JP2016046834A - 静電電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】静電電動機の固定子と可動子との間のギャップ（距離）が、一定に保たれることを容易にする固定子及び可動子の構成を提供する。【解決手段】静電モータ１０では、可動子１３の回転時の面ぶれに追従するように固定子１２が弾性変形し、固定子１２と可動子１３との間のギャップｄを一定に保つようにしている。回転していないときは、固定子１２の第１電極１５に所定の電圧パターンを印加していないので、固定子１２と可動子１３との間に静電気による引力・斥力は発生しない。回転しているときは、固定子１２の第１電極１５に所定の電圧パターンを印加するので、固定子１２と可動子１３との間に静電気による引力・斥力が発生する。所定の回転範囲で固定子１２に働く力と、固定子１２の基材１７が有する弾性とのバランスで、固定子１２と可動子１３との間のギャップｄが一定に保持される。【選択図】図４

Description

本発明は、静電電動機に関する。

磁石を使用しない静電電動機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利点があるが、磁石を使った電磁モータに比べトルクが小さく、高電圧を必要とするため未だに実用化に至っていない。
トルクを大きくするため、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、このフィルムを積層して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使って駆動電圧を下げる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このように、静電モータはもともとトルクが小さいため、固定子と可動子との間の距離（以下、「ギャップ」ともいう）が回転に与える影響が大きく、固定子と可動子との接触により滑らかな回転が得られないという問題がある。そこで、この問題を解消するために、ギャップ保持機構及び移動方向保持機構を設けることにより、トルク低下を防止する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、特許文献２に代表される技術では、構造的に複雑である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、静電電動機の固定子と可動子との間の距離であるギャップが、一定に保たれることを容易にする固定子及び可動子の構成を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、弾性変形可能な基材上に設けられ、該基材の中心から放射する方向で且つ所定の間隔を設けて配置された、金属からなる複数の帯状の第１の電極を有する固定子と、前記固定子に対して絶縁され、且つ該固定子に対向して設けられるとともに中心から放射する方向に配置された、金属又はエレクトレット材料からなる複数の帯状の第２の電極を有する可動子と、を備え、前記固定子の第１の電極に所定の電圧パターンを加えて、前記固定子と前記可動子との間に作用する静電気のクーロン力で前記可動子を回転させる静電電動機であって、前記可動子が回転しているときに前記固定子が変形し、前記固定子と前記可動子との間の距離が一定に保たれるように構成した。

本発明によれば、上記構成により、可動子の回転に追従して固定子が弾性変形するので、静電電動機の固定子と可動子との間の距離を一定に保つことができる。

本発明を適用する参考例に係る静電モータの主要構成を示す斜視図である。 （ａ）は参考例に係る静電モータの固定子の構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）を展開した要部の断面図である。 （ａ）は参考例に係る静電モータの可動子の構成を示す平面視図、（ｂ）は（ａ）を展開した要部の断面図である。 実施形態１に係る静電モータの要部構成を模式的に示す図であって、静電モータの片側半分の断面図である。 （ａ）は比較例１に係る静電モータの片側半分を模式的に示す断面図である。（ｂ）は実施形態２に係る静電モータの片側半分を模式的に示す断面図である。（ｃ）は比較例２に係る静電モータの片側半分を模式的に示す断面図である。 変形例１に係る静電モータの可動子の片側半分を模式的に示す断面図である。 図６を裏面から見た場合の模式的な底面図である。 変形例２に係る静電モータの片側半分を模式的に示す断面図である。 電荷の注入に用いるコロナ荷電装置の概略構成図である。 （ａ）は電圧切替えによって固定子に対する可動子の回転移動位置関係を模式的に示す図、（ｂ）は固定子へ印加する電圧の切替えパターンを示す図である。

以下、図を参照して実施例を含む本発明の実施の形態（以下、「実施形態」という）を詳細に説明する。各実施形態等に亘り、同一の機能及び形状等を有する構成要素（部材や構成部品）等については、混同の虞がない限り一度説明した後では同一符号を付すことによりその説明を省略する。図及び説明の簡明化を図るため、図に表されるべき構成要素であっても、その図において特別に説明する必要がない構成要素は適宜断わりなく省略することがある。公開特許公報等の構成要素を引用して説明する場合は、その符号に括弧を付して示し、各実施形態等のそれと区別するものとする。

（参考例）
本発明の実施形態を説明する前に、図１〜図３を用いて、本発明を適用する好適な一参考例を説明する。図１は、本発明を適用する参考例に係る静電モータの主要構成を示す斜視図である。
図１に示すように、参考例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。静電モータ１は、薄い平板上に帯状電極としてのパターン電極５が形成されたステータとも呼ばれる固定子２と、帯状電極としてのパターン電極６が形成されたロータとも呼ばれる可動子３と、駆動軸としての回転軸４と、を備えている。

