JP3886494B2 - 固定子用及び移動子用のフィルム型電極及び静電モータ - Google Patents

Description

本発明は、静電気力を駆動源とする静電モータ及び該静電モータを形成するフィルム型電極に関する。

固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極を有し、該固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極にそれぞれ多相交流電源を接続して、移動子用フィルム型電極を固定子用フィルム型電極に対して相対移動させるようにした静電モータはマイクロマシン等の駆動源として開発されている（例えば、特許文献１等参照）。
従来の電磁力を利用する電機モータにおいては、磁気コイルや永久磁石等の磁力を発生させる部材を必要とし、小型に形成することが難しい。しかし、静電モータは、磁気コイルや永久磁石等の質量の大きい要素を必要としないことから、超小型のモータを形成することができマイクロマシンの駆動源等に利用される。
図１は、直動型の静電モータの概要説明図である。固定子用フィルム型電極１には、絶縁体４中に銅箔等の導電性の帯状薄膜又は細いワイヤ等で形成された各相の電極部３が埋め込まれている。同様に移動子用フィルム型電極２においても絶縁体４中に同様な電極部３が埋め込まれている。固定子用フィルム型電極１及び移動子用フィルム型電極２のそれぞれの各相端子には、多相交流電源の各相出力が接続され固定子用フィルム型電極１及び移動子用フィルム型電極２にそれぞれ進行波電界を発生させて、その進行波電界によって移動子用フィルム型電極２を固定子用フィルム型電極１に対して直動させる。大きな力を発生させるために固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２の組みを複数組み積層して直動型静電モータを構成する。

又、回転型静電モータの場合では、図２の概要説明図で示すように、固定子用フィルム型電極１には、絶縁体４中に導電性の帯状薄膜又は細いワイヤ等で形成された各相の電極部３が放射状に配列されて埋め込まれている。同様に、移動子用フィルム型電極２にも絶縁体４中に各相電極部３が放射状に配列されて埋め込まれている。この回転型静電モータは、各相電極部３が放射状に配置されている点が図１で示した直動型静電モータと異なるのみで、他は直動型静電モータと同一の構成であり、対応する各要素に対して同一符号を付している。この回転型静電モータも、固定子用フィルム型電極１及び移動子用フィルム型電極２にそれぞれ多相交流電源を接続しそれぞれ進行波電界を発生させて、その進行波電界によって移動子を固定子に対して回転運動させるものである。

この回転型静電モータの場合にも、大きな力を発生させるために、固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２を１組とし複数組み積層し、固定子用フィルム型電極１及び移動子用フィルム型電極２をそれぞれ互いに連結して、大きな力を発生させるように構成されている。

図３は、直動型静電モータにおける固定子用及び移動子用のフィルム型電極１，２を形成するフィルム型電極１（又は２）の説明図である。電極部と該電極部に通電する通電路のパターンを表示している。電極部及び通電路を実線で表しているものは見た側にあるものを示し、破線は見た側とは反対側に配設されていることを示している。

固定子用及び移動子用のフィルム型電極１（又は２）には、絶縁体４中に導電性の帯状薄膜を又は細いワイヤ等で形成された各相の電極部３が埋め込まれている。図３では３相の交流電源で駆動されるフィルム型電極１（又は２）の例を示しており、３相交流電源の第１、第２、第３の各相にそれぞれ接続されるスルーホールメッキが施されたスルーホール導電部６ａ，６ｂ，６ｃを備えている。第１の相に接続されるスルーホール導電部６ａには通電路５ａを介して第１の相の各電極部３ａ，３ａ…が接続され、同様に、第２の相に接続されるスルーホール導電部６ｂには通電路５ｂを介して第２の相の電極部３ｂ，３ｂ…が接続され、第３の相に接続されるスルーホール導電部６ｃには通電路５ｃを介して各駆動用電極部３ｃ，３ｃ…が接続されている。なお、第３の相の通電路５ｃは、他の相の通電路５ａ、５ｂと交差し接触することを防ぐため他の相の通電路５ａ、５ｂ電極部が設けられた側とは反対側（裏面）に配置されており、スルーホール導電部７を介して第３の相の電極部３ｃ，３ｃと接続されている。

