JP4027327B2

JP4027327B2 - 静電モータ

Info

Publication number: JP4027327B2
Application number: JP2004016111A
Authority: JP
Inventors: 俊一尾高; 功仮屋
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: EP1557937A1; US20050162036A1; JP2005210852A; US7372186B2

Description

本発明は、静電気力を駆動源とする静電モータに関する。

フイルム状に形成された固定子と移動子を有し、該固定子と移動子の電極にそれぞれ多相交流電圧を印加して、移動子フィルムを固定子フィルム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。
静電モータは磁気コイルや永久磁石等を必要とせず、電極を平面状に配置することで固定子及び移動子を形成することができる。そのために電磁力型のモータと比較して、より小体積で軽量なモータとすることができる。このメリットを生かすために固定子と移動子をフイルム状に形成している。そのため、固定子用フィルム型電極及び移動子用フィルム型電極は剛性がなくその間のギャップを固定子用フィルム型電極及び移動子用フィルム型電極自体で保持することができず、固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極との間にガラスビーズ等の微小粒体を散布してギャップを保持するように構成している（非特許文献１参照）。

図８は、直動型の静電モータの概要説明図である。図９は直動型の静電モータにおける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詳細な説明図である。又、図１０は図９のＡ−Ａ断面図である。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が埋め込まれている。移動子用フィルム型電極２においても絶縁体５中にも同様な電極部６が埋め込まれている。図８〜図１０に示す例は、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を共に３相の交流電源に接続するものとして、３相交流電源の各相の端子にそれぞれ接続される電圧入力部７ａ，７ｂ，７ｃ及び８ａ，８ｂ，８ｃを備えている。図９に示すように、固定子用フィルム型電極１においては、３相交流電源の第１の相の端子に接続される電圧入力部７ａには通電路３ａ’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の相の端子に接続される電圧入力部７ｂには通電路３ｂ’を介して第２の相の各電極部３ｂ，３ｂ…が接続され、第３の相の端子に接続される電圧入力部７ｃには通電路３ｃ’を介して第３の相の各電極部３ｃ，３ｃ…が接続されている。なお、通電路３ｃ’は他の電極部や通電路と交差し接触することを防ぐため電極部が設けられた側とは反対側に配置されており、スルーホール導電部９を介して駆動用の各電極部３ｃ，３ｃと接続されている。そのため、図９では破線で示している。

移動子用フィルム型電極２においても、電極部６の配設は、固定子用フィルム型電極１と同様で、３相交流電源の第１の相の端子に接続される電圧入力部８ａには通電路６ａ’を介して第１の相の各電極部６ａ，６ａ…が接続されている。なお、図９においては、移動子用フィルム型電極を構成するフィルムの裏面に設けられた電極部６は破線で示し表側に設けられた電極部６は実線で表している。第２の相の端子に接続される電圧入力部８ｂには通電路６ｂ’を介して第２の相の各電極部６ｂ，６ｂ…が接続され、第３の相の端子に接続される電圧入力部８ｃには通電路６ｃ’、スルーホール導電部１０を介して第３の相の各電極部６ｃ，６ｃ…が接続されている。

図１０は、図９におけるＡ−Ａ断面図である。固定子用フィルム型電極１は、接着剤で接着しエッチング処理等で設けられた通電路３ｃ’を有する一方のベースフィルム４ｂと、各電極部３ａ，３ｂ，３ｃ及び通電路３ａ’，３ｂ’が接着剤で接着しエッチング処理等で設けられた他方のベースフィルム４ｂが背中合わせに接着されている。そして、その外側をカバーフィルム４ａで覆って絶縁層を形成している。すなわち、固定子用フィルム型電極１は、カバーフィルム４ａの層、通電路３ｃ’と接着剤の層、一方のベースフィルム４ｂの層、接着剤の層、他方のベースフィルム４ｂの層、電極部３ａ，３ｂ，３ｃ及び通電路３ａ’，３ｂ’と接着剤の層、カバーフィルム４ａの層で形成されている。

移動子用フィルム型電極２も同様で、通電路６ｃ’が設けられた一方のベースフィルム５ｂと、各電極部６ａ，６ｂ，６ｃ及び通電路６ａ’，６ｂ’が設けられた他方のベースフィルム５ｂとが背中合わせに接着され、その外側をカバーフィルム５ａで覆って絶縁層を形成している。移動子用フィルム型電極２は、カバーフィルム５ａの層、通電路６ｃ’と接着剤の層、一方のベースフィルム５ｂの層、接着剤の層、他方のベースフィルム５ｂの層、電極部６ａ，６ｂ，６ｃ及び通電路６ａ’，６ｂと接着剤の層、カバーフィルム５ａの層で形成されている。さらに、こ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間には、ガラスビーズ１１が散布され、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間のギャップを保持している。