固定子２と可動子３とは互いに対向して配置されていて、固定子２と可動子３との間の微小な距離であるギャップを一定に保ちながら複数枚積層されて構成されている。回転軸４は、金属製であり、可動子３だけに連結されていて、可動子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。固定子２と可動子３との間に微小なギャップを設ける方法としては、例えば特開２００５−２７８３２４号公報記載の技術のように数十μmのビーズを固定子２と可動子３の間に入れることで達成することができる。あるいは、特開２００５−２１０８５２号公報記載の技術のように可動子３の側面にスペーサを挟む周知技術を用いて達成してもよい。

固定子２に形成された複数のパターン電極５には、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と記載されている。可動子３に形成された複数のパターン電極６には、単相の配線７がされている。可動子３への給電は、スリップリング８と呼ばれる内面に給電ブラシがついたものを回転軸４に装着し、このスリップリング８に配線７を接続することで、回転軸４経由で行われる。図１に示す参考例では、固定子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相として構成しているが、固定子２側の相数は３相に限定されるものでなく、２相の配線をして駆動するようにしてもよい。

図２を用いて、固定子２の構成についてより詳細に説明する。図２（ａ）は参考例に係る静電モータの固定子の構成を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）を展開した要部の断面図である。
固定子２には、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、複数のパターン電極５が中心に貫通孔２Ｃを有する円環状の基板２Ａ上に形成されている。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対応して３相配線がされている。図２の例では、Ｕ、Ｖ、Ｗの１組の配線のみを例示している。本参考例において、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、回転軸４が絶縁部材（図示せず）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、貫通孔２Ｃの中心から放射する方向（半径方向若しくは遠心方向でもある）に延びた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、可動子３の構成についてより詳細に説明する。図３（ａ）は参考例に係る静電モータの可動子の構成を示す平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）を展開した要部の断面図である。
可動子３には、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、複数のパターン電極６が中心に貫通孔３Ｃを有する円環状の基板３Ａ上に形成されている。基板３Ａも、基板２Ａと同様に、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。パターン電極６は、貫通孔３Ｃの中心から放射する方向（半径方向）に延びた金属により構成された複数の個別電極６Ａで構成されている。各個別電極６Ａには、単相の配線が接続されている。本参考例では、基板３Ａの貫通孔３Ｃに金属製の回転軸４が挿入されることにより、回転軸４と金属製の個別電極６Ａとが接触するとともに、回転軸４と基板３Ａとが固定されて一体化される。

このような構成において、可動子３の個別電極６Ａを−極とし、固定子２の各個別電極５Ａ、５Ｂ、５Ｃに３相交流電流を流すとともに、個別電極５Ａ、５Ｂ、５Ｃの極を、順次切り替えることにより、固定子２と可動子３との間に静電気のクーロン力が作用する。このクーロン力によって、可動子３の個別電極６Ａの−極に対して＋極となる固定子２側の個別電極との間には引力が発生し、−極となる固定子２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５Ａ、５Ｂ、５Ｃの極の切替え方向、即ち、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３を移動することができる。また、本参考例のように、可動子３のパターン電極６の各個別電極６Ａが単極であることで、可動子３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、可動子３に給電しない場合よりも、パターン電極５、６間の静電気による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。個別電極５Ａ、５Ｂ、５Ｃに対する電圧切替え制御については、後述の実施形態及び実施例でまとめて説明する。

尚、参考例において、金属製の複数の個別電極６Ａを有する可動子３に代えて、帯状パターン膜に電荷を注入したエレクトレットを用いてパターン電極を形成した可動子（図示せず）であってもよい。この場合、図１を借りて説明すると、回転軸４は参考例同様、上記図示しない可動子だけに連結されていて、この可動子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。上記図示しない可動子は、図３を借りて説明すると、中心に貫通孔３Ｃを有する円環状の基板（図示せず）上にエレクトレットからなる複数のパターン電極（図３（ａ）に示したと同様のパターン形状）が形成されている。上記図示しない基板は、ガラスなどの絶縁性の材料からなる基板と、この基板の表面に形成された金属層からなり、この金属層上に、エレクトレットからなる複数のパターン電極が形成されている。

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。本例の場合、上記絶縁性の基板上に上記金属層を形成し、金属層をアースと接地しているので、電場を加えた際の電気分極の状態が安定し、パターン電極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。

従来、アキシャルギャップ型の静電モータにおいて、固定子及び可動子を変形しない材料で基材を構成し、ギャップを制御するために固定子及び可動子の平面度が良い基材を用いることが一般的である。また、モータとして組み付けるときの精度も要求される。最終的には、可動子の回転するときの面ぶれを防止し、固定子と可動子との間のギャップ（距離）を一定にするような固定子・可動子の構成にすることが理想である。しかしながら、このような構成を低コスト・簡便な構成で達成することは難しい。基本的には、可動子の回転時の面ぶれをゼロにすることは不可能であり、固定子と可動子との間の距離であるギャップはある程度変動する。