図９は、このような固定子用及び移動子用のフィルム型電極１，２を製造する従来の製造工程の説明図である。
（ａ）可撓性がある絶縁性のフィルムをベースフィルム４ａとして該ベースフィルム４ａにフィルム状導電体（銅箔等）３’を張り合わせた素材、例えばフレキシブルプリント基板用の材料を用意し、所定の位置（図３におけるスルーホール導電部６ａ，６ｂ，６ｃの位置）に穴をあける。
（ｂ）該穴において、表面と裏面との導通をとるため、穴の内面をスルーホールメッキする。
（ｃ）レジストを付け、パタニング後エッチングして駆動用の電極部３ａ〜３ｃと通電路５ａ〜５ｃを一括して形成する。
（ｄ）カバーフィルム４ｂを接着または塗布などにより一体的に取り付ける。
（ｅ）外形を切り落とし、各相のスルーホール導電部６ａ〜６ｃと各相の電極部３ａ〜３ｃがそれぞれ通電路５ａ〜５ｃで電気的に接続された固定子用、移動子用のフィルム型電極を得る。

固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２を各一つずつ使用して静電モータを構成する場合には図１０に示すように、移動子用フィルム型電極２を図示しない移動子の筐体に取り付け、固定子用フィルム型電極１を図示しない固定子の筐体に取り付け、微小な間隙をもたせて電極部３ａ〜３ｃが配置された駆動面を対向させる。そして、移動子用フィルム型電極２、固定子用フィルム型電極１の各スルーホール導電部６ａ，６ｂ，６ｃに移動子用多相電源（この場合３相電源）、固定子用多相電源（この場合３相電源）の対応する相を接続することによって、該静電モータを駆動する。

大きな力を発生させるために、固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２の組みを複数組み使用する場合は、例えば、図１１に示すようにスペーサ１０を用いる。固定子用フィルム型電極１同士、移動子用フィルム型電極２同士の間にスペーサ１０を配置する。このスペーサ１０の厚みは、固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２の電極部３ａ〜３ｃが設けられた駆動面間に、微小な間隙を与えるためフィルム型電極より微小に厚く作られている。そして、図１１に示すように、又スペーサ１０の中心部には、各スルーホールメッキによる導電部と圧着して電気的接続を行う導電性ゴムや導電性バネ等で形成された接続用導電体１１が配置され、固定子用フィルム型電極１同士、移動子用フィルム型電極２同士の間の電気接続を確保するようにしている。

また、図１２に示すように、各スルーホール導電部６ａ，６ｂ，６ｃに通電性ゴム１１を挿入し、各スルーホール導電部６ａ，６ｂ，６ｃに導電性ピン１２を挿入して通電性ゴム１１を介して各フィルム型電極１、２の各電極部３ａ〜３ｃと電源を接続する。

そして、導電性ピン１２、通電性ゴム１１を介して各固定子用フィルム型電極１及び各移動子用フィルム型電極２の各スルーホール導電部６ａ，６ｂ，６ｃに多相交流電源（図に示す例では３相の交流電源）の各相出力を接続して、それぞれ進行波電界を発生させて、その進行波電界によって移動子用フィルム型電極２を固定子用フィルム型電極１に対して移動させる。

図１３，図１４は、固定子用フィルム型電極１又は移動子用フィルム型電極２を積層し、導電性ピン１２を用いて電源と接続するタイプの静電モータにおける固定子又は移動子の組立ての概略説明図である。スペーサ１０の穴に接続用導電体１１を挿入し、この接続用導電体１１が挿入されたスペーサを固定子用又は移動子用フィルム型電極間に挿入し、導電性ピン１２を各スルーホール導電部６ａ〜６ｃに挿入することによって図１４に示すような状態にして、各フィルム型電極と電源との接続を可能にして、積層された固定子用フィルム型電極と積層された移動子用フィルム型電極をその駆動面が微小間隔で対向するように配置して、積層された固定子用フィルム型電極を固定子筐体に固定し、積層された移動子用フィルム型電極を移動子筐体に固定して静電モータを得る。

特開平６−７８５６６号公報

従来技術ではスペーサ１０がフィルム型電極１、２とは別に製作され、組立てる段階で交互に積層していた。ここで弾性体の導電性ゴムを挿入したり通電用バネを取付ける際、厚み方向以外の方向にずれが発生することが問題であった。現在作られている機械駆動用静電モータの駆動電極部のピッチは0.1から1mm程度であるのに対し、フィルム型電極の広がり方向の寸法は数十から数百mm程度、さらにフィルム材料から作られるため材料自体の反りがあるのが実状である。このことから、組立て時に発生するわずかなずれでもフィルム型電極の微細な電極部パターンにとって重大な誤差となり、具体的には理論値どおりの力出力が得られない原因となっていた。

