JP6225696B2 - Electrostatic motor - Google Patents

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Description

本発明は、静電電動機に関するものである。   The present invention relates to an electrostatic motor.

磁石を使用しない静電電動機の1例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。そこで、半導体プロセス技術を使ってフィルムに複数のパターン電極を形成し、このフィルムを積層し、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して使って駆動電圧を下げる方法が既に知られている。
静電モータはトルクを向上させるために、固定子と可動子の間のギャップを数μm〜数十μmのオーダーで、できるだけ小さくしなければならない。そこで、従来の静電モータでは固定子と可動子のギャップをどう維持するかが本質的な課題となっていた。
非特許文献1では、固定子と可動子間のギャップを一定に保つために、微小粒子(ガラスビーズ)を分散させ、摺動させることでギャップを制御する方法が開示されている。しかし、非特許文献1の方法ではガラスビーズ等の微粒子をフリーの状態で分散させているため、可動子を移動させたときに粒子が偏在し、ギャップによるモータ特性に変化が生じてしまうおそれがあった。また、ガラスビーズ自体の硬度が高く、電極に負荷を与えてしまい、電極が切断、磨耗する不具合があった。
このような不具合を解決するために、特許文献2(特開2005−210852号公報)、特許文献3(特開2005−278324号公報)では、固定子または可動子に凸部の形状を形成し、凸部対凸部または凸部対平面で摺動させることで、固定子と可動子の間のギャップを一定に保つ構成が開示されている。
An electrostatic motor is known as an example of an electrostatic motor that does 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 torque and require a higher voltage than electromagnetic motors using magnets. Therefore, there are already methods of forming multiple patterned electrodes on a film using semiconductor process technology, laminating this film, taking out a large torque, and using a permanently charged substance called an electret as an electrode to lower the driving voltage. Are known.
In order to improve the torque of the electrostatic motor, the gap between the stator and the mover must be as small as possible on the order of several μm to several tens of μm. Thus, in the conventional electrostatic motor, how to maintain the gap between the stator and the mover has become an essential issue.
Non-Patent Document 1 discloses a method of controlling a gap by dispersing and sliding fine particles (glass beads) in order to keep the gap between a stator and a mover constant. However, in the method of Non-Patent Document 1, since fine particles such as glass beads are dispersed in a free state, when the mover is moved, the particles are unevenly distributed, which may cause a change in motor characteristics due to the gap. there were. Moreover, the hardness of the glass beads themselves is high, and a load is applied to the electrodes, and there is a problem that the electrodes are cut and worn.
In order to solve such problems, in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-210852) and Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-278324), the shape of the convex portion is formed on the stator or the mover. The structure which keeps the gap between a stator and a needle | mover constant by making it slide on a convex part versus convex part or a convex part versus plane is disclosed.

特許文献2、3の構成では、凸部対凸部で接触面積を低減して摺動性を改善しているが、摩擦損失が大変大きく、トルクが減少する不具合がある。また、摺動とともに凸部が削られることで接触面積が増大し、摩擦が増えることによって長期的にトルクが減少してしまうおそれがあった。
本発明は前記の問題点を解決するためのものであり、ギャップを安定させつつも摩擦抵抗を低減して、十分な駆動力を長期的に得られる静電電動機を提供することを、その目的とする。
In the configurations of Patent Documents 2 and 3, the slidability is improved by reducing the contact area between the convex portion and the convex portion, but there is a problem that the friction loss is very large and the torque is reduced. In addition, the contact area is increased by scraping the convex portion with sliding, and the torque may be reduced in the long term due to increased friction.
The present invention is for solving the above-described problems, and an object thereof is to provide an electrostatic motor that can obtain a sufficient driving force over a long period of time while reducing the frictional resistance while stabilizing the gap. And

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、複数の帯状電極を有する可動子とを有し、固定子の帯状電極に電圧を印加し、固定子と可動子間に作用する静電気のクーロン力で可動子を移動せしめる静電電動機であって、固定子もしくは可動子の少なくとも一方の帯状電極でない領域に電荷を注入したエレクトレット部を有し、エレクトレット部に転動可能な微粒子を静電気力によって付着させ、固定子と可動子との間にギャップを形成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. An electrostatic motor having a plurality of strip electrodes and a voltage applied to the stator strip electrodes to move the mover by electrostatic Coulomb force acting between the stator and the mover And having an electret portion in which electric charges are injected into a region that is not a belt-like electrode of at least one of the stator and the mover, and allowing the rollable fine particles to adhere to the electret portion by electrostatic force. It is characterized by a gap formed between them.

本発明によれば、固定子もしくは可動子の少なくとも一方の帯状電極でない領域に電荷を注入したエレクトレット部に転動可能な微粒子を静電気力によって付着させることで、固定子と可動子の間にギャップを形成するので、ギャップを安定して形成することができるとともに、固定子もしくは可動子と微粒子とが転がり摩擦となり、摺動抵抗が低減し、摺動性の向上を図れ、十分な駆動力を長期的に得ることができる。   According to the present invention, a rollable fine particle is attached to an electret portion in which electric charges are injected into a region that is not a belt-like electrode of at least one of the stator and the mover by electrostatic force, so that a gap is formed between the stator and the mover. Therefore, the gap can be formed stably, and the stator or mover and the fine particles are caused by rolling friction, the sliding resistance is reduced, the slidability is improved, and a sufficient driving force is obtained. Can be obtained in the long term.

本発明の第1の実施形態に係る静電電動機の概略構成を示す斜視図。The perspective view which shows schematic structure of the electrostatic motor which concerns on the 1st Embodiment of 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A−A線断面図。(A) is a top view which shows the structure of the stator in 1st Embodiment, (b) is the sectional view on the AA line 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B−B線断面図。(A) is a top view which shows the structure of the needle | mover in 1st Embodiment, (b) is the BB sectional drawing of (a). 本発明における微粒子にかかる力の概略を説明する拡大図。The enlarged view explaining the outline of the force concerning the microparticles | fine-particles in this invention. 本発明の第2の実施形態の特徴部分を示す図であり、(a)は固定子の断面図、(b)は可動子の断面図。It is a figure which shows the characteristic part of the 2nd Embodiment of this invention, (a) is sectional drawing of a stator, (b) is sectional drawing of a needle | mover. 本発明の第2の実施形態における壁部の構成を示す部分拡大断面図。The partial expanded sectional view which shows the structure of the wall part in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る静電電動機の概略構成を示す斜視図。The perspective view which shows schematic structure of the electrostatic motor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る静電電動機の概略構成を示す斜視図。The perspective view which shows schematic structure of the electrostatic motor which concerns on the 4th Embodiment of 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. 修正パッシェン則で計算した電極間距離と放電限界電圧の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the distance between electrodes calculated by the correction Paschen's law, and a discharge limit voltage. 放電限界電圧までかけた時の電極間距離とトルクの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the distance between electrodes when applying to a discharge limit voltage, and a torque.

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて順次説明する。
(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は互いに対向して配置されていて、微小なギャップGを形成しながら1対を成している。この静電モータ1は、ステータ2とロータ3を一対としたものを駆動軸4の軸線方向に複数積層して構成されている。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ロータ3と一体回転するように構成されている。
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be sequentially described with reference to the drawings.
(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 form a pair while forming a minute gap G. The electrostatic motor 1 is configured by stacking a plurality of stators 2 and rotors 3 in the axial direction of the drive shaft 4. The drive shaft 4 is made of metal, is connected only to the rotor 3, and is configured to rotate integrally with the rotor 3 when the rotor 3 rotates.