（実施形態１）
図４を用いて、実施形態１を説明する（請求項1）。図４は、実施形態１に係る静電モータ１０の要部構成を模式的に示す図であって、静電モータ１０の片側半分の断面図である。
本実施形態１では、図４に示すアキシャルギャップ型の静電モータ１０を用いて説明する。静電モータ１０は、参考例の静電モータ１と比較して、固定子２に代えた固定子１２を用いる点が実質的に相違する。静電モータ１０は、参考例の静電モータ１に対して、符号を変えているが、可動子１３は可動子３と、回転軸１４は回転軸４と、それぞれ実質的に同様の構成である。また、図１の静電モータ１では固定子２及び可動子３が複層構成であったが、本実施形態１に係る静電モータ１０では、図及び説明の簡明化を図るため、固定子１２及び可動子１３を単層の場合で説明する。尚、実施形態１は、図４の構成に限らず、固定子１２と可動子１３との間の微小なギャップｄを一定に保ちながら複数枚積層されて構成されていてもよいことは無論である。
静電モータ１０は、図４に示すように、薄い平板上に帯状電極・第１の電極としての第１電極１５が形成された固定子１２と、固定子１２に対して絶縁され、帯状電極・第２の電極としての第２電極１６が形成された可動子１３と、回転軸１４と、を備えている。

固定子１２に形成された第１電極１５は、弾性変形可能な基材１７上に設けられ、該基材１７の中心から放射する方向で且つ所定の間隔を設けて配置された、金属からなる複数の帯状の電極である。第１電極１５は、絶縁体であるポリイミドフィルム等の保護フィルムからなる保護層１９で覆われ、可動子１３に形成された第２電極１６と対向して配置されている。第１電極１５は、図２（ａ）、図２（ｂ）に示した参考例の固定子２に形成された複数のパターン電極５（３相配線が施された個別電極５Ａ、５Ｂ、５Ｃを有する）と同様の電極構成であり、これを図４において単純化し且つ誇張して示している。固定子１２は、参考例の固定子２と比較して、上述した以外の構成、例えば複数のパターン電極５からなる第１電極１５への給電方法等は、参考例の固定子２と同様である。

可動子１３に形成された第２電極１６は、固定子１２の第１電極１５に対向して設けられるとともに、基材１８の下面に設けられ、該基材１８の中心から放射する方向に配置された、金属又はエレクトレット材料からなる複数の帯状の電極である。第２電極１６は、図３（ａ）、図３（ｂ）に示した参考例の可動子２に形成された複数のパターン電極６と同様の電極構成であり、これを図４において単純化し且つ誇張して示している。可動子１３は、参考例の可動子３と比較して、上述した以外の構成、例えば複数のパターン電極６からなる第２電極１６への給電方法等は、参考例の可動子３と同様である。尚、可動子１３の第２電極１６がエレクトレットから構成されている場合には、図１に示したような給電は特には必要ない。

図４に示すように、実施形態１の静電モータ１０では、固定子１２と可動子１３との間のギャップｄがある程度変動することを前提としている。即ち、図中上下の太矢印で示すように、可動子１３の回転時の面ぶれに追従するように固定子１２が弾性変形し、固定子１２と可動子１３との間のギャップｄを一定に保つようにしている。回転していないときは、固定子１２の第１電極１５に所定の電圧パターンを印加していないので、固定子１２と可動子１３との間に静電気による引力・斥力は発生しない。回転しているときは、固定子１２の第１電極１５に所定の電圧パターンを印加するので、固定子１２と可動子１３との間に静電気による引力・斥力が発生する。

このとき、固定子１２の第１電極１５と可動子１３の第２電極１６とが異なる符号の電圧の場合、これら２つの電極間に、静電気のクーロン力による引力が作用する。固定子１２の第１電極１５と可動子１３の第２電極１６とが同じ符号の電圧の場合、第１電極１５と接地間に電界を形成しやすく、また第２電極１６と接地間に電界を形成しやすい。そのため、第１電極１５と第２電極１６との間に電界を形成しにくく、引力ほど斥力は発生しない。更に、可動子１３を回転させると固定子１２と可動子１３との間が負圧となるので、固定子１２が可動子１３に近づく方向に力が発生する。以上のように、回転時には静電引力及び負圧による力により、固定子１２には可動子１３に近づく方向に力が発生する。固定子１２と可動子１３との間の距離であるギャップｄは、回転時に所定の距離となるように、静止時の距離はわずかに大きめに設定される。また、所定の回転範囲で固定子１２に働く力と、固定子１２の基材１７が有する弾性とのバランスで、固定子１２と可動子１３との間のギャップｄが一定に保持される。