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にそれぞれの端子には、多相交流電源（図に示す例では３相の交流電源）の各相端子を各電圧入力部７ａ，７ｂ，７ｃ、８ａ，８ｂ，８ｃに接続して、それぞれ進行波電界を発生させて、その進行波電界の差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。

又、図１１は、回転型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５中に各相電極部６が放射状に配列されて埋め込まれている。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間には、ガラスビーズが散布され、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間のギャップが保持されるように構成されている。

この回転型静電モータは、各相電極部３，６が放射状に配置されている点が図８〜図１０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、その進行波電界の差によっ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回転運動させるものである。

さらに、大きな力を発生させるために、図８、図１１に示した固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極を適切なギャップを設け対向させたものを１組とし複数組みを適切なギャップを設け積層し、固定子用フィルム型電極及び移動子用フィルム型電極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している。
従来、このギャップは図１２に示すように、スペーサ１２，１３を設けてギャップを形成するようにしている。図１２において、符号１４は、固定子の筐体であり、符号１５は移動子の筐体（スライダまたは回転軸）である。固定子用フィルム型電極１の一端部は固定子用フィルム型電極１を連結固定する筐体１４にスペーサ１２をもって間隔をあけて固定されている。一方、移動子用フィルム型電極２も移動子筐体１５にスペーサ１３をもって間隔をあけてその一端部が固定され、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の対向面（有効駆動面）が互いに対向するように構成されている。

固定子用のスペーサ１２の厚みは、（固定子フィルム型電極と移動子フィルム型電極間の所望の所定ギャップ）×２＋移動子フィルム型電極の厚さとされ、移動子用のスペーサ１３の厚みは、（固定子フィルム型電極と移動子フィルム型電極間の所望の所定ギャップ）×２＋固定子フィルム型電極の厚みとなる。なお、この図１２に示す例では、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との間のギャップにガラスビーズ等の微小粒体は図示していないが、実際には、このギャップにガラスビーズ等の微小粒体に散布すしてギャップを管理している。

特開平６−７８５６６号公報山本晃生、新野俊樹、樋口俊郎「高出力静電リニアモータを用いた高精度位置決め制御」精密工学会誌Ｖｏｌ．６４．Ｎｏ．９．１９９８年，第Ａ−１５２〜Ａ−１５６

移動子用フィルム型電極は固定子用フィルム型電極に対して移動するものであり、この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を管理するためにその間に散布されたガラスビーズ等の微小粒子は、フリーの状態で固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極間に介在するものであることにより、移動子用フィルム型電極が移動することにより微小粒子（ガラスビーズ）が偏り、偏在するという現象が生じるという問題があった。微小粒子（ガラスビーズ）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で偏在すると、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一様でなくなりモータの特性が変わってしまうことになる。しかし、従来は、この微小粒子（ガラスビーズ）によるギャップ管理しか方法がない。また、微小粒子（ガラスビーズ）を使用しないで、ギャップ管理をすることは難しいという問題があった。
そこで、本発明の目的は、微小粒子を用いずに簡単にギャップ管理ができる静電モータを提供することにある。

請求項１に係わる発明は、フィルム状に構成された固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極で形成される静電モータであって、固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極の対向面には高さの異なる凸部が設けられ、高さの高い方の凸部により可動子と固定子間のギャップが調整され、両凸部は可動子の移動方向と平行に配置され、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で対向させたときに、高さの高い凸部と高さの低い凸部が所定の隙間を介して噛み合うことで、可動子のアライメント調整を行なうことができる静電モータである。さらに、請求項２に係わる発明は、フィルム状に構成された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して構成された静電モータであって、各フィルム型電極の両面には高さの異なる凸部が設けられ、高さの高い方の凸部により可動子と固定子間のギャップが調整され、両凸部は可動子の移動方向と平行に配置され、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で対向させ、順次積層したときに、高さの高い凸部と高さの低い凸部が所定の隙間を介して噛み合うことで、固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極のアライメント調整を行なうことができる静電モータである。
請求項３に係わる発明は、上述した各発明における凸部は、固定子用フィルム型電極又は移動子用フィルム型電極の外皮を形成するカバーフィルムに一体的に形成されているものである。また、請求項４に係わる発明は、固定子用フィルム型電極又は移動子用フィルム型電極の外皮を形成するカバーフィルム及び前記凸部は摺動性に優れた低摩擦材料で形成されているものである。