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。本実施形態では、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。ロータ3に形成された複数のパターン電極6には、単相の配線7がされている。ロータ3への給電は、スリップリング8と呼ばれる内面に給電ブラシがついたものを駆動軸4に装着し、このスリップリング8に配線7を接続することで、駆動軸4経由で行なわれる。   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 present embodiment, 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, but the number of phases on the stator 2 side is limited to three phases. Instead of this, it may be driven with two-phase wiring. Single-phase wirings 7 are provided on the plurality of pattern electrodes 6 formed on the rotor 3. Power supply to the rotor 3 is performed via the drive shaft 4 by attaching an inner surface called a slip ring 8 with a power supply brush attached to the drive shaft 4 and connecting the wiring 7 to the slip ring 8.

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、中心に板厚方向に貫通孔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帯状パターン電極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。パターン電極5の個別電極5A、5B、5C(U、V、W)は、その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。
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 2 </ b> A having a through hole 2 </ b> C in the thickness direction at the center. The substrate 2A is made of an insulator such as glass, ceramics, glass epoxy resin, or polyimide. The plurality of strip-like 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. The individual electrodes 5A, 5B, and 5C (U, V, and W) of the pattern electrode 5 may be subjected to a curvature process in order to prevent dielectric breakdown from the edges.

基板2Aにおける、帯状電極でない領域となるパターン電極5の形成領域の内側と外側(内径側と外径側)には、エレクトレット部9A、9Bが形成されている。エレクトレット部9Aはパターン電極5の形成領域の内側に形成され、エレクトレット部9Bはパターン電極5の形成領域の外側に形成されている。エレクトレット部9A、9Bは、基板2Aに設けた帯電体として平面的な形状が環状の環状パターン膜に電荷を注入して形成したものである。ここでエレクトレット部9A、9B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)を起こさせ、その状態が半永久的に保持されてエレクトレット化された部位を示す。エレクトレット部9A、9Bの場合、上記絶縁体からなる基板2A上にアルミ等の金属膜で環状パターン膜を形成し、その上にエレクトレット部9A、9Bの絶縁体を形成している。そのため、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5をエレクトレット部9A、9Bとして安定した状態で形成することができる。また、エレクトレット部9A、9Bを環状に形成したのは、ロータ3の回転方向に延在させるためである。   Electret portions 9A and 9B are formed on the inner side and the outer side (the inner diameter side and the outer diameter side) of the formation area of the pattern electrode 5 which is an area that is not a strip electrode on the substrate 2A. The electret portion 9A is formed inside the formation region of the pattern electrode 5, and the electret portion 9B is formed outside the formation region of the pattern electrode 5. The electret portions 9A and 9B are formed by injecting charges into an annular pattern film having a circular planar shape as a charged body provided on the substrate 2A. Here, the electret portions 9A and 9B apply an electric field to an insulator such as a fluororesin to cause electric polarization (a state divided into positive and negative electricity), and the state is semipermanently held and electretized. The site is shown. In the case of the electret portions 9A and 9B, an annular pattern film is formed of a metal film such as aluminum on the substrate 2A made of the insulator, and the insulators of the electret portions 9A and 9B are formed thereon. Therefore, since the state of electric polarization when an electric field is applied is stabilized, the pattern electrode 5 can be formed in a stable state as the electret portions 9A and 9B. The electret portions 9 </ b> A and 9 </ b> B are formed in an annular shape in order to extend in the rotation direction of the rotor 3.

エレクトレット部9A、9Bは常に−もしくは+に帯電した状態である。このため、エレクトレット部9A、9Bの上に、エレクトレット部9A、9Bとは別の極性を持ち、転動可能なスペーサとして図中白○で示す多数の微粒子50を散布すると、エレクトレット部9A、9Bと各微粒子50の間に静電引力が働く。これにより微粒子50は、環状に形成されたエレクトレット部9A、9Bに沿って付着する。すなわち、多数の微粒子50は、ロータ3の回転方向に沿って配置されることになる。このエレクトレット部9A、9Bの厚さtとパターン電極5の厚さt1を同じ高さにしておくと、微粒子50によってステータ2とロータ3の双方に微粒子50が接触する。これによりステータ2とロータ3の間にギャップG(図1参照)を形成することができるとともに、微粒子50の大きさによってギャップGの幅を調整することができる。
エレクトレット部9A、9Bの形成領域となる環状パターンは、パターン電極5の形成領域の内側もしくは外側の何れでもよいが、外側に形成するとステータ2の基板2Aのブレを内側に形成する場合よりも効率よく制御できる。このため、内側もしくは外側の何れかにエレクトレット部を形成配置する場合には、外側に形成配置するのが好ましい。本実施形態では、ステータ2とロータ3の対を、駆動軸4の軸線方向に積層して使用するため、耐荷重性を考慮して、エレクトレット部9A、9Bの形成領域となる環状パターンを、パターン電極5の形成領域の内側と外側の双方に形成してエレクトレット部9A、9Bを設けている。
The electret portions 9A and 9B are always in a state of being charged negatively or positively. Therefore, when a large number of fine particles 50 having a different polarity from the electret portions 9A and 9B and rolling as spacers are scattered on the electret portions 9A and 9B, the electret portions 9A and 9B are dispersed. And electrostatic attraction works between the fine particles 50. Thereby, the fine particles 50 adhere along the electret portions 9A and 9B formed in an annular shape. That is, the large number of fine particles 50 are arranged along the rotation direction of the rotor 3. When the thickness t of the electret portions 9A and 9B and the thickness t1 of the pattern electrode 5 are set to the same height, the fine particles 50 come into contact with both the stator 2 and the rotor 3 by the fine particles 50. Accordingly, a gap G (see FIG. 1) can be formed between the stator 2 and the rotor 3, and the width of the gap G can be adjusted according to the size of the fine particles 50.
The annular pattern serving as the formation region of the electret portions 9A and 9B may be either inside or outside the formation region of the pattern electrode 5, but if formed outside, it is more efficient than the case where the blur of the substrate 2A of the stator 2 is formed inside. It can be controlled well. For this reason, when the electret part is formed and arranged on either the inside or the outside, it is preferable to form and arrange the electret part on the outside. In the present embodiment, since the pair of the stator 2 and the rotor 3 is used by being stacked in the axial direction of the drive shaft 4, in consideration of load resistance, an annular pattern serving as a formation region of the electret portions 9A and 9B is Electret portions 9A and 9B are provided on both the inside and the outside of the pattern electrode 5 forming region.

微粒子50としては、ガラスビーズ、樹脂ビーズ、ゴムビーズ等が想定されるが、ステータ2及びロータ3に対して接触して摺動する際、ガラスビーズは硬く、接触する部材、すなわち、ステータ2とロータ3に対する負荷が強いため、樹脂ビーズのほうが望ましい。樹脂ビーズは、例えば積水化学工業株式会社から販売されている「ミクロパール」と称する製品名称の微粒子を用いることができる。また、樹脂の中でもより摺動性が良いフッ素系の樹脂等を材質として微粒子50を構成してもよい。
本実施形態において、微粒子50は、ステータ2とロータ3に接触する面が円弧形状となるように球体としている。微粒子50は、球体に限定されるものではなく、少なくともステータ2とロータ3に接触する面が円弧形状(円形)であれば良く、例えば回転楕円体であってもよい。
As the fine particles 50, glass beads, resin beads, rubber beads, and the like are assumed, but when they slide in contact with the stator 2 and the rotor 3, the glass beads are hard and are in contact with each other, that is, the stator 2 and the rotor. Since the load on 3 is strong, resin beads are preferable. As the resin beads, for example, fine particles having a product name called “Micropearl” sold by Sekisui Chemical Co., Ltd. can be used. Further, the fine particles 50 may be made of a fluorine resin or the like having better slidability among the resins.
In the present embodiment, the fine particles 50 are formed in a spherical shape so that the surfaces in contact with the stator 2 and the rotor 3 have an arc shape. The fine particles 50 are not limited to spheres, and at least the surfaces in contact with the stator 2 and the rotor 3 may be arcuate (circular), and may be, for example, spheroids.