以上説明したとおり、実施形態１によれば、固定子の基材に弾性変形可能な部材を用い、可動子の回転に追従して固定子が弾性変形するので、固定子と可動子との間の距離・ギャップを一定に保つことができる。

（実施形態２）
図５を用いて、本発明の実施形態２を説明する（請求項２）。図５（ａ）は、比較例１に係る静電モータ１０Ｘ１の片側半分を模式的に示す断面図であって、静電モータ１０Ｘ１を構成する固定子１２Ｘ１のヤング率が規定値に対して小さいときを示す断面図である。図５（ｂ）は、実施形態２に係る静電モータ１０の片側半分を模式的に示す断面図であって、静電モータ１０を構成する固定子１２のヤング率が規定値内にある適正なときを示す断面図である。図５（ｃ）は、比較例２に係る静電モータ１０Ｘ２の片側半分を模式的に示す断面図であって、静電モータ１０Ｘ２を構成する固定子１２Ｘ２のヤング率が規定値に対して大きいときを示す断面図である。
静電モータ１０Ｘ１、１０Ｘ２は、図１に示した参考例の静電モータ１と同様のアキシャルギャップ型の静電モータである。静電モータ１０Ｘ１、１０Ｘ２においても、図の簡明化及び説明の統一化を図るため、固定子１２Ｘ１、１２Ｘ２及び可動子１３を単層の場合で説明する。

本実施形態２では、図４に示した実施形態１に係る静電モータ１０の固定子１２と可動子１３との間のギャップｄを一定に保つため、固定子１２の形成に用いる基材１７の弾性を規定するヤング率及び基材１７の厚みの範囲を決めている。表１に、固定子１２と可動子１３との間のギャップ［μｍ］に放電限界の電圧［Ｖ］を印加したときの、固定子１２と可動子１３との間に働く引力［Ｎ］、及び固定子１２と可動子１３との各たわみ量［μｍ］を示す。
ただし、可動子１３の基材１８のヤング率を５０ＧＰａ、基材１８の厚みを０．５ｍｍ、固定子１２の基材１７のヤング率を１０ＧＰａ、基材１７の厚みを０．５ｍｍ以下とした。また、可動子１３の帯状の第２電極１６の内径がφ４０ｍｍ、外径がφ１２０ｍｍ、本数が４５０本等間隔に配列したときの値である。

表1における放電限界、引力、可動子・固定子のたわみ量については、以下の（１）式〜（３）式を用いて計算で求めた。
放電限界 Ｖｂ＝３１２＋６．２×ｄ （パッシェン則）・・・（１）式
（ｄ：ギャップ・距離：単位μｍ、ただし８μｍ＜ｄ＜１００μｍ）
引力 Ｆ＝０．５×ε0×Ｓ×（Ｖｂ／ｄ）^２・・・（２）式
（ε0：真空中の比誘電率、Ｓ：電極面積）
たわみ量 δ＝３×（ｍ−１）×（５ｍ＋１）×Ｆ×ｒ^４／（１６×Ｅ×ｍ^２×ｔ³）
・・・（３）式
（Ｅ：ヤング率、１／ｍ：ポアソン比、ｒ：半径、ｔ：厚み）

表1より、固定子１２と可動子１３との間のギャップｄが４０〜１００μｍの範囲において、固定子１２の基材１７と可動子１３の基材１８とのヤング率及び厚みを上記に設定しておくと、固定子１２と可動子１３とは接触しないことが分かった。即ち、可動子１３の基材１８のヤング率は５０ＧＰａ以上、厚みは０．５ｍｍ以上なので、表１のたわみ量は可動子１３の最大のたわみ量である。固定子１２の基材１７のヤング率は１０ＧＰａ以下、厚みは０．５ｍｍ以下なので、表１のたわみ量は固定子の最小のたわみ量である。

実際の、固定子の基材と可動子の基材とのヤング率及び厚みは、静電モータの仕様により決定される。図５（ａ）の比較例１のように、固定子１２の基材１７のヤング率が小さい場合、可動子１３が回転するときの基材１８の面ぶれによらず、固定子１２が可動子１３に接触し続ける。

図５（ｃ）の比較例２のように、固定子１２の基材１７のヤング率が大きい場合、可動子１３が回転するときの基材１８の面ぶれによらず、固定子１２の基材１７の変形はおこらず、固定子１２と可動１３との間のギャップは可動子１３の面ぶれにより変動し続ける。

一方、図５（ｂ）の本実施形態２のように、固定子１２の基材１７のヤング率が適正な場合、可動子１３が回転するときの基材１８の面ぶれに追従して、固定子１２の基材１７の変形がおこり、固定子１２と可動子１３との間のギャップｄを一定に保ち続ける。
実際の静電モータは、可動子の第２電極の径がφ１２０ｍｍよりも小さく、試算されるたわみ量も表１より小さくなる。従って、本実施形態２で規定した固定子及び可動子の各基材のヤング率・厚みの範囲内であれば、固定子と可動子とが接触しないヤング率・厚みを設定することが可能である。

