JP2814582B2

JP2814582B2 - 液体電極型静電モータ

Info

Publication number: JP2814582B2
Application number: JP17616189A
Authority: JP
Inventors: 圭一別井; 理伊形
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-07-07
Filing date: 1989-07-07
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: JPH0340777A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕静電モータの構造に関し、極めて微小な機械装置に使用され、そのスライド面の
摩擦抵抗が非常に小さい静電モータを提供することを目
的とし、表面張力の大きい液体電極に濡れない絶緑性表面層の
中に、複数の独立した前記液体電極によく濡れる電極金
属部を設けたステータと、複数の独立した電極金属部と
その上を覆って形成された前記液体電極に濡れない絶緑
性表面層を設けたロータと、前記ステータの複数の独立
した電極金属部に密着固定され、かつ、前記ロータの絶
緑性表面層との間に滑動可能なごとくに挟持された前記
液体電極と、前記ロータとステータのそれぞれの複数の
独立した前記電極金属部の一方または両方に多相パルス
電圧を印加する手段とを少なくとも備えるように液体電
極型静電モータを構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は極めて小型な静電モータの改良に関する。

近年、メカトロニクス技術の進歩発展にともない、各
種ロボットや制御機器の応用が益々盛んになってきてい
る。

とくに、最近は生体への応用や宇宙機器など超小形化
が要求される重要な分野が広がってきており、低消費電
力で比較的駆動力が大きく、かつ、超小型化が可能なマ
イクロ静電モータが注目されるようになってきた。

しかし、これら超小型の静電モータには未だ多くの改
良すべき点があり、とくにスライド部における摩擦抵抗
を低減する手段の開発が強く求められている。

〔従来の技術〕

超小型のマイクロ静電モータ，たとえば、マイクロ静
電リニアモータとしては、シリコン基板の上にステータ
を形成し、ロータは薄膜のポリシリコンで形成して全体
を極めてコンパクトにまとめる構成のものが提案されて
いる（Sensors and Actuators,vol.14,p269,1988参
照）。

第７図は従来のマイクロ静電リニアモータの例を示す
図で、図中、100は単結晶シリコン基板、103は下部ステ
ータ電極、104は上部ステータ電極、102はポリシリコン
薄膜ロータ、105はロータ上部電極、101はロータ受台で
ある。

この例の特徴は単結晶シリコン基板100の上に、いわ
ゆる、ICプロセスにより、上記各構成部分を必要に応じ
て絶緑膜あるいは選択エッチング性の中間層を介して積
層形成したあと、適当な方法，たとえば選択エッチング
によりポリシリコン薄膜ロータ102の部分だけをステー
タとなる単結晶シリコン基板100から切り離して、移動
可能なように構成していることである。すなわち、ICプ
ロセス技術を応用することによって小形化を図ってい
る。

ロータとステータとのスライド部分は、摩擦抵抗を小
さくするために巾の狭いロータ受け101を２個所に設け
ている。

駆動方法は以下に述べる静電リニアモータの通常法に
準じている。

第６図は静電リニアモータの基本構成を説明する図
で、駆動原理を理解するために最小限必要とする構成部
分のみを示したものである。

図中、50は下部ステータ、51は上部ステータ、60a,60
b,60cは下部ステータ電極、61a,61b,61cは上部ステータ
電極、20はロータ、30a,30bは下部ロータ電極、31a,31b
は上部ロータ電極、40,41は誘電体膜である。

いま、たとえば、ロータ電極を接地電位としてステー
タ電極60,61に多相パルス電圧を印加すると、それに近
接したロータ電極に静電誘導により反対符号の電荷が誘
起され、その結果、たとえば、ロータ電極30a,31aの部
分がステータ電極60a,61aの下に引き込まれる。すなわ
ち、ロータ20は右側矢印の方向に移動することになる。

以下、同様の過程が繰り返されてロータ20は次々と静
電的に駆動される。一方、パルス電圧の位相を逆にする
ことによって、ロータ20の移動方向を反転させるように
制御している。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の軸受構成，たとえば、水面軸受においては固定
部と移動部の２つの固定面がスライドするときの摩擦抵
抗を、潤滑油を介して緩和低減するのが一般的な方法
で、大型の機械装置から小形の機械装置まで広く実用化
されている。なお、潤滑油はスライド面に発生した熱を
奪う冷却剤としての働きも大きいことはよく知られてい
る。