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)、図3(b)に示すように、中心に貫通孔3Cを有する円環状の基板3A上に複数の個別電極6Aで構成された帯状電極となるパターン電極6が形成されている。基板3Aも、基板2A同様に、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。パターン電極6は、基板3A上に金属により複数の個別電極6Aが放射状に形成されて構成されていて、各個別電極6Aに単相の配線が接続する。本形態では、基板3Aの貫通孔3Cに駆動軸4が挿入されることで駆動軸4と各金属電極6Aと接触するとともに、駆動軸4と基板3Aとが固定されて一体化される。このパターン電極6は、基板3A上に帯電体として帯状パターン膜を形成し、この帯状パターン膜に電荷を注入することでエレクトレットの電極として形成されている。
The configuration of the rotor 3 will be described in more detail with reference to FIG.
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the rotor 3 has a pattern electrode 6 that becomes a strip electrode composed of a plurality of individual electrodes 6A on an annular substrate 3A having a through hole 3C in the center. Is formed. Similarly to the substrate 2A, the substrate 3A is also made of an insulator such as glass, ceramics, glass epoxy resin, and polyimide. The pattern electrode 6 is configured by radially forming a plurality of individual electrodes 6A from a metal on the substrate 3A, and a single-phase wiring is connected to each individual electrode 6A. In this embodiment, the drive shaft 4 is inserted into the through hole 3C of the substrate 3A so as to contact the drive shaft 4 and each metal electrode 6A, and the drive shaft 4 and the substrate 3A are fixed and integrated. The pattern electrode 6 is formed as an electret electrode by forming a band-shaped pattern film as a charged body on the substrate 3A and injecting charges into the band-shaped pattern film.

基板3Aにおける帯状電極でない領域となるパターン電極6の形成領域の内側と外側(内径側と外径側)には、エレクトレット部9C、9Dが形成されている。エレクトレット部9Cはパターン電極6の形成領域の内側に形成され、エレクトレット部9Dはパターン電極6の形成領域の外側に配置されている。エレクトレット部9C、9Dは、帯電体として平面的な形状が環状である環状パターン膜を基板3A上に形成し、当該環状パターン膜に電荷を注入して形成したものである。
本実施形態において、パターン電極6及びエレクトレット部9C、9Dは、ステータ2のエレクトレット部9A、9Bの記載で説明したように、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)を起こさせ、その状態が半永久的に保持されてエレクトレット化された部位を示す。本実施形態の場合、図3(b)に示すように、金属製の基板3Aに導電層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し、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。また、エレクトレット部9C、9Dを環状に形成したのは、ロータ3の回転方向に延在させるためである。
Electret portions 9C and 9D are formed on the inner side and the outer side (inner diameter side and outer diameter side) of the formation area of the pattern electrode 6 that is not the belt-like electrode in the substrate 3A. The electret part 9C is formed inside the formation area of the pattern electrode 6, and the electret part 9D is arranged outside the formation area of the pattern electrode 6. The electret portions 9C and 9D are formed by forming an annular pattern film having a circular planar shape as a charged body on the substrate 3A and injecting charges into the annular pattern film.
In the present embodiment, the pattern electrode 6 and the electret portions 9C and 9D are electrically polarized (positive and negative) by applying an electric field to an insulator such as a fluororesin as described in the description of the electret portions 9A and 9B of the stator 2. A state where the state is divided into electricity) is generated, and the state is maintained semipermanently to show an electret portion. In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 3B, since the conductive layer is formed on the metal substrate 3A, the state of electric polarization when the electric field is applied is stabilized, and the pattern electrode 6 is connected to the electret. It can be formed in a stable state. The electret portions 9C and 9D are formed in an annular shape in order to extend in the rotation direction of the rotor 3.

本実施形態のように、基板3A上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(パターン電極6)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。
本実施形態では、エレクトレット部9C、9Dの上に、エレクトレット部9C、9Dとは別の極性を持ち、転動可能なスペーサとしてて図中白○で示す多数の微粒子51を散布している。これらは、微粒子50と同様に、静電引力により環状パターンに沿って付着している。すなわち、多数の微粒子51は、ロータ3の回転方向に沿って配置されることになる。微粒子51は微粒子50と同一の構成としている。微粒子51は微粒子50と同一構成のものである。
As in this embodiment, the individual electrodes 6A (pattern electrodes 6), which are electret electrodes formed on the same plane on the substrate 3A, are all charged to the same pole (single pole) of either the + pole or the-pole. Thus, a single electrode was obtained. For this reason, it can form easily on manufacture.
In this embodiment, on the electret parts 9C and 9D, a large number of fine particles 51 having a different polarity from the electret parts 9C and 9D and scattered as a rollable spacer are scattered. Similar to the fine particles 50, these adhere along the annular pattern by electrostatic attraction. That is, the large number of fine particles 51 are arranged along the rotation direction of the rotor 3. The fine particles 51 have the same configuration as the fine particles 50. The fine particles 51 have the same configuration as the fine particles 50.

本実施形態において、エレクトレット部9C、9Dの領域となる環状パターンは、パターン電極6の形成領域の内側もしくは外側の何れでもよい。本実施形態では、スペーサとなる微粒子50をステータ2のエレクトレット部9A、9Bに、スペーサとなる微粒子51をロータ3のエレクトレット部9C、9Dに付着させて、ステータ2とロータ3の双方に配置したが、何れか一方に配置しても無論かまわない。ステータ2とロータ3に微粒子を配設する場合、例えば、ステータ2にエレクトレット部9Bを、ロータ3にエレクトレット部9Cを、あるいはステータ2にエレクトレット部9Aを、ロータ3にエレクトレット部9Dをそれぞれ形成し、各エレクトレット部に微粒子50,51を散布して配置する態様であってもよい。
なお、ステータ2ではなく、ロータ3に帯状パターンおよび環状パターンを形成し、エレクトレット化して環状パターン上に微粒子51を付着させる方法は、製造工程も短くて一番効率がよい。
エレクトレット部9C、9Dの厚さt2とパターン電極6の厚さt3を同じ高さにしておくと、微粒子51によってステータ2とロータ3の双方に微粒子51が接触する。これによりステータ2とロータ3の間にギャップG(図1参照)を形成することができるとともに、微粒子51の大きさによってギャップGの幅を調整することができる。
本実施形態では、微粒子51は微粒子50と同一構成のものであり、同一サイズのものを用いている。エレクトレット部9C、9Dの厚さt2は、エレクトレット部9A、9Bの厚さtと同一としている。
In the present embodiment, the annular pattern serving as the region of the electret portions 9C and 9D may be either inside or outside the region where the pattern electrode 6 is formed. In this embodiment, the fine particles 50 serving as spacers are attached to the electret portions 9A and 9B of the stator 2 and the fine particles 51 serving as spacers are attached to the electret portions 9C and 9D of the rotor 3 so as to be arranged on both the stator 2 and the rotor 3. However, it goes without saying that it may be arranged in either one. When fine particles are disposed on the stator 2 and the rotor 3, for example, an electret portion 9B is formed on the stator 2, an electret portion 9C is formed on the rotor 3, an electret portion 9A is formed on the stator 2, and an electret portion 9D is formed on the rotor 3. Further, a mode in which the fine particles 50 and 51 are dispersed and arranged in each electret portion may be employed.
Note that the method of forming the band-like pattern and the annular pattern on the rotor 3 instead of the stator 2 and electretizing the fine particles 51 on the annular pattern is the most efficient because the manufacturing process is short.
When the thickness t2 of the electret portions 9C and 9D and the thickness t3 of the pattern electrode 6 are set to the same height, the fine particles 51 come into contact with both the stator 2 and the rotor 3 by the fine particles 51. As a result, a gap G (see FIG. 1) can be formed between the stator 2 and the rotor 3, and the width of the gap G can be adjusted by the size of the fine particles 51.
In the present embodiment, the fine particles 51 have the same configuration as the fine particles 50 and have the same size. The thickness t2 of the electret portions 9C and 9D is the same as the thickness t of the electret portions 9A and 9B.

