JP3471380B2 - 静電モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＯＡ、ＦＡ、ＭＥ機器
等で今後利用が期待されている微小機構部品や装置のア
クチェータとして使用する小型静電モータおよびその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】小型静電モータとしては、例えば、１９
８９年２月のマイクロ、エレクトロ、メカニカルシステ
ム（Ｍｉｃｒｏ，Ｅｌｅｃｔｒｏ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａ
ｌ，Ｓｙｓｔｅｍｓ）の国際会議で、「ウォブルモータ
（Ｗｏｂｂｌｅ Ｍｏｔｏｒ）、Ｓ．Ｃ．ジャコブセン
（Ｊａｃｏｂｓｅｎ）著」に記載された構造が一般的に
知られている。

【０００３】以下、図２６を参照して従来のこの種の小
型静電モータについて説明する。図２６において、２０
１は回転子、２０２は回転子表面の絶縁膜、２０３は複
数の扇形ステータ電極で、この扇形ステータ電極２０３
は放電加工により製作されている。

【０００４】複数の扇形ステータ電極２０３に順次電圧
を印加すると、電圧を印加された扇形ステータ電極２０
３に回転子２０１が順次吸引され、扇形ステータ電極２
０３の内周面を転動しながら連続回転する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、ステータ電極を放電加工で８本の電極に
分離するため加工時間が長くかかること、微細な電極加
工が困難であり量産に向かないこと、また、加工後の電
極間の絶縁と固定が不確実であることなどの課題を有し
ていた。

【０００６】また回転子は偏心して回転するので、出力
を取り出すためにはカップリングが必要となるため、小
型化にとって不利であり、また接続損失も生じるという
問題があった。

【０００７】またロータとステータ間のスリップや駆動
信号との同期ずれ等が生じると、ロータの回転位置角度
が不明となり、そのために外部にエンコーダをつける必
要があったため小型化が難しかった。

【０００８】またロータの出力軸に小型センサを搭載さ
せる場合などは、センサの回転走査以外に出力軸方向の
直線動作による２軸走査のためやセンサの微妙な位置補
正の目的で、小型静電モータにさらに回転軸長方向への
直線動作機構も加えなければならず、小型化に反して構
成が複雑になる課題を有していた。

【０００９】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、回転軸の偏心を吸収する機構、精度の高い小型の内
部エンコーダおよび回転軸方向への運動機能を有した小
型高機能な静電モ−タ、ならびに短時間で高精度に、電
極間の絶縁、固定も確実に行なえる量産可能な静電モ−
タの製造方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による静電モータ
の構成は、回転可能なコイルスプリング状のロータ電極
と、ロータ電極に誘電体膜を介して対向配置された複数
のステータ電極と、ロータ電極を支持する回転軸と、こ
の回転軸を支持するとともに軸方向へのロータ電極の移
動を許容する軸受と、コイルスプリング状のロータ電極
に対し半径方向に横切る磁界を発生させるための磁気回
路と、コイルスプリング状のロータ電極に制御電流を流
して軸方向に移動させるための電流源とを備えたもので
ある。

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】また、本発明による静電モータの製造方法
の第１の構成は、導電性材料からなるロータ電極の外周
面に誘電体膜を薄膜形成する工程と、この誘電体膜の上
に犠牲層膜を目標ギャップの２分の１の厚さに薄膜形成
する工程と、ステータ電極の一部となる金属薄膜を犠牲
層膜の上に形成する工程と、この金属薄膜の上に樹脂材
料を用いてステータ電極の形状を形成する工程と、この
樹脂材料をエッチング用マスクとして用いてステータ電
極となる部分以外の金属薄膜をエッチングにより除去す
る工程と、この樹脂材料の表面をめっきして下層の金属
薄膜と導通のとれたステータ電極を形成する工程と、こ
のステータ電極を含む表面全体に絶縁性の樹脂を被覆す
る工程と、ロータ電極上の犠牲層膜をエッチングにより
除去してステータ電極部とロータ電極部とを分離するよ
うにしたものである。

【００１６】本発明による静電モータの製造方法の第２
の構成は、導電性材料からなるロータ電極の外周面に先
に犠牲層膜を目標ギャップの２分の１の厚さに薄膜形成
し、次いでこの前記犠牲層膜の上に誘電体膜を薄膜形成
ことにより、誘電体膜をステータ電極側に設けるように
したものである。

【００１７】本発明による静電モータの製造方法の第３
の構成は、ステータ電極の形成をフォトリソグラフィと
エッチングにより行なうようにしたものである。

【００１８】本発明による静電モータの製造方法は、ほ
ぼ同様な方法によりステータ電極の外側にロータ電極を
形成するようにしたものである。

【００１９】

【００２０】

【作用】本発明による静電モータは、上記構成により、
軸方向への直進運動も可能な２自由度の小型で高機能な
静電モータを実現することができる。

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【００２４】本発明による静電モータの製造方法は、上
記第１の構成により、各部の寸法を高精度にコントロー
ルでき、微細なステータ電極の形成が可能であり、しか
も、これらは複数個同時のバッチ処理ができ、量産が可
能である。さらに注型樹脂により電極間の絶縁、固定を
確実に行なうことができる。

【００２５】本発明による静電モータの製造方法は、上
記第２の構成により、誘電体膜をステータ電極側に設け
た静電モータを同様な方法により製造することができ
る。

【００２６】本発明による静電モータの製造方法は、上
記第３の構成により、フォトリソグラフィとエッチング
技術を用いることにより静電モータの製造をさらに容易
に行なうことができる。

