JP6221420B2 - Electrostatic motor - Google Patents

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本発明は、エレクトレット材料で構成した電極を有する静電電動機に関する。   The present invention relates to an electrostatic motor having an electrode made of an electret material.

磁石を使用しない静電電動機の1つ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メリットがあるが、磁石を使った電磁モータに比べ出力トルクが小さく、高電圧を必要とするため、未だに実用化に至っていない。出力トルクを大きくするためには、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、この複数の電極が形成されたフィルムを積層することで、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電極として使用して駆動電圧を下げる方法が既に知られている。
特許文献1(特開平6−311763号公報)には、固定子上の電極に犠牲層を形成し、犠牲層上にエレクトレット層、多結晶シリコンの層を形成し、犠牲層を除去することで、エレクトレット層および多結晶シリコン層を剥離し、剥離したエレクトレット層および多結晶シリコン層が可動子となる構成が開示されている。この場合、固定子と可動子を対で作製するため、エレクトレットとそれに対向する電極間のギャップを精度良く形成することができる。
しかしながら、特許文献1の構成では生産性が悪い、コストがかかるといった問題がある。近年、フッ素樹脂をベースとした表面電荷密度の大きいエレクトレット材料(アモルファスフッ素樹脂、商品名「サイトップ」旭硝子製)が開発されており、モータの高トルク化にはこのような表面電荷密度の大きいエレクトレット材料を用いることが望ましい。しかしながら、特許文献1において、プロセス上の理由でフッ素樹脂系のエレクトレット材料を用いることは難しいと予想される。
An electrostatic motor is known as one of electrostatic motors that do not use a magnet. Electrostatic motors have the merits of being light, thin, and simple in structure, but have not yet been put into practical use because they have a smaller output torque and require a higher voltage than electromagnetic motors using magnets. In order to increase the output torque, a semiconductor process technology is used to form a plurality of electrodes on a film, and by laminating the films on which the plurality of electrodes are formed, a method of extracting a large torque or a permanent electrification called an electret There is already known a method of reducing the driving voltage by using the prepared material as an electrode.
In Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 6-311763), a sacrificial layer is formed on an electrode on a stator, an electret layer and a polycrystalline silicon layer are formed on the sacrificial layer, and the sacrificial layer is removed. A configuration is disclosed in which an electret layer and a polycrystalline silicon layer are peeled off, and the peeled electret layer and polycrystalline silicon layer become a mover. In this case, since the stator and the mover are produced in pairs, the gap between the electret and the electrode facing it can be formed with high accuracy.
However, the configuration of Patent Document 1 has problems such as poor productivity and high cost. In recent years, electret materials based on fluororesins with a high surface charge density (amorphous fluororesin, trade name “Cytop” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) have been developed. It is desirable to use an electret material. However, in Patent Document 1, it is expected that it is difficult to use a fluororesin electret material for process reasons.

特許文献2(特開2012−257368号公報)には、金属材料の上にエレクトレット材料を厚さ15um程度形成して一方の電極(エレクトレット電極)とし、100μmの距離(ギャップ)空けて他方の電極(対向電極)を配置し、一方の電極と他方の電極の間の静電誘導により発電を行う発電素子の構成が開示されている。特許文献2の構成では、エレクトレット材料の厚さ15umに対し、距離(ギャップ)を100μmと十分離して、発電素子を構成している。この場合、距離(ギャップ)を狭めることにより、発電効率は良くなることが予想されるが、ギャップを狭めると、一方の電極と他方の電極の接触が懸念される。つまり、エレクトレット材料と対向電極間に形成される電界強度を、ギャップ間距離を狭めることで大きくする方法は、コスト、生産性およびデバイスの安定性の面で課題がある。   In Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2012-257368), an electret material is formed on a metal material to a thickness of about 15 μm to form one electrode (electret electrode), and the other electrode is separated by a distance (gap) of 100 μm. A configuration of a power generation element that disposes (opposite electrode) and generates power by electrostatic induction between one electrode and the other electrode is disclosed. In the configuration of Patent Document 2, the distance (gap) is sufficiently separated from 100 μm with respect to the thickness of 15 μm of the electret material to constitute the power generating element. In this case, it is expected that the power generation efficiency is improved by narrowing the distance (gap). However, when the gap is narrowed, there is a concern about contact between one electrode and the other electrode. That is, the method of increasing the electric field strength formed between the electret material and the counter electrode by narrowing the gap distance has problems in terms of cost, productivity, and device stability.

本発明は、互いに対向する可動子と固定子の間の距離を狭めることなく、出力トルクの向上を図ることを、その目的とする。   An object of the present invention is to improve the output torque without reducing the distance between the movable element and the stator facing each other.

上記目的を達成するため、本発明に係る静電電動機は、互いに絶縁され、所定の方向でかつ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有する固定子と、固定子に対向するように配置され、エレクトレット材料からなる複数の帯状電極を有する可動子と、固定子の帯状電極に所定の電圧を印可し、固定子と可動子との電極間に作用する静電気のクーロン力で可動子を移動させるものであって、可動子のエレクトレット材料からなる帯状電極を配する基板表面から当該帯状電極の表面までの距離を離すことにより、帯状電極からの電界を固定子の帯状電極へ作用させるとともに、帯状電極を配する基板表面から当該帯状電極の表面までの距離をd1とし、可動子の帯状電極の表面から、表面と対向する側に位置する固定子の帯状電極の表面までの距離をdとしたとき、d1>dとしたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, an electrostatic motor according to the present invention has a stator having a plurality of strip-like electrodes that are insulated from each other and arranged in a predetermined direction and at a predetermined interval so as to face the stator. And a movable element having a plurality of band-shaped electrodes made of electret material, and applying a predetermined voltage to the band-shaped electrode of the stator, and a movable element by electrostatic coulomb force acting between the electrodes of the stator and the movable element It is one that moves the, by separating the distance from the substrate surface to dispose the strip-shaped electrodes made of an electret material of the movable element to the surface of the strip electrode, thereby an electric field is applied from the strip electrode to the strip electrodes of the stator In addition, the distance from the surface of the substrate on which the belt-like electrode is arranged to the surface of the belt-like electrode is d1, and the surface of the belt-like electrode of the stator located on the side facing the surface from the surface of the belt-like electrode of the mover When the distance is d in, it is characterized in that the d1> d.

本発明によれば、可動子のエレクトレット材料からなる帯状電極を配する基板表面から当該帯状電極の表面までの距離を離すことにより、帯状電極からの電界を固定子の帯状電極へ作用させるようにしたので、固定子と可動子の距離を狭めることなく、固定子側の帯状電極と可動子のエレクトレット材料からなる帯状電極の間で効率よく電界を形成することができる。それにより、固定子と可動子の距離が離れていても電界強度が弱くなることがなく、出力トルクの向上を図ることができる。 According to the present invention, by increasing the distance from the substrate surface to dispose the strip-shaped electrodes made of an electret material of the movable element to the surface of the strip electrode, so that an electric field is applied from the strip electrode to the strip electrodes of the stator since the, without narrowing the distance between the stator and the mover, it is possible to form efficiently the electric field between the strip electrodes made of electret material strip electrodes and the movable element of the stator side. Thereby, even if the distance between the stator and the mover is large, the electric field strength is not weakened, and the output torque can be improved.

本発明に係る静電電動機の第1の実施形態の主要構成をと示す斜視図。The perspective view which shows the main structures of 1st Embodiment of the electrostatic motor which concerns on this invention. (a)は第1の実施形態における固定子の構成を示す平面視図、(b)は(a)の断面図。(A) is a top view which shows the structure of the stator in 1st Embodiment, (b) is sectional drawing of (a). (a)は第1の実施形態における可動子の構成を示す平面視図、(b)は(a)の断面図。(A) is a top view which shows the structure of the needle | mover in 1st Embodiment, (b) is sectional drawing of (a). 固定子と可動子の部分拡大断面図であり、(a)、(d)は導電層とエレクトレット電極の間に絶縁層を備えた本発明の特徴部分を示す図、(c)は固定子と可動子の距離を広げた状態を示す図、(d)は固定子と可動子の距離を狭めた状態を示す図。It is a partial expanded sectional view of a stator and a mover, (a), (d) is a figure showing a characterizing portion of the present invention provided with an insulating layer between a conductive layer and an electret electrode, (c) is a stator and The figure which shows the state which extended the distance of the needle | mover, (d) is the figure which shows the state which narrowed the distance of a stator and a needle | mover. 本発明に係る可動子の構成と固定子との関係を示す部分拡大断面図。The partial expanded sectional view which shows the structure of the needle | mover which concerns on this invention, and the relationship between a stator. 本発明に係る可動子の別な実施形態を示す部分拡大断面図。The partial expanded sectional view which shows another embodiment of the needle | mover which concerns on this invention. 本発明に係る可動子の別な実施形態を示す部分拡大断面図。The partial expanded sectional view which shows another embodiment of the needle | mover which concerns on this invention. 本発明に係る可動子の別な実施形態を示す部分拡大断面図。The partial expanded sectional view which shows another embodiment of the needle | mover which concerns on this invention. 本発明に係る静電電動機の第2の実施形態の概略構成を示す斜視図。The perspective view which shows schematic structure of 2nd Embodiment of the electrostatic motor which concerns on this invention. 本発明に係る静電電動機の第3の実施形態の主要構成をと示す斜視図。The perspective view which shows the main structures of 3rd Embodiment of the electrostatic motor which concerns on this invention. 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もので、(a)は電圧切替えと可動子の移動状態を模式的に示す図、(b)は固定子への印加する電圧の切替えパターンを示す図。The drive control when the ratio of the number of electrodes of the stator and the mover is 3 to 2 is shown. (A) is a diagram schematically showing the voltage switching and the moving state of the mover, and (b) is the diagram showing the movement to the stator. The figure which shows the switching pattern of the voltage to apply. 固定子と可動子の電極数比率が3対4の場合における、電圧切替えパターンと可動子の移動状態を模式的に示す図。The figure which shows typically the voltage switching pattern and the movement state of a needle | mover in case the electrode number ratio of a stator and a needle | mover is 3 to 4. 電荷の注入に用いるコロナ荷電装置の概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of a corona charging device used for charge injection. エレクトレット材料の電極の厚さと電界強度の関係の解析に用いた3次元電界シミュレーションモデルを示す図The figure which shows the 3-dimensional electric field simulation model used for the analysis of the relationship between the thickness of the electrode of electret material and electric field strength エレクトレット材料の電極の厚さと電界強度の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the thickness of the electrode of electret material, and electric field strength. SU−8工法検討モデルの解析結果を示す図。The figure which shows the analysis result of SU-8 construction method examination model. 垂直方向の電界強度、水平方向の電界強度を示す電界ベクトル図。The electric field vector diagram which shows the electric field strength of a perpendicular direction, and the electric field strength of a horizontal direction. 可動子側のエレクトレット材料の電極の厚みを増やすと電界強度が大きくなることをコンデンサモデルで説明した図。The figure which demonstrated that the electric field strength became large when the thickness of the electrode of the electret material of a needle | mover side was increased, with a capacitor | condenser model.