以上説明したとおり、本実施形態２によれば、固定子と可動子との間の距離の範囲、固定子及び可動子の各基材のヤング率及び厚みの範囲を規定することにより、実施形態１の効果を確実に奏することができる。

（変形例１）
図６、図７を用いて、実施形態２の変形例１を説明する（請求項３）。図６は変形例１に係る静電モータ１０Ａの可動子の片側半分を模式的に示す断面図、図７は図６を裏面から見た場合の模式的な底面図である。
実施形態２の静電モータ１０は、固定子１２と可動子１３との間のギャップｄを４０〜１００μｍの範囲で一定に保ち、可動子１３を回転させる構造である。固定子１２と可動子１３との間のギャップｄが４０〜１００μｍと狭いので、可動子１３を回転させると固定子１２と可動子１３との間の空間が負圧となり、固定子１２と可動子１３とが近づく方向にそれぞれ変形する。静電気による引力だけでなく、負圧により変形するので、固定子１２と可動子１３とが接触しやすくなってしまう。

そこで、変形例１では、実施形態２の静電モータ１０に代えて、図６、図７に示す静電モータ１０Ａを用いて、固定子１２と可動子１３Ａとが近づく方向にそれぞれ変形するのを防止する。変形例１の静電モータ１０Ａは、実施形態２の静電モータ１０と比較して、可動子１３に代えて、可動子１３Ａを用いている点のみ相違する。この相違点以外の変形例１の静電モータ１０Ａは、実施形態２の静電モータ１０と同様である。
図６、図７に示すように、静電モータ１０Ａは、固定子１２と可動子１３Ａとの間の圧力を制御するために、可動子１３Ａの内周部に空気吸入構造としての空気入流部分２０と、可動子１３の外周部に空気排出構造としての空気排出部分２１とをそれぞれ設けている。空気入流部分２０及び空気排出部分２１は、フィン状の形状をなし、固定子１２側に突出する高さは問わず、例えば図示するように、第２電極１６が固定子１２側に突出する高さよりも低くても十分である。あるいは、可動子１３Ａの内周部に空気を吸入する空気吸入孔及び可動子の外周部に空気を排出する空気排出孔部分だけを備えるような、高さを有さない構造であってもよい。これにより、固定子１２と可動子１３Ａとの間が回転時に負圧になるのを防ぎ、固定子１２と可動子１３Ａとの間の圧力を適正な圧力になるようにしている。

以上説明したとおり、変形例１によれば、可動子に空気吸入構造、空気排出構造を設けることで、実施形態２の範囲で調整できない場合においても、実施形態１の効果を確実に奏することができる。

（変形例２）
図８を用いて、実施形態２の変形例２を説明する（請求項４）。図８は変形例２に係る静電モータ１０Ｂの片側半分を模式的に示す断面図である。
変形例１の効果を得るためには、可動子１３Ａの空気入流部分２０及び空気排出部分２１が、フィン状の形状をなし、固定子１２側に突出する高さは問わず、例えば第２電極１６が固定子１２側に突出する高さよりも低くても十分であった。あるいは、可動子１３Ａの内周部に空気吸入孔及び可動子の外周部に空気排出孔のような高さを有さない構造であってもよいものであった。
しかしながら、実際の静電モータにおいて、静電気による引力及び負圧の影響により固定子と可動子とが近づく方向に変形するだけでなく、外部からの振動により固定子と可動子とが接触する可能性がある。

そこで、変形例２では、変形例１の静電モータ１０Ａに代えて、図８に示す静電モータ１０Ｂを用いて、固定子と可動子とが接触することを防止する。ここで、「固定子と可動子とが接触する」とは、固定子の第１電極及び可動子の第２電極の何れか一方が固定子の第１電極及び可動子の第２電極の何れか他方と接触することを含むことを意味する。変形例２の静電モータ１０Ｂは、変形例１の静電モータ１０Ａと比較して、可動子１３Ａに代えて、可動子１３Ｂを用いている点のみ相違する。この相違点以外の変形例２の静電モータ１０Ｂは、変形例１の静電モータ１０Ａと同様である。
図８に示すように、可動子１３Ｂの第２電極１６は、対向する固定子１２の第１電極１５に向けて可動子１３Ｂから突出するように設けられていて、固定子１２と対向する方向の可動子１３Ｂの第２電極１６の高さｈａで形成されている。可動子１３Ｂは、可動子１３Ａと比較して、空気入流部分２０及び空気排出部分２１の各フィン状の形状における固定子１２と対向する方向の高さｈｂが、可動子１３Ｂの第２電極１６の高さｈａよりも高く・大きく形成されている点が相違する。これにより、上記の予測できない振動においても、空気入流部分２０及び空気排出部分２１の各フィン状の形状の高さｈｂを、可動子１３Ｂの第２電極１６の高さｈａよりも大きく形成することにより、固定子と可動子とが接触することを防止することができる。
なお、変形例２では、空気入流部分２０及び空気排出部分２１の各下端が固定子１２の保護層１９と接触することにより、固定子１２と可動子１３Ｂとの間のギャップが一定に保たれるようにしている。このため、空気入流部分２０及び空気排出部分２１の各下端と保護層１９との接触部分の摩擦係数を低減する形状・材質に工夫することは無論である。