【００２７】本発明による静電モータの製造方法は、上
記第４の構成により、ほぼ同様な方法によりアウタロー
タタイプの静電モータを製造することができる。

【００２８】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の第１の実施例を示す静電モータの断面図
である。図１において、１は回転可能なロータ電極、２
はロータ電極１の周囲に対向配置された複数の扇形のス
テータ電極、３は各ステータ電極２の内周面に設けられ
た誘電体膜、４はロータ電極１を支持する回転軸、５は
回転軸４の一部に設けられたコイルスプリング、６は回
転軸を支持する軸受、７はロータ電極１の回転角を検出
するエンコーダ、８は電極部を収容する内部空間、９は
ステータ電極２と軸受６とエンコーダ７を支持するケー
シング、１０はエンコーダ７の信号を監視しながらロー
タ電極１とステータ電極２に電圧を印加する回転制御部
である。以下の説明では、ロータ電極１およびステータ
電極２の部分をまとめて静電力発生部ということがあ
る。

【００２９】次に上記実施例の動作について説明する。
回転制御部１０からロータ電極１とステータ電極２との
間に順次駆動電圧を印加することにより、ロータ電極１
とステータ電極２との間には誘電体膜３を介して静電吸
引力が発生する。このため、ロータ電極１は、電圧を印
加された各ステータ電極２に順次吸引されて、ステータ
電極２の内周面を転動しながら回転する。このとき、ロ
ータ電極１とステータ電極２との間にはギャップがある
ので、ロータ電極１は偏心しながら回転することにな
り、この偏心回転を回転軸４の一部に設けたコイルスプ
リング５が吸収し、軸受６に支持された回転軸４をステ
ータ電極２と同心的に回転させる。

【００３０】この静電モータを構成する回転軸４には、
捩じろうとする力に対しては剛性があって確実に回転ト
ルクを伝達する性質と、曲げようとする力に対してはや
わらく偏心を吸収する性質とが要求される。単なる剛体
からなる回転軸では、トルクの伝達性はよいが、曲げに
対して強すぎて偏心が吸収されない。本実施例では、回
転軸４の一部に、図２に示すように、巻かれる線材の断
面が長方形断面の２層巻きのコイルスプリング５を用い
ている。

【００３１】長方形断面の線材を用いた理由は、線材の
断面形状が円形であると、コイルスプリング断面を線材
で密に充填することができないため、許容せん断応力が
小さく、ロータの偏心回転に伴ってコイルスプリングが
破損しやすい欠点をもっているからである。

【００３２】また、単層巻きであるとロータ電極１の正
逆回転により、巻きが締まる場合と巻きがほどける場合
とが生じてしまい、トルクの伝達特性が異なってしまう
ので、コイルスプリング５を多層巻きとすることにより
一様の特性となるようにしたものである。したがって、
多層巻きにすることにより回転方向が逆転してもコイル
スプリングは同じ特性を持つことになる。

【００３３】図３は、本実施例における回転軸４の変形
例を示している。図３において、２１は中央部に隔壁２
２を有する円筒形のロータ電極、２３は隔壁２２に形成
された貫通穴、２４は貫通穴２３を通されて隔壁２２に
接着固定された回転軸、２５は回転軸２４の中間部を構
成するコイルスプリングである。このコイルスプリング
２５も同様に巻き方向が逆の２層構造になっている。こ
の実施例では、回転軸２４にコイルスプリング２５の部
分を長くとれるので、コイルスプリング２５に対する負
荷を軽減することができる。

【００３４】以上のように、上記第１の実施例によれ
ば、回転軸４、２４の一部をコイルスプリング５、２５
にすることにより回転軸の偏心をうまく吸収することが
でき、専用のカップリング用部品が省略できるので、接
続損失が少ない小型で高機能な静電モータを実現するこ
とができる。

【００３５】（実施例２）次に本発明の第２の実施例に
ついて図４を参照して説明する。この第２の実施例は、
図１に示した第１の実施例に対して軸封装置を付加して
ケーシング内部を真空にしたものである。すなわち、図
４において、１はロータ電極、２はステータ電極、３は
絶縁体膜、４は回転軸、５はコイルスプリング、６は軸
受、７はエンコーダ部、８は内部空間、９はケーシン
グ、１０は回転制御部、１１は付加された軸封装置とし
ての磁性流体シールである。この軸封装置は、内部空間
８を真空状態に保てれば、どのような軸封装置を使用し
てもよい。

【００３６】一般に静電モータは、使用雰囲気、特に湿
度の影響を受けやすく、本発明のようなコイルスプリン
グを用いる静電モータにおいては、コイルスプリングを
構成する線材が、その構成上、線径が非常に細く、線材
の長さも長いので、大気中の湿度の影響が著しく現われ
てしまう。

【００３７】具体的には、コイルスプリングを構成する
線材の表面に水分が吸着されることにより、線の持って
いる表面張力が弱められて線自体が伸びてしまう。この
現象は、線径が非常に細く、長さが長いコイルスプリン
グにおいてはますます顕著となって無視できないもので
ある。

【００３８】したがって、上記第２の実施例によれば、
コイルスプリング５が位置するケーシングの内部空間８
が絶えず真空状態に保たれているので、使用雰囲気、特
に湿度の影響を受けずに済み、安定したトルク伝達特性
と偏心吸収特性を得ることができる。

【００３９】また、ケーシングの内部空間８が絶えず真
空に保たれていることから外界からの異物の混入が防げ
るため、ロータ電極１とステータ電極２との間隙への異
物の混入による故障を未然に防止することができる。