さらに、固定子用、移動子用フィルム型電極を互いに複数重ねる積層型静電モータでは、接続用導電体とスペーサを挿入する必要があり、正しく挿入されているかの確認が、交互に挿入された移動子、固定子のため困難であった。

そこで、本発明の目的は、積層型静電モータの組立てが容易な固定子用、移動子用のフィルム型電極及び積層型静電モータを提供することにある。

請求項１〜４に係わる発明は、フィルム状の固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極の組みを複数組み積層して構成された静電モータに用いられる前記固定子用、移動子用のフィルム型電極であって、フィルム型電極の一部を肉厚に形成し、該肉厚部に各電極部に通電する導電部を設け、この導電部は、肉厚部の両面から突出して形成され、フィルム型電極を積層したとき該突出部を介して前記導電部が電気的に接続されると共に、前記肉厚部により固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極間のギャップが調整されることを特徴とするものである。このフィルム型電極はその表面がカバーフィルムで覆い電極部を保護する。そのカバーフィルムは射出成形により、又は樹脂の塗布／重合により形成されている。

請求項５，６に係わる発明は、上述した請求項１乃至４の内いずれか１項に記載のフィルム型電極を用いて、固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極を形成し、固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極の組みを複数積層することによって静電モータを構成したものである。また、フィルム型電極の肉厚部にはスルーホールを設け、該スルーホールに導電性ピンを挿通して各フィルム電極に電源を接続するようにしたものである。

固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極を所定のギャップをもって対向させて１組とし、この組みを複数組み積層して静電モータとするとき、肉厚部が固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極間の適切なギャップを形成させるスペーサの機能と、各フィルム電極の電極部と電源とを接続する通電部とを兼ね備えることから、積層型の静電モータの製造が容易となる。また、従来のフィルム型電極は薄くて重量が小さいことから、僅かな力が作用しても移動し取扱が難しいが、本発明のフィルム型電極は、肉厚部を有するので重量があり、わずかな力で移動することはないから取扱が容易となり積層型の静電モータの組立てが容易となる。

本発明の静電モータ及び該静電モータを構成する固定子用、移動子用のフィルム型電極の一実施形態について以下図面と共に説明する。本実施形態における静電モータも図１、図２に示すように固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２で構成されているものであり、概要は従来と変わりなく、後述する具体的構成が相違するものである。また、各フィルム型電極に設けられる電極部や通電路の構成も図３で直動型静電モータのフィルム型電極に示した形態と同じである。

図４は、本発明の一実施形態の固定子用、移動子用のフィルム型電極１，２の製造工程の説明図である。
（ａ）可撓性があり絶縁性のフィルムをベースフィルム４ａとし該ベースフィルム４ａにフィルム状導電体（銅箔等）を貼りあわせた素材３’、たとえば、フレキシブルプリント基板用の材料を用意し、電源との接続用のための穴（図３に示したスルーホール導電部６ａ〜６ｃ形成する穴）を所定の位置にあける。
（ｂ）裏面との導通をとるため、穴の内面をスルーホールメッキする。
（ｃ）レジストを付け、パタニング後エッチングして駆動用の電極部３ａ〜３ｃと通電路５ａ〜５ｃを一括して形成する。
（ｄ）次に他方のフィルム型電極との積層時に微小間隔を設けるためのスペーサとして、あらかじめ所定の穴（スルーホール導電部６ａ〜６ｃを形成する穴に合わせた穴）加工が施され、かつ、表面に導電体２２が設けられたフィルム２１で構成される部材を、該部材に設けられた穴とベースフィルム４ａのスルーホール導電部６ａ〜６ｃの穴とを合わせて接着剤を用いて接着し肉厚部２０とする。
（ｅ）メッキ用レジスト２４を用い、スルーホール導電部６ａ〜６ｃの穴の部分だけに第二回目のメッキを行う。ベースフィルム４ａとスペーサを形成する肉厚部２０との間が電気的に接続される。
（ｆ）レジストを除去したのち改めて導電体エッチング用レジストを用いて残りのパタニングをする。
（ｇ）エッチング処理をしてフィルム型電極のエッチングを完了する。
（ｈ）両面にカバーフィルム４ｂを接着、塗布、または表面活性化法による封止などにより気密に取付け、一体化する。カバーフィルム４ｂの表面は同種のフィルム型電極を積層し通電させる部分のみ、穴をあけておく。
（ｉ）導電部にカバーフィルムの厚さより厚く厚付けメッキを施し、スルーホール導電部６ａ〜６ｃを突出させる。この部分を積層用ランド２５と呼ぶことにする。
（ｊ）フィルム型電極の外形を切り落としてフィルム型電極１、２を完成する。電気メッキを用いた場合はメッキ用通電路も同時に切り落とす。