以上説明したとおり、変形例２によれば、可動子の空気吸入構造、空気排出構造における各フィン状の形状の高さを、可動子の第２電極の高さよりも大きく形成することにより、固定子と可動子の第２電極とが接触することを未然に防止することができる。従って、実施形態２及び変形例１の範囲で調整できない場合においても、実施形態１の効果を確実に奏することができる。

（実施例１）
実施形態１及び２に対応した固定子及び可動子の作製に関する実施例１について説明する。
固定子の第１電極を、基材として厚みが２５μｍのポリイミドフィルム上に形成した。使用したポリイミドのヤング率は、５ＧＰａ程度である。このとき、第１電極は、幅が０．２６６°、電極間のスペースの幅が０．２６６°、第１電極内側の半径が２２ｍｍ、第１電極外側の半径が５６ｍｍ、電極総数６７５本となる放射状の電極とした。また、固定子の第１電極は、３相電極とし、３相電圧を印加できる構成とした。第１電極上に厚みが１２．５μｍのポリイミドフィルムからなる保護フィルムを貼り付けている（図４等の保護層１９参照）。また、３相電圧を給電するための配線を基材のポリイミドフィルムの裏面に形成している。そのため、裏面の配線上に厚みが０．５ｍｍのポリイミドフィルムからなる保護フィルムを貼り付けている。固定子のポリイミドフィルムの全厚みは約０．５ｍｍとなる。

可動子の第２電極を、直径１２５ｍｍ、厚みが１．１ｍｍのテンパックスフロート（登録商標名）のガラス基板（基材）上に形成した。使用したガラスのヤング率は、６３ＧＰａ程度である。このとき、第２電極は、幅が０．４°、電極間のスペースの幅が０．４°、電極内側の半径が２２ｍｍ、電極外側の半径が５６ｍｍ、電極総数４５０本となる放射状の電極とした。第２電極は、エレクトレット材料である旭硝子製サイトップ「Ｃｙｔｏｐ」（登録商標名）を使用した。

可動子の作製方法について具体的に説明する。上記基材としてのガラス基板上に、アルミニウム（以下、「Ａｌ」と記載する）などの金属膜を蒸着などの方法により、０．１〜１μｍ程度の厚みで形成する。上記に記載した第２電極よりも幅が狭いＡｌのパターンをフォトリソグラフィーにより形成する。このＡｌ電極上に、サイトップを５〜２０μｍ程度の厚みとなるようスピンコートで形成する。サイトップを１０μｍ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１０μｍ以上にすることができる。更に、サイトップ上に、Ａｌなどの金属膜、フォトレジストＴＳＭＲ―８８００（東京応化工業株式会社製）を形成し、フォトレジストの露光、現像を行い、Ａｌなどの金属膜のエッチングを行い、サイトップをアッシングする際のマスクパターンを形成する。マスクのパターンは最初に形成したＡｌのパターンに一致させて、マスクパターンの幅は最初に形成したＡｌパターンの幅よりも広くなるように形成する。Ａｌ金属膜及びフォトレジスト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い、最後にマスクとしたＡｌ金属膜をエッチングして、サイトップの第２電極を形成する。

（実施例２）
変形例１及び２に対応した固定子及び可動子の作製に関する実施例２について説明する。
固定子の第１電極を、基材として厚みが２５μｍのポリイミドフィルム上に形成した。使用したポリイミドのヤング率は５ＧＰａ程度である。このとき、第１電極は、幅が０．２６６°、電極間のスペースの幅が０．２６６°、電極内側の半径が２２ｍｍ、電極外側の半径が５６ｍｍ、電極総数６７５本となる放射状の電極とした。また、固定子の第１電極は３相電極とし、３相電圧を印加できる構成とした。第１電極上に厚みが１２．５μｍのポリイミドフィルムからなる保護フィルムを貼り付けている（図４等の保護層１９参照）。また、３相電圧を給電するための配線を基材のポリイミドフィルムの裏面に形成している。そのため、裏面の配線上に厚みが０．１ｍｍのポリイミドフィルムからなる保護フィルムを貼り付けている。固定子のポリイミドフィルムの全厚みは約０．１ｍｍとなる。