【００４０】さらに、静電モ−タ−を使用する雰囲気が
大気中である場合、静電力発生箇所に必ず空気層が形成
されてしまうため、ステータ電極またはロータ電極上に
形成されている誘電体膜内に微小電流が流れにくい状態
になってしまうのに対し、真空、特に０．５Ｔｏｒｒ以
下であると誘電体膜内に微小電流が流れやすくなり、誘
電体膜表面近傍に電荷の集中がより加速されることによ
り、大気中での静電力発生のときよりもより大きな静電
力を得ることができるので、大気中での静電力発生の静
電モータと比べてより大きな出力を得ることができる。

【００４１】また、薄い空気層が存在しないことは、ロ
ータ電極１がステータ電極２の内周面を転がることによ
り回転トルクを出力する本実施例の静電ウォブルモータ
においては、空気膜の圧力差によるロータとステータと
の間のすべり現象が生じないという利点もある。

【００４２】（実施例３）従来、ロータが複数個のステ
ータ電極を転がるタイプの静電モータにおいては、ロー
タの位置検出を行なう方法として、ステータ電極とロー
タ電極間の静電容量Ｃの変化を、ステップ電圧印加時の
ＲＣ回路の時定数の変化で検出するものがある。例えば
特開昭６４−１２８７６号公報記載の静電アクチュエー
タは、各ステータ電極とロータ電極間の充電時間を計測
することにより、ロータの位置を求めている。この構成
は、駆動用のステータ電極を用いてロータの位置を求め
られるので、位置検出専用の電極等の必要がなく、アク
チュエータを小型化できるという利点をもつ。

【００４３】しかしながら、静電容量Ｃは浮遊容量の影
響を受け易く、また、ステータ電極等の形状のばらつき
により、静電容量Ｃに誤差要因が重畳しやすく、ＲＣ回
路の時定数にばらつきが生じ、位置検出精度が悪化する
という問題があった。この構成をステータ電極を外側に
配置した構成のウォブルモータに利用すると、ロータが
ステータ内周上のどの位置近辺を転がっているかという
ロータの公転位置は検出できる。すなわちロータの外径
とステータの内径が決定し、かつロータがステータ上を
いかなるすべりもなく転がってゆけば、ロータの自転の
絶対的な回転位置角度は算出できるわけであるが、ロー
タの公転を妨げるような外部負荷がかかるとロータとス
テータの間にスリップが生じ、その時点でロータの自転
の絶対的な回転位置角度を追うことが不能となるという
問題があった。

【００４４】本発明の第３の実施例は、このような従来
の課題を解決するものであり、以下図５から図１１を参
照して本発明の第３の実施例について説明する。なお、
静電モータの全体の構成は図１または図４に示したもの
と同じであり、これらの重複した説明は省略する。

【００４５】図５はロータ電極１の斜視図である。図５
において、３１は金属からなる中空円筒状のロータ電
極、３２はロータ電極３１の表面に一様に形成された誘
電体膜、３３は誘電体膜３２上の一部に形成された電気
的な抵抗材料であり、この抵抗材料３３の厚みは誘電体
膜３２の厚さと等しく、したがって内側はロータ電極３
１に接触し、外側は誘電体膜３２の表面に露出してい
る。

【００４６】図６は図５のロータ電極３１をステータ電
極３４および各ステータ電極３４間の絶縁部材３５で形
成された円筒の内側に挿入した状態を示す図である。ス
テータ電極３４とロータ電極３１はコンデンサを形成し
ており、その容量Ｃはロータの位置により変化する。ま
たロータ電極３１は接地されている。図６（ａ）ではロ
ータ電極３１はステータ電極３４ａ上で接しており、抵
抗材料３３はステータ電極３４の幅に比べて小さくして
ある。

【００４７】いまステータ電極３４ｂのみに電圧Ｅを加
えたとすると、ロータ電極３１は転がりながら図６
（ｂ）の状態となり、ロータ電極３１とステータ電極３
４ｂは抵抗材料３３を介して接続されることになる。こ
のときの電気抵抗値をＲ１とすれば電気等価回路は図７
（ａ）のようになる。Ｒ２をウォブルモータ外部の寄生
抵抗等の合成抵抗とすると、電気的な定常状態ではコン
デンサ端子電圧Ｖｃは印加電圧Ｅを抵抗Ｒ１とＲ２で分
圧した値となる。ステータ電極３４ｂの電位Ｖｃは分圧
されてＥより小さくなり、静電力も小さくなるが、ロー
タ電極３１とステータ電極３４ｂとの間に滑りが生じな
い程度に両者を引き付ける垂直抗力が働いていればよ
い。回転トルクの発生は、電圧を印加するステータ電極
３４の切り替えで次のステータ電極３４ｃに担ってもら
うことができるからである。

【００４８】次にステータ図６（ｂ）の状態から、ステ
ータ電極３４ｃのみに電圧Ｅが加わるように切りかえた
とすると、ロータは転がりながら図６（ｃ）の状態とな
るが、このときはステータ電極３４ｃとロータ電極３１
の間には抵抗材料３３は介在しない。したがって、この
ときの電気等価回路は図７（ｂ）のようになり、抵抗Ｒ
１は存在しない。このとき電気的な定常状態ではコンデ
ンサ端子電圧Ｖｃは印加電圧Ｅと等しくなる。このた
め、図６（ｂ）と（ｃ）の状態の違いは、コンデンサ端
子電圧Ｖｃの違いを図７の検出部３６で検出することに
より把握することができ、そのとき検出部３６は検出信
号を発生する。

