、さらに加工機械の精度も要求されるため、コスト的に不利となる。従って、現実的には、図４（ｃ）に示すように、ステータ２とロータ３の距離Ｄをロータ３（可動子）が移動しても接触しない距離として、個別電極６Ａの対向面６Ａ１と電極５Ａの対向面５Ａ１との間のギャップ距離ｄを広くして装置を構成した方がコスト面や安定性の面では好ましい。
しかし、このようにステータ２とロータ３の距離Ｄやギャップ距離ｄを広げてしまうと、個別電極６Ａの対向面６Ａ１とロータ３の導電層３Ｂの距離ｄ１、すなわち、ここでは個別電極６Ａの膜厚ｄ１が、ギャップ距離ｄよりも短くなり、個別電極６Ａと導電層３Ｂとの間で電界を形成しやすくなる。このように、導電層３Ｂ上にエレクトレットの個別電極６Ａを形成した構成では、個別電極６Ａと対向する個別電極５Ａ間に電界を効率良く形成するのが難しい。図４ではステータ２側の電極として個別電極５Ａを代表して例示しているが、個別電極５Ｂ、５Ｃと個別電極６Ａ間においても同様の現象が発生する。なお、個別電極５Ｂ、５Ｃと対向面は、便宜的に５Ａ１として表記する。

このような課題を解決するには、ステータ２とロータ３の距離Ｄを十分に確保しつつも、個別電極６Ａの対向面６Ａ１とロータ３の導電層３Ｂの距離ｄ１よりを広げるのが望ましい。そこで、本実施形態では、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、ロータ３側のエレクトレットの個別電極６Ａと導電層３Ｂ間に絶縁層６０を設けている。図４（ａ）、図４（ｂ）において、個別電極６Ａの対向面６Ａ１と個別電極５Ａの対向面５Ａ１との間のギャップ距離ｄは、図４（ｃ）と同じ距離としている。図４（ａ）と図４（ｂ）の違いは、絶縁層６０の厚さｄ２の違いである。
図４（ｂ）と図４（ｃ）を比較した場合、絶縁層６０の厚さｄ２の分だけ、対向面６Ａ１と導電層３Ｂの距離ｄ１が大きくなる。この結果として、対向面６Ａ１と対向電極５Ａの対向面５Ａ１間のギャップ距離ｄと対向面６Ａ１と導電層３Ｂの距離ｄ１との比率ｄ／ｄ１が小さくなって導電層３Ｂへ逃げる電界が低減し、図４（ｂ）の構成の方が、図４（ｃ）の構成に比べて効率良く個別電極６Ａから対向する電極５Ａ間に電界を形成することができる。
更に、絶縁層６０の厚さｄ２を、対向面６Ａ１と対向面５Ａ１間のギャップ距離ｄよりも大きくすることで、図４（ａ）に示すように、個別電極６Ａの対向面６Ａ１と個別電極５Ａの対向面５Ａ１との間のギャップ距離ｄを維持しつつ、図４（ｂ）に比べて導電層３Ｂと対向面６Ａ１との距離ｄ１を大きくし、かつステータ２とロータ３の距離Ｄを拡げる（大きくする）ことができる。このため、より効率良く個別電極６Ａと個別電極５Ａの互いの対向面間に電界を形成することができる。

図５は、図４（ａ）の構成を図３に示すロータ３に適用した場合の拡大断面図である。
図５においては、上側にステータ２、下側にロータ３を配置し、両者の間に距離Ｄを形成して対向配置している。ロータ３はガラスなどの絶縁性の基板３Ａ上に金属からなる導電層３Ｂが積層されて形成されている。導電層３Ｂの上には絶縁層６０のパターンが形成され、その絶縁層６０のパターン上にエレクトレット材料でパターンを形成してパターン電極６（個別電極６Ａ）を形成している。図５においては、導電層３Ｂを形成したガラスなどの絶縁性の基板３Ａを用いているが、基板３Ａには金属材を用いても構わない。導電層３Ｂは接地されている。