本実施形態においては、エレクトレット化した環状パターン上に微粒子50,51を静電気力によって付着させることによって、非特許文献1のように微粒子が飛散して無くなることなく、常にステータ2とロータ3との間のギャップGを安定して形成することができる。また、静電モータ1の回転トルクによって微粒子50、51が移動する状態ができたとしても、微粒子50、51を静電気力によって付着しているエレクトレット部9A〜9Dは、ロータ3の回転方向に延在するように環状に形成されているので、エレクトレット部9A〜9Dから微粒子50,51が外れることはない。
さらに従来技術である特許文献2、3の構成では、ステータとロータのギャップ材(スペーサ)の形状を均一かつ一定にすることは難しく、凸部と凸部および凸部と平面の摺動よる大幅なトルク低下が避けられない。これは、摺動とともに凸部が削られることで接触面積が増大し、摩擦が増えることによって長期的に回転トルク(駆動力)が減少してしまうためである。
これに対し、本実施形態のような転動可能なスペーサ構造とした微粒子50もしくは微粒子51、あるいは微粒子50と微粒子51の双方を用いると、ステータ2とロータ3と微粒子50,51とが転がり摩擦となり、摺動抵抗が低減し、摺動性の向上を図れ、十分な駆動力を得ることができる。
In this embodiment, the fine particles 50 and 51 are attached to the electret-shaped annular pattern by electrostatic force, so that the fine particles are not scattered and lost as in Non-Patent Document 1, and the stator 2 and the rotor 3 are always connected. The gap G between them can be formed stably. Even if the particles 50 and 51 are moved by the rotational torque of the electrostatic motor 1, the electret portions 9 </ b> A to 9 </ b> D to which the particles 50 and 51 are attached by the electrostatic force extend in the rotation direction of the rotor 3. Since it is formed in an annular shape so as to exist, the fine particles 50 and 51 are not detached from the electret portions 9A to 9D.
Further, in the configurations of Patent Documents 2 and 3 which are the prior art, it is difficult to make the shape of the gap material (spacer) between the stator and the rotor uniform and constant, and the protrusions and protrusions and the protrusions and flat surfaces slide greatly. A torque drop is inevitable. This is because the contact area increases when the convex portion is scraped with sliding, and the rotational torque (driving force) decreases over a long period due to increased friction.
On the other hand, when the fine particles 50 or the fine particles 51 having a rollable spacer structure as in the present embodiment, or both the fine particles 50 and the fine particles 51 are used, the stator 2, the rotor 3, and the fine particles 50 and 51 are caused to roll. Thus, the sliding resistance is reduced, the slidability can be improved, and a sufficient driving force can be obtained.

本実施形態の作用効果について図4を用いて説明する。
図4は、本実施形態で説明した微粒子50,51に働く力を示すものである。微粒子50,51は、エレクトレット部9A〜9Dが永久帯電しているので、静電気力によって引力Nがそれぞれ働く。停止時、引力Nが微粒子50,51に働いているので、各微粒子は環状のエレクトレット部9A〜9D上から脱落しない。静電モータ1の駆動時の回転トルク(駆動力)によって駆動方向の力F1が働くと、エレクトレット部A〜9Dとの引力Nとエレクトレット部の摩擦係数μに応じた摩擦力f(μf)が働く。この時摩擦力fは、駆動方向の力F1に比べ圧倒的に小さい。よって、微粒子50,51は回転(転動)し、その摩擦は転がり摩擦となる。また、摩擦力fはエレクトレット部9A〜9Dの引力Nに依存するため、環状のエレクトレット部9A〜9Dの帯電量を制御することで摩擦力fが制御できる。このため、真球度が高く潤滑性に優れた材質の微粒子50,51を使用することで、ステータ2とロータ3とは点接触し、すべり摩擦から転がり摩擦になり、摺動抵抗が大幅に低減され、長期に渡って高トルクを維持することができ、結果、十分な駆動力を長期的に得られる。微粒子50,51としては、その直径が、1〜100μm、好ましくは5〜50μmとするのが好ましい。
これは、図12に示すように各電極間距離における空気中の上限電圧は修正パッシェン則に従います。100μm以上のギャップの場合、上限電圧は1000V以上の高圧になります。一方で、図1に示す上限電圧までかけた電極間距離とトルクの関係は図13になります。トルクは電極間距離40μm以上だと電圧を上げることでギャップの効果が相殺され、ほぼ一定になります。しかし、電極間距離100μm以上だと同等のトルクを出すために1000V以上の高電圧が必要になります。1000V以上の高い電圧を実現するためにはエレクトレット材料の改良が必要になるため、電極間距離を100μm以下にしたほうが、技術的に容易となる。
また、万が一絶縁破壊が起きた際も火花放電による火災等の恐れが少なくなります。
さらに、100μm以上の電極間距離になると、微粒子を使用するより、シム等のスペーサでエアギャップ(完全非接触)が可能になると考えられる。
よって、1〜100μmの微粒子を使用することで、1000V以上の高電圧を使用することなく、高トルクを得ることができるためである。また、万が一絶縁破壊が起きた際も火花放電による火災等のおそれが少なくなるという効果を得られる。
The effect of this embodiment is demonstrated using FIG.
FIG. 4 shows the force acting on the fine particles 50 and 51 described in the present embodiment. Since the electret portions 9A to 9D are permanently charged in the fine particles 50 and 51, the attractive force N works by electrostatic force. Since the attractive force N is acting on the fine particles 50 and 51 at the time of stop, each fine particle does not fall off on the annular electret portions 9A to 9D. When the driving force F1 is exerted by the rotational torque (driving force) at the time of driving the electrostatic motor 1, the frictional force f (μf) corresponding to the attractive force N with the electret parts A to 9D and the friction coefficient μ of the electret part is obtained. work. At this time, the frictional force f is overwhelmingly smaller than the force F1 in the driving direction. Therefore, the fine particles 50 and 51 rotate (roll), and the friction becomes rolling friction. Further, since the frictional force f depends on the attractive force N of the electret parts 9A to 9D, the frictional force f can be controlled by controlling the charging amount of the annular electret parts 9A to 9D. For this reason, by using fine particles 50 and 51 made of a material with high sphericity and excellent lubricity, the stator 2 and the rotor 3 are in point contact, and the sliding friction is changed to the rolling friction, and the sliding resistance is greatly increased. And a high torque can be maintained over a long period of time, and as a result, a sufficient driving force can be obtained over the long term. The fine particles 50 and 51 preferably have a diameter of 1 to 100 μm, preferably 5 to 50 μm.
As shown in Fig. 12, the upper limit voltage in air at each electrode distance follows the modified Paschen's law. In the case of a gap of 100μm or more, the upper limit voltage becomes a high voltage of 1000V or more. On the other hand, the relationship between the distance between the electrodes applied to the upper limit voltage shown in Fig. 1 and the torque is shown in Fig. 13. If the distance between the electrodes is 40μm or more, the torque will be almost constant by offsetting the effect of the gap by raising the voltage. However, if the distance between electrodes is 100μm or more, a high voltage of 1000V or more is required to produce the same torque. Since it is necessary to improve the electret material in order to realize a high voltage of 1000 V or higher, it is technically easier to set the distance between the electrodes to 100 μm or less.
Also, in the unlikely event of breakdown, the risk of fire due to spark discharge is reduced.
Further, when the distance between the electrodes is 100 μm or more, it is considered that an air gap (complete non-contact) can be achieved with a spacer such as a shim rather than using fine particles.
Therefore, by using fine particles of 1 to 100 μm, high torque can be obtained without using a high voltage of 1000 V or higher. In addition, in the unlikely event of dielectric breakdown, there is an effect that the risk of fire due to spark discharge is reduced.