【００４９】誘電体膜３２も含めたロータ電極３１の外
径をｄｏ、ステータ電極３４の内径をｄｉとすると、ロ
ータ電極３１がステータ電極３４の内周面を転がる回転
数は、ロータ電極３１自身の自転の回転数のギヤ比ｄｏ
／（ｄｉ−ｄｏ）倍である。図８の例では９個のステー
タ電極３４が４０゜ピッチで等間隔で配列されている。
１ピッチのうち、３２゜が電極部分、８゜が絶縁部３５
である。いまロータ電極３１の外径ｄｏとステータ電極
３４の内径ｄｉは、ギア比８９となるように設計されて
いる。また、ロータ電極３１の抵抗材料３３はステータ
電極３４の幅より十分に小さくなっている。

【００５０】いま、ステータ電極３４ａ〜３４ｉへの電
圧印加を逆順に、すなわちｉ、ｈ、ｇ、・・、ｂ、ａの
順番で電圧印加を切り換え、ロータ電極３１がそれに同
期して回転しているとする。ロータ電極３１が自転を１
回行なう間に、抵抗材料３３はステータ電極３４の内周
上とｄｉ／（ｄｉ−ｄｏ）＝（ギア比＋１）回、すなわ
ち９０回だけの接触を持つ。ステータ電極３４の１ピッ
チ内での接触は１０回であり、その内ステータ電極３４
の電極部で８回、絶縁部材３５上で２回となる。したが
ってステータ電極３４ａに接続された検出部３６ａの出
力信号と３６ｂの出力信号は図９のように検出部３６ａ
の出力が出力信号を８回出し、次に抵抗材料３３が隣接
ステータ電極３４間の絶縁部材３５に接触する検出不能
期間を経て、検出部３６ｂが８回の検出信号を出す。

【００５１】各検出部３６ａ〜３６ｉまでがこの検出信
号をカウントし、このような検出信号を発する検出部３
６の移り変わりを監視することにより、ロータ電極３１
の回転位置角度を検出することができる。

【００５２】また、隣接ステータ電極３４間の絶縁部３
５を薄くするか、または、図１０のように抵抗材料３３
をロータ電極３１に複数個設け、ある１個の抵抗材料が
隣接ステータ電極３４間の絶縁部３５に接触してしまう
ような検出不能状態にあるときは、必ず他の抵抗材料３
３がステータ電極３４のいずれかに接触するように配置
しておけば、ロータ電極３１の自転１周分のエンコーダ
信号の分解能はギア比の値に近づけることができる。

【００５３】また、ロータ回転の同期ずれや、ロータス
テータ間のスリップは、同期ずれやスリップのない時の
正常な検出器出力パターンと比較することにより検知す
ることが可能である。

【００５４】このように、上記第３の実施例によれば、
ロータ電極３１の一部に抵抗材料３３を設け、抵抗材料
３３と駆動用のステータ電極３４との接触を、電気等価
回路の変化としてとらえることにより、モータ内部にギ
ア比の分解能を持つエンコーダを有する小型で高機能な
静電ウォブルモータを実現することができる。

【００５５】なお、このエンコーダ機能の内蔵は、図１
１のような、円筒状のロータ電極３７により、平板な絶
縁基板３８の上にステータ電極３９およびアース電極４
０を配置した平面転がり形の静電アクチュエータにも応
用が可能である。

【００５６】（実施例４）次に、本発明の第４の実施例
について説明する。図１２は本発明の第４の実施例を示
す静電モータの断面図である。図１２において、４１は
コイルスプリング状のロータ電極、４２はロータ電極４
１の両端部に固定された回転軸、４３は回転軸４２を支
持する軸受、４４はロータ電極４１の周囲に配置された
扇型の複数のステータ電極、４５は軸受４３とステータ
電極４４とを支持するケーシングである。コイルスプリ
ング状のロータ電極４１は、導電性の芯の回りを誘電体
膜４６で被覆してあるワイヤを巻いた構造で、前記第１
の実施例と同様に２層構造になっている。また、ロータ
電極４１は、回転軸４２および軸受４３を介して接地さ
れており、ロータ電極４１とステータ電極４４との間
は、誘電体膜４６を介してコンデンサを形成している。

【００５７】ステータ電極４４の電圧印加を切り換えて
いくことにより、コイルスプリング状のロータ電極４１
は静電力によりステータ電極４４の内周面を転がる公転
運動をしつつ、自転を行なう。このとき、ロータ電極４
１の外径とステータ電極４４の内径との差により、ロー
タ電極４１の自転軸は回転軸４２の中心から偏心する
が、ロータ電極４１はコイルスプリング状に形成されて
それ自体が可撓性を有するため、偏心は吸収され、かつ
回転トルクは回転軸４２に確実に伝達される。また静電
力の損失を少なくするためにステータ電極４４の内周面
は、ロータ電極４１の偏心度およびそのたわみ量にあわ
せて曲率をもたせてあり、コイルスプリング状のロータ
電極４１とステータ電極４４との接触面積を増やしてい
る。

【００５８】以上のように、上記第４の実施例によれ
ば、ロータ電極をコイルスプリング状に形成することに
より、偏心吸収機構を備えた小型で高機能な静電ウォブ
ルモータを実現できる。