ここで、本実施形態に係るロータ３の製造方法について具体的に説明する。
可動子となるロータ３は、ガラス製の基板３Ａ上に、アルミなどの金属膜を蒸着などの方法により、０．１から１μｍ程度形成する。アルミ膜上にエポキシ樹脂からなるネガレジストＳＵ８（日本化薬株式会社製）を１０〜１００μｍ程度、スピンコートあるいはスリットコータなどにより膜を形成する。ネガレジストＳＵ８を所定のパターンに露光、現像を行い、厚さ（高さ）が１０〜１００μｍ程度、幅が５〜３００μｍ程度のパターンを形成する。この上に、エレクトレット用サイトップＥＧＧ−８１１（旭硝子株式会社製）を５〜２０μｍ程度スピンコートで形成する。サイトップを１０ｕｍ以上の厚さにする場合、複数回スピンコートを行い、重ね塗りすることで１０ｕｍ以上にすることができる。
更に、サイトップ上にアルミ膜などの金属膜を蒸着などの方法により０．１から１μｍ程度生成し、金属膜上にフォトレジストＴＳＭＲ―８８００（東京応化工業株式会社製）をスピンコートにて形成し、フォトレジストの露光、現像を行い、金属のエッチングを行い、フォトレジストおよび金属のパターンを形成する。フォトレジストおよび金属のパターンをマスクとして、サイトップをオゾンプラズマでアッシングを行なう。オゾンプラズマのアッシングにおいて、フォトレジストおよびパターン開口部分のサイトップが除去される。サイトップ上に残った金属をエッチングし、厚さ（高さ）が１０〜１００μｍ程度、幅が５０〜３００μｍ程度のネガレジストＳＵ８のパターン上に、厚さ（高さ）厚さが５〜２０μｍ程度のサイトップ製の個別電極６Ａを形成する。
以上のような製造方法で、絶縁層６０にネガレジストＳＵ８、エレクトレット電極となる個別電極６Ａにサイトップを用いたロータ３（可動子）を得ることができる。

ロータ３のエレクトレット材料を帯電させる方法として、一般的に絶縁体を帯電させる方法であれば手段を選ばずに用いることができる。たとえば、G.M.Sessler, Electrets Third Edition,pp20,Chapter2.2“Charging and Polarizing Methods”(Laplacian Press, 1998)に記載のコロナ放電法、電子ビーム衝突法、イオンビーム衝突法、放射線照射法、光照射法、接触帯電法、液体接触帯電法等が適用可能である。本発明においては特にコロナ放電法、電子ビーム衝突法を用いることが好ましい。
図１３にコロナ帯電器の概略図を示す。該コロナ荷電装置においては、コロナ針７２と、電極７３とが対向配置され、直流高圧電源装置７１（たとえばＨＡＲ−２０Ｒ５；松定プレシジョン製）により、コロナ針７２と電極７３との間に高電圧を印加できるようになっている。コロナ針７２と電極７３との間にはグリッド７４が配置され、該グリッド７４にはグリッド用電源７５からグリッド電圧を印加できるようになっている。また、パターン膜に注入される電荷の安定を図るため、ホットプレート７６によって、電荷注入工程中のパターン膜をガラス転移温度以上に加熱できるようになっている。符号７７は電流計である。該コロナ装置の電極７３上に、パターン膜が形成された基板を戴置し、ホットプレート７６によって加熱し、グリッド用電源７５からグリッド７４にグリッド電圧を印加するとともに、直流高圧電源装置７１によりコロナ針７２と電極７３との間に高電圧を印加する。これにより、コロナ針７２から放電した負イオンが、グリッド７４で均一化された後、電極７３上に戴置したガラス基板６１表面のパターン膜上に降り注ぎ、電荷が注入される。
−５から−２０ｋＶ程度の高電圧をコロナ針７２に印加し、コロナ帯電させる。上記の方法で帯電させた可動子上のエレクトレット材料は、表面電荷密度が−１から−２ｍＣ／ｍ2の永久帯電を維持する。
このように、基板３Ａ上に導電層３Ｂを介して形成されるにエレクトレット材料のパターンの個別電極６Ａと導電層３Ｂとの間に絶縁層６０を設けることで、個別電極６Ａの対向面６Ａ１がロータ３上の導電性層３Ｂからの離れ、対向電極５Ａ〜５Ｃと個別電極６Ａ間で効率よく電界を形成することができる。これにより、ステータ２とロータ２の距離Ｄが離れていても電界強度が弱くなることがなく、静電モータ１のトルクを大きくすることができる。
本実施形態では導電層３Ｂを接地しているので、導電層３Ｂの電位が０Ｖに固定され、個別電極６Ａの電位も変動することがなく、個別電極６Ａの帯電状態が安定する。このため、静電モータ１として使用する場合の電圧制御を容易に行うことができる。また、静電電動機がアキシャルギャップ型の場合、パターン電極５、６の形成を平面上に行うため作製が容易である。さらにがアキシャルギャップ型の場合、ステータ２とロータ３を一対として、これらの積載数を増やすことで、駆動トルクを増やすことができる。すなわち、ステータ２とロータ３を一対として複数積層することで、駆動トルクを容易に増やすことができる。