本実施形態では、従来技術のようにステータ2やロータ3の各帯状電極(パターン電極5、6)には微粒子50,51や凸部が付着していないので、摺動によって各電極が傷つくことがなく、傷による断線、放電による絶縁破壊、エレクトレット帯電量の減少を防止することができる。さらに、ギャップ部材(スペーサ)を組み立てる工程においても、各エレクトレット部に微粒子50,51を付着させるだけなので、特許文献2、3のようなスパッタ等で凸部を作るような複雑な工程が不要となり、ステータ2とロータ3を積層する際の組み立てが大変容易となる。   In this embodiment, since the fine particles 50 and 51 and the convex portions are not attached to the respective strip electrodes (pattern electrodes 5 and 6) of the stator 2 and the rotor 3 as in the prior art, each electrode is damaged by sliding. Therefore, it is possible to prevent disconnection due to scratches, dielectric breakdown due to discharge, and reduction in electret charge amount. Further, in the process of assembling the gap member (spacer), since the fine particles 50 and 51 are only attached to each electret part, a complicated process for forming a convex part by sputtering or the like as in Patent Documents 2 and 3 becomes unnecessary. The assembly when the stator 2 and the rotor 3 are laminated becomes very easy.

(第2の実施形態)
図5(a)、図5(b)、図6を用いて、本発明に係る静電電動機の第2の実施形態の構成について説明する。
本実施形態は、ステータ2、ロータ3に形成したエレクトレット部9A〜9Dの両側に、エレクトレット部9A〜9Dを囲むように壁部91〜98を形成したものである。図5(a)は壁部91〜94を備えたステータ2の構成を示し、図5(b)は壁部95〜98を備えたロータ3の構成をそれぞれ示す。本実施形態において、壁部以外の構成は、第1の実施形態の構成と同一構成あるため、同一構成についての説明は省略する。
図5(a)に示すように、ステータ2に形成した環状のエレクトレット部9Aの内側(内径側)には壁部91が、エレクトレット部9Aの外側(外径側)には、壁部92が、それぞれエレクトレット部9Aの形状に沿って環状に形成されている。エレクトレット部9Bの内側(内径側)には壁部93が、エレクトレット部9Bの外側(外径側)には、壁部94が、それぞれエレクトレット部9Bの形状に沿って環状に形成されている。
図5(b)に示すようにロータ3に形成したエレクトレット部9Cの内側(内径側)には壁部95が、エレクトレット部9Cの外側(外径側)には壁部96が、それぞれエレクトレット部9Cの形状に沿って環状に形成されているエレクトレット部9Dの内側(内径側)には壁部97が、エレクトレット部9Dの外側(外径側)には壁部98が、それぞれエレクトレット部9Dの形状に沿って環状に形成されている。すなわち、エレクトレット部9A〜9Dは、ロータ3の可動方向と交差する方向に位置する部位となる内径側と外径側に位置する両側に沿って壁部91〜98が形成されている。これら壁部91〜98は、少なくとも前記エレクトレット部9A〜9Dの厚さt、t2よりも高く形成されている。
(Second Embodiment)
The configuration of the second embodiment of the electrostatic motor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 5 (a), 5 (b), and 6. FIG.
In the present embodiment, wall portions 91 to 98 are formed on both sides of the electret portions 9A to 9D formed on the stator 2 and the rotor 3 so as to surround the electret portions 9A to 9D. FIG. 5A shows the configuration of the stator 2 provided with wall portions 91 to 94, and FIG. 5B shows the configuration of the rotor 3 provided with wall portions 95 to 98, respectively. In the present embodiment, since the configuration other than the wall portion is the same as the configuration of the first embodiment, description of the same configuration is omitted.
As shown in FIG. 5A, a wall portion 91 is provided on the inner side (inner diameter side) of the annular electret portion 9A formed on the stator 2, and a wall portion 92 is provided on the outer side (outer diameter side) of the electret portion 9A. These are formed in an annular shape along the shape of the electret portion 9A. A wall portion 93 is formed inside the electret portion 9B (inner diameter side), and a wall portion 94 is formed annularly along the shape of the electret portion 9B outside the electret portion 9B (outer diameter side).
As shown in FIG. 5B, the wall portion 95 is provided on the inner side (inner diameter side) of the electret portion 9C formed on the rotor 3, and the wall portion 96 is provided on the outer side (outer diameter side) of the electret portion 9C. A wall portion 97 is formed on the inner side (inner diameter side) of the electret portion 9D formed in an annular shape along the shape of 9C, and a wall portion 98 is formed on the outer side (outer diameter side) of the electret portion 9D. It is formed in an annular shape along the shape. That is, the electret portions 9 </ b> A to 9 </ b> D are formed with wall portions 91 to 98 along both the inner diameter side and the outer diameter side, which are portions located in the direction intersecting the movable direction of the rotor 3. These wall portions 91 to 98 are formed to be higher than at least the thicknesses t and t2 of the electret portions 9A to 9D.

壁部91〜94は、ステータ2の基板2Aからエレクトレット部9A、9Bの厚さt1よりも高くなるように突出して形成されていて、壁部95〜98は、ロータ3の基板3Aからエレクトレット部9C、9Dの厚さt2よりも高くなるように突出して形成されている。図6に示すように、壁部91〜94の基板2Aからの高さとなる突出量t4は、エレクトレット部9A、9Bの厚さt+微粒子50の高さ(直径)よりも低く設定され、壁部95〜98の基板3Aからの突出量t5は、エレクトレット部9C、9Dの厚さt2+微粒子51の高さ(直径)よりも低く設定されている。これらガイド部となる壁部91〜98は、高アスペクト比が半導体プロセスで形成可能なSU8等の材料で形成することで、微粒子50、51が万が一、エレクトレット部9A、9B、9C、9Dから脱落したとしても周囲への飛散を防止することができる。   The wall portions 91 to 94 are formed to protrude from the substrate 2A of the stator 2 so as to be higher than the thickness t1 of the electret portions 9A and 9B, and the wall portions 95 to 98 are formed from the substrate 3A of the rotor 3 to the electret portion. It protrudes so as to be higher than the thickness t2 of 9C and 9D. As shown in FIG. 6, the protrusion amount t4 that is the height of the wall portions 91 to 94 from the substrate 2A is set to be lower than the thickness t of the electret portions 9A and 9B + the height (diameter) of the fine particles 50. The protrusion amount t5 from the substrate 3A of 95 to 98 is set to be lower than the thickness t2 + of the electret portions 9C and 9D + the height (diameter) of the fine particles 51. The wall portions 91 to 98 serving as the guide portions are formed of a material such as SU8 that can be formed by a semiconductor process with a high aspect ratio, so that the fine particles 50 and 51 should fall off the electret portions 9A, 9B, 9C, and 9D. Even if it does, scattering to the circumference | surroundings can be prevented.