【００５９】（実施例５）次に、本発明の第５の実施例
について説明する。図１３は本発明の第５の実施例を示
す静電モータの断面図である。図１３において、５１は
２層構造に巻かれたコイルスプリング状のロータ電極、
５２ａ、５２ｂはロータ電極５１の両端部を支持する回
転軸、５３ａ、５３ｂはそれぞれ回転軸５２ａ、５２ｂ
を支持するとともに、回転軸５２ａ、５２ｂの軸方向へ
の移動を許容する軸受、５４はロータ電極５１の周囲に
対向配置された扇型の複数のステータ電極、５５はステ
ータ電極５４の両側に配置されたリング状の永久磁石、
５６は軸受５３ａ、５３ｂステータ電極５４および永久
磁石５５を支持するケーシングである。

【００６０】コイルスプリング状のロータ電極５１は、
導電性の芯を誘電体膜５７で被服した２本のワイヤを２
層巻にしたものである。ステータ電極５４側の第１層の
芯はロータ電極５１の一端で回転軸５２ａと導通して軸
受５３ａを介して接地されており、また誘電体膜５７を
介してステータ電極５４との間にコンデンサを形成して
いる。内側の第２層目の芯はー端でやはり回転軸５２ａ
と導通して接地されているが、もうー端は回転軸５２ｂ
および軸受５３ｂを介して電流源５８に接続されてい
る。

【００６１】図１３において、複数個のステータ電極５
４に電圧を順次切り換えて印加することにより、ロータ
電極５１の表側の第１層目の導電性の芯とステータ電極
５４との間に静電力が働いてロータ電極５１はステータ
電極５４の内周面を転がりながら回転し、回転軸５２
ａ、５２ｂが回転トルクを伝達する。

【００６２】一方、電流源５８からロータ電極５１の内
側の第２層目のコイルに電流を流すと、第２層目には、
ステータ電極５４からロータ電極５１を半径方向垂直に
横切る磁界が働いているので、ロータ電極５１の第２層
はローレンツ力を受けて、軸方向に直線移動する推進力
を得ることができる。また、電流源５８からの電流の向
きを切り換えることにより、ロータ電極５１を軸方向に
往復運動させることが可能となる。ただし、ロータ電極
５１の第１層目に流れる電流は、第２層目に流す直進運
動制御用電流に比べてきわめて微弱であるため、第１層
目に働くローレンツ力は、第２層目に働くローレンツ力
を妨げるほどの力ではない。

【００６３】以上のように、上記第５の実施例によれ
ば、ロータ電極として２層構造のコイルスプリングを用
い、これを半径方向に横切る磁気回路中に配置して電流
を流すことにより、回転軸が回転および直進の２自由度
の出力を持った小型で高機能な静電モータを実現するこ
とができる。

【００６４】（実施例６）次に、本発明による静電モー
タの製造方法について第６の実施例として図１４から図
１６を参照して説明する。

【００６５】まず、第１の工程として、図１４（ａ）に
示すように、ロータ電極６１として高精度に仕上げられ
た金属円柱または金属円筒を用意する。具体的にはステ
ンレス、アルミニウムなどで、またはガラスやセラミッ
クで表面に導電性を持たせたものでもよい。そしてこの
ロータ電極６１の外周面に高誘電率絶縁膜６２をスパッ
タリングなどにより形成する。具体的には、チタニア
（ＴｉＯ₂ ）やチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉ
Ｏ₃ ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃ ）などであ
る。

【００６６】第２の工程として、図１４（ｂ）に示すよ
うに、高誘電率絶縁膜６２の上に犠牲層膜６３として酸
化珪素膜を目標のギャップ厚さの１／２の厚さになるよ
うに、スパッタリングなどにより形成する。

【００６７】第３の工程として図１４（ｃ）に示すよう
に、ステ−タ電極の一部になる金属薄膜６４を、犠牲層
膜６３の上に形成する。具体的には例えばアルミニウム
薄膜でよい。

【００６８】第４の工程として、図１５（ｄ）に示すよ
うに、金属薄膜６４上のステ−タ電極となる位置に、め
っき可能な樹脂材料６５によりステ−タ電極の形状を成
形する。

【００６９】第５の工程として、図１５（ｅ）に示すよ
うに、樹脂材料６５をエッチングのマスクとして、ステ
−タ電極位置以外の金属薄膜６４をエッチングにより除
去する。

【００７０】第６の工程として、図１５（ｆ）に示すよ
うに、メッキ処理可能な樹脂材料６５をめっきし、下層
の金属薄膜６４と導通のとれたステータ電極６６を形成
する。

【００７１】第７の工程として、図１６（ｇ）に示すよ
うに、ステータ電極６６および犠牲層膜６３の上に絶縁
性樹脂６７を注入し、硬化させる。

【００７２】第８の工程として、図１６（ｈ）に示すよ
うに、酸化珪素の犠牲層膜６３をウエットエッチングに
より除去し、外周面に高誘電率絶縁膜６２を有するロー
タ電極６１と円筒状のステータ電極部とを分離する。そ
の除去した厚さ分がロータ電極６１とステータ電極６６
との間のギャップ６８となる。

【００７３】そして最後の工程として、ステータ電極６
６にリード線または端子を接続することで、静電モ−タ
の静電力発生部を形成する。

【００７４】以上のように、上記第６の本実施例によれ
ば、スパッタリングなどの薄膜形成と犠牲層膜としての
酸化珪素膜を最後にエッチングにより除去することによ
り、ステ−タ電極部とロータ電極部間のギャップを高精
度にコントロ−ルすることができる。また高誘電率絶縁
膜６２により高トルク化が可能である。また絶縁性樹脂
６７により電極間の絶縁，固定も確実に行なうことがで
きる。さらに、これらの技術はバッチ処理による量産が
可能であり、小型、高トルク、高精度な静電モ−タを製
造することができる。