次に、可動子の別な実施形態について説明する。
図５に示したロータ３では、基板３Ａ上の導電層３Ｂとエレクトレット材料で構成された個別電極６Ａとの間に絶縁層６０を介装したが、図６に示す実施形態では、絶縁層６０の側面を覆うようにエレクトレット材料で個別電極６Ａを形成し、個別電極６Ａと導電層３Ｂとを同通させている。
図６に示す実施形態において、ロータ３の導電層３Ｂは接地されているので、導電層３Ｂの電位が０Ｖに固定され、エレクトレット材料の個別電極６Ａの電位も変動することがなく、個別電極６Ａの帯電状態が安定する。このため、このようなロータを図１に示した静電モータ１に適用すると、電圧制御を容易に行うことができる。また、図６に示す構成の場合、フォトレジストをマスクとしてサイトップをオゾンプラズマでアッシングするときの、フォトレジストのマスクサイズを調整することにより、絶縁層６０の側面を覆うようにして個別電極６Ａを容易に作製することができるという利点もある。
図６に示すロータ３では、個別電極６Ａで絶縁層６０を覆うようにして個別電極６Ａと導電層３Ｂとを同通させたが、図７に示す実施形態におけるロータ３は、絶縁層６０の上部に個別電極６Ａを形成するとともに、導電層３Ｂ上に、個別電極６Ａと導電層３Ｂとを同通するための導電部９を形成した。
このように構成しても、ロータ３の導電層３Ｂは接地されているので、導電層３Ｂの電位が０Ｖに固定され、エレクトレット材料の個別電極６Ａの電位も変動することがなく、個別電極６Ａの帯電状態が安定する。このため、このようなロータ３を図１に示した静電モータ１に適用すると、電圧制御を容易に行うことができる。

図７に示すロータ３の構造の作製について説明する。
絶縁層６０のネガレジストＳＵ８のパターンを形成後、アルミなどの金属膜を蒸着などの方法により、０．１〜１μｍ程度形成する。アルミ膜状にフォトレジストＴＳＭＲ―８８００（東京応化工業株式会社製）をスピンコートにて形成し、フォトレジストの露光、現像を行い、フォトレジストのパターンを形成する。フォトレジストのパターンをマスクとして、アルミ膜をアルミエッチング液（東京応化工業株式会社製）で所定の部分の除去を行う。更に、フォトレジストＴＳＭＲ―８８００を溶剤などにより除去し、絶縁層６０のネガレジストＳＵ８の側面が導電層９で覆われた状態となる。これ以降は図５で説明した製造方法と同様にして、サイトップＥＧＧ−８１１（旭硝子株式会社製）の形成、フォトレジストＴＳＭＲ―８８００（東京応化工業株式会社製）の形成、露光、現像を行い、サイトップをオゾンプラズマでアッシング、フォトレジストＴＳＭＲ―８８００の除去といった手順で図７の構造体を作製することができる。

上記形態では、個別電極６Ａの対向面６Ａ１と導電層３Ｂの距離ｄ１を広げるのに、個別電極６Ａと導電層３Ｂの間に絶縁層６０を設け、導電層３Ｂから対向面６Ａ１の位置を嵩上げして、個別電極５Ａの対向面５Ａ１と対向面６Ａ１のギャップ距離ｄを狭めるようにした。導電層３Ｂから対向面６Ａ１の位置を嵩上げするには、必ずしも絶縁層６０を設ける必要は無く、例えば、図８に示すように、所定の厚さの個別電極６Ａを複数積層して、導電層３Ｂから対向面６Ａ１の位置を離すように形成してもよい。つまり、所定の厚さの個別電極６Ａを複数積層して対向面６Ａ１と導電層３Ｂの距離ｄ１を広め、個別電極５Ａの対向面５Ａ１と対向面６Ａ１のギャップ距離ｄを狭めるようにしてもよい。

本実施形態では、アキシャルギャップ型のロータ３のパターン電極６をエレクトレットにしたが、エレクトレットのパターン電極６を用いる実施形態としては、このような形態に限定されるものではなく、他の形態の静電電動機に適用しても良い。

次に、本発明者らは、コンピュータを使用した３次元電界シミュレーションで、エレクトレット電極（個別電極６Ａ）の厚さが、個別電極６Ａと個別電極５Ａ間での電界に与える影響を検討した。エレクトレット電極は簡略してエレクトレットと称する。
エレクトレットで強い電界を発生させるには、２つの方法が考えられる。
・高い表面電荷密度を持った材料を使用する。
・エレクトレットの厚みを増やす。
高い表面電荷密度を実現するのは材料による所が大きいため、ここではエレクトレットの厚みを増やすことを検討する。
（解析条件）
１．エレクトレットの厚み
図１４に３次元電界シミュレーションモデルを示す。また、表１に解析の設定条件を示す。