可動子の第２電極を、直径１２５ｍｍ、厚みが１．１ｍｍのテンパックスフロート（登録商標名）のガラス基板（基材）上に形成した。使用したガラスのヤング率は６３ＧＰａ程度である。このとき、第２電極は、幅が０．４°、第２電極間のスペースの幅が０．４°、第２電極内側の半径が２２ｍｍ、第２電極外側の半径が５６ｍｍ、電極総数４５０本となる放射状の電極とした。第２電極は、エレクトレット材料である旭硝子製サイトップ「Ｃｙｔｏｐ」（登録商標名）を使用した。

可動子の作製方法について具体的に説明する。上記基材としてのガラス基板上に、Ａｌなどの金属膜を蒸着などの方法により、０．１〜１μｍ程度の厚みで形成する。上記に記載した第２電極よりも幅が狭いＡｌのパターンをフォトリソグラフィーにより形成する。このＡｌ電極上に、サイトップを５から２０μｍ程度スピンコートで形成する。サイトップを１０μｍ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１０μｍ以上にすることができる。更に、サイトップ上に、Ａｌなどの金属膜、フォトレジストＴＳＭＲ―８８００（東京応化工業株式会社製）を形成し、フォトレジストの露光、現像を行い、Ａｌなどの金属膜のエッチングを行い、サイトップをアッシングする際のマスクパターンを形成する。マスクのパターンは最初に形成したＡｌのパターンに一致させて、マスクパターンの幅は最初に形成したＡｌパターンの幅よりも広くなるように形成する。Ａｌ金属膜及びフォトレジスト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い、最後にマスクとしたＡｌ金属膜をエッチングして、サイトップの第２電極を形成する。
サイトップの電極パターンの内周部と外周部に構造物形成用ネガレジストＳＵ８（日本化薬株式会社製）を用いて、空気吸入構造としての空気入流部分２０及び空気排出構造としての空気排出部分２１の各フィン状の形状（図８参照）を形成する。各フィンの高さｈｂ（図８参照）は５０μｍとなるように、ＳＵ８を５０μｍ塗布して形成した。

（実施例３）
実施形態１及び２に対応した可動子の第２電極の帯電方法に関する実施例３について説明する。
可動子の第２電極を構成する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。例えば、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９に、コロナ帯電器の概略構成図を示す。図９は、可動子の第２電極がエレクトレット材料で構成されている場合、電荷の注入に用いるコロナ荷電装置の概略構成図である。
図９に示すコロナ荷電装置においては、コロナ針７２と、電極７３とが対向配置される。そして、直流高圧電源装置７１（例えば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。該コロナ荷電装置の電極７３上に、第２電極のパターン膜が形成された基板を載置し、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。これと同時に、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上に載置したガラス基板６１表面のパターン膜上に降り注ぎ、電荷が注入される。
−５〜−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、帯電量が−２００〜−４００Ｖの永久帯電を維持することとなる。

（実施例４）
図１０を用いて、実施例１及び２に対応した静電モータの駆動方法（極性切替え制御）に関する実施例４について説明する。図１０は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図である。図１０（ａ）は電圧切替えによって固定子に対する可動子の回転移動位置関係を模式的に示す図、図１０（ｂ）は固定子のＵＶＷ３相へ印加する電圧の切替えパターンを示す図である。
本実施例では、可動子側は第２電極がエレクトレットからなり、固定子の第１電極（個別電極）側には３相交流電圧を加えるようにしている。そして、固定子と可動子との個別電極数の比率を、３：２としている。図１０の例では、固定子の第１電極（個別電極）数を６７５極とし、可動子の第２電極（個別電極）数を４５０極としている。本実施例では、可動子の第２電極がエレクトレットであるので−帯電した状態とする。固定子側は、図１０（ｂ）に示すように、３相交流電圧を給電し、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、−極に電極の極性切替え制御がなされている。

図１０（ａ）において、固定子の３相電極のＵ電極と可動子のエレクトレット電極が一致しているときを回転角度０°とする。回転角度が０°のとき、Ｕ電極＝０Ｖ、Ｖ電極＝−２５０Ｖ、Ｗ電極＝＋２５０Ｖとなるように電圧を加えると、Ｖ電極と可動子のエレクトレット電極間には斥力が、Ｗ電極と可動子のエレクトレット電極間には引力が、それぞれ発生する。これにより、可動子が図において右方向へ回転移動する。回転角度が０．３°になったとき、Ｕ電極＝−２５０Ｖ、Ｖ電極＝０Ｖ、Ｗ電極＝＋２５０Ｖとなるように電圧を加えると、Ｗ電極と可動子のエレクトレット電極間には引力が、Ｕ電極と可動子の別のエレクトレット電極間には斥力が、それぞれ発生する。これにより、可動子が図において右方向へ更に回転移動する。回転角度が０．６°になったとき、Ｕ電極＝−２５０Ｖ、Ｖ電極＝＋２５０Ｖ、Ｗ電極＝０Ｖとなるように電圧を加えると、Ｖ電極と可動子のエレクトレット電極間には斥力が、Ｗ電極と可動子のエレクトレット電極間には引力が、それぞれ発生する。これにより、可動子が図において右方向へ更に回転移動する。このとき、Ｗ電極と可動子のエレクトレット電極が一致し、回転角度０°の状態が、Ｕ電極からＷ電極へずれた状態となる。従って、一連の３相の電圧切替え制御を繰り返すことで、可動子の連続的な回転が可能となる。
図１０に示す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。