【００７５】なお、上記第６の実施例の変形例として、
第１の工程としてロータ電極６１の外周面に先に犠牲層
膜６３を薄膜形成し、次いで第２の工程として犠牲層膜
６３の上に高誘電率絶縁膜６２を薄膜形成することによ
り、第８の工程におけるエッチング処理の結果、ステー
タ電極６６の内周面に高誘電率絶縁膜６２を有する静電
モータを製造することができる。

【００７６】（実施例７）次に、本発明の静電モータの
他の製造方法について、第７の実施例として図１７およ
び図１８を参照して説明する。まず第１から第３までの
工程は上記実施例６における図１４の（ａ）〜（ｃ）と
同様であり、ロータ電極７１の外周面に高誘電率絶縁膜
７２を薄膜形成した後、その表面に犠牲層膜として酸化
珪素膜７３を薄膜形成し、さらにその上に金属薄膜７４
を形成する。

【００７７】第４の工程として、図１７（ａ）に示すよ
うに、金属薄膜７４の上にフォトレジスト層７５を塗
布、乾燥させ、さらにフォトリソグラフィーによりフォ
トレジスト層７５にステ−タ電極パタ−ンを形成する。

【００７８】第５の工程として、図１７（ｂ）に示すよ
うに、フォトレジスト層７５をマスクにして金属薄膜７
４をエッチングした後、第６の工程として、フォトレジ
スト層７５を除去してステ−タ電極７６を形成する。

【００７９】第７から第９までの工程は上記実施例６と
同様であり、第７の工程で、図１７（ｃ）に示すよう
に，ステ−タ電極７６と犠牲層膜７３の上に、絶縁性の
樹脂７７を注入硬化し、第８の工程で、犠牲層膜７３で
ある酸化珪素膜をウエットエッチングにより除去し、外
周面に高誘電率絶縁膜７２を有するロータ電極７１と円
筒状のステータ電極部とを分離する。その除去した厚さ
分がロータ電極７１とステータ電極７６との間のギャッ
プ７８となる。最後の工程で、ステ−タ電極７６に端子
またはリ−ド線を接続することで、静電モ−タの静電力
発生部を形成する。

【００８０】以上のように、上記第７の実施例によれ
ば、フォトリソグラフィ−とエッチング技術により、簡
単な方法でより微細なステ−タ電極形成が可能となり、
小型、高トルク、高精度な静電モータを製造することが
できる。

【００８１】なお、上記第７の実施例においても、上記
第６の実施例の実施例と同様に、第１の工程としてロー
タ電極７１の外周面に先に犠牲層膜７３を薄膜形成し、
次いで第２の工程として犠牲層膜７３の上に高誘電率絶
縁膜７２を薄膜形成することにより、第８の工程におけ
るエッチング処理の結果、ステータ電極７６の内周面に
高誘電率絶縁膜７２を有する静電モータを製造すること
ができる。

【００８２】以上の各実施例は、ロータ電極がステータ
電極の内側に配置されたインナータイプの静電モータの
例であるが、ロータ電極がステータ電極の外側に配置さ
れるアウタータイプの静電モータも同様な方法により製
造することができる。以下、このようなアウタータイプ
の静電モータの実施例について上記インナータイプの静
電モータに対応させて簡単に説明する。

【００８３】（実施例８）図１８は本発明の第８の実施
例を示す静電モータの断面図であり、図１に示す第１の
実施例に対応するものである。図１８において、８１は
絶縁性のステータ電極支持棒、８２はステータ電極支持
棒８１の外周面に露出するように設けられた扇形の複数
のステータ電極、８３はステータ電極８２の周囲に対向
配置されたロータ電極、８４はロータ電極８３の内周面
に形成された誘電体膜、８５はロータ電極８３を支持す
る回転軸、８６は回転軸８５の一部に設けられた２重構
造のコイルスプリング、８７は回転軸８５を支持する軸
受、８８はステータ電極支持棒８１および軸受８７を支
持するケーシング、８９はケーシング８８の内部空間で
ある。ステータ電極８２に順次通電することにより、ロ
ータ電極８３がステータ電極８２に順次吸引されてステ
ータ電極８２の外周面を転動しながら回転する。このと
きのロータ電極８３の偏心回転はコイルスプリング８６
によって吸収され、回転力が回転軸８５から取り出され
る。

【００８４】（実施例９）図１９は本発明の第９の実施
例を示す静電モータの断面図であり、図４に示す第２の
実施例に対応するものである。構成は上記第８の実施例
に軸封装置９０を付加したものであり、この軸封装置９
０によりケーシング８８の内部空間８９を真空状態に保
つことにより、使用雰囲気、特に湿度の影響を受けずに
安定した伝達特性と偏心吸収特性を得ることができる。

【００８５】（実施例１０）図２０は本発明の第１０の
実施例を示す静電モータの静電力発生部の斜視図であ
り、図６に示す第３の実施例に対応するものである。図
２０において、１０１は絶縁性のステータ電極支持棒、
１０２はステータ電極支持棒１０１の外周面に露出する
ように設けられた扇形の複数のステータ電極、１０３は
ステータ電極１０２の周囲に対向配置されたロータ電
極、１０４はロータ電極１０３の内周面に形成された誘
電体膜、１１０は誘電体膜１０４の一部に形成された電
気的な抵抗材料であり、誘電体膜１０４の厚さと同じ厚
さを有する。この実施例例においても、前記した第３の
実施例と同様な作用効果を有する。