一方、最近開発が進められている極微小の機械装置，
たとえば、1mmオーダ前後といった極微小のサイズの上
記で説明したようなマイクロ静電リニアモータに対し
て、このような一般的な摩擦低減機構を適用することは
実用的に殆ど不可能である。

したがって、このような極微小の機械装置や機械要素
では、上記マイクロ静電リニアモータの例に見られるよ
うに、特別な軸受機構は設けていないのが現状であり、
たかだかそれらスライド面を小さく構成して摩擦をでき
るだけ抑えるといった程度に止まっている。

しかし、今後は極微小の静電モータにおいても、比較
的負荷容量の大きいもの，あるいは高速移動のスライド
面を要求されるものが多くなってくるので、前記従来例
のように単にスライド面を小さくするといった程度の手
段では、安定した信頼性の高い回転あるいはスライド機
構が得られないという問題があり、その解決が必要であ
った。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、表面張力の大きい液体電極１に濡れな
い絶緑性表面層７の中に、複数の独立した前記液体電極
１によく濡れる電極金属部６を設けたステータ５と、複
数の独立した電極金属部３とその上を覆って形成された
前記液体電極１に濡れない絶緑性表面層４を設けたロー
タ２と、前記ステータ５の複数の独立した電極金属部６
に密着固定され、かつ、前記ロータ２の絶緑性表面層４
との間に滑動可能なごとくに挟持された前記液体電極１
と、前記ロータ２とステータ５のそれぞれの複数の独立
した前記電極金属部３および６の一方または両方に多相
パルス電圧を印加する手段とを少なくとも備えた液体電
極型静電モータによって解決することができる。

〔作用〕

第１図は本発明の原理を説明する断面図で、同図
（イ）は低負荷時、同図（ロ）は高負荷時の状態を示し
たものである。

図中、１は液体電極で，たとえば、表面張力が大きい
水銀やガリウムである。２はロータで，たとえば、ガラ
スまたはSiからなる基板、３はロータ２の中に埋め込み
形成された電極金属部で，たとえば、AuやAlなどが用い
られる。４は前記液体電極１に濡れない絶緑性表面層
で，たとえば、SiO₂またはポリイミド樹脂膜、５はステ
ータで，たとえば、ガラスまたはSiからなる基板、６は
ステータ５の表面上の複数箇所に設けられた独立した電
極金属部で，前記液体電極１によく濡れる，たとえば、
NiまたはCrからなる金属パターンが用いられる。７は電
極金属部６を露出させて、他の部分を覆った前記液体電
極１に濡れない絶緑性表面層で，たとえば、SiO₂または
ポリイミド樹脂膜である。

同図（イ）に示したように、表面張力の高い液体電極
1,たとえば、水銀は濡れ性の高い電極金属部6,たとえ
ば、円形のNi部分によく濡れて強く密着固定され、ステ
ータ５の表面上に半球状に盛り上がっている。一方、ロ
ータ２の表面は濡れ性を持たない表面，たとえば、ポリ
イミド樹脂膜で覆われているので、両基板を半球状の水
銀を挟んで接触させても、水銀の表面張力によって両基
板の表面が直接接触することはない。

しかし、ロータ２に荷重がかゝったり、駆動時の両電
極間に働く静電引力により、両基板間にかゝる負荷が大
きくなると、同図（ロ）に示したごとく半球状の水銀は
押しつぶされて、両基板の表面の間の距離が縮まるが、
各水銀粒の直径，すなわち、周囲が大きくなるので表面
張力による内部圧力が増大して外部からの負荷とバラン
スしたギャップで安定する。

この状態で両基板間にすべり力が働くとロータ２の表
面は濡れ性を持たない表面層４で覆われているので、水
銀が付着することなく極めて滑らかに滑動することがで
きる。

濡れ性の高い電極金属部６の大きさと、その相互の間
隔の選択により、また、表面張力の高い液体の種類を選
ぶことなどによって摩擦抵抗や耐負荷特性，さらには、
高速動作特性などをを制御することができる。