ガラスビーズ等の微小粒子を使用しないでギャップ管理が可能になるので、ギャップを安定して管理することができる。また、微小粒子の散布が必要なくなるので、静電モータの製造が簡素化される。

図１は、本発明の参考例としての静電モータにおけ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積層状態を説明する説明図である。本発明は、図８に示した直動型静電モータ（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の組みを複数積層したもの）、図９に示した回転型静電モータ（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の組みを複数積層したもの）に適用できるものである。そして、この図１では、従来例の対応する要素には同一符号を付している。

この参考例と図８〜図１２に示した従来例との相違は、固定子用フィルム型電極１の外形が相違するのみで他は従来例と同一である。
固定子用フィルム型電極１には、移動子用フィルム型電極２と対向する面上に適切な間隔をあけて複数の凸部１６が配設されている。この図１に示す例では、固定子用フィルム型電極１の移動子用フィルム型電極２対向する領域の両端と中央部における両面にそれぞれ凸部１６が形成された例を示している。この凸部１６の高さ（フィルム平面から突出する量）は、図２の拡大図に示すように、該凸部１６の表面と対向する移動子用フィルム型電極２のフィルム表面とのギャップβが本来必要とされるフィルム間のギャップαの数分の一程度になるように設計されている。この凸部１６が存在することにより、固定子用，移動子用フィルム型電極１,２に弛みが生じても該凸部１６で支えられ両フィルム型電極１，２間は、所定のギャップを全体的に保持することができる。

また、該凸部１６が移動子用フィルム型電極２の表面と接触して摩耗しても、従来の凸部のない静電モータに近づくだけで、従来の静電モータよりも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間のギャップがより有効に管理されるものである。
また、この凸部１６は移動子用フィルム型電極２の表面と接触し摺動摩擦で摩耗する恐れがあることから、この凸部１６は低摩擦材料で形成するようにする。特に、この凸部１６を、フォトエッチング，サンドブラストによる研磨，射出成形などの方法により固定子用フィルム型電極の表面に一体的に作り込む。固定子用及び移動子用フィルム型電極１,２は、電極部等がエッチング等により配設されたベースフィルムの上にカバーフィルムを接着して作成されるものであり、このカバーフィルムを作成するときこの凸部１６を設けて成形すればよく簡単に作成することができる。

また低摩擦材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン（四ふっ化エチレン樹脂））などの摺動性に優れた材料を用いる。凸部１６と接し摺動する移動子用フィルム型電極２側のフィルムも摺動摩擦で摩耗するのでこのフィルムも低摩擦材料で形成する。すなわち，固定子用及び移動子用フィルム型電極１,２の外皮を形成するカバーフィルムをＰＴＦＥ等の低摩擦材料で形成することによって、凸部１６及び該凸部１６と摺接するフィルムの摩耗を小さくするようにする。

上述した参考例では、固定子用フィルム型電極１の外皮のフィルムに凸部１６を設けたが、移動子用フィルム型電極２の外皮のフィルムに設けてもよい。さらには、固定子用フィルム型電極１，移動子用フィルム型電極２の両方に設けてもよい。この場合、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に設ける凸部１６の配設位置は、凸部同士が対向せず互い違いになるように配置することによって、互いに他方のフィルムのたわみを防止することができる。

図３は本発明の一実施形態における静電モータにおけ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の構成を説明する説明図である。ベースフィルム４ｂ、５ｂに各相の電極部３ａ〜３ｃ，６ａ〜６ｃ及び通電路３ａ’〜３ｃ’，６ａ’〜６ｃ’が設けられ、カバーフィルム４ａでその外側が覆われて、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を形成している点では従来と同一であるが、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の対向面に凸部１７，１８が設けられている。この凸部１７，１８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では、少なくともその高さ（フィルム型電極面より突出する量）を変えている。図３に示す例では、移動子用フィルム型電極２に設けた凸部１８の高さが固定子用フィルム型電極１に設けた凸部１７よりも高く形成されている。そして、この凸部１７，１８は、固定子用フィルム型電極１に対する移動子用フィルム型電極２の相対移動方向と平行な線に沿って形成されている。