このような構成において、ステータ2の各個別電極5A、5B、5Cに3相電圧を流すとともに、ロータ3の個別電極6Aを−極とし、個別電極5A、5B、5Cの極を、順次切り替えることで、ステータ2とロータ3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3の個別電極6A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5A、5B、5C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ロータ3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3のパターン電極6の各個別電極6Aが単極であることで、ステータ2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3に給電しない場合よりも、パターン電極5、6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。個別電極5A、5B、5Cに対する極性切換え制御については、後述する。   In such a configuration, a three-phase voltage is supplied to each individual electrode 5A, 5B, and 5C of the stator 2, and the individual electrode 6A of the rotor 3 is set to a negative pole, and the individual electrodes 5A, 5B, and 5C are sequentially switched. Thus, static Coulomb force acts between the stator 2 and the rotor 3. 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 6A of the rotor 3, and between the individual electrode on the stator side that is a negative pole. Repulsive force is generated. For this reason, the rotor 3 can be moved in the switching direction of the poles of the individual electrodes 5A, 5B, and 5C, 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 6A of the pattern electrode 6 of the rotor 3 is a single pole as in this embodiment, the power feeding means to the stator 2 can be simplified, and the number of parts of the drive driver can be reduced. It becomes easy to reduce the size. In addition, more electrostatic coulomb force between the pattern electrodes 5 and 6 can be obtained than when no power is supplied to the rotor 3, and a sufficient driving force can be obtained. The polarity switching control for the individual electrodes 5A, 5B, and 5C will be described later.

第1、第2の実施形態では、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を用いる実施形態としては次に示す、第3、4の実施形態のようなラジアルギャップ型やリニア型の静電電動機にも適用することができる。
なお、エレクトレット部9A〜9D上に微粒子50,51を付着させ、ステータ2とロータ3のギャップGを制御する第1の実施形態の構成や、エレクトレット部9A〜9D(エレクトレットパターン)の両側に壁部91〜98を形成する第2の実施形態の構成も、同様に第3、4の実施形態のようなラジアルギャップ型やリニア型の静電電動機にも適用することができる。
In the first and second embodiments, the pattern electrodes 6 of the axial gap type rotor 3 are electrets. However, as the embodiments using the electret pattern electrodes, the following third and fourth embodiments are used. It can also be applied to radial gap type and linear type electrostatic motors.
The structure of the first embodiment in which the fine particles 50 and 51 are attached on the electret portions 9A to 9D and the gap G between the stator 2 and the rotor 3 is controlled, and walls on both sides of the electret portions 9A to 9D (electret patterns). Similarly, the configuration of the second embodiment forming the portions 91 to 98 can also be applied to a radial gap type or linear type electrostatic motor as in the third and fourth embodiments.

(第3の実施形態)
図7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、静電電動機としてラジアルギャップ型の静電モータ10を示している。図7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、駆動軸14の軸線方向に延在し、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7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。
絶縁性を有する円筒状のロータ13の外周面13Aには、複数のパターン電極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、駆動軸14の軸線方向に延在し、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。本実施形態では、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。また、ロータ13もしくはステータ12には帯電体となるエレクトレット部9A〜9Dの何れ1つが形成され、何れかのエレクトレット部9A〜9Dの上に微粒子50又は51を付着させている。本実施形態では、ステータ12にエレクトレット部9Bを形成して微粒子50を付着させ、ロータ13にエレクトレット部9Dを形成して微粒子51を付着させている。このため、微粒子50と微粒子51の双方によって、ステータ12とロータ13の間に微小なギャップGが形成されて保持されている。
(Third embodiment)
A third embodiment will be described with reference to FIG. The third embodiment shows a radial gap type electrostatic motor 10 as an electrostatic motor. As shown in FIG. 7, the electrostatic motor 10 includes a stator 12 that serves as a cylindrical stator, and a columnar rotor 13 that serves as a mover disposed in the stator 12. The stator 12 and the rotor 13 are arranged so as to have a gap 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 axial direction of the drive shaft 14 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. Phase wiring is performed. In the example of FIG. 7, only one set of wirings 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 plurality of pattern electrodes 16 are formed on the outer peripheral surface 13A of the cylindrical rotor 13 having insulating properties. The pattern electrode 16 has a plurality of individual electrodes 16A made of metal on the outer peripheral surface 13A extending in the axial direction of the drive shaft 14 and formed in the circumferential direction. A single-phase wiring 7 is provided on each individual electrode 16A. The slip ring 8 and the drive shaft 14 are connected. In the present 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. The rotor 13 or the stator 12 is formed with any one of electret portions 9A to 9D serving as a charged body, and the fine particles 50 or 51 are adhered on any of the electret portions 9A to 9D. In the present embodiment, the electret portion 9B is formed on the stator 12 and the fine particles 50 are attached, and the electret portion 9D is formed on the rotor 13 and the fine particles 51 are attached. Therefore, a minute gap G is formed and held between the stator 12 and the rotor 13 by both the fine particles 50 and the fine particles 51.

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相電圧を流すとともに、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。
本実施形態のような転動可能なスペーサ構造として微粒子50、51を用いると、ステータ12とロータ13のギャップGを安定して形成することができるとともに、ステータ12、ロータ13と微粒子50、51とが転がり摩擦となり、摺動抵抗が低減し、摺動性の向上を図れ、十分な駆動力を得ることができる。
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、より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い。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 voltage is supplied to the individual electrodes 15A, 15B, and 15C of the stator 12, 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.
When the fine particles 50 and 51 are used as the rollable spacer structure as in the present embodiment, the gap G between the stator 12 and the rotor 13 can be stably formed, and the stator 12 and the rotor 13 and the fine particles 50 and 51 can be formed. And rolling friction, sliding resistance is reduced, slidability can be improved, and sufficient driving force can be obtained.
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. In addition, more electrostatic coulomb force between the pattern electrodes 15 and 16 can be obtained than when the rotor 13 is not supplied with power, and a more sufficient driving force can be obtained.
As in the first embodiment, in the axial gap type, 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 case of the radial type as in this embodiment, The pitch is not variable. The pole switching control for the individual electrodes 15A, 15B, and 15C will be described later.

(第4の実施形態)
次に図8を用いて第4の実施形態について説明する。第4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を示している。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る。すなわち、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、帯状電極としてのパターン電極26を備えた可動子23とが互いに対向配置されていて、両者の間に隙間となる微小なギャップGを持って構成されている。
ステータ22もしくは可動子23の少なくとも一方には、可動方向に延在するように平面的な形状が直線状のパターンとしてエレクトレット部9Eが形成されている。ステータ22もしくは可動子23の少なくとも一方に形成したエレクトレット部9E上には、微粒子50又は微粒子51を付着させている。このため、微粒子50もしくは微粒子51あるいは微粒子50,51の双方によって、ステータ22と可動子23の間に微小なギャップGが形成されて保持されている。本実施形態では、ステータ22における可動方向と交差する方向に位置する両端部22a、22bに直線状のエレクトレット部9Eをそれぞれ形成し、各エレクトレット部9E上に粒子50を付着させてギャップGを形成している。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. The fourth embodiment shows a linear electrostatic motor 20 as the electrostatic motor. The basic configuration is the same as the axial gap type and radial gap type. In other words, a stator 22 as a stator having a pattern electrode 25 as a strip electrode and a mover 23 having a pattern electrode 26 as a strip electrode are arranged to face each other, and a minute gap is formed between them. The gap G is configured.
At least one of the stator 22 and the mover 23 is formed with an electret portion 9E as a pattern having a linear planar shape extending in the movable direction. On the electret portion 9E formed on at least one of the stator 22 or the mover 23, fine particles 50 or fine particles 51 are adhered. Therefore, a minute gap G is formed and held between the stator 22 and the mover 23 by both the fine particles 50 or the fine particles 51 or the fine particles 50 and 51. In the present embodiment, linear electret portions 9E are respectively formed at both end portions 22a and 22b located in a direction intersecting the movable direction of the stator 22, and particles 50 are adhered to each electret portion 9E to form a gap G. doing.

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。   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.

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。   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。   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.