すなわち、本発明によれば、液体電極１に濡れないス
テータ５の表面の所定の複数箇所に、濡れ性のよい独立
した電極金属部６を形成し、そこに表面張力の大きい液
体電極１を、たとえば、半球状に密着配置し、もう一方
のロータ２の表面は前記液体電極１に濡れない表面層４
で被覆し、前記ステータ５の電極面と前記ロータ２の表
面層４を前記液体電極１を挟んで接触させると、前記表
面張力の大きい液体電極１の固まりが、丁度従来のころ
がり軸受機構のボールと潤滑油のごとき働きをなすとと
もに、前記液体電極１の表面がステータ電極として作用
するので、ロータ電極とステータ電極の電極間距離が絶
緑性表面層４の厚さだけの極めて小さいものとなり、両
電極の電界強度は増加し、それに対応して静電引力が大
幅に増大する。

したがって、スライド面の摩擦抵抗が極めて小さく、
しかも、駆動力の大きい静電モータが得られるのであ
る。

〔実施例〕

第２図は本発明の第１実施例の斜視図で、極めて小さ
いマイクロ静電リニアモータの例であり、分かりやすく
するためにハウジングその他一部構成部品を省略して示
したものである。

図中、1a,1bは液体電極で，たとえば、Si基板からな
るステータ５の上に２列に平行配置されたNiからなる電
極金属部６に濡れて密着固定されたかまぼこ型の水銀粒
である。２は長方形のロータで，たとえば、同じくSi基
板からなり、その上に分離独立したAl蒸着膜製の電極金
属部３を形成したのち、その表面全体をポリイミド樹脂
膜で覆ったものである。

なお、ロータ２の電極金属部３の電極間ピッチはステ
ータ５の電極金属部６の電極間ピッチに対して1.5倍に
してある。

また、図中に示したR,S,Tは３相パルス電圧の印加端
子で、ステータ５の電極金属部6,したがって、液体電極
１にクロスオーバーを介してそれぞれ結線されている。

図ではステータ基板の側面と表面上に配線された状態
を示してあるが、基板内部に配線してもよいし、基板表
面上に全て配線してもよいし，また別の配線基板を用い
てもよいことは勿論である。

本実施例の電極配置を前記第６図のそれと比較する
と、第６図のステータ電極60,61を一定の間隔をあけて
一平面上に展開し、ロータをステータ電極列間の中央上
部に配置し、片側のロータ電極列を省略した構成になっ
ている。したがって、本実施例装置の駆動メカニズムは
第６図で説明したものと同様であり、ステータ５の電極
金属部６に端子R,S,Tを経由して３相パルス電圧を印加
することによってロータ２を駆動することができる。

なお、本実施例ではステータ５の方に液体金属１を密
着固定するようにしたが、逆にロータ２の方に液体金属
１を密着固定させ、ステータ５のほうに前記液体金属１
に濡れない絶緑性表面層４を形成して、マイクロ静電リ
ニアモータを構成してもよいことは勿論である。

さて、上記のごとき本発明装置を実現するための製造
工程を以下工程順に具体的に説明する。

第３図は本発明の第１の実施例装置の製造工程の例を
示す断面図である。

工程（１）：厚さ100μｍのシリコン基板の上に、厚
さ0.5μｍのAl膜を真空蒸着法で形成し、ホトリソグラ
フィ法で所定の形状に電極金属部３をパターン形成す
る。

工程（２）：前記処理済み基板のAl膜の上に、液体金
属１に濡れない絶緑性表面層４として、厚さ0.5μｍの
ポリイミド樹脂層をスピンコート法により形成してロー
タ２を準備する。

工程（３）：同じく厚さ100μｍのシリコンン基板の
上に、電極金属部６となる厚さ0.5μｍのNi膜を真空蒸
着法で形成し、ホトリソグラフィ法で所定の形状に電極
金属部６をパターン形成する。

工程（４））：前記処理済み基板のNi膜の上に、厚さ
0.5μｍのポリイミド樹脂層をスピンコート法により形
成する。

工程（５））：前記処理済み基板のポリイミド樹脂層
に、表面張力の大きい液体電極１を密着固定させるため
の孔をホトエッチング法あるいはイオンエッチング法で
形成し底面にNi膜を露出させ、さらに、こゝには図示し
てない駆動用の配線パターンと外部リード導出端子を形
成してステータ５を準備する。

工程（６））：前記処理済み基板のNi膜露出面に、た
とえば、Hg（NO₃）_２水溶液中でNi膜を陰極にして電解
めっきを行い、半球状に盛り上がった水銀粒からなる液
体電極１を形成する。