【００８６】（実施例１１）図２１は本発明の第１１の
実施例を示す静電モータの断面図であり、図１２に示す
第４の実施例に対応するものである。図２１において、
１１１は絶縁性のステータ電極支持棒、１１２はステー
タ電極支持棒１１１の外周面に露出するように設けられ
た扇形の複数のステータ電極、１１３はステータ電極１
０２の周囲に対向配置された２層構造のコイルスプリン
グ状のロータ電極、１１４はロータ電極１１３の一端部
に固定された回転軸、１１５はロータ電極１１３の他端
部に固定された端板、１１６は回転軸１１４を支持する
軸受、１１７はロータ電極１１３をステータ電極支持棒
１１１上で支持する軸受、１１８はステータ電極支持棒
１１１および軸受１１６を支持するケーシングである。
コイルスプリング状のロータ電極１１３は、導電性の芯
の回りを誘電体膜１１９で被覆したワイヤを互いに逆向
きに２層構造で巻いたものであり、回転軸１１４および
軸受１１６を介して接地されている。本実施例において
も、前記第４の実施例を同様な作用効果を有する。

【００８７】（実施例１２）図２２は本発明の第１２の
実施例を示す静電モータの断面図であり、図１３に示す
第５の実施例に対応するものである。構成は、上記第１
１の実施例における軸受１１６および１１７として回転
および軸方向に直線運動が可能な軸受１２１、１２２を
使用するとともに、ステータ電極１１２の両側にリング
状の永久磁石１２３を固定して磁気回路を構成し、コイ
ルスプリング状のロータ電極１１３の外側第１層のコイ
ルに軸方向の推進力を得るための電流を流す電流源１２
４を接続したものである。本実施例においても、前記第
５の実施例と同様な作用効果を得ることができる。

【００８８】（実施例１３）次に、アウタロータタイプ
の静電モータの製造方法について第１３の実施例として
説明する。図２３から図２５は本発明の第１３の実施例
における静電モータの製造工程を示す断面図であり、図
１４から図１６に示す第６の実施例に対応する。

【００８９】まず第１の工程として、図２３（ａ）に示
すように、絶縁性のステータ電極支持棒１３１の上にス
テータ電極となる金属薄膜１３２をスパッタリングなど
により形成する。

【００９０】第２の工程として、図２３（ｂ）に示すよ
うに、金属薄膜１３２上のステータ電極の位置にめっき
可能な樹脂材料１３３によりステータ電極の形状に成形
する。

【００９１】第３の工程として、図２３（ｃ）に示すよ
うに、樹脂材料１３３をマスクとしてステータ電極以外
の金属薄膜１３２をエッチングにより除去する。

【００９２】第４の工程として、図２４（ｄ）に示すよ
うに、残された樹脂材料１３３の表面をめっきしてステ
ータ電極１３４を形成する。

【００９３】第５の工程として、図２４（ｅ）に示すよ
うに、ステータ電極１３４を含む表面全体に絶縁性樹脂
１３５を注入硬化させて、ステータ電極間を埋め、かつ
厚みをステータ電極と等しくする。

【００９４】第６の工程として、図２４（ｆ）に示すよ
うに、表面全体に高誘電率絶縁膜１３６をスパッタリン
グなどにより形成する。

【００９５】第７の工程として、図２５（ｇ）に示すよ
うに、高誘電率絶縁膜１３６の上に犠牲層膜１３７とし
ての酸化珪素膜をスパッタリングなどにより目標ギャッ
プ厚さの２分の１になるように形成する。

【００９６】第８の工程として、図２５（ｈ）に示すよ
うに、犠牲層膜１３７の上に金属薄膜をスパッタリング
などにより形成し、さらにその上にめっきを施してロー
タ電極１３８を形成する。

【００９７】第９の工程として、図２５（ｉ）に示すよ
うに、犠牲層膜１３７としての酸化珪素膜をエッチング
により除去して、ステータ電極部とロータ電極部とを分
離し、両者間にギャップ１３９を形成する。これによ
り、ステータ電極１３４の外周面に高誘電率絶縁膜１３
６を有するステータ電極部とその回りに対向する円筒状
のロータ電極部とを得ることができる。

【００９８】なお、上記第１５の実施例において、第２
の工程でめっき可能な樹脂材料１３３を用いてステータ
電極の形状に形成する代わりに、フォトレジストを用い
てステータ電極の形状に形成し、第３の工程でこのフォ
トレジストをマスクとして下層の金属薄膜１３２をエッ
チングにより除去し、第４の工程としてこのフォトレジ
ストを除去することによっても、同様な構造の静電力発
生部を得ることができる。

【００９９】また、第６の工程と第７の工程の順番を逆
にすることにより、ロータ電極１３８の内周面に高誘電
率絶縁膜１３６を有する静電力発生部を得ることができ
る。

【０１００】以上、本発明の実施例を説明してきたが、
本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、種々
の変更、付加、適用が可能である。例えば、ロータ位置
検出用の抵抗材料を有さない場合は、誘電体膜をロータ
電極またはステータ電極のいずれに形成してもよく、ロ
ータ電極またはステータ電極は両端支持ではなく片持ち
支持でもよく、ケーシング内部を真空状態に保つ構成や
ロータ電極の回転角を検出する構成も適宜適用されるも
のである。

【０１０１】

【発明の効果】本発明は、上記各実施例から明らかなよ
うに、以下のような効果を有する。まず本発明による静
電モータは、回転軸の少なくとも一部にコイル複層構造
のコイルスプリングを備えているので、ロータ電極の回
転軸の偏心回転をうまく吸収した小型で高機能な静電モ
ータを実現することができる。