本実施形態のような転動可能なスペーサ構造として微粒子50を用いると、ステータ22と可動子23のギャップGを安定して形成することができるとともに、ステータ22、可動子23と微粒子50とが転がり摩擦となり、摺動抵抗が低減し、摺動性の向上を図れ、十分な駆動力を得ることができる。
本実施形態の場合、ステータ22のエレクトレット部9Eのエレクトレットパターンは可動方向に延在する直線状であるので、リニア形状の場合でも微粒子50が移動する状態ができたとしても直線状パターンなので、エレクトレット部9Eから微粒子50が外れることなく適切なギャップGを維持することができる。
さらに、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、より十分な駆動力を得ることができる。
When the fine particles 50 are used as a rollable spacer structure as in the present embodiment, the gap G between the stator 22 and the mover 23 can be stably formed, and the stator 22, the mover 23, and the fine particles 50 are formed. It becomes rolling friction, sliding resistance is reduced, slidability can be improved, and sufficient driving force can be obtained.
In the case of the present embodiment, the electret pattern of the electret portion 9E of the stator 22 is a linear pattern extending in the movable direction. Therefore, even if it is a linear shape, the electret pattern is a linear pattern even if the fine particles 50 can move. An appropriate gap G can be maintained without the fine particles 50 being detached from the portion 9E.
Furthermore, since each individual electrode 26A of the pattern electrode 26 of the mover 23 is a single pole as in this embodiment, wiring to the mover 23 can be simplified, so the electrostatic motor 20 and the application Therefore, it is possible to reduce the size and weight of the drive driver. As compared with the case where power is not supplied to the mover 23, a larger amount of electrostatic coulomb force between the pattern electrodes 25 and 26 can be obtained, and a more 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。   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.

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。
図9(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9(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9の例では、固定子の個別電極を400極とし、可動子の個別電極を300極としている。図9(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、可動子は単相に接続して−極(マイナス極)に給電した状態であり、エレクトレットの場合は−帯電した状態とする。ここでは、説明上、便宜的に−極(マイナス極)としたが、+極(プラス極)としてもよい。
固定子側は、図9(b)に示すように、3相電圧に給電し、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.
FIG. 9A schematically shows the individual electrodes of the stator and the mover, and the voltage application state to each individual electrode, and FIG. 9B 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 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. 9, the individual electrodes of the stator are 400 poles and the individual electrodes of the mover are 300 poles. FIG. 9A shows a state where the rotation angle is 0 ° and the rotation angle is 0.6 °.
In this embodiment, the mover is connected to a single phase and is fed to the negative pole (minus pole), and in the case of an electret, it is charged. Here, for the sake of convenience, the negative pole (minus pole) is used for convenience, but a positive pole (plus pole) may be used.
As shown in FIG. 9 (b), the stator side feeds a three-phase voltage, 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9(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9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、第3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4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. 9A, 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. 9, since both repulsive force and attractive force are used as the driving force, a sufficient driving force can be obtained.
By applying this polarity switching control to the electrostatic motors shown in the first, second and third embodiments, the drive shafts 4 and 14 can be continuously driven to rotate. By using the electrostatic motor 20 shown in the form, it is 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.

図10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10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10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10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、可動子は単相に接続して−極(マイナス極)に給電した状態であり、エレクトレットの場合は−帯電した状態とする。ここでは、説明上、便宜的に−極(マイナス極)としたが、+極(プラス極)としてもよい。
固定子側は、3相交流に給電し、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。
Another embodiment of the polarity switching control will be described with reference to FIG.
FIG. 10 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. 10, the individual electrode of the stator has 450 poles, and the individual electrode of the mover has 600 poles. FIG. 10 shows a state where the rotation angle is 0 ° and the rotation angle is 0.2 °.
In this embodiment, the mover is connected to a single phase and is fed to the negative pole (minus pole), and in the case of an electret, it is charged. Here, for the sake of convenience, the negative pole (minus pole) is used for convenience, but a positive pole (plus pole) may be used.
The stator side supplies power to a three-phase alternating current, and here, with respect to the V electrode, the W electrode, and the U electrode, the positive electrode, the negative electrode, and the negative electrode are initially moved at a first predetermined angle (0.15 °). Later, 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 and −pole, + pole, −pole To do.

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10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、第3の実施形態で示した各静電モータ1,10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4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20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. 10, 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 1 and 10 shown in the first, second and third embodiments, the drive shafts 4 and 14 can be driven to rotate continuously. By using it for the electrostatic motor 20 shown in the fourth embodiment, it becomes possible to continuously drive the linear electrostatic motor 20 other than the motor.

次に固定子と可動子の電極数比率について説明する。
図9に示すように固定子と可動子の個別電極の電極数比率が3:2の場合と、図10に示すように固定子と可動子の個別電極の電極数比率が3:4の場合の駆動原理を説明する。電極数比率が3:2の場合は、上記で記載した通り、引力と斥力を利用した駆動方法とする。この駆動方法は可動子の電極パターン(個別電極)が第4の実施形態で示したエレクトレットの場合は問題ないが、可動子が単なる電極の場合は斥力を働かせるために大きな電圧(数kV〜)を必要とする。このことは、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の静電アクチュエータの分野では知られており、静電アクチュエータは引力駆動が一般的である。
Next, the ratio of the number of electrodes of the stator and the mover will be described.
As shown in FIG. 9, when the electrode number ratio of the individual electrodes of the stator and the mover is 3: 2, and when the electrode number ratio of the individual electrodes of the stator and the mover is 3: 4 as shown in FIG. The driving principle will be described. When the electrode number ratio is 3: 2, as described above, the driving method uses attraction and repulsion. This drive method has no problem when the electrode pattern (individual electrode) of the mover is the electret shown in the fourth embodiment, but when the mover is a simple electrode, a large voltage (several kV to) is used to exert a repulsive force. Need. This is known in the field of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) electrostatic actuators, and electrostatic actuators are generally driven by attractive force.

そこで、可動子がエレクトレットではない電極の場合は、引力のみによって駆動する方法を考えると、電極数比率は図10に示すように3:4とするのが好ましい。これは固定子と可動子の電極数比率を3:4にし、図10に示した電極の極性切換え制御を行なうことで、引力によって、可動子が図10中、持続的に右方向へと移動することになる。電極数比率が3:4の電極の切換え制御は、単に電極の場合だけでなく、エレクトレット製の電極の場合に用いても構わない。このような駆動方法により、可動子が単極(単相)であって、斥力が弱い場合であって駆動力を得ることができ、可動子を継続して移動することができる。   Therefore, in the case where the mover is an electrode that is not an electret, the electrode number ratio is preferably 3: 4 as shown in FIG. This is because the ratio of the number of electrodes of the stator and the mover is 3: 4, and the polarity switching control of the electrodes shown in FIG. 10 is performed, so that the mover continuously moves to the right in FIG. Will do. The switching control of the electrode having the electrode number ratio of 3: 4 may be used not only for the electrode but also for the electret electrode. By such a driving method, the movable element is a single pole (single phase) and the repulsive force is weak, so that a driving force can be obtained and the movable element can be continuously moved.

次は、固定子および可動子の製造方法について説明する。
本発明に係る固定子および可動子の製造方法は、既存技術が使用できる。例えば特開2012−257368号公報に記載の方法が挙げられる。
Next, a method for manufacturing the stator and the mover will be described.
An existing technique can be used for the method of manufacturing the stator and the mover according to the present invention. For example, the method of Unexamined-Japanese-Patent No. 2012-257368 is mentioned.