工程（７））：上記処理によるロータ２と、同じくス
テータ５を、前記電解析出された水銀粒からなる液体電
極１を挟んで滑動可能なごとくに接触させて、こゝには
示していないハウジングとともに全体を構成すれば本発
明の，たとえば、マイクロ静電リニアモータを形成する
ことができる。

なお、上記実施例の製造方法は一例であり、本発明の
静電モータを構成するために、適宜他の材料や製造プロ
セスを組み合わせて使用できることは言うまでもないまた、上記説明ではステータ５の方に液体金属１を密
着固定するようにしたが、逆にロータ２の方に液体金属
１を密着固定させ、ステータ５のほうに前記液体金属１
に濡れない絶緑性表面層４を形成するように製造工程を
構成してもよい。

第４図は本発明の第２実施例を示す図で、前記実施例
のマイクロ静電リニアモータに対して回転型の静電モー
タの場合を示したものである。

回転軸を中心に放射状に両電極を配置し、その間に液
体電極１が挟持されるようにしている。

この例ではロータ２の方に液体電極１によく濡れる電
極金属６を設け、そこに液体金属１を密着固定するよう
にし、ステータ５の表面に液体金属１に濡れない絶緑性
表面層４を設けている点が異なるだけである。逆に構成
にしても勿論かまわないが、保守，製造の難易性その他
都合のよい構成を必要に応じて適宜選択すればよい。

第５図は本発明の第３実施例を示す図で、円筒型の回
転静電モータの場合を示したものである。

この場合も前記第２実施例の場合と同様に、ロータ２
の方に液体電極１によく濡れる電極金属部６を設け、そ
こに液体金属１を密着固定するようにし、ステータ５の
表面に液体金属１に濡れない絶緑性表面層４を設けてい
る。勿論逆の構成にしてもよいことは言うまでもない。

なお、以上の実施例の構成はいずれも具体的な例を示
したものであり、本発明はこれらの例に止まらず、他の
形状やデザインに広く適用できることは言うまでもな
い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、液体電極１に
濡れないステータ５の表面の所定の複数箇所に、濡れ性
のよい独立した電極金属部６を形成し、そこに表面張力
の大きい液体電極１を、たとえば、半球状に密着配置
し、もう一方のロータ２の表面は前記液体電極１に濡れ
ない表面層４で被覆し、前記ステータ５の電極面と前記
ロータ２の表面層４を前記液体電極１を挟んで接触させ
ると、前記表面張力の大きい液体電極１の固まりが、丁
度従来のころがり軸受機構のボールと潤滑油のごとき働
きをなすとともに、前記液体電極１の表面がステータで
電極として作用するので、ロータ電極とステータ電極の
電極間距離が絶緑性表面層４の厚さだけの極めて小さい
ものとなり、両電極の電界強度は増加し、それに対応し
て静電引力が大幅に増大する。

したがって、スライド面の摩擦抵抗を極めて小さく
し、かつ、駆動力を大きくするなど静電モータの性能，
品質の向上と小型化に寄与するところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明する図、第２図は本発明の第１実施例の斜視図、第３図は本発明の第１の実施例装置の製造工程の例を示
す断面図、第４図は本発明の第２実施例を示す図、第５図は本発明の第３実施例を示す図、第６図は静電リニアモータの基本構成を説明する図、第７図は従来のマイクロ静電リニアモータの例を示す図
である。図において、１（1a,1b）は液体電極、２はロータ、 3,6は電極金属部、５はステータ、 4,7は液体電極に濡れない絶緑性表面層である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02N 1/00,2/00,11/00 H02K 41/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面張力の大きい液体電極（１）に濡れな
い絶緑性表面層（７）の中に、複数の独立した前記液体
電極（１）によく濡れる電極金属部（６）を設けたステ
ータ（５）と、複数の独立した電極金属部（３）とその上を覆って形成
された前記液体電極（１）に濡れない絶緑性表面層
（４）を設けたロータ（２）と、前記ステータ（５）の複数の独立した電極金属部（６）
に密着固定され、かつ、前記ロータ（２）の絶緑性表面
層（４）との間に滑動可能なごとくに挟持された前記液
体電極（１）と、前記ロータ（２）とステータ（５）のそれぞれの複数の
独立した前記電極金属部（3,6）の一方または両方に多
相パルス電圧を印加する手段とを少なくとも備えたこと
を特徴とする液体電極型静電モータ。