実施例１及び２の固定子と可動子の組み合わせにおいて、３相の第１電極への電圧周期が４００μｓｅｃで回転数約３３０ｒｐｍの静電モータの回転を確認している。このときの駆動トルクは約１５ｍＮｍであり、消費電力は約２８ｍＷである。ただし、消費電力は固定子に給電した３相の第１電極間のリーク電流による電力消費も含まれており、静電モータ本体の消費電力はこの値よりも小さい。

実施例１の固定子と可動子の組み合わせにおいて、可動子が回転してしないときの固定子と可動子との間のギャップを１００〜１５０μｍとなるように調整している。固定子の基材であるポリイミドフィルムの厚みを約０．５ｍｍとすることで、固定子が回転している可動子のほうへ変形するが、固定子が可動子に接触しないような条件とし、固定子と可動子との間を５０〜１００μｍの範囲で一定に保っている。

実施例２の固定子と可動子の組み合わせにおいて、可動子が回転してしないときの固定子と可動子との間のギャップを５０〜１００μｍとなるように調整している。固定子の基材であるポリイミドフィルムの厚みを約０．１ｍｍとし、図８に示すように空気入流部分２０及び空気排出部分２１を可動子１３Ｂに設けた。これにより、固定子が可動子に接触しないような条件とし、固定子と可動子との間のギャップを、図８に示した空気入流部分２０及び空気排出部分２１の高さｈｂである約５０μｍに一定に保っている。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態や変形例、実施例に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記実施形態や変形例、実施例等に記載した技術事項を適宜組み合わせたものであってもよい。
例えば、本発明は、図１〜図３に示した参考例を含むアキシャルギャップ型の静電電動機にも適用できることは無論である。

本発明の実施の形態に適宜記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１０、１０Ａ、１０Ｂ 静電モータ（静電電動機の一例）
１２ 固定子
１３、１３Ａ、１３Ｂ 可動子
１４ 回転軸
１５ 第１電極（第１の電極の一例）
１６ 第２電極（第２の電極の一例）
１７ 固定子の基材
１８ 可動子の基材
１９ 保護層
２０ 空気吸入部分（空気吸入構造の一例）
２１ 空気排出部分（空気排出構造の一例）

特開平０５−０６４４６３号公報 特許第２８５０４１３号公報

Claims (4)

1. 弾性変形可能な基材上に設けられ、該基材の中心から放射する方向で且つ所定の間隔を設けて配置された、金属からなる複数の帯状の第１の電極を有する固定子と、
   前記固定子に対して絶縁され、且つ該固定子に対向して設けられるとともに中心から放射する方向に配置された、金属又はエレクトレット材料からなる複数の帯状の第２の電極を有する可動子と、を備え、
   前記固定子の第１の電極に所定の電圧パターンを加えて、前記固定子と前記可動子との間に作用する静電気のクーロン力で前記可動子を回転させる静電電動機であって、
   前記可動子が回転しているときに前記固定子が変形し、前記固定子と前記可動子との間の距離が一定に保たれるように構成した静電電動機。
2. 請求項１記載の静電電動機において、
   前記固定子の第１の電極に所定の電圧パターンを加えて、前記固定子と前記可動子との間に作用する静電気のクーロン力で前記可動子を回転させる静電電動機であって、
   前記固定子と前記可動子との間の距離を４０〜１００μｍの範囲で一定に保つとともに、前記固定子の基材のヤング率が１０ＧＰａ以下で、且つ該基材の厚みが０．５ｍｍ以下であり、なお且つ前記可動子の基材のヤング率が５０ＧＰａ以上で、且つ該基材の厚みが０．５ｍｍ以上に設定したことを特徴とする静電電動機。
3. 請求項１又は２記載の静電電動機において、
   前記可動子の内周部に設けられた空気吸入構造と、前記可動子の外周部に設けられた空気排出構造とを有することを特徴とする静電電動機。
4. 請求項３記載の静電電動機において、
   前記空気吸入構造と前記空気排出構造とが共に前記固定子と対向する方向に突出するフィン状の形状をなし、
   第２の電極が、前記可動子から突出するように前記固定子と対向する方向に設けられており、
   前記フィン状の形状の前記固定子と対向する方向の高さが、前記固定子と対向する方向の前記可動子の第２の電極の高さよりも高いことを特徴とする静電電動機。

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