【０１０２】また本発明による静電モータは、誘電体膜
の一部に電気的な抵抗材料を設けるという簡単な構成に
より、ステータ電極またはロータ電極からロータ電極の
回転位置角度情報を検出することができ、高精度な回転
制御部を備えた小型で高機能な静電モータを実現するこ
とができる。

【０１０３】また本発明による静電モータは、ロータ電
極をコイルスプリング状にすることにより、ロータ電極
の偏心回転をうまく吸収するとともに、部品点数を削減
して接続損失を低減した小型で高機能な静電モータを実
現することができる。

【０１０４】また本発明による静電モータは、ロータ電
極をコイルスプリング状にするとともに、このコイルス
プリングに磁気回路中で電流を流すことにより、軸方向
への直進運動も可能な２自由度の小型で高機能な静電モ
ータを実現することができる。

【０１０５】また本発明による静電モータは、ロータ電
極およびステータ電極を収容するケーシングの内部を真
空状態に保つことにより、コイルスプリング等の性質を
一定に保ち、安定したトルク伝達と偏心吸収機能を持続
できる小型で高機能な静電モータを実現することができ
る。

【０１０６】また本発明による静電モータの製造方法
は、半導体製造技術を利用することにより、各部の寸法
を高精度にコントロール可能であり、微細な形状のステ
ータ電極を形成することができる。しかも、これらは複
数個同時のバッチ処理が可能であり、量産が可能であ
る。また注型樹脂により電極間の絶縁、固定を確実に行
なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す静電モータの断面
図。

【図２】本発明の第１の実施例におけるコイルスプリン
グの部分断面図。

【図３】本発明の第１の実施例の変形例を示すロータ電
極部の断面図。

【図４】本発明の第２の実施例を示す静電モータの断面
図。

【図５】本発明の第３の実施例におけるロータ電極部の
斜視図。

【図６】本発明の第３の実施例における動作を示す概略
断面図。

【図７】本発明の第３の実施例における動作を示す等価
回路図。

【図８】本発明の第３の実施例における動作を示す概略
断面図。

【図９】本発明の第３の実施例における動作を示す特性
図。

【図１０】本発明の第３の実施例の変形例を示す静電モ
ータの概略断面図。

【図１１】本発明の第３の実施例の別の変形例を示す静
電モータの概略斜視図。

【図１２】本発明の第４の実施例を示す静電モータの断
面図。

【図１３】本発明の第５の実施例を示す静電モータの断
面図。

【図１４】本発明の第６の実施例における静電モータの
製造工程を示す断面図。

【図１５】本発明の第６の実施例における静電モータの
製造工程を示す断面図。

【図１６】本発明の第６の実施例における静電モータの
製造工程を示す断面図。

【図１７】本発明の第７の実施例における静電モータの
製造工程を示す断面図。

【図１８】本発明の第８の実施例を示す静電モータの断
面図。

【図１９】本発明の第９の実施例を示す静電モータの断
面図。

【図２０】本発明の第１０の実施例における静電力発生
部の概略斜視図。

【図２１】本発明の第１１の実施例における静電モータ
の断面図。

【図２２】本発明の第１２の実施例における静電モータ
の断面図。

【図２３】本発明の第１３の実施例における静電モータ
の製造工程を示す断面図。

【図２４】本発明の第１３の実施例における静電モータ
の製造工程を示す断面図。

【図２５】本発明の第１３の実施例における静電モータ
の製造工程を示す断面図。

【図２６】従来の静電モータの概略を示す部分斜視図。

【符号の説明】

１ ロータ電極 ２ ステータ電極 ３ 誘電体膜 ４ 回転軸 ５ コイルスプリング ６ 軸受 ７ エンコーダ ８ 内部空間 ９ ケーシング １０ 回転制御部 １１ 磁性流体シール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊 田 隆 一 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番 １号 松下技研株式会社内 (72)発明者 河 内 義 和 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番 １号 松下技研株式会社内 (72)発明者 植 野 進 一 郎 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番 １号 松下技研株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−51367（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−117385（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−222471（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−95865（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−12876（ＪＰ，Ａ) 特公 平２−22256（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭52−17052（ＪＰ，Ｙ２) 実公 平２−36085（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 1/00 H02N 11/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転可能なコイルスプリング状のロータ電
   極と、前記ロータ電極に誘電体膜を介して対向配置され
   た複数のステータ電極と、前記ロータ電極を支持する回
   転軸と、前記回転軸を支持するとともに軸方向への前記
   ロータ電極の移動を許容する軸受と、前記コイルスプリ
   ング状のロータ電極に対し半径方向に横切る磁界を発生
   させるための磁気回路と、前記コイルスプリング状のロ
   ータ電極に制御電流を流して軸方向に移動させるための
   電流源とを備えた２自由度の静電モータ。
2. 【請求項２】各ステータ電極と軸受とを保持してモータ
   の外殻を構成するケーシングを有し、ロータ電極が断面
   矩形の線材を巻き方向を異にして巻いた複数層のコイル
   スプリングであることを特徴とする請求項１に記載の静
   電モータ。
3. 【請求項３】ケーシングの内部を真空に封止したことを
   特徴とする請求項２に記載の静電モータ。
4. 【請求項４】ロータ電極がステータ電極の内側に配置さ
   れている請求項１から３のいずれかに記載の静電モー
   タ。
5. 【請求項５】ロータ電極がステータ電極の外側に配置さ
   れている請求項１から３のいずれかに記載の静電モー
   タ。