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。なお各図面において、同一部材又は同一機能を有する部材には、基本的には同一の符号を付し、重複説明は適宜省略する。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same member or a member having the same function is basically denoted by the same reference numeral, and redundant description is appropriately omitted.

(第1の実施形態)
図1、図2、図3を用いて、本発明に係る静電電動機の第1の実施形態の構成について説明する。
第1の実施形態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。図1に示すように、静電モータ1は薄い平面上に帯状電極としてのパターン電極5を形成した固定子2(以下「ステータ」と記す)と、帯状電極としてのパターン電極6を形成した可動子3(以下「ロータ」記す)と、駆動軸4を備えている。ステータ2とロータ3とは互いに対向して配置されていて、微小ギャップを保ちながら複数枚積層されて構成されている。駆動軸4は金属製で、ロータ3だけに連結されていて、ロータ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。ステータ2とロータ3の間に微小ギャップを設ける方法としては、例えば特開2005−278324号公報に記載のように数十μmのビーズをステータ2とロータ3の間に入れることや、特開2005−210852号公報に記載のようにロータ3の側面にスペーサを挟む周知技術を用いて達成することができる。
(First embodiment)
The configuration of the first embodiment of the electrostatic motor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 3.
The electrostatic motor according to the first embodiment is an axial gap type electrostatic motor 1. As shown in FIG. 1, an electrostatic motor 1 is a movable element in which a stator 2 (hereinafter referred to as “stator”) in which a pattern electrode 5 as a strip electrode is formed on a thin plane and a pattern electrode 6 as a strip electrode are formed. A child 3 (hereinafter referred to as “rotor”) and a drive shaft 4 are provided. The stator 2 and the rotor 3 are arranged to face each other, and a plurality of layers are laminated while maintaining a minute gap. The drive shaft 4 is made of metal, is connected only to the rotor 3, and is configured to rotate integrally when the rotor 3 rotates. As a method of providing a minute gap between the stator 2 and the rotor 3, for example, as described in JP-A-2005-278324, beads of several tens of μm are inserted between the stator 2 and the rotor 3, or JP-A-2005 This can be achieved by using a well-known technique in which a spacer is sandwiched between the side surfaces of the rotor 3 as described in JP-A-210852.

ステータ2に形成された複数のパターン電極5には、ここでは、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と記載する。図1に示す第1の実施形態では、ステータ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層として構成しているが、ステータ2側の相数は3相に限定されるものでしなく、2相の配線をして駆動するようにしても良い。   Here, to the plurality of pattern electrodes 5 formed on the stator 2, three-phase wirings are connected to the three pattern electrodes 5 as one set. This three-phase wiring is described as U, V, and W. In the first embodiment shown in FIG. 1, three-phase wirings of U, V, and W are connected to the pattern electrode 5 of the stator 2 to configure the number of poles as three layers. Is not limited to three phases, and may be driven with two-phase wiring.

図2を用いてステータ2の構成についてより詳細に説明する。
ステータ2は、図2(a)、図2(b)に示すように、中心に貫通孔2Cを有する円環状の基板2A上に複数のパターン電極5が形成されている。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3相配線が行われている。図2の例では、U、V、Wの1組の配線のみを例示している。本実施形態において、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、駆動軸4が絶縁部材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、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を用いてロータ3の構成についてより詳細に説明する。
ロータ3は、図3(a)に示すように、中心に貫通孔3Cを有する円環状の基板3A上に複数のパターン電極6が形成されている。パターン電極6は、基板3Aの表面に、積層された導電層3Bを介して形成されている。本実施形態において、基板3Aの表面とは、導電層3Bの表面3B1を指す。
The configuration of the stator 2 will be described in more detail with reference to FIG.
As shown in FIGS. 2A and 2B, the stator 2 has a plurality of pattern electrodes 5 formed on an annular substrate 2A having a through hole 2C in the center. The substrate 2A is made of an insulator such as glass, ceramics, glass epoxy resin, or polyimide. The plurality of pattern electrodes 5 formed on the substrate 2A are formed by patterning a plurality of metal electrodes, and three-phase wiring is performed on each individual electrode. In the example of FIG. 2, only one set of wirings of U, V, and W is illustrated. In the present embodiment, the individual electrode that forms the U wiring and becomes the U electrode is denoted by reference numeral 5A, and the individual electrode that is formed by the V wiring and becomes the V electrode is denoted by reference numeral 5B, and the W wiring is formed. Thus, the individual electrodes to be the W electrodes are distinguished by being denoted by reference numeral 5C. The drive shaft 4 is inserted into the through hole 2C of the substrate 2A via an insulating member or in a non-contact state. The electrode shape of the pattern electrode 5 is formed as a radial pattern as shown in FIG. Further, the individual electrodes 5A, 5B, and 5C of the pattern electrode 5 may be subjected to a curvature process in order to prevent dielectric breakdown from the edge.
The configuration of the rotor 3 will be described in more detail with reference to FIG.
As shown in FIG. 3A, the rotor 3 has a plurality of pattern electrodes 6 formed on an annular substrate 3A having a through hole 3C at the center. The pattern electrode 6 is formed on the surface of the substrate 3A via the stacked conductive layer 3B. In the present embodiment, the surface of the substrate 3A refers to the surface 3B1 of the conductive layer 3B.

本実施形態において、パターン電極6は、帯状パターン膜に電荷を注入したエレクトレットとして形成されている。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。本実施形態の場合、図3(b)に示すように、ガラス製の基板3Aに導電層3Bを形成しているので、電場を加えた際の電気分極の状態が安定するので、パターン電極6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。
上述した特許文献1には、静電引力に加え反発力(斥力)を利用してトルクを大きくする目的で、偶数個のエレクトレットを等間隔に形成し、隣接し合っているエレクトレットを互いに逆極性となるように帯電させて可動子とし、各エレクトレットの個数の倍数の電極をエレクトレットと対面するように等間隔に配置して各エレクトレットにそれぞれ2つの電極を対応させて固定子とし、固定子の電極の極性を順次切り替えることで、可動子を駆動させる駆動回路とが開示されている。しかし、この構成でトルクを大きくしようとすれば、エレクトレットの極数を増加させる必要があるが、極数が大きくなるとその分隣り合う逆極性のパターンが近接し、隣接するパターン(個別電極)間で放電を起す可能性がある。また、極性を交互に帯電させること自体が非常に難しい。
In the present embodiment, the pattern electrode 6 is formed as an electret in which charges are injected into the belt-shaped pattern film. Here, the electret refers to a material in which an electric field is applied to an insulator such as a fluororesin to cause electric polarization (a state divided into positive and negative electricity) and the state is maintained semipermanently. In the case of this embodiment, as shown in FIG. 3B, since the conductive layer 3B is formed on the glass substrate 3A, the state of electric polarization when an electric field is applied is stabilized, so that the pattern electrode 6 Can be formed in a stable state as an electret.
In Patent Document 1 described above, for the purpose of increasing torque by using repulsive force (repulsive force) in addition to electrostatic attraction, an even number of electrets are formed at equal intervals, and adjacent electrets have opposite polarities. The electrodes are a multiple of the number of each electret and are arranged at equal intervals so as to face the electret, and the two electrodes are associated with each electret to form a stator. A drive circuit that drives the mover by sequentially switching the polarities of the electrodes is disclosed. However, in order to increase the torque with this configuration, it is necessary to increase the number of poles of the electret.However, as the number of poles increases, the adjacent reverse polarity patterns become closer to each other, and the adjacent patterns (individual electrodes) are adjacent to each other. May cause discharge. In addition, it is very difficult to charge the polarity alternately.

そこで本実施形態のように基板3Aの同一平面上に形成されるエレクトレット電極となる個別電極6Aは、全て+極あるいは−極の何れかの同一極(単極)に帯電させて、単極の電極とした。このため、製造上容易に形成することができる。
このようにステータ2のパターン電極5に、エレクトレットされたパターン電極6を形成されたロータ3を近づけると、ステータ2とロータ3の間に電界が生じるため、ロータ3に給電手段が不要になり、モータ構造が大幅に簡素化できる。さらに、ロータ3のエレクトレット製の電極(パターン電極6/個別電極6A)の表面電荷密度を向上させることによって、ステータ2側に印加する2相又は3相の交流電圧を低減することができる。このため、低電圧駆動が可能になり、モータ本体だけでなく駆動ドライバも小型化することができる。
Therefore, as in the present embodiment, the individual electrodes 6A that are electret electrodes formed on the same plane of the substrate 3A are all charged to the same pole (single pole) of either the positive pole or the negative pole. An electrode was obtained. For this reason, it can form easily on manufacture.
Thus, when the rotor 3 formed with the electret pattern electrode 6 is brought close to the pattern electrode 5 of the stator 2, an electric field is generated between the stator 2 and the rotor 3, so that no power feeding means is required for the rotor 3. The motor structure can be greatly simplified. Furthermore, by improving the surface charge density of the electret electrodes (pattern electrode 6 / individual electrode 6A) of the rotor 3, the two-phase or three-phase AC voltage applied to the stator 2 side can be reduced. For this reason, low voltage driving becomes possible, and not only the motor body but also the drive driver can be miniaturized.