モデル全長はｘ＝１８００μｍ、高さy＝５６０μm＋エレクトレット厚み、幅ｚ＝５００μｍである。境界条件としては上下境界が０Ｖ、左右境界が対称境界に設定する。ステータはガラスエポキシ上に３相電極が配置されており、ロータは金属上にエレクトレットが配置されている。ステータ・ロータ間のGAPかっこは５０μｍに固定し、エレクトレットの厚みを変化させる。その時の空気層に働く垂直電界強度Ｅｙを比較した。
解析結果を図１５に示す。
図１５はエレクトレットの厚さと電界強度の関係を示す。図１５は、縦軸を垂直方向最大電界強度Ｅy（ｋＶ／ｍｍ）とし、横軸をエレクトレットの厚さｔ（μｍ）としている。
この解析結果からエレクトレットの厚みを増やすとステータ・ロータ間のギャップを一定に保ったまま、電界強度を大きくすることができる。

しかし、実際に金属基板上にCYTOP（エレクトレット材料）を厚く塗布する方法は現実的ではない。そこで、高アスペクト比が比較的容易に製作できるフォトレジスト用絶縁材料のＳＵ−８を絶縁層として厚く塗布し、その上にCYTOP（エレクトレット材料）を塗布する方法を検討した。ここでは、下記３つの工法の違いにより、電界強度に影響がないかシミュレーション上で検討した。
（解析条件）
ＳＵ−８工法検討モデル
（１）．ＳＵ−８（絶縁層）厚さ５０μｍ＋エレクトレット（CYTOP）厚さ１０μm
（２）．エレクトレット単体 厚さ６０μm（ｄｅｆａｕｌｔ）
（３）．エレクトレット単体 厚さ１０μm（ｄｅｆａｕｌｔ）
なお、シミュレーションは図１４とほぼ同じモデルを使用する。今回のシミュレーションは、空気の絶縁破壊強度も考慮してエレクトレットの表面電荷密度を−０．３ｍＣ／ｍ^２、３相電極の電圧を１５０Ｖに設定した。

ＳＵ−８工法検討モデルの解析結果を図１６に示す。
図１６は、縦軸を電界強度（ｋＶ／ｍｍ）とし、横軸をＸ方向距離（μｍ）としている。図１６では電界強度が大きい方から順に下記のようになる。
エレクトレット単体６０μｍ（２）＞ＳＵ−８ ５０μm＋エレクトレット１０μm（１）＞エレクトレット１０μm（３）
（１）のＳＵ−８＋エレクトレットの組み合わせは、（２）のエレクトレット単体６０μｍにはやや劣る程度であり、電界強度としては問題ないといえる。
図１６中、ロータ製作プロセスの違いによる電界強度分布も示す。図１６中、符号Ｅｙは垂直方向の電界強度（引力、斥力）、Ｅｘは水平方向の電界強度を示している。

図１７に、それぞれの工法を比較した電界ベクトル図を示す。図１７において、電界強度は電界強度表示部２００に色が変化して示される。電界強度は、電界強度表示部２００の一端２００ａよりも他端２００ｂが強い電界強度を示している。
この結果、（３）のエレクトレット単体１０μｍより、（１）のＳＵ−８ ５０μm＋エレクトレット１０μｍ、（２）のエレクトレット単体６０μmの方が電界強度は大きくなっている。
（３）のエレクトレット単体１０μｍは、表面電荷密度−０．３ｍＣ/ｍ２、電極−１５０Ｖ付近で斥力が働いているように見えるが、（１）のＳＵ−８ ５０μm＋エレクトレット１０μｍ、（２）のエレクトレット単体６０μmだと、エレクトレット側に引き寄せられる引力電界になっている。
このことから引力電界になるのでスイッチングを行う際は注意が必要であり、斥力を発生させるには、電界強度に応じて電極側に−１５０Ｖよりも大きな電圧をかけるのが好ましい。

エレクトレットの厚みを増やすと電界強度が大きくなる点について図１８に示すコンデンサモデルを使用し、考察を行った。
図１８に示すように、誘電体が表面電荷Qs、誘電体表面電位Vsを保持しているとする。ここで、コンデンサの電荷Qは容量C、電圧Vより下記の数式１で表すことができる。