本実施形態では同じ工程を用いて固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２を作製する。図５に示すように、固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２を、微小な間隙を隔てて設置して最小単位の静電モータを構成する。そして、固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２の通電部である積層用ランドに、それぞれ電圧を与えることで双方の駆動電極部同士に静電引力と静電反力を発生させ、これら同士の推進力または回転力を得る。静電モータでは駆動方向を制御するために電圧レベルを順番に変化させる多相電極を用いる。固定子用多相電源と移動子用多相電源からそれぞれ電圧を印加する。固定子用多相電源と移動子用多相電源は共通にしてもよく、この場合は固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極に印加する相順を逆向き方向とする。また多相電源の相数は、実用的には３が望ましい。

静電モータの機械的出力を増やすために、固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２の組を複数組み配置して積層した静電モータを得る。図６は、２組の固定子用および移動子用フィルム型電極１，２を厚み方向に積層した例を示す。

本実施形態ではそれぞれの固定子用フィルム型電極１、それぞれの移動子用フィルム型電極２を厚み方向に積層し、固定子用フィルム型電極１及び各移動子用フィルム型電極２の電極部３を有する駆動面を形成する領域を対向させたとき、スペーサを形成する肉厚部２０で各固定子用フィルム型電極１間及び各移動子用フィルム型電極２間の前記駆動面の間隔が、適切な間隙が形成されると共に、突出している積層用ランド２５同士の接触により電気的接続が得られる。すなわち、固定子用フィルム型電極１、移動子用フィルム型電極２をそれぞれ厚み方向に積層し、その積層方向に圧力を加えるという作業のみで、積層用ランド２５によって各フィルム型電極のスルーホール導電部６ａ〜６ｃが互いに接続され、かつ積層された固定子用フィルム型電極１と積層された移動子用フィルム型電極２を組み合わせたとき固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２間に適切なギャップが形成されることになる。

なお、積層用ランド２５の部分はスルーホール導電部６ａ〜６ｃとして構成してあるから、図７に示すように、スルーホール導電部６ａ〜６ｃの穴加工とメッキ精度が十分であればスルーホールに導電性ピンを挿入することでさらに電気的接続の信頼性を向上させることができる。

複数組の固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２をそれぞれ平行接続して構成した静電モータでは、各フィルム型電極の機械的な位置、特に駆動する方向のずれに影響を受ける。すなわち各電極部に同期して与えられる電圧も機械的位置がずれていると、あたかも電圧の位相がずれているように見え、それは静電モータの機械的出力を低下させるとともに供給する電力としては無効電力を増加させる。本実施形態に用いる各フィルム型電極の積層用ランド２５はメッキで構成された金属であるから、積層時に厚み方向の剛性のみならず駆動方向に対しても剛性が高く、組立作業時におけるずれおよび駆動中の位置ずれが小さいものを提供できる。

なお、本実施形態ではスルーホール導電部６ａ〜６ｃに導電性ピンを挿入して電気的接続の信頼性を向上させることが可能である。一方、電子部品用プリント基板の技術では、パタニングとエッチングによる位置ぎめに比べてスルーホール穴加工および穴内面のメッキ精度が必ずしも十分でないことが多いので、そういう場合は導電性ピンを挿入しない方がより良い組立て精度を得られ、組立て誤差による出力低下より良い結果を得られることもある。