個別電極6Aについてより詳細に説明する。
図4(c)、図4(d)に示すように、基板3Aの上に導電層3Bを介してエレクトレット電極となる個別電極6Aを形成する場合、エレクトレット材料の膜厚は5〜20μm程度が一般的である。そして個別電極6Aの表面としての対向面6A1と、個別電極6Aと対向するステータ2側の例えば個別電極5Aの表面となる対向面5A1との電極間で電場を形成する。このときの電場は、個別電極6Aの対向面6A1と個別電極5Aの対向面5A1との間のギャップ距離dが短いほど、個別電極6Aから出る電場が対向する個別電極5Aへ伝えることができる。従って、図4(c)に示すギャップ距離dよりも、図4(d)に示すように小さいギャップ距離dで個別電極5Aを設置したほうが良い。
しかしながら、短いギャップ距離dを維持しながら、静電モータや静電アクチュエータを駆動させることは、基板2A、3Aの面精度や個別電極5Aや個別電極6Aの厚さのばらつきなど面から難しい。これを実現させるには、面精度の良いステータ2およびロータ3(可動子)を必要とし、さらに加工機械の精度も要求されるため、コスト的に不利となる。従って、現実的には、図4(c)に示すように、ステータ2とロータ3の距離Dをロータ3(可動子)が移動しても接触しない距離として、個別電極6Aの対向面6A1と電極5Aの対向面5A1との間のギャップ距離dを広くして装置を構成した方がコスト面や安定性の面では好ましい。
しかし、このようにステータ2とロータ3の距離Dやギャップ距離dを広げてしまうと、個別電極6Aの対向面6A1とロータ3の導電層3Bの距離d1、すなわち、ここでは個別電極6Aの膜厚d1が、ギャップ距離dよりも短くなり、個別電極6Aと導電層3Bとの間で電界を形成しやすくなる。このように、導電層3B上にエレクトレットの個別電極6Aを形成した構成では、個別電極6Aと対向する個別電極5A間に電界を効率良く形成するのが難しい。図4ではステータ2側の電極として個別電極5Aを代表して例示しているが、個別電極5B、5Cと個別電極6A間においても同様の現象が発生する。なお、個別電極5B、5C対向面は、便宜的に5A1として表記する。
The individual electrode 6A will be described in more detail.
As shown in FIGS. 4 (c) and 4 (d), when the individual electrode 6A serving as the electret electrode is formed on the substrate 3A via the conductive layer 3B, the thickness of the electret material is about 5 to 20 μm. It is common. Then, an electric field is formed between the facing surface 6A1 as the surface of the individual electrode 6A and the facing surface 5A1 serving as the surface of the individual electrode 5A on the side of the stator 2 facing the individual electrode 6A. The electric field at this time can be transmitted to the opposing individual electrode 5A as the gap distance d between the opposing surface 6A1 of the individual electrode 6A and the opposing surface 5A1 of the individual electrode 5A is shorter. Therefore, it is better to install the individual electrodes 5A with a gap distance d smaller than the gap distance d shown in FIG. 4C, as shown in FIG .
However, it is difficult to drive the electrostatic motor or the electrostatic actuator while maintaining the short gap distance d from the viewpoint of surface accuracy of the substrates 2A and 3A and variations in the thickness of the individual electrodes 5A and 6A. In order to realize this, the stator 2 and the rotor 3 (movable element) with high surface accuracy are required, and the accuracy of the processing machine is also required, which is disadvantageous in terms of cost. Therefore, in reality, as shown in FIG. 4C, the distance D between the stator 2 and the rotor 3 is set so as not to contact even if the rotor 3 (movable element) moves. In terms of cost and stability, it is preferable to configure the device by increasing the gap distance d between the electrode 5A and the facing surface 5A1.
However, if the distance D or gap distance d between the stator 2 and the rotor 3 is increased in this way, the distance d1 between the opposing surface 6A1 of the individual electrode 6A and the conductive layer 3B of the rotor 3, that is, the film of the individual electrode 6A here. The thickness d1 is shorter than the gap distance d, and an electric field is easily formed between the individual electrode 6A and the conductive layer 3B. Thus, in the configuration in which the electret individual electrodes 6A are formed on the conductive layer 3B, it is difficult to efficiently form an electric field between the individual electrodes 5A facing the individual electrodes 6A. In FIG. 4, the individual electrode 5A is representatively illustrated as the electrode on the stator 2 side, but the same phenomenon occurs between the individual electrodes 5B and 5C and the individual electrode 6A. The facing surfaces of the individual electrodes 5B and 5C are denoted as 5A1 for convenience.

このような課題を解決するには、ステータ2とロータ3の距離Dを十分に確保しつつも、個別電極6Aの対向面6A1とロータ3の導電層3Bの距離d1よりを広げるのが望ましい。そこで、本実施形態では、図4(a)、図4(b)に示すように、ロータ3側のエレクトレットの個別電極6Aと導電層3B間に絶縁層60を設けている。図4(a)、図4(b)において、個別電極6Aの対向面6A1と個別電極5Aの対向面5A1との間のギャップ距離dは、図4(c)と同じ距離としている。図4(a)と図4(b)の違いは、絶縁層60の厚さd2の違いである。
図4(b)と図4(c)を比較した場合、絶縁層60の厚さd2の分だけ、対向面6A1と導電層3Bの距離d1が大きくなる。この結果として、対向面6A1と対向電極5Aの対向面5A1間のギャップ距離dと対向面6A1と導電層3Bの距離d1との比率d/d1が小さくなって導電層3Bへ逃げる電界が低減し、図4(b)の構成の方が、図4(c)の構成に比べて効率良く個別電極6Aから対向する電極5A間に電界を形成することができる。
更に、絶縁層60の厚さd2を、対向面6A1と対向面5A1間のギャップ距離dよりも大きくすることで、図4(a)に示すように、個別電極6Aの対向面6A1と個別電極5Aの対向面5A1との間のギャップ距離dを維持しつつ、図4(b)に比べて導電層3Bと対向面6A1との距離d1を大きくし、かつステータ2とロータ3の距離Dを拡げる(大きくする)ことができる。このため、より効率良く個別電極6Aと個別電極5Aの互いの対向面間に電界を形成することができる。
In order to solve such a problem, it is desirable to increase the distance d1 between the facing surface 6A1 of the individual electrode 6A and the conductive layer 3B of the rotor 3 while ensuring a sufficient distance D between the stator 2 and the rotor 3. Therefore, in this embodiment, as shown in FIGS. 4A and 4B, an insulating layer 60 is provided between the individual electrode 6A of the electret on the rotor 3 side and the conductive layer 3B. 4 (a) and 4 (b), the gap distance d between the facing surface 6A1 of the individual electrode 6A and the facing surface 5A1 of the individual electrode 5A is the same as that in FIG. 4 (c). The difference between FIG. 4A and FIG. 4B is the difference in the thickness d2 of the insulating layer 60.
When comparing FIG. 4B and FIG. 4C, the distance d1 between the facing surface 6A1 and the conductive layer 3B is increased by the thickness d2 of the insulating layer 60. As a result, the ratio d / d1 between the gap distance d between the opposing surface 6A1 and the opposing surface 5A1 of the opposing electrode 5A and the distance d1 between the opposing surface 6A1 and the conductive layer 3B is reduced, and the electric field escaping to the conductive layer 3B is reduced. In the configuration of FIG. 4B, an electric field can be formed between the individual electrode 6A and the opposing electrode 5A more efficiently than the configuration of FIG. 4C.
Further, by making the thickness d2 of the insulating layer 60 larger than the gap distance d between the opposing surface 6A1 and the opposing surface 5A1, as shown in FIG. 4A, the opposing surface 6A1 of the individual electrode 6A and the individual electrode While maintaining the gap distance d between the opposing surface 5A1 of 5A and the distance d1 between the conductive layer 3B and the opposing surface 6A1 as compared with FIG. 4B, the distance D between the stator 2 and the rotor 3 is increased. Can expand (enlarge). For this reason, an electric field can be formed between the opposing surfaces of the individual electrode 6A and the individual electrode 5A more efficiently.

図5は、図4(a)の構成を図3に示すロータ3に適用した場合の拡大断面図である。
図5においては、上側にステータ2、下側にロータ3を配置し、両者の間に距離Dを形成して対向配置している。ロータ3はガラスなどの絶縁性の基板3A上に金属からなる導電層3Bが積層されて形成されている。導電層3Bの上には絶縁層60のパターンが形成され、その絶縁層60のパターン上にエレクトレット材料でパターンを形成してパターン電極6(個別電極6A)を形成している。図5においては、導電層3Bを形成したガラスなどの絶縁性の基板3Aを用いているが、基板3Aには金属材を用いても構わない。導電層3Bは接地されている。
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view when the configuration of FIG. 4A is applied to the rotor 3 shown in FIG.
In FIG. 5, the stator 2 is disposed on the upper side and the rotor 3 is disposed on the lower side, and a distance D is formed between them so as to face each other. The rotor 3 is formed by laminating a conductive layer 3B made of metal on an insulating substrate 3A such as glass. A pattern of the insulating layer 60 is formed on the conductive layer 3B, and a pattern is formed on the pattern of the insulating layer 60 with an electret material to form the pattern electrode 6 (individual electrode 6A). In FIG. 5, an insulating substrate 3A such as glass on which the conductive layer 3B is formed is used, but a metal material may be used for the substrate 3A. The conductive layer 3B is grounded.

ここで、本実施形態に係るロータ3の製造方法について具体的に説明する。
可動子となるロータ3は、ガラス製の基板3A上に、アルミなどの金属膜を蒸着などの方法により、0.1から1μm程度形成する。アルミ膜上にエポキシ樹脂からなるネガレジストSU8(日本化薬株式会社製)を10〜100μm程度、スピンコートあるいはスリットコータなどにより膜を形成する。ネガレジストSU8を所定のパターンに露光、現像を行い、厚さ(高さ)が10〜100μm程度、幅が5〜300μm程度のパターンを形成する。この上に、エレクトレット用サイトップEGG−811(旭硝子株式会社製)を5〜20μm程度スピンコートで形成する。サイトップを10um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10um以上にすることができる。
更に、サイトップ上にアルミ膜などの金属膜を蒸着などの方法により0.1から1μm程度生成し、金属膜上にフォトレジストTSMR―8800(東京応化工業株式会社製)をスピンコートにて形成し、フォトレジストの露光、現像を行い、金属のエッチングを行い、フォトレジストおよび金属のパターンを形成する。フォトレジストおよび金属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なう。オゾンプラズマのアッシングにおいて、フォトレジストおよびパターン開口部分のサイトップが除去される。サイトップ上に残った金属をエッチングし、厚さ(高さ)が10〜100μm程度、幅が50〜300μm程度のネガレジストSU8のパターン上に、厚さ(高さ)厚さが5〜20μm程度のサイトップ製の個別電極6Aを形成する。
以上のような製造方法で、絶縁層60にネガレジストSU8、エレクトレット電極となる個別電極6Aにサイトップを用いたロータ3(可動子)を得ることができる。
Here, the manufacturing method of the rotor 3 according to the present embodiment will be specifically described.
The rotor 3 serving as a mover is formed on a glass substrate 3A by a method such as vapor deposition of a metal film such as aluminum with a thickness of about 0.1 to 1 μm. A negative resist SU8 (Nippon Kayaku Co., Ltd.) made of an epoxy resin is formed on the aluminum film with a thickness of about 10 to 100 μm by spin coating or slit coater. The negative resist SU8 is exposed to a predetermined pattern and developed to form a pattern having a thickness (height) of about 10 to 100 μm and a width of about 5 to 300 μm. On this, CYTOP EGG-811 (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) for electrets is formed by spin coating about 5 to 20 μm. When the thickness of the CYTOP is 10 um or more, it can be made 10 um or more by performing spin coating a plurality of times and recoating.
Furthermore, a metal film such as an aluminum film is formed on the CYTOP by vapor deposition or the like, and a photoresist TSMR-8800 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) is formed on the metal film by spin coating. Then, the photoresist is exposed and developed, and the metal is etched to form a photoresist and a metal pattern. Using a photoresist and metal pattern as a mask, ash top is ashed with ozone plasma. In the ashing of ozone plasma, the photoresist and the cytotop of the pattern opening are removed. The metal remaining on the CYTOP is etched, and the thickness (height) is 5 to 20 μm on the pattern of the negative resist SU8 having a thickness (height) of about 10 to 100 μm and a width of about 50 to 300 μm. The individual electrode 6A made of Cytop is formed.
With the manufacturing method as described above, the rotor 3 (movable element) using the negative resist SU8 as the insulating layer 60 and the cytop as the individual electrode 6A serving as the electret electrode can be obtained.