面積一定として空気側の容量Ｃａ、誘電側の容量Ｃｂを定義すると下記の数式２、数式３になる。

数式２、数式３において、真空中の誘電率ε0、誘電体の誘電率ε、ギャップg、誘電体の厚みｄを示す

次に誘電体表面電位Ｖｓを表面電荷Ｑｓと数式２、数式３を使って定義すると数式４になる。

これより電界強度Ｅは誘電体表面電位Vsとギャップgを使って数式５で定義することができる。

ここで、仮にε=g=1とすると、数式５は次の数式６のようになる。

数式６を使って、誘電体の厚みを変化させると数式７、数式８のようになる。
誘電体の厚みｄ＝１の場合

誘電体の厚みｄ＝２の場合

よって、数式７、数式８が示すように、誘電体の厚みを増やすと電界強度が増加することが分かる。このため、エレクトレットの厚みを増やすと電界強度が増加するとともに、ＳＵ−８を使った工法は電界強度の観点からすると実用上問題ないということになる。
つまり、導電層３Ｂ上に、個別電極６Ａを積層して個別電極６Ａを形成しても良いし、導電層３Ｂ上に絶縁層６０を介して個別電極６Ａを形成しても、電界強度の低下を抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に図９を用いて第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、静電電動機としてラジアルギャップ型の静電モータ１０を示している。図９に示すように、静電モータ１０は、円筒状の固定子となるステータ１２と、ステータ１２内に配置された可動子となる円柱状のロータ１３とを備えている。ステータ１２とロータ１３とは半径方向に隙間Ｄを有するように配置されていて、それぞれに帯状電極として形成されたパターン電極１５とパターン電極１６が接触しないように構成されている。パターン電極１５は、線方向に延在し、絶縁性のステータ１２の内周面１２Ａの周方向に、複数の金属電極をパターン化して形成したもので、それぞれの個別電極に３相配線が行われている。図９の例では、Ｕ、Ｖ、Ｗの１組の配線のみを例示している。本実施形態において、Ｕ配線が成されてＵ電極となる個別電極には符号１５Ａを付し、Ｖ配線が成されてＶ電極となる個別電極には符号１５Ｂを付し、Ｗ配線が成されてＷ電極となる個別電極には符号１５Ｃを付して区別している。
絶縁層を有する円筒状のロータ１３の外周面１３Ａには、複数のエレクトレット材料で構成されたパターン電極１６が形成されている。パターン電極１６は、外周面１３Ａ上に金属により複数の個別電極１６Ａが軸線方向に延在し、周方向に形成されていて、各個別電極１６Ａに、単相の配線７がスリップリング８、駆動軸１４を介して接続されている。本形態では、ロータ１３の回転中心に金属製の駆動軸１４が装着されていて、駆動軸１４と金属電極１６Ａとがロータ内部で接触している。

このような構成において、ステータ１２の各個別電極１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃに３相交流電流を流すとともに、ロータ１３の個別電極１６Ａを−極とし、個別電極１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃの極を、順次切り替えることで、ステータ１２とロータ１３間に静電気のクーロン力が作用する。このクーロン力は、ロータ１３の個別電極１６Ａの−極に対して＋極となるステータ側の個別電極との間には引力が発生し、−極となるステータ側の個別電極との間には斥力が発生する。このため、個別電極１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃの極の切換え方向、すなわち、各相で発生する電界の合成磁界が順次方向を変えて移動する方向にステータ１３を移動することができる。また、本実施形態のように、ロータ１３のパターン電極１６の各個別電極１６Ａが単極であることで、ロータ１３への給電手段が簡素化でき、駆動ドライバの部品も少なくて済むことから、小型化を図り易くなる。また、ロータ１３に給電しない場合よりも、パターン電極１５、１６間の静電気のクーロン力を多く得ることができ、十分な駆動力を得ることができる。
第１の実施形態のようにアキシャルギャップ型は放射状に電極パターン５Ａを形成する際、内周と外周の長さが異なるためピッチが可変するが、本実施形態のようにラジアル型の場合、ピッチが可変するということはなく、組み付けが容易である。また、ラジアルギャップ型の場合、各電極の軸線方向の長さを長くすることによりトルクの増大を図ることができる。個別電極１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃに対する極の切換え制御については、後述する。