図４は、こ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を対向させて静電モータを形成したときの断面図である。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間のギャップは、高さの大きい凸部１８によって決まり、この凸部１７，１８によって、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のアライメント管理が容易にできる。
例えば、図５に示すように、凸部１８の高さをｈ１，幅をｗ１、凸部１７の高さをｈ２，幅をｗ２とすると、ｈ１＞ｈ２であり、各凸部が配置される間隔を（ｗ１＋ｗ２＋２ｄ）とし、ｄを適切な微小幅とし、凸部１７と凸部１８が違いに嵌合して、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が対向し、ギャップがｈ１に保持されて固定子用フィルム型電極１に対して移動子用フィルム型電極２は移動方向に平行に移動するよう拘束され、スムーズに移動できることになる。

この、凸部１７，１８の配置間隔は、図３，図４に示す例では一律であるが、図６（ａ）に示すように、この凸部１７，１８相互の嵌合部を適当な間隔で配置するようにしてもよいものである。さらには、凸部１７，１８は連続した凸部ではなく図６（ｂ）に示すように、島状に形成してもよいものである。なお、図６（ｂ）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の平面に対して垂直方向から見た図である。この凸部の形状も、矩形である必要はなく、三角形、半円、曲面などの形状でもよいものである。また、この凸部は、参考例と同様にカバーフィルム４ａ，５ａと一体的に成形してもよく、又、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン（四ふっ化エチレン樹脂））などの摺動性に優れた低摩擦材料を用いるようにする。

図７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１組として複数組み積層して静電モータを形成するときの固定子用フィルム型電極１、移動子用フィルム型電極２の構成を示す図で、図３と比較して明らかのように、凸部１７，１８が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の両面に設けられるものである。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の凸部１７，１８を順次嵌合していけば、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、該組みが複数設けられた静電モータを得ることができるものである。

本発明の参考例におけ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積層した状態を示す図である。同参考例におけるギャップの説明図である。本発明の一実施形態におけ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説明図である。同実施形態におけ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対向して配置して静電モータを形成したときの断面図である。同実施形態における凸部の形状寸法の説明図である。同実施形態の変形例の説明図である。同実施形態の変形例で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するときの、固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極の説明図である。本発明が適用される直動型静電モータの説明図である。直動型静電モータにおけ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詳細説明図である。図９におけるＡ−Ａ断面図である。本発明が適用される回転型静電モータの説明図である。従来の静電モータにおけ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積層した状態を示す図である。

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
３，６，電極部
３ａ，３ｂ，３ｃ固定子の第１，第２，第３の相の電極部
４，５絶縁体
４ａ，５ａカバーフィルム
４ｂ，５ｂベースフィルム
３ａ’，３ｂ’，３ｃ’ 固定子の第１，第２，第３の相の通電路
６ａ，６ｂ，６ｃ移動子の第１，第２，第３の相の電極部
６ａ’，６ｂ’，６ｃ’ 移動子の第１，第２，第３の相の通電路
７ａ，７ｂ，７ｃ固定子の第１，第２，第３の相の電圧入力部
８ａ，８ｂ，８ｃ移動子の第１，第２，第３の相の電圧入力部
９，１０スルーホール導電部
１１ガラスビーズ
１２，１３スペーサ
１４固定子筐体
１５移動子筐体
１６，１７，１８凸部

Claims

フィルム状に構成された固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極で形成される静電モータであって、
固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極の対向面には高さの異なる凸部が設けられ、高さの高い方の凸部により可動子と固定子間のギャップが調整され、
両凸部は可動子の移動方向と平行に配置され、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で対向させたときに、高さの高い凸部と高さの低い凸部が所定の隙間を介して噛み合うことで、可動子のアライメント調整を行なうことができる静電モータ。
フィルム状に構成された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して構成された静電モータであって、
各フィルム型電極の両面には高さの異なる凸部が設けられ、高さの高い方の凸部により可動子と固定子間のギャップが調整され、
両凸部は可動子の移動方向と平行に配置され、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で対向させ、順次積層したときに、高さの高い凸部と高さの低い凸部が所定の隙間を介して噛み合うことで、固定子用フィルム型電極と移動子用フィルム型電極のアライメント調整を行なうことができる静電モータ。
前記凸部は、固定子用フィルム型電極又は移動子用フィルム型電極の外皮を形成するカバーフィルムに一体的に形成されている請求項１または請求項２に記載された静電モータ。
固定子用フィルム型電極又は移動子用フィルム型電極の外皮を形成するカバーフィルムの表面及び前記凸部の表面は摺動性に優れた低摩擦材料で形成されている請求項１乃至請求項３の内いずれか１項に記載された静電モータ。