ロータ3の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。たとえば、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13にコロナ帯電器の概略図を示す。該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、直流高圧電源装置71(たとえば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。該コロナ装置の電極73上に、パターン膜が形成された基板を戴置し、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とともに、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上に戴置したガラス基板61表面のパターン膜上に降り注ぎ、電荷が注入される。
−5から−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、表面電荷密度が−1から−2mC/m2の永久帯電を維持する。
このように、基板3A上に導電層3Bを介して形成されるにエレクトレット材料のパターンの個別電極6Aと導電層3Bとの間に絶縁層60を設けることで、個別電極6Aの対向面6A1がロータ3上の導電性層3Bからの離れ、対向電極5A〜5Cと個別電極6A間で効率よく電界を形成することができる。これにより、ステータ2とロータ2の距離Dが離れていても電界強度が弱くなることがなく、静電モータ1のトルクを大きくすることができる。
本実施形態では導電層3Bを接地しているので、導電層3Bの電位が0Vに固定され、個別電極6Aの電位も変動することがなく、個別電極6Aの帯電状態が安定する。このため、静電モータ1として使用する場合の電圧制御を容易に行うことができる。また、静電電動機がアキシャルギャップ型の場合、パターン電極5、6の形成を平面上に行うため作製が容易である。さらにアキシャルギャップ型の場合、ステータ2とロータ3を一対として、これらの積載数を増やすことで、駆動トルクを増やすことができる。すなわち、ステータ2とロータ3を一対として複数積層することで、駆動トルクを容易に増やすことができる。
As a method of charging the electret material of the rotor 3, any method can be used as long as it is a method of charging an insulator in general. For example, G. M.M. Corona discharge method, electron beam collision method, ion beam collision method, radiation contact method described in Sessler, Electrets Third Edition, pp20, Chapter 2.2 “Charging and Polarizing Methods” (Laplacian Press, 1998) The method and the liquid contact charging method can be applied. In the present invention, it is particularly preferable to use a corona discharge method or an electron beam collision method.
FIG. 13 shows a schematic diagram of a corona charger. In the corona charging device, a corona needle 72 and an electrode 73 are arranged to face each other, and a high voltage is applied between the corona needle 72 and the electrode 73 by a DC high-voltage power supply device 71 (for example, HAR-20R5; manufactured by Matsusada Precision Co., Ltd.). Can be applied. A grid 74 is disposed between the corona needle 72 and the electrode 73, and a grid voltage can be applied to the grid 74 from a grid power supply 75. In order to stabilize the charge injected into the pattern film, the hot plate 76 can heat the pattern film during the charge injection process to a glass transition temperature or higher. Reference numeral 77 is an ammeter. A substrate on which a pattern film is formed is placed on the electrode 73 of the corona device, heated by a hot plate 76, a grid voltage is applied from the grid power supply 75 to the grid 74, and a corona is applied by the DC high voltage power supply device 71. A high voltage is applied between the needle 72 and the electrode 73. As a result, the negative ions discharged from the corona needle 72 are made uniform by the grid 74 and then poured onto the pattern film on the surface of the glass substrate 61 placed on the electrode 73 to inject charges.
A high voltage of about −5 to −20 kV is applied to the corona needle 72 to charge the corona. The electret material on the mover charged by the above method maintains a permanent charge with a surface charge density of −1 to −2 mC / m 2.
Thus, by providing the insulating layer 60 between the individual electrode 6A of the pattern of the electret material and the conductive layer 3B formed on the substrate 3A via the conductive layer 3B, the opposing surface 6A1 of the individual electrode 6A is formed. The electric field can be efficiently formed between the counter electrodes 5A to 5C and the individual electrodes 6A, away from the conductive layer 3B on the rotor 3. Thereby, even if the distance D between the stator 2 and the rotor 2 is separated, the electric field strength is not weakened, and the torque of the electrostatic motor 1 can be increased.
In the present embodiment, since the conductive layer 3B is grounded, the potential of the conductive layer 3B is fixed at 0V, the potential of the individual electrode 6A does not change, and the charged state of the individual electrode 6A is stabilized. For this reason, voltage control when used as the electrostatic motor 1 can be easily performed. In addition, when the electrostatic motor is an axial gap type, the pattern electrodes 5 and 6 are formed on a flat surface, so that the production is easy. For A key tangential gap Furthermore, as a pair of stator 2 and the rotor 3, by increasing the number of these stacked, it is possible to increase the driving torque. That is, the driving torque can be easily increased by stacking a plurality of stators 2 and rotors 3 as a pair.

次に、可動子の別な実施形態について説明する。
図5に示したロータ3では、基板3A上の導電層3Bとエレクトレット材料で構成された個別電極6Aとの間に絶縁層60を介装したが、図6に示す実施形態では、絶縁層60の側面を覆うようにエレクトレット材料で個別電極6Aを形成し、個別電極6Aと導電層3Bとを同通させている。
図6に示す実施形態において、ロータ3の導電層3Bは接地されているので、導電層3Bの電位が0Vに固定され、エレクトレット材料の個別電極6Aの電位も変動することがなく、個別電極6Aの帯電状態が安定する。このため、このようなロータを図1に示した静電モータ1に適用すると、電圧制御を容易に行うことができる。また、図6に示す構成の場合、フォトレジスト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するときの、フォトレジストのマスクサイズを調整することにより、絶縁層60の側面を覆うようにして個別電極6Aを容易に作製することができるという利点もある。
図6に示すロータ3では、個別電極6Aで絶縁層60を覆うようにして個別電極6Aと導電層3Bとを同通させたが、図7に示す実施形態におけるロータ3は、絶縁層60の上部に個別電極6Aを形成するとともに、導電層3B上に、個別電極6Aと導電層3Bとを同通するための導電部9を形成した。
このように構成しても、ロータ3の導電層3Bは接地されているので、導電層3Bの電位が0Vに固定され、エレクトレット材料の個別電極6Aの電位も変動することがなく、個別電極6Aの帯電状態が安定する。このため、このようなロータ3を図1に示した静電モータ1に適用すると、電圧制御を容易に行うことができる。
Next, another embodiment of the mover will be described.
In the rotor 3 shown in FIG. 5, the insulating layer 60 is interposed between the conductive layer 3 </ b> B on the substrate 3 </ b> A and the individual electrode 6 </ b> A made of the electret material, but in the embodiment shown in FIG. The individual electrode 6A is formed of an electret material so as to cover the side surfaces of the individual electrode 6A, and the individual electrode 6A and the conductive layer 3B are connected to each other.
In the embodiment shown in FIG. 6, since the conductive layer 3B of the rotor 3 is grounded, the potential of the conductive layer 3B is fixed at 0V, and the potential of the individual electrode 6A of the electret material does not vary, and the individual electrode 6A The charged state of becomes stable. For this reason, when such a rotor is applied to the electrostatic motor 1 shown in FIG. 1, voltage control can be easily performed. In the case of the configuration shown in FIG. 6, the individual electrode 6 </ b> A is formed so as to cover the side surface of the insulating layer 60 by adjusting the mask size of the photoresist when ashing the cytop with ozone plasma using the photoresist as a mask. There is also an advantage that can be easily manufactured.
In the rotor 3 shown in FIG. 6, the individual electrode 6 </ b> A and the conductive layer 3 </ b> B are made to communicate with each other so as to cover the insulating layer 60 with the individual electrode 6 </ b> A, but the rotor 3 in the embodiment shown in FIG. The individual electrode 6A was formed on the upper portion, and the conductive portion 9 for allowing the individual electrode 6A and the conductive layer 3B to communicate with each other was formed on the conductive layer 3B.
Even in this configuration, since the conductive layer 3B of the rotor 3 is grounded, the potential of the conductive layer 3B is fixed at 0V, and the potential of the individual electrode 6A of the electret material does not fluctuate. The charged state of becomes stable. For this reason, when such a rotor 3 is applied to the electrostatic motor 1 shown in FIG. 1, voltage control can be easily performed.

図7に示すロータ3の構造の作製について説明する。
絶縁層60のネガレジストSU8のパターンを形成後、アルミなどの金属膜を蒸着などの方法により、0.1〜1μm程度形成する。アルミ膜状にフォトレジストTSMR―8800(東京応化工業株式会社製)をスピンコートにて形成し、フォトレジストの露光、現像を行い、フォトレジストのパターンを形成する。フォトレジストのパターンをマスクとして、アルミ膜をアルミエッチング液(東京応化工業株式会社製)で所定の部分の除去を行う。更に、フォトレジストTSMR―8800を溶剤などにより除去し、絶縁層60のネガレジストSU8の側面が導電層9で覆われた状態となる。これ以降は図5で説明した製造方法と同様にして、サイトップEGG−811(旭硝子株式会社製)の形成、フォトレジストTSMR―8800(東京応化工業株式会社製)の形成、露光、現像を行い、サイトップをオゾンプラズマでアッシング、フォトレジストTSMR―8800の除去といった手順で図7の構造体を作製することができる。
The production of the structure of the rotor 3 shown in FIG. 7 will be described.
After forming the pattern of the negative resist SU8 of the insulating layer 60, a metal film such as aluminum is formed to a thickness of about 0.1 to 1 μm by a method such as vapor deposition. A photoresist TSMR-8800 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) is formed on the aluminum film by spin coating, and the photoresist is exposed and developed to form a photoresist pattern. Using the photoresist pattern as a mask, a predetermined portion of the aluminum film is removed with an aluminum etching solution (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.). Further, the photoresist TSMR-8800 is removed with a solvent or the like, and the side surface of the negative resist SU8 of the insulating layer 60 is covered with the conductive layer 9. Thereafter, in the same manner as the manufacturing method described with reference to FIG. 5, formation of Cytop EGG-811 (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), formation of photoresist TSMR-8800 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.), exposure and development are performed. The structure shown in FIG. 7 can be manufactured by ashing the cytop with ozone plasma and removing the photoresist TSMR-8800.

上記形態では、個別電極6Aの対向面6A1と導電層3Bの距離d1を広げるのに、個別電極6Aと導電層3Bの間に絶縁層60を設け、導電層3Bから対向面6A1の位置を嵩上げして、個別電極5Aの対向面5A1と対向面6A1のギャップ距離dを狭めるようにした。導電層3Bから対向面6A1の位置を嵩上げするには、必ずしも絶縁層60を設ける必要は無く、例えば、図8に示すように、所定の厚さの個別電極6Aを複数積層して、導電層3Bから対向面6A1の位置を離すように形成してもよい。つまり、所定の厚さの個別電極6Aを複数積層して対向面6A1と導電層3Bの距離d1を広め、個別電極5Aの対向面5A1と対向面6A1のギャップ距離dを狭めるようにしてもよい。   In the above embodiment, in order to increase the distance d1 between the opposing surface 6A1 of the individual electrode 6A and the conductive layer 3B, the insulating layer 60 is provided between the individual electrode 6A and the conductive layer 3B, and the position of the opposing surface 6A1 is raised from the conductive layer 3B. Thus, the gap distance d between the opposing surface 5A1 and the opposing surface 6A1 of the individual electrode 5A is reduced. In order to raise the position of the facing surface 6A1 from the conductive layer 3B, it is not always necessary to provide the insulating layer 60. For example, as shown in FIG. 8, a plurality of individual electrodes 6A having a predetermined thickness are stacked to form a conductive layer. You may form so that the position of 6 A1 of opposing surfaces may be separated from 3B. That is, a plurality of individual electrodes 6A having a predetermined thickness may be stacked to increase the distance d1 between the opposing surface 6A1 and the conductive layer 3B, and the gap distance d between the opposing surface 5A1 and the opposing surface 6A1 of the individual electrode 5A may be reduced. .