このような構成のロータ１３のエレクトレット材料で構成された個別電極１６Ａを、上述したロータ３の個別電極６Ａのように、ロータ１３の外周面１３Ａ上に導電層３Ｂを介して個別電極１６Ａを形成し、個別電極１６Ａと導電層３Ｂの間に絶縁層６０を設けることで、個別電極１６Ａの対向面がロータ１３上の導電性層３Ｂからの離れ、対向電極１５Ａ〜１５Ｃと個別電極１６Ａ間で効率よく電界を形成することができる。これにより、ステータ１２とロータ１３の距離Ｄが離れていても電界強度が弱くなることがなく、静電モータ１０のトルクを大きくすることができる。
また、導電層３Ｂを接地し、導電層３Ｂと個別電極１６Ａとを導電層９を介して同通いることですることで、導電層３Ｂの電位が０Ｖに固定され、個別電極１６Ａの電位も変動することがなく、個別電極１６Ａの帯電状態が安定する。このため、静電モータ１０として使用する場合の電圧制御を容易に行うことができる。

（第３の実施形態）
次に図１０を用いて第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、静電電動機としてリニア型の静電電動機２０を説明する。基本的な構成はアキシャルギャップ型、ラジアルギャップ型と同じであり、帯状電極としてのパターン電極２５を備えた固定子としてのステータ２２と、帯状電極としてのエレクトレット材料で構成されたパターン電極２６を備えた可動子２３とが互いて隙間Ｄを持って構成されている。
ステータ２２は、絶縁性の基板２２Ａ上に複数のパターン電極２５が可動方向と直交する方向に延在し、可動方向に間隔を空けて形成されている。基板２２Ａ上に形成された複数のパターン電極２５は、複数の金属電極をパターン化して形成したもので、それぞれの個別電極に３相配線が行われている。本形態にでは、Ｕ、Ｖ、Ｗの１組の配線のみを例示している。本実施形態において、Ｕ配線が成されてＵ電極となる個別電極には符号２５Ａを付し、Ｖ配線が成されてＶ電極となる個別電極には符号２５Ｂを付し、Ｗ配線が成されてＷ電極となる個別電極には符号２５Ｃを付して区別している。
可動子２３は、絶縁性の基板２３Ａ上に金属により複数の個別電極２６Ａが可動方向と直交する方向に延在し、可動方向に間隔を空けて形成されている。パターン電極２６は、基板２３Ａ上に金属により複数の個別電極２６Ａが形成されていて、各個別電極２６Ａに単相の配線７が接続する。

このような構成において、ステータ２２の各個別電極２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃに３相交流電流を流すとともに、可動子２３の個別電極２６Ａを−極とし、個別電極２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの極を、順次切り替えることで、ロータ２２と可動子２３間に静電気のクーロン力が作用する。このクーロン力は、可動子２３の個別電極２６Ａの−極に対して＋極となるステータ側の個別電極との間には引力が発生し、−極となるステータ側の個別電極との間には斥力が発生する。このため、個別電極２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの極の切換え方向、すなわち、各相で発生する電界の合成磁界が順次方向を変えて移動する方向に可動子２３を移動することができる。また、本実施形態のように、可動子２３のパターン電極２６の各個別電極２６Ａが単極であることで、可動子２３への配線を簡略化することができるので、静電電動機２０および印加するための駆動ドライバの小型化、軽量化を図ることができる。可動子２３に給電しない場合よりも、パターン電極２５、２６間の静電気のクーロン力を多く得ることができ、十分な駆動力を得ることができる。

リニア型の静電電動機の特徴としては、回転型であるアキシャルギャップ型やラジアルギャップ型に比べて、電極パターン２５、２６の寸法精度が緩和でき、比較的製作しやすい点にある。このようなリニア型の静電電動機２０の場合、可動子２３への給電手段が簡素化でき、駆動ドライバの部品も少なくて済むことから、小型化を図り易くなる。また、ポリイミドフィルムを基材として、ロータ２２および可動子２３を作製することも可能である。

このような構成の可動子２３のエレクトレット材料で構成された個別電極２６Ａを、上述したロータ３の個別電極６Ａのように、可動子２３の基板２３Ａ上に導電層３Ｂを介して個別電極２６Ａを形成し、個別電極２６Ａと導電層３Ｂの間に絶縁層６０を設けることで、個別電極２６Ａの対向面が可動子２３上の導電性層３Ｂからの離れ、対向電極２５Ａ〜２５Ｃと個別電極２６Ａ間で効率よく電界を形成することができる。これにより、ステータ２２と可動子２３の距離Ｄが離れていても電界強度が弱くなることがなく、リニア型の静電電動機２０のトルクを大きくすることができる。
また、導電層３Ｂを接地し、導電層３Ｂと個別電極２６Ａとを導電層９を介して同通いることですることで、導電層３Ｂの電位が０Ｖに固定され、個別電極２６Ａの電位も変動することがなく、個別電極２６Ａの帯電状態が安定する。このため、リニア型の静電電動機２０として使用する場合の電圧制御を容易に行うことができる。