また、本実施形態では静電モータの基本要素である固定子用フィルム型電極１と移動子用フィルム型電極２はそれぞれプリント基板技術を元に構成しており、製作精度とその安定性を得ることは容易である。さらに従来技術で問題となっていた複数組のフィルム型電極の積層組立ての工程において、従来技術のように別体のスペーサを挟む代わりにスペーサ機能を持つフィルム型電極を積層するので、組立て精度が高いものを容易に得られる。

またスペーサ機能を持つフィルム型電極は、在来技術による個別のフィルム型電極、個別のスペーサに比較して厚みが厚いため、単体での剛性が高く、組立て中のフィルム型電極の反りによる組立て精度の低下を低減できる。

図８は、本発明による静電モータを構成する固定子用、移動子用のフィルム型電極の別の実施形態である。この実施形態では、ベースフィルム４ａと導電体をパタニング、エッチングし電極部３ａ〜３ｃ、通電路５ａ〜５ｃを形成しカバーフィルム４ｂを取り付け本体となる第一のフィルムを形成し、同様にフィルム２１’と導電体をパタニング、エッチングして導電部２２’を形成してカバーフィルム４ｂ’を取り付けてスペーサ部材として形成された第二のフィルム２０’を接着し肉厚部とし、再度スルーホール穴加工、スルーホールメッキして積層用ランドを形成し、フィルム型電極を形成させているものである。

なお、電子部品用プリント基板の工法には各種のバリエーションがあり、いずれの工法も本発明のフィルム型電極の製造に適用が可能である。

本発明が適用される直動型静電モータの説明図である。 本発明が適用される回転型静電モータの説明図である。 直動型静電モータの固定子用及び移動子用のフィルム型電極の説明図である。 本発明の一実施形態における固定子用及び移動子用のフィルム型電極の製造工程の説明図である。 同実施形態におけるフィルム型電極によって固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極の１組により形成した静電モータの説明図である。 本発明の静電モータの一実施形態の説明図である。 本発明の静電モータの通電性ピンを用いた一実施形態の説明図である。 本発明の別の実施形態のフィルム型電極の説明図である。 従来のフィルム型電極の製造工程の説明図である。 従来のフィルム型電極を用いて１組の固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極で構成された静電モータの説明図である。 固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極の組みを積層して構成された従来の静電モータの説明図である。 導電性ピンを用いて各電極と電源を接続する従来の積層型静電モータの説明図である。 従来の積層型静電モータの固定子用フィルム型電極又は移動子用フィルム型電極を積層して組立てるときの説明図である。 従来の積層型静電モータの固定子用フィルム型電極又は移動子用フィルム型電極を積層したときの説明図である。

符号の説明

１ 固定子用フィルム型電極
２ 移動子用フィルム型電極
３ 電極部
３ａ，３ｂ，３ｃ 第１，第２，第３の相の電極部
４ 絶縁体
４ａ ベースフィルム
４ｂ カバーフィルム
５ａ，５ｂ，５ｃ 第１，第２，第３の相の通電路
６ａ，６ｂ，６ｃ 第１，第２，第３の相のスルーホール導電部
７ スルーホール導電部
１０ スペーサ
１１ 接続用導電体
１２ 導電性ピン
２０ 肉厚部
２１ フィルム
２２ 導電体
２３ 接着剤
２４ レジスト

Claims (6)

1. フィルム状の固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極の組みを複数組み積層して構成された静電モータに用いられる前記固定子用、移動子用のフィルム型電極であって、フィルム型電極の一部を肉厚に形成し、該肉厚部に各電極部に通電する導電部を設け、該導電部は、肉厚部の両面から突出して形成され、フィルム型電極を積層したとき該突出部を介して前記導電部が電気的に接続されると共に、前記肉厚部により固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極間のギャップが調整されることを特徴とする固定子用及び移動子用のフィルム型電極。
2. 前記フィルム型電極はその表面がカバーフィルムで覆われている請求項１に記載のフィルム型電極。
3. 前記カバーフィルムは射出成形により形成されている請求項２に記載のフィルム型電極。
4. 前記カバーフィルムは樹脂の塗布／重合により形成されている請求項２に記載のフィルム型電極。
5. 前記請求項１乃至４の内いずれか１項に記載のフィルム型電極を用いて、固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極を形成し、固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極の組みを複数積層することによって形成された静電モータ。
6. 前記フィルム型電極の肉厚部にはスルーホールを有し、該スルーホールに導電性ピンが挿通されている請求項５に記載の静電モータ。
   

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