本実施形態では、アキシャルギャップ型のロータ3のパターン電極6をエレクトレットにしたが、エレクトレットのパターン電極6を用いる実施形態としては、このような形態に限定されるものではなく、他の形態の静電電動機に適用しても良い。   In this embodiment, the pattern electrode 6 of the axial gap type rotor 3 is an electret. However, the embodiment using the pattern electrode 6 of the electret is not limited to such a form, and other forms of static electricity are used. You may apply to an electric motor.

次に、本発明者らは、コンピュータを使用した3次元電界シミュレーションで、エレクトレット電極(個別電極6A)の厚さが、個別電極6Aと個別電極5A間での電界に与える影響を検討した。エレクトレット電極は簡略してエレクトレットと称する。
エレクトレットで強い電界を発生させるには、2つの方法が考えられる。
・高い表面電荷密度を持った材料を使用する。
・エレクトレットの厚みを増やす。
高い表面電荷密度を実現するのは材料による所が大きいため、ここではエレクトレットの厚みを増やすことを検討する。
(解析条件)
1.エレクトレットの厚み
図14に3次元電界シミュレーションモデルを示す。また、表1に解析の設定条件を示す。
Next, the inventors examined the influence of the thickness of the electret electrode (individual electrode 6A) on the electric field between the individual electrode 6A and the individual electrode 5A in a three-dimensional electric field simulation using a computer. The electret electrode is simply referred to as an electret.
Two methods are conceivable for generating a strong electric field with the electret.
• Use materials with high surface charge density.
-Increase the thickness of the electret.
Realizing high surface charge density depends largely on the material, so here we consider increasing the thickness of the electret.
(Analysis conditions)
1. Electret Thickness FIG. 14 shows a three-dimensional electric field simulation model. Table 1 shows analysis setting conditions.

モデル全長はx=1800μm、高さy=560μm+エレクトレット厚み、幅z=500μmである。境界条件としては上下境界が0V、左右境界が対称境界に設定する。ステータはガラスエポキシ上に3相電極が配置されており、ロータは金属上にエレクトレットが配置されている。ステータ・ロータ間のGAPかっこは50μmに固定し、エレクトレットの厚みを変化させる。その時の空気層に働く垂直電界強度Eyを比較した。
解析結果を図15に示す。
図15はエレクトレットの厚さと電界強度の関係を示す。図15は、縦軸を垂直方向最大電界強度Ey(kV/mm)とし、横軸をエレクトレットの厚さt(μm)としている。
この解析結果からエレクトレットの厚みを増やすとステータ・ロータ間のギャップを一定に保ったまま、電界強度を大きくすることができる。
The total length of the model is x = 1800 μm, height y = 560 μm + electret thickness, width z = 500 μm. As the boundary conditions, the upper and lower boundaries are set to 0 V, and the left and right boundaries are set to symmetrical boundaries. The stator has a three-phase electrode disposed on a glass epoxy, and the rotor has an electret disposed on a metal. The GAP bracket between the stator and rotor is fixed to 50 μm, and the thickness of the electret is changed. The vertical electric field strength Ey acting on the air layer at that time was compared.
The analysis result is shown in FIG.
FIG. 15 shows the relationship between the thickness of the electret and the electric field strength. In FIG. 15, the vertical axis represents the vertical maximum electric field strength Ey (kV / mm), and the horizontal axis represents the electret thickness t (μm).
From this analysis result, when the thickness of the electret is increased, the electric field strength can be increased while keeping the gap between the stator and the rotor constant.

しかし、実際に金属基板上にCYTOP(エレクトレット材料)を厚く塗布する方法は現実的ではない。そこで、高アスペクト比が比較的容易に製作できるフォトレジスト用絶縁材料のSU−8を絶縁層として厚く塗布し、その上にCYTOP(エレクトレット材料)を塗布する方法を検討した。ここでは、下記3つの工法の違いにより、電界強度に影響がないかシミュレーション上で検討した。
(解析条件)
SU−8工法検討モデル
(1).SU−8(絶縁層)厚さ50μm+エレクトレット(CYTOP)厚さ10μm
(2).エレクトレット単体 厚さ60μm(default)
(3).エレクトレット単体 厚さ10μm(default)
なお、シミュレーションは図14とほぼ同じモデルを使用する。今回のシミュレーションは、空気の絶縁破壊強度も考慮してエレクトレットの表面電荷密度を−0.3mC/m、3相電極の電圧を150Vに設定した。
However, it is not practical to actually apply a thick CYTOP (electret material) on a metal substrate. Therefore, a method of applying a thick insulating layer of SU-8, which is an insulating material for photoresist, which can be manufactured relatively easily with a high aspect ratio, as an insulating layer, and applying CYTOP (electret material) thereon was studied. Here, it was examined in the simulation whether the electric field strength is affected by the difference between the following three methods.
(Analysis conditions)
SU-8 method study model (1). SU-8 (insulating layer) thickness 50μm + electret (CYTOP) thickness 10μm
(2). Single electret thickness 60μm (default)
(3). Electret single unit thickness 10μm (default)
Note that the simulation uses almost the same model as in FIG. In this simulation, the surface charge density of the electret was set to -0.3 mC / m 2 and the voltage of the three-phase electrode was set to 150 V in consideration of the dielectric breakdown strength of air.

SU−8工法検討モデルの解析結果を図16に示す。
図16は、縦軸を電界強度(kV/mm)とし、横軸をX方向距離(μm)としている。図16では電界強度が大きい方から順に下記のようになる。
エレクトレット単体60μm(2)>SU−8 50μm+エレクトレット10μm(1)>エレクトレット10μm(3)
(1)のSU−8+エレクトレットの組み合わせは、(2)のエレクトレット単体60μmにはやや劣る程度であり、電界強度としては問題ないといえる。
図16中、ロータ製作プロセスの違いによる電界強度分布も示す。図16中、符号Eyは垂直方向の電界強度(引力、斥力)、Exは水平方向の電界強度を示している。
FIG. 16 shows the analysis result of the SU-8 method study model.
In FIG. 16, the vertical axis represents the electric field strength (kV / mm), and the horizontal axis represents the distance in the X direction (μm). In FIG. 16, the electric field strength is as follows in descending order.
Electret single unit 60 μm (2)> SU-8 50 μm + Electret 10 μm (1)> Electret 10 μm (3)
The combination of SU-8 + electret in (1) is slightly inferior to the electret single body of 60 μm in (2), and it can be said that there is no problem with the electric field strength.
In FIG. 16, the electric field strength distribution due to the difference in the rotor manufacturing process is also shown. In FIG. 16, symbol Ey indicates the electric field strength (attraction and repulsive force) in the vertical direction, and Ex indicates the electric field strength in the horizontal direction.

図17に、それぞれの工法を比較した電界ベクトル図を示す。図17において、電界強度は電界強度表示部200に色が変化して示される。電界強度は、電界強度表示部200の一端200aよりも他端200bが強い電界強度を示している。
この結果、(3)のエレクトレット単体10μmより、(1)のSU−8 50μm+エレクトレット10μm、(2)のエレクトレット単体60μmの方が電界強度は大きくなっている。
(3)のエレクトレット単体10μmは、表面電荷密度−0.3mC/m2、電極−150V付近で斥力が働いているように見えるが、(1)のSU−8 50μm+エレクトレット10μm、(2)のエレクトレット単体60μmだと、エレクトレット側に引き寄せられる引力電界になっている。
このことから引力電界になるのでスイッチングを行う際は注意が必要であり、斥力を発生させるには、電界強度に応じて電極側に−150Vよりも大きな電圧をかけるのが好ましい。
FIG. 17 shows electric field vector diagrams comparing the respective construction methods. In FIG. 17, the electric field strength is shown in the electric field strength display unit 200 by changing the color. The electric field strength indicates the electric field strength at which the other end 200b of the electric field strength display unit 200 is stronger than the one end 200a.
As a result, the electric field strength is larger in (1) SU-8 50 μm + electret 10 μm and (2) electret 60 μm than in (3) electret single 10 μm.
The single electret (3 μm) of (3) appears to have a repulsive force near the surface charge density of −0.3 mC / m 2 and the electrode of −150 V, but the SU-8 of (1) 50 μm + the electret of 10 μm, the electret of (2) When the single unit is 60 μm, an attractive electric field is drawn to the electret side.
Since this is an attractive electric field, care must be taken when switching. To generate a repulsive force, it is preferable to apply a voltage higher than −150 V to the electrode side in accordance with the electric field strength.

エレクトレットの厚みを増やすと電界強度が大きくなる点について図18に示すコンデンサモデルを使用し、考察を行った。
図18に示すように、誘電体が表面電荷Qs、誘電体表面電位Vsを保持しているとする。ここで、コンデンサの電荷Qは容量C、電圧Vより下記の数式1で表すことができる。
Considering the fact that the electric field strength increases as the thickness of the electret increases, the capacitor model shown in FIG. 18 was used.
As shown in FIG. 18, it is assumed that the dielectric holds the surface charge Qs and the dielectric surface potential Vs. Here, the charge Q of the capacitor can be expressed by the following formula 1 from the capacitance C and the voltage V.

面積一定として空気側の容量Ca、誘電側の容量Cbを定義すると下記の数式2、数式3になる。   When the area Ca is constant and the capacitance Ca on the air side and the capacitance Cb on the dielectric side are defined, Equations 2 and 3 below are obtained.

数式2、数式3において、真空中の誘電率ε0、誘電体の誘電率ε、ギャップg、誘電体の厚みdを示す   In Equation 2 and Equation 3, the dielectric constant ε0 in vacuum, the dielectric constant ε of the dielectric, the gap g, and the thickness d of the dielectric are shown.

次に誘電体表面電位Vsを表面電荷Qsと数式2、数式3を使って定義すると数式4になる。   Next, when the dielectric surface potential Vs is defined using the surface charge Qs and Equations 2 and 3, Equation 4 is obtained.

これより電界強度Eは誘電体表面電位Vsとギャップgを使って数式5で定義することができる。   Thus, the electric field strength E can be defined by Equation 5 using the dielectric surface potential Vs and the gap g.

ここで、仮にε=g=1とすると、数式5は次の数式6のようになる。   Here, if ε = g = 1, Equation 5 is expressed as the following Equation 6.