次に、上述した静電電動機の駆動原理となる極性切換え制御の実施形態について説明する。
（第４の実施形態）
図１１（ａ）は、固定子と可動子の各個別電極と、各個別電極への電圧の印加状態を模式的に示し、図１１（ｂ）は固定子へ印加する電圧の切替パターンを示す。本形態では可動子（ロータ）側は１相であり、固定子側は３相交流電圧を印加するようにしている。そして、固定子と可動子の個別電極数の比率を、固定子側が可動子側よりも大きくして異なるようにしている。図１１の例では、固定子の個別電極を４５０極とし、可動子の個別電極を３００極としている。図１１（ａ）は、回転角度０°を開始位置として回転角度０．６°まで移動した状態を示している。
本実施形態では、可動子のエレクトレット電極が−帯電した状態とする。本実施形態において可動子のエレクトレット電極を−極（マイナス極）に帯電させたが、＋極（プラス極）に帯電させることも可能である。
固定子側は、図１１（ｂ）に示すように、３相交流に給電し、所定角度(ここでは０．１°)毎に、Ｖ電極、Ｗ電極、Ｕ電極に対して＋極、０、−極に電極の極性切換え制御がなされている。なお、所定角度は０．１°に限定されるものではない。

このように各個別電極を定義した場合、固定子の＋極と可動子の−極の間には引力が発生する。同時に固定子の−極と可動子の−極の間には斥力が発生する。固定子の０と可動子の−極の間には引力が発生するが、固定子の＋極と可動子の−極の間に発生する引力に比べて小さい。図１１（ａ）の例では、これら引力と斥力(静電気のクーロン力)を利用して可動子が右方向へ移動する。このように固定子の電極にかける電圧を角度毎に＋、０、−に極性切換え制御すべくスイッチングさせることで、可動子は右方向に持続的に移動する。すなわち、図１１に示す極性切換え制御では、斥力と引力の双方を駆動力として利用しているので、十分な駆動力を得ることができる。
この極性切換え制御を、第１、第２の実施形態で示した各静電モータに適用することで、駆動軸４、１４を持続的に回転駆動することができ、第３の実施形態で示した静電電動機２０に利用することで、モータ以外のリニア型の静電電動機の駆動を持続的に行うことができるようになる。
このような静電電動機の駆動方法とすることにより、可動子が単相であっても駆動することができるので、実用上十分な駆動トルクと剛性を実現しつつも、小型・軽量・薄型な静電電動機を実現することができる。

（第５の実施形態）
図１２を用いて、極性切換え制御の別な実施形態について説明する。
図１２は、固定子と可動子の各個別電極と、各個別電極への電圧の印加状態を模式的に示す。本実施形態では可動子（ロータ）側は１相であり、固定子側はパルス電圧を印加するようにしている。そして、固定子と可動子の個別電極数の比率を、固定子側よりも可動子側を大きくして異ならせている。図１２の例では、固定子の個別電極を４５０極とし、可動子の個別電極を６００極としている。図１１は、回転角度０°を開始位置として回転角度０．２°まで移動した状態を示している。
本実施形態では、可動子のエレクトレット電極が−帯電した状態とする。本実施形態において可動子のエレクトレット電極を−極（マイナス極）に帯電させたが、＋極（プラス極）に帯電させることも可能である。
固定子側は、パルス電圧に給電し、ここでは、Ｖ電極、Ｗ電極、Ｕ電極に対して初期において＋極、−極、−極とし、第１の所定角度(０．１５°)移動後に電極の極性切換え制御を行って＋極、＋極、−極とし、第２の所定角度(０．２°)となると、電極の極性切換え制御を行って−極、＋極、−極とする。

このように各個別電極を定義した場合、固定子の＋極と可動子の−極の間には引力が発生し、この引力を利用して可動子が図中、右方向へ移動する。このように固定子の個別電極への電圧の極性切換え制御をすべくスイッチングさせることで、可動子は右方向に持続的に移動する。すなわち、図１１に示す極性切換え制御では、引力のみを駆動力として利用している。そしてこの実施形態の場合、固定子の＋極と可動子の−極とが対向して引力が作用する極数が増えることで、駆動トルクが増大することになり、十分な駆動力を得ることができる。
この極性切換え制御を、第１、第２の実施形態で示した各静電モータに適用することで、駆動軸４、１４を持続的に回転駆動することができ、第３の実施形態で示した静電電動機２０に利用することで、モータ以外のリニア型の静電電動機の駆動を持続的に駆動することができるようになる。

次に、静電電動機の駆動力について説明する。
ここで静電電動機の推進力Fxtotalおよび平均トルクＴを求める数式９、数式１０を下記に記載する。
ε０：空気の誘電率
Ｇ：固定子・可動子間のギャップ[ｍｍ]
Ｌ：電極長さ[ｍｍ]
Ｖ：印加電圧[V]
Ｎ：電極数（固定子と可動子）
ｔ：積層数（固定子と可動子）
ｒ：外半径[ｍｍ]
ｒ０：内半径[ｍｍ]

上記数式９、数式１０から、トルクを増やすためには以下の方法が考えられる。
（１）電圧を上げる。
（２）固定子や可動子の基板に形成される電極数および積層数を増やす。
（３）固定子・可動子間のギャップを狭くする。
（４）各個別電極の長さを大きくする。
駆動トルクを増やすには（１）の電圧を上げる方法が一番効果的だが、絶縁破壊の課題や駆動ドライバが大型化する課題がある。このため、最大でも印加電圧を１ｋＶ程度しか上げることができない。また、（３）の固定子・可動子間のギャップを狭くする方法も機械公差や回転時のブレの観点から難しく、実現できたとしてもコストが大幅にアップしてしまう。（４）の各個別電極の長さを大きくすることは、静電電動機が大型化してしまう。
このような観点から、静電電動機の小型化を実現しつつ、駆動トルクを増やすには（２）の固定子や可動子の基板に形成される個別電極数および積層数を増やす方法が好ましい。また、上記で説明したように、可動子の基板上に導電層を介して形成されるエレクトレット材料のパターンの個別電極と導電層との間に絶縁層を設けることで、個別電極がロータ上の導電性層からの距離が離れ、対向する電極と個別電極間で効率よく電界を形成することができる。これにより、固定子と可動子の距離が離れていても電界強度が弱くなることがなく、静電電動機のトルクを大きくすることができる。つまり、可動子と固定子の距離（Ｄ）（エレクトレット製の電極と対向電極の間のギャップ間距離ｄ）を狭めることなく、出力トルクの向上を図ることができる。

１，１０ 静電モータ（静電電動機）
２，１２，２２ ステータ（固定子）
３，１３ ロータ（可動子）
５，１５，２５ 複数の帯状電極
６，１６，２６ エレクトレット材料からなる複数の帯状電極
５Ａ１ 対向面（帯状電極の表面）
６Ａ１ 対向面（帯状電極の表面）
２０ 静電電動機
２３ 可動子
３Ａ 基板
３Ｂ 導電層
３Ｂ１ 基板表面
６０ 絶縁層
ｄ 可動子の帯電電極の表面と固定子の帯電電極の表面との距離
ｄ１ 基板表面と帯電電極の表面との距離
ｄ２ 絶縁層の厚み
Ｄ 固定子と可動子の距離

特開平６−３１１７６３号公報 特開２０１２−２５７３６８号公報

Claims (8)

1. 互いに絶縁され、所定の方向でかつ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有する固定子と、前記固定子に対向するように配置され、エレクトレット材料からなる複数の帯状電極を有する可動子と、前記固定子の帯状電極に所定の電圧を印可し、前記固定子と前記可動子との電極間に作用する静電気のクーロン力で前記可動子を移動させる静電電動機において、
   前記可動子のエレクトレット材料からなる帯電電極を配する基板表面から当該帯電電極の表面までの距離を離すことにより、帯電電極からの電界を固定子の帯状電極へ作用させることを特徴とする静電電動機。
2. 前記帯電電極を配する基板表面から当該帯電電極の表面までの距離をｄ１とし、前記可動子の帯電電極の表面から、前記表面と対向する側に位置する固定子の帯電電極の表面までの距離をｄとしたとき、ｄ１＞ｄ＞０．５ｄ１としたことを特徴とする請求項１記載の静電電動機。
3. 前記距離ｄ１は、前記可動子の帯電電極と前記基板の間に絶縁層を介装することで形成されていることを特徴とする請求項２記載の静電電動機。
4. 前記距離ｄ１は、前記可動子の帯電電極を積載することで形成されていることを特徴とする請求項２または３記載の静電電動機。
5. 前記基板は、その表面に導電層を有し、
   前記可動子の帯電電極は、前記導電層上に絶縁層を介して形成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の静電電動機。
6. 前記導電層が接地されていることを特徴とする請求項５記載の静電電動機。
7. 前記可動子の帯電電極と前記導電層が接地されていることを特徴とする請求項５記載の静電電動機。
8. 前記固定子と前記可動子の対が、複数積層されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の静電電動機。

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