数式6を使って、誘電体の厚みを変化させると数式7、数式8のようになる。
誘電体の厚みd=1の場合
When the thickness of the dielectric is changed using Equation 6, Equation 7 and Equation 8 are obtained.
When the dielectric thickness d = 1

誘電体の厚みd=2の場合   In case of dielectric thickness d = 2

よって、数式7、数式8が示すように、誘電体の厚みを増やすと電界強度が増加することが分かる。このため、エレクトレットの厚みを増やすと電界強度が増加するとともに、SU−8を使った工法は電界強度の観点からすると実用上問題ないということになる。
つまり、導電層3B上に、個別電極6Aを積層して個別電極6Aを形成しても良いし、導電層3B上に絶縁層60を介して個別電極6Aを形成しても、電界強度の低下を抑制することができる。
Therefore, as shown in Equations 7 and 8, it can be seen that increasing the thickness of the dielectric increases the electric field strength. For this reason, when the thickness of the electret is increased, the electric field strength increases, and the construction method using SU-8 has no practical problem from the viewpoint of the electric field strength.
That is, the individual electrode 6A may be formed by laminating the individual electrode 6A on the conductive layer 3B, or the electric field strength may be reduced even if the individual electrode 6A is formed on the conductive layer 3B via the insulating layer 60. Can be suppressed.

(第2の実施形態)
次に図9を用いて第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、静電電動機としてラジアルギャップ型の静電モータ10を示している。図9に示すように、静電モータ10は、円筒状の固定子となるステータ12と、ステータ12内に配置された可動子となる円柱状のロータ13とを備えている。ステータ12とロータ13とは半径方向に隙間Dを有するように配置されていて、それぞれに帯状電極として形成されたパターン電極15とパターン電極16が接触しないように構成されている。パターン電極15は、線方向に延在し、絶縁性のステータ12の内周面12Aの周方向に、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3相配線が行われている。図9の例では、U、V、Wの1組の配線のみを例示している。本実施形態において、U配線が成されてU電極となる個別電極には符号15A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15B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15Cを付して区別している。
絶縁層を有する円筒状のロータ13の外周面13Aには、複数のエレクトレット材料で構成されたパターン電極16が形成されている。パターン電極16は、外周面13A上に金属により複数の個別電極16Aが軸線方向に延在し、周方向に形成されていて、各個別電極16Aに、単相の配線7がスリップリング8、駆動軸14を介して接続されている。本形態では、ロータ13の回転中心に金属製の駆動軸14が装着されていて、駆動軸14と金属電極16Aとがロータ内部で接触している。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. The second embodiment shows a radial gap type electrostatic motor 10 as an electrostatic motor. As shown in FIG. 9, the electrostatic motor 10 includes a stator 12 serving as a cylindrical stator and a columnar rotor 13 serving as a mover disposed in the stator 12. The stator 12 and the rotor 13 are arranged so as to have a gap D in the radial direction, and are configured so that the pattern electrode 15 and the pattern electrode 16 formed as a strip electrode do not contact each other. The pattern electrode 15 extends in the line direction and is formed by patterning a plurality of metal electrodes in the circumferential direction of the inner peripheral surface 12A of the insulating stator 12, and a three-phase wiring line is formed on each individual electrode. It has been broken. In the example of FIG. 9, only one set of wiring of U, V, and W is illustrated. In the present embodiment, the individual electrode that becomes the U electrode by the U wiring is denoted by reference numeral 15A, the individual electrode that becomes the V wiring and becomes the V electrode is denoted by reference numeral 15B, and the W wiring is formed. Thus, the individual electrodes to be the W electrodes are identified by reference numeral 15C.
A pattern electrode 16 made of a plurality of electret materials is formed on the outer peripheral surface 13A of the cylindrical rotor 13 having an insulating layer. The pattern electrode 16 has a plurality of individual electrodes 16A extending in the axial direction by metal on the outer peripheral surface 13A and formed in the circumferential direction. A single-phase wiring 7 is connected to the slip ring 8 and driven to each individual electrode 16A. They are connected via a shaft 14. In this embodiment, a metal drive shaft 14 is mounted at the rotation center of the rotor 13, and the drive shaft 14 and the metal electrode 16A are in contact with each other inside the rotor.

このような構成において、ステータ12の各個別電極15A、15B、15Cに3相交流電流を流すとともに、ロータ13の個別電極16Aを−極とし、個別電極15A、15B、15Cの極を、順次切り替えることで、ステータ12とロータ13間に静電気のクーロン力が作用する。このクーロン力は、ロータ13の個別電極16Aの−極に対して+極となるステータ側の個別電極との間には引力が発生し、−極となるステータ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15A、15B、15Cの極の切換え方向、すなわち、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ステータ13を移動することができる。また、本実施形態のように、ロータ13のパターン電極16の各個別電極16Aが単極であることで、ロータ13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、ロータ13に給電しない場合よりも、パターン電極15、16間の静電気の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。
第1の実施形態のようにアキシャルギャップ型は放射状に電極パターン5Aを形成する際、内周と外周の長さが異なるためピッチが可変するが、本実施形態のようにラジアル型の場合、ピッチが可変するということはなく、組み付けが容易である。また、ラジアルギャップ型の場合、各電極の軸線方向の長さを長くすることによりトルクの増大を図ることができる。個別電極15A、15B、15Cに対する極の切換え制御については、後述する。
In such a configuration, a three-phase alternating current is supplied to the individual electrodes 15A, 15B, and 15C of the stator 12, and the individual electrode 16A of the rotor 13 is set to a negative pole, and the poles of the individual electrodes 15A, 15B, and 15C are sequentially switched. Thus, static Coulomb force acts between the stator 12 and the rotor 13. This Coulomb force generates an attractive force between the individual electrode on the stator side that is a positive pole with respect to the negative pole of the individual electrode 16A of the rotor 13, and between the individual electrode on the stator side that is a negative pole. Repulsive force is generated. For this reason, the stator 13 can be moved in the switching direction of the poles of the individual electrodes 15A, 15B, and 15C, that is, the direction in which the combined magnetic field of the electric field generated in each phase changes its direction. Further, as in the present embodiment, since each individual electrode 16A of the pattern electrode 16 of the rotor 13 is a single pole, the power feeding means to the rotor 13 can be simplified, and the number of parts of the drive driver can be reduced. It becomes easy to reduce the size. Further, it is possible to obtain a larger amount of electrostatic Coulomb force between the pattern electrodes 15 and 16 than when the power is not supplied to the rotor 13 and to obtain a sufficient driving force.
In the axial gap type as in the first embodiment, when the electrode pattern 5A is formed radially, the pitch is variable because the lengths of the inner periphery and the outer periphery are different, but in the radial type as in the present embodiment, the pitch is variable. Is not variable and easy to assemble. In the case of the radial gap type, the torque can be increased by increasing the length of each electrode in the axial direction. The pole switching control for the individual electrodes 15A, 15B, and 15C will be described later.

このような構成のロータ13のエレクトレット材料で構成された個別電極16Aを、上述したロータ3の個別電極6Aのように、ロータ13の外周面13A上に導電層3Bを介して個別電極16Aを形成し、個別電極16Aと導電層3Bの間に絶縁層60を設けることで、個別電極16Aの対向面がロータ13上の導電性層3Bからの離れ、対向電極15A〜15Cと個別電極16A間で効率よく電界を形成することができる。これにより、ステータ12とロータ13の距離Dが離れていても電界強度が弱くなることがなく、静電モータ10のトルクを大きくすることができる。
また、導電層3Bを接地し、導電層3Bと個別電極16Aとを導電層9を介して同通いることですることで、導電層3Bの電位が0Vに固定され、個別電極16Aの電位も変動することがなく、個別電極16Aの帯電状態が安定する。このため、静電モータ10として使用する場合の電圧制御を容易に行うことができる。
The individual electrode 16A composed of the electret material of the rotor 13 having the above-described configuration is formed on the outer peripheral surface 13A of the rotor 13 via the conductive layer 3B, like the individual electrode 6A of the rotor 3 described above. Then, by providing the insulating layer 60 between the individual electrode 16A and the conductive layer 3B, the opposing surface of the individual electrode 16A is separated from the conductive layer 3B on the rotor 13, and between the counter electrodes 15A to 15C and the individual electrode 16A. An electric field can be efficiently formed. Thereby, even if the distance D between the stator 12 and the rotor 13 is separated, the electric field strength is not weakened, and the torque of the electrostatic motor 10 can be increased.
Further, the conductive layer 3B is grounded, and the conductive layer 3B and the individual electrode 16A are connected to each other through the conductive layer 9, so that the potential of the conductive layer 3B is fixed at 0V, and the potential of the individual electrode 16A is also set. There is no fluctuation and the charged state of the individual electrode 16A is stabilized. For this reason, voltage control when used as the electrostatic motor 10 can be easily performed.

(第3の実施形態)
次に図10を用いて第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は、静電電動機としてリニア型の静電電動機20を説明する。基本的な構成はアキシャルギャップ型、ラジアルギャップ型と同じであり、帯状電極としてのパターン電極25を備えた固定子としてのステータ22と、帯状電極としてのエレクトレット材料で構成されたパターン電極26を備えた可動子23とが互いて隙間Dを持って構成されている。
ステータ22は、絶縁性の基板22A上に複数のパターン電極25が可動方向と直交する方向に延在し、可動方向に間隔を空けて形成されている。基板22A上に形成された複数のパターン電極25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3相配線が行われている。本形態にでは、U、V、Wの1組の配線のみを例示している。本実施形態において、U配線が成されてU電極となる個別電極には符号25A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25B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25Cを付して区別している。
可動子23は、絶縁性の基板23A上に金属により複数の個別電極26Aが可動方向と直交する方向に延在し、可動方向に間隔を空けて形成されている。パターン電極26は、基板23A上に金属により複数の個別電極26Aが形成されていて、各個別電極26Aに単相の配線7が接続する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. In the third embodiment, a linear electrostatic motor 20 is described as an electrostatic motor. The basic configuration is the same as the axial gap type and the radial gap type, and includes a stator 22 as a stator having a pattern electrode 25 as a strip electrode, and a pattern electrode 26 made of an electret material as a strip electrode. The movable element 23 is configured with a gap D therebetween.
In the stator 22, a plurality of pattern electrodes 25 extend in a direction orthogonal to the movable direction on the insulating substrate 22A, and are formed at intervals in the movable direction. The plurality of pattern electrodes 25 formed on the substrate 22A are formed by patterning a plurality of metal electrodes, and three-phase wiring is performed on each individual electrode. In this embodiment, only one set of wirings of U, V, and W is illustrated. In this embodiment, the individual electrode that becomes the U electrode by the U wiring is denoted by reference numeral 25A, the individual electrode that becomes the V wiring and becomes the V electrode is denoted by reference numeral 25B, and the W wiring is formed. Thus, the individual electrodes to be the W electrodes are identified by the reference numeral 25C.
The movable element 23 is formed by extending a plurality of individual electrodes 26 </ b> A in a direction orthogonal to the movable direction on the insulating substrate 23 </ b> A with an interval in the movable direction. In the pattern electrode 26, a plurality of individual electrodes 26A are formed of metal on a substrate 23A, and a single-phase wiring 7 is connected to each individual electrode 26A.

このような構成において、ステータ22の各個別電極25A、25B、25Cに3相交流電流を流すとともに、可動子23の個別電極26Aを−極とし、個別電極25A、25B、25Cの極を、順次切り替えることで、ロータ22と可動子23間に静電気のクーロン力が作用する。このクーロン力は、可動子23の個別電極26Aの−極に対して+極となるステータ側の個別電極との間には引力が発生し、−極となるステータ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25A、25B、25Cの極の切換え方向、すなわち、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23を移動することができる。また、本実施形態のように、可動子23のパターン電極26の各個別電極26Aが単極であることで、可動子23への配線を簡略化することができるので、静電電動機20および印加するための駆動ドライバの小型化、軽量化を図ることができる。可動子23に給電しない場合よりも、パターン電極25、26間の静電気の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。   In such a configuration, a three-phase alternating current is passed through the individual electrodes 25A, 25B, and 25C of the stator 22, the individual electrode 26A of the mover 23 is set as a negative pole, and the poles of the individual electrodes 25A, 25B, and 25C are sequentially set. By switching, static Coulomb force acts between the rotor 22 and the mover 23. This Coulomb force generates an attractive force between the individual electrode on the stator side that is a positive pole with respect to the negative pole of the individual electrode 26A of the mover 23, and between the individual electrode on the stator side that is a negative pole. Repulsive force is generated. For this reason, the mover 23 can be moved in the switching direction of the poles of the individual electrodes 25A, 25B, and 25C, that is, the direction in which the combined magnetic field of the electric field generated in each phase changes its direction. Moreover, since each individual electrode 26A of the pattern electrode 26 of the mover 23 is a single pole as in the present embodiment, wiring to the mover 23 can be simplified, so that the electrostatic motor 20 and the application are applied. Therefore, it is possible to reduce the size and weight of the drive driver. More electrostatic coulomb force between the pattern electrodes 25 and 26 can be obtained than when no power is supplied to the mover 23, and a sufficient driving force can be obtained.

リニア型の静電電動機の特徴としては、回転型であるアキシャルギャップ型やラジアルギャップ型に比べて、電極パターン25、26の寸法精度が緩和でき、比較的製作しやすい点にある。このようなリニア型の静電電動機20の場合、可動子23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、ポリイミドフィルムを基材として、ロータ22および可動子23を作製することも可能である。   The linear type electrostatic motor is characterized in that the dimensional accuracy of the electrode patterns 25 and 26 can be relaxed and is relatively easy to manufacture as compared to the axial gap type and radial gap type which are rotary types. In the case of such a linear electrostatic motor 20, the power feeding means to the mover 23 can be simplified and the number of components of the drive driver can be reduced, so that it is easy to reduce the size. Moreover, it is also possible to produce the rotor 22 and the needle | mover 23 by using a polyimide film as a base material.

このような構成の可動子23のエレクトレット材料で構成された個別電極26Aを、上述したロータ3の個別電極6Aのように、可動子23の基板23A上に導電層3Bを介して個別電極26Aを形成し、個別電極26Aと導電層3Bの間に絶縁層60を設けることで、個別電極26Aの対向面が可動子23上の導電性層3Bからの離れ、対向電極25A〜25Cと個別電極26A間で効率よく電界を形成することができる。これにより、ステータ22と可動子23の距離Dが離れていても電界強度が弱くなることがなく、リニア型の静電電動機20のトルクを大きくすることができる。
また、導電層3Bを接地し、導電層3Bと個別電極26Aとを導電層9を介して同通いることですることで、導電層3Bの電位が0Vに固定され、個別電極26Aの電位も変動することがなく、個別電極26Aの帯電状態が安定する。このため、リニア型の静電電動機20として使用する場合の電圧制御を容易に行うことができる。
The individual electrode 26A composed of the electret material of the mover 23 having such a configuration is replaced with the individual electrode 26A via the conductive layer 3B on the substrate 23A of the mover 23 like the individual electrode 6A of the rotor 3 described above. By forming the insulating layer 60 between the individual electrode 26A and the conductive layer 3B, the opposing surface of the individual electrode 26A is separated from the conductive layer 3B on the mover 23, and the counter electrodes 25A to 25C and the individual electrode 26A are separated. An electric field can be efficiently formed between them. Thereby, even if the distance D between the stator 22 and the mover 23 is separated, the electric field strength is not weakened, and the torque of the linear electrostatic motor 20 can be increased.
Further, the conductive layer 3B is grounded, and the conductive layer 3B and the individual electrode 26A are connected to each other through the conductive layer 9, so that the potential of the conductive layer 3B is fixed at 0V, and the potential of the individual electrode 26A is also set. There is no fluctuation, and the charged state of the individual electrode 26A is stabilized. For this reason, voltage control when used as the linear electrostatic motor 20 can be easily performed.

次に、上述した静電電動機の駆動原理となる極性切換え制御の実施形態について説明する。
(第4の実施形態)
図11(a)は、固定子と可動子の各個別電極と、各個別電極への電圧の印加状態を模式的に示し、図11(b)は固定子へ印加する電圧の切替パターンを示す。本形態では可動子(ロータ)側は1相であり、固定子側は3相交流電圧を印加するようにしている。そして、固定子と可動子の個別電極数の比率を、固定子側が可動子側よりも大きくして異なるようにしている。図11の例では、固定子の個別電極を450極とし、可動子の個別電極を300極としている。図11(a)は、回転角度0°を開始位置として回転角度0.6°まで移動した状態を示している。
本実施形態では、可動子のエレクトレット電極が−帯電した状態とする。本実施形態において可動子のエレクトレット電極を−極(マイナス極)に帯電させたが、+極(プラス極)に帯電させることも可能である。
固定子側は、図11(b)に示すように、3相交流に給電し、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、−極に電極の極性切換え制御がなされている。なお、所定角度は0.1°に限定されるものではない。
Next, an embodiment of polarity switching control, which is the driving principle of the electrostatic motor described above, will be described.
(Fourth embodiment)
FIG. 11A schematically shows the individual electrodes of the stator and the mover, and the voltage application state to each individual electrode, and FIG. 11B shows the switching pattern of the voltage applied to the stator. . In this embodiment, the mover (rotor) side has one phase, and the stator side applies a three-phase AC voltage. Then, the ratio of the number of individual electrodes of the stator and the mover is made different on the stator side larger than the mover side. In the example of FIG. 11, the individual electrodes of the stator are 450 poles, and the individual electrodes of the mover are 300 poles. FIG. 11A shows a state where the rotation angle is 0 ° and the rotation angle is 0.6 °.
In this embodiment, the electret electrode of the mover is in a charged state. In the present embodiment, the electret electrode of the mover is charged to the negative pole (minus pole), but can be charged to the positive pole (plus pole).
As shown in FIG. 11 (b), the stator side supplies power to a three-phase alternating current, and at a predetermined angle (here, 0.1 °), a positive electrode with respect to the V electrode, the W electrode, and the U electrode, 0 The polarity switching control of the electrode is performed on the negative electrode. The predetermined angle is not limited to 0.1 °.

このように各個別電極を定義した場合、固定子の+極と可動子の−極の間には引力が発生する。同時に固定子の−極と可動子の−極の間には斥力が発生する。固定子の0と可動子の−極の間には引力が発生するが、固定子の+極と可動子の−極の間に発生する引力に比べて小さい。図11(a)の例では、これら引力と斥力(静電気のクーロン力)を利用して可動子が右方向へ移動する。このように固定子の電極にかける電圧を角度毎に+、0、−に極性切換え制御すべくスイッチングさせることで、可動子は右方向に持続的に移動する。すなわち、図11に示す極性切換え制御では、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。
この極性切換え制御を、第1、第2の実施形態で示した各静電モータに適用することで、駆動軸4、14を持続的に回転駆動することができ、第3の実施形態で示した静電電動機20に利用することで、モータ以外のリニア型の静電電動機の駆動を持続的に行うことができるようになる。
このような静電電動機の駆動方法とすることにより、可動子が単相であっても駆動することができるので、実用上十分な駆動トルクと剛性を実現しつつも、小型・軽量・薄型な静電電動機を実現することができる。
When each individual electrode is defined in this way, an attractive force is generated between the positive pole of the stator and the negative pole of the mover. At the same time, repulsive force is generated between the −pole of the stator and the −pole of the mover. An attractive force is generated between the zero of the stator and the negative pole of the mover, but is smaller than the attractive force generated between the positive pole of the stator and the negative pole of the movable element. In the example of FIG. 11A, the mover moves to the right using these attractive force and repulsive force (electrostatic Coulomb force). In this way, by switching the voltage applied to the stator electrodes to +, 0, and − for each angle so as to control the polarity switching, the mover continuously moves in the right direction. That is, in the polarity switching control shown in FIG. 11, since both repulsive force and attractive force are used as driving force, a sufficient driving force can be obtained.
By applying this polarity switching control to each of the electrostatic motors shown in the first and second embodiments, the drive shafts 4 and 14 can be continuously driven to rotate, which is shown in the third embodiment. By using it for the electrostatic motor 20, it becomes possible to continuously drive a linear electrostatic motor other than the motor.
By adopting such a driving method of the electrostatic motor, it is possible to drive even if the mover is a single phase, so that it is possible to achieve a practically sufficient driving torque and rigidity, while being small, light and thin. An electrostatic motor can be realized.

(第5の実施形態)
図12を用いて、極性切換え制御の別な実施形態について説明する。
図12は、固定子と可動子の各個別電極と、各個別電極への電圧の印加状態を模式的に示す。本実施形態では可動子(ロータ)側は1相であり、固定子側はパルス電圧を印加するようにしている。そして、固定子と可動子の個別電極数の比率を、固定子側よりも可動子側を大きくして異ならせている。図12の例では、固定子の個別電極を450極とし、可動子の個別電極を600極としている。図11は、回転角度0°を開始位置として回転角度0.2°まで移動した状態を示している。
本実施形態では、可動子のエレクトレット電極が−帯電した状態とする。本実施形態において可動子のエレクトレット電極を−極(マイナス極)に帯電させたが、+極(プラス極)に帯電させることも可能である。
固定子側は、パルス電圧に給電し、ここでは、V電極、W電極、U電極に対して初期において+極、−極、−極とし、第1の所定角度(0.15°)移動後に電極の極性切換え制御を行って+極、+極、−極とし、第2の所定角度(0.2°)となると、電極の極性切換え制御を行って−極、+極、−極とする。
(Fifth embodiment)
Another embodiment of the polarity switching control will be described with reference to FIG.
FIG. 12 schematically shows the individual electrodes of the stator and the mover, and the voltage application state to each individual electrode. In this embodiment, the mover (rotor) side has one phase, and the stator side applies a pulse voltage. The ratio of the number of individual electrodes of the stator and the mover is made different by making the mover side larger than the stator side. In the example of FIG. 12, the individual electrode of the stator has 450 poles and the individual electrode of the mover has 600 poles. FIG. 11 shows a state where the rotation angle is 0 ° and the rotation position is 0.2 °.
In this embodiment, the electret electrode of the mover is in a charged state. In the present embodiment, the electret electrode of the mover is charged to the negative pole (minus pole), but can be charged to the positive pole (plus pole).
The stator side supplies power to the pulse voltage, and here, with respect to the V electrode, the W electrode, and the U electrode, it is initially set as a positive pole, a negative pole, and a negative pole, and after moving a first predetermined angle (0.15 °). The polarity switching control of the electrode is performed to be + pole, + pole, and −pole, and when the second predetermined angle (0.2 °) is reached, the polarity switching control of the electrode is performed to be −pole, + pole, and −pole. .

このように各個別電極を定義した場合、固定子の+極と可動子の−極の間には引力が発生し、この引力を利用して可動子が図中、右方向へ移動する。このように固定子の個別電極への電圧の極性切換え制御をすべくスイッチングさせることで、可動子は右方向に持続的に移動する。すなわち、図11に示す極性切換え制御では、引力のみを駆動力として利用している。そしてこの実施形態の場合、固定子の+極と可動子の−極とが対向して引力が作用する極数が増えることで、駆動トルクが増大することになり、十分な駆動力を得ることができる。
この極性切換え制御を、第1、第2の実施形態で示した各静電モータに適用することで、駆動軸4、14を持続的に回転駆動することができ、第3の実施形態で示した静電電動機20に利用することで、モータ以外のリニア型の静電電動機の駆動を持続的に駆動することができるようになる。
When each individual electrode is defined in this way, an attractive force is generated between the positive pole of the stator and the negative pole of the movable element, and the movable element moves to the right in the drawing using this attractive force. In this way, by switching the voltage polarity switching control to the individual electrodes of the stator, the mover continuously moves in the right direction. That is, in the polarity switching control shown in FIG. 11, only the attractive force is used as the driving force. In the case of this embodiment, the driving torque is increased by increasing the number of poles on which the positive pole of the stator and the negative pole of the mover face each other and the attractive force acts, thereby obtaining a sufficient driving force. Can do.
By applying this polarity switching control to each of the electrostatic motors shown in the first and second embodiments, the drive shafts 4 and 14 can be continuously driven to rotate, which is shown in the third embodiment. By using it for the electrostatic motor 20, it becomes possible to continuously drive the linear electrostatic motor other than the motor.

次に、静電電動機の駆動力について説明する。
ここで静電電動機の推進力Fxtotalおよび平均トルクTを求める数式9、数式10を下記に記載する。
ε0:空気の誘電率
G:固定子・可動子間のギャップ[mm]
L:電極長さ[mm]
V:印加電圧[V]
N:電極数(固定子と可動子)
t:積層数(固定子と可動子)
r:外半径[mm]
r0:内半径[mm]
Next, the driving force of the electrostatic motor will be described.
Here, Equations 9 and 10 for obtaining the propulsive force Fxtotal and the average torque T of the electrostatic motor are described below.
ε0: dielectric constant of air G: gap between stator and mover [mm]
L: Electrode length [mm]
V: Applied voltage [V]
N: Number of electrodes (stator and mover)
t: Number of layers (stator and mover)
r: outer radius [mm]
r0: inner radius [mm]

上記数式9、数式10から、トルクを増やすためには以下の方法が考えられる。
(1)電圧を上げる。
(2)固定子や可動子の基板に形成される電極数および積層数を増やす。
(3)固定子・可動子間のギャップを狭くする。
(4)各個別電極の長さを大きくする。
駆動トルクを増やすには(1)の電圧を上げる方法が一番効果的だが、絶縁破壊の課題や駆動ドライバが大型化する課題がある。このため、最大でも印加電圧を1kV程度しか上げることができない。また、(3)の固定子・可動子間のギャップを狭くする方法も機械公差や回転時のブレの観点から難しく、実現できたとしてもコストが大幅にアップしてしまう。(4)の各個別電極の長さを大きくすることは、静電電動機が大型化してしまう。
このような観点から、静電電動機の小型化を実現しつつ、駆動トルクを増やすには(2)の固定子や可動子の基板に形成される個別電極数および積層数を増やす方法が好ましい。また、上記で説明したように、可動子の基板上に導電層を介して形成されるエレクトレット材料のパターンの個別電極と導電層との間に絶縁層を設けることで、個別電極がロータ上の導電性層からの距離が離れ、対向する電極と個別電極間で効率よく電界を形成することができる。これにより、固定子と可動子の距離が離れていても電界強度が弱くなることがなく、静電電動機のトルクを大きくすることができる。つまり、可動子と固定子の距離(D)(エレクトレット製の電極と対向電極の間のギャップ間距離d)を狭めることなく、出力トルクの向上を図ることができる。
From the above formulas 9 and 10, the following methods can be considered to increase the torque.
(1) Increase the voltage.
(2) Increase the number of electrodes and the number of stacked layers formed on the substrate of the stator or mover.
(3) Narrow the gap between the stator and mover.
(4) Increase the length of each individual electrode.
The method of increasing the voltage in (1) is the most effective way to increase the driving torque, but there are problems of dielectric breakdown and an increase in the size of the driving driver. For this reason, the applied voltage can be raised only by about 1 kV at the maximum. Further, the method (3) for narrowing the gap between the stator and the mover is difficult from the viewpoint of mechanical tolerances and blurring at the time of rotation, and even if it can be realized, the cost is greatly increased. Increasing the length of each individual electrode in (4) increases the size of the electrostatic motor.
From this point of view, the method (2) of increasing the number of individual electrodes and the number of stacked layers formed on the stator or mover substrate is preferable in order to increase the driving torque while realizing miniaturization of the electrostatic motor. In addition, as described above, by providing an insulating layer between the individual electrode and the conductive layer of the electret material pattern formed on the movable member substrate via the conductive layer, the individual electrode is placed on the rotor. The distance from the conductive layer is increased, and an electric field can be efficiently formed between the opposing electrode and the individual electrode. Thereby, even if the distance between the stator and the mover is increased, the electric field strength is not weakened, and the torque of the electrostatic motor can be increased. That is, the output torque can be improved without reducing the distance (D) between the mover and the stator (the gap distance d between the electret electrode and the counter electrode).

1,10 静電モータ(静電電動機)
2,12,22 ステータ(固定子)
3,13 ロータ(可動子)
5,15,25 複数の帯状電極
6,16,26 エレクトレット材料からなる複数の帯状電極
5A1 対向面(帯状電極の表面)
6A1 対向面(帯状電極の表面)
20 静電電動機
23 可動子
3A 基板
3B 導電層
3B1 基板表面
60 絶縁層
d 可動子の帯状電極の表面と固定子の帯状電極の表面との距離
d1 基板表面と帯状電極の表面との距離
d2 絶縁層の厚み
D 固定子と可動子の距離
1,10 Electrostatic motor (electrostatic motor)
2, 12, 22 Stator (stator)
3,13 Rotor (mover)
5, 15, 25 Plural strip electrodes 6, 16, 26 Plural strip electrodes made of electret material 5A1 Opposing surface (surface of strip electrode)
6A1 Opposite surface (surface of strip electrode)
Distance d2 insulation between 20 static denden motive 23 mover 3A substrate 3B conductive layer 3B1 substrate surface 60 insulating layer d the distance d1 substrate surface and the strip electrodes surface with the surface of the strip electrode surface and the stator of the strip electrodes of the movable element Layer thickness D Distance between stator and mover

特開平6−311763号公報JP-A-6-311763 特開2012−257368号公報JP 2012-257368 A

Claims (7)

互いに絶縁され、所定の方向でかつ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有する固定子と、前記固定子に対向するように配置され、エレクトレット材料からなる複数の帯状電極を有する可動子と、前記固定子の帯状電極に所定の電圧を印可し、前記固定子と前記可動子との電極間に作用する静電気のクーロン力で前記可動子を移動させる静電電動機において、
前記可動子のエレクトレット材料からなる帯状電極を配する基板表面から当該帯状電極の表面までの距離を離すことにより、前記帯状電極からの電界を前記固定子の帯状電極へ作用させるとともに、
前記帯状電極を配する基板表面から当該帯状電極の表面までの距離をd1とし、前記可動子の帯状電極の表面から、前記表面と対向する側に位置する固定子の帯状電極の表面までの距離をdとしたとき、d1>dとしたことを特徴とする静電電動機。
A stator having a plurality of strip-shaped electrodes that are insulated from each other, arranged in a predetermined direction and at a predetermined interval, and a movable having a plurality of strip-shaped electrodes made of electret material, arranged so as to face the stator In an electrostatic motor that applies a predetermined voltage to a child and a strip-like electrode of the stator, and moves the mover by electrostatic coulomb force acting between the electrodes of the stator and the mover,
By increasing the distance from the substrate surface to dispose the strip-shaped electrodes made of electret material of the movable element to the surface of the strip-shaped electrodes, the electric field from the strip electrodes in conjunction with the action to strip electrodes of said stator,
The distance from the surface of the substrate on which the belt-like electrode is disposed to the surface of the belt-like electrode is d1, and the distance from the surface of the belt-like electrode of the mover to the surface of the belt-like electrode of the stator located on the side facing the surface D1> d, where d is an electrostatic motor.
前記距離d1は、前記可動子の帯状電極と前記基板の間に、前記可動子の帯状電極よりも厚い絶縁層を介装することで形成されていることを特徴とする請求項1記載の静電電動機。 The static distance according to claim 1, wherein the distance d1 is formed by interposing an insulating layer thicker than the belt-like electrode of the mover between the belt-like electrode of the mover and the substrate. Electric motor. 前記距離d1は、前記可動子の帯状電極を積層することで形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の静電電動機。 The distance d1 is an electrostatic motor according to claim 1 or 2, characterized in that it is formed by laminating the strip electrodes of said movable element. 前記基板は、その表面に導電層を有し、
前記可動子の帯状電極は、前記導電層上に絶縁層を介して形成されていることを特徴とする請求項または記載の静電電動機。
The substrate has a conductive layer on its surface;
Strip electrodes of said movable element, an electrostatic motor according to claim 1 or 2, characterized in that it is formed through an insulating layer on the conductive layer.
前記導電層が接地されていることを特徴とする請求項記載の静電電動機。 The electrostatic motor according to claim 4, wherein the conductive layer is grounded . 前記可動子の帯状電極と前記導電層が接地されていることを特徴とする請求項記載の静電電動機。 The electrostatic motor according to claim 4 , wherein the belt-like electrode of the mover and the conductive layer are grounded. 前記固定子と前記可動子の対が、複数積層されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の静電電動機。 It said pair of stator and said mover, an electrostatic motor according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it is stacked.
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