(電極形成工程)
固定子および可動子のパターン電極の形成方法としては、特に限定されず、公知の方法を利用できる。具体的には、たとえば基板上に導電性薄膜を形成し、該導電性薄膜をパターニングする方法が挙げられる。導電性薄膜の形成方法としては、物理的蒸着法、無電解めっき法等が挙げられる。物理蒸着法としては、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等が挙げられる。
無電解めっき法とは、金属塩、還元剤等を含む無電解めっき液に、表面に触媒が付着した基板を浸漬し、還元剤から生じる電子の還元力によって、触媒が付着した基板表面において選択的に金属を析出させ、無電解めっき膜を形成する方法である。無電解めっき液に含まれる金属塩としては、ニッケル塩(硫酸ニッケル、塩化ニッケル、次亜リン酸ニッケル等。)、第二銅塩(硫酸銅、塩化銅、ピロリン酸等。)、コバルト塩(硫酸コバルト、塩化コバルト等。)、貴金属塩(塩化白金酸、塩化金酸、ジニトロジアンミン白金、硝酸銀等。)等が挙げられる。無電解めっき液に含まれる還元剤としては、次亜リン酸ナトリウム、ホルムアルデヒド、テトラヒドロほう酸ナトリウム、ジアルキルアミンボラン、ヒドラジン等が挙げられる。
無電解めっき法により導電性薄膜を形成する場合、導電性薄膜を形成する前に、予め、基板の表面に触媒を付着させておくことが好ましい。無電解めっき法に用いる触媒としては、金属微粒子、金属を担持した微粒子、コロイド、有機金属錯体等が挙げられる。
導電性薄膜のパターニングは、フォトリソグラフィー法とウェットエッチング法の組み合わせ、ナノメタルインク等を印刷することによる配線形成、等により実施できる。例えばフォトリソグラフィー法とウェットエッチング法の組み合わせによるパターニングは、導電性薄膜上にフォトレジストを塗布してレジスト膜を形成した後、該レジスト膜に対し、露光、現像を行うことでパターン(レジストマスク)を形成し、該レジストマスクをマスクとして導電性薄膜をエッチングすることにより実施できる。
導電性薄膜のエッチングは、例えばエッチング液として導電性薄膜を溶解する液体(通常は酸性溶液)を用いたウェットエッチングにより実施できる。また、ナノメタルインク等を印刷する方法としてはスクリーン印刷法、インクジェット法またはマイクロコンタクトプリンティング法等を用いることができる。ナノメタルインクとは前述の導電性材料のナノ粒子を有機溶媒や水等に分散させたインクのことをいう。
(Electrode formation process)
A method for forming the pattern electrodes of the stator and the mover is not particularly limited, and a known method can be used. Specifically, for example, there is a method of forming a conductive thin film on a substrate and patterning the conductive thin film. Examples of the method for forming the conductive thin film include physical vapor deposition and electroless plating. Examples of physical vapor deposition include sputtering, vacuum vapor deposition, and ion plating.
The electroless plating method is selected on the surface of the substrate on which the catalyst has adhered by immersing the substrate with the catalyst on the surface in an electroless plating solution containing a metal salt, reducing agent, etc., and the reducing power of electrons generated from the reducing agent. In this method, a metal is deposited to form an electroless plating film. As metal salts contained in the electroless plating solution, nickel salts (nickel sulfate, nickel chloride, nickel hypophosphite, etc.), cupric salts (copper sulfate, copper chloride, pyrophosphoric acid, etc.), cobalt salts ( Cobalt sulfate, cobalt chloride, etc.), noble metal salts (chloroplatinic acid, chloroauric acid, dinitrodiammine platinum, silver nitrate, etc.). Examples of the reducing agent contained in the electroless plating solution include sodium hypophosphite, formaldehyde, sodium tetrahydroborate, dialkylamine borane, hydrazine and the like.
When forming a conductive thin film by an electroless plating method, it is preferable to attach a catalyst to the surface of the substrate in advance before forming the conductive thin film. Examples of the catalyst used in the electroless plating method include metal fine particles, metal-supported fine particles, colloid, and organometallic complex.
The patterning of the conductive thin film can be performed by a combination of a photolithography method and a wet etching method, wiring formation by printing nanometal ink, or the like. For example, patterning by a combination of a photolithography method and a wet etching method is performed by applying a photoresist on a conductive thin film to form a resist film, and then exposing and developing the resist film to form a pattern (resist mask). And etching the conductive thin film using the resist mask as a mask.
Etching of the conductive thin film can be performed, for example, by wet etching using a liquid (usually an acid solution) that dissolves the conductive thin film as an etchant. Further, as a method for printing nano metal ink or the like, a screen printing method, an ink jet method, a micro contact printing method, or the like can be used. The nano metal ink refers to an ink in which nanoparticles of the conductive material described above are dispersed in an organic solvent, water, or the like.

(パターン膜形成工程)
パターン膜の形成方法としては、特に限定されず、公知のパターニング技術を利用できる。具体例として、たとえば下記方法(Ia)〜(Ie)等が挙げられる。
方法(Ia):前記パターン電極が形成された基板上に、前記含フッ素重合体(A)を含むコーティング液を塗布し、ベークしてコーティング膜を形成し、該コーティング膜を、エッチングにより、前記パターン電極に対応するパターンにパターニングして前記パターン膜を形成する方法。
方法(Ib):電極付き基板上に、前記コーティング液を塗布し、ベークしてコーティング膜を形成し、該コーティング膜上に、パターン電極に対応するパターンでパターニングされたレジスト膜を形成し、該レジスト膜をマスクとして前記コーティング膜をドライエッチングして、該レジスト膜の形状を前記コーティング膜に転写する方法。
方法(Ic):電極付き基板上に、前記コーティング液を塗布し、ベークしてコーティング膜を形成し、該コーティング膜を、インプリント法により、前記パターン電極に対応するパターンにパターニングして前記パターン膜を形成する方法。
方法(Id):電極付き基板上に、前記コーティング液の印刷により、前記パターン電極を被覆し、該パターン電極に対応するパターンで形成されたパターン液層を形成し、乾燥して、パターン膜を形成する方法。
方法(Ie):電極付き基板表面に、前記パターン電極に対応する撥油・親油のパターニングを施した後、前記コーティング液のディップまたは印刷により、前記パターン電極を被覆し、該パターン電極に対応するパターンで形成されたパターン液層を形成し、乾燥して、パターン膜を形成する方法。
パターニング後、さらに、形成されたパターン膜の角(上面と側面との連絡部分)を曲面とするための処理(曲面化処理)を行ってもよい。該曲面化処理方法としては、該パターン膜を熱処理する方法、該パターン膜をウェットエッチングする方法、該パターン膜上にポリマー溶液を塗布してポリマー膜を形成し、該ポリマー膜をドライエッチングする方法等が挙げられる。これらの中でも、熱処理する方法が好ましい。特に、コーティング液としてシランカップリング剤を含有するものを用いる場合、熱処理を行うことで、保持した電荷の熱安定性がさらに向上する。上記方法(Ia)〜(Ie)や曲面化処理については、特開2011−50212号公報に記載の方法により実施できる。
(Pattern film forming process)
A method for forming the pattern film is not particularly limited, and a known patterning technique can be used. Specific examples include the following methods (Ia) to (Ie).
Method (Ia): A coating liquid containing the fluoropolymer (A) is applied on the substrate on which the patterned electrode is formed, and baked to form a coating film. The coating film is etched, and the coating film is etched. A method of forming the pattern film by patterning into a pattern corresponding to a pattern electrode.
Method (Ib): The coating liquid is applied on a substrate with an electrode, baked to form a coating film, and a resist film patterned in a pattern corresponding to the pattern electrode is formed on the coating film, A method in which the coating film is dry-etched using a resist film as a mask, and the shape of the resist film is transferred to the coating film.
Method (Ic): The coating liquid is applied on a substrate with electrodes, baked to form a coating film, and the coating film is patterned into a pattern corresponding to the pattern electrode by an imprint method. A method of forming a film.
Method (Id): The pattern electrode is coated on the substrate with electrodes by printing the coating liquid, a pattern liquid layer formed in a pattern corresponding to the pattern electrode is formed, and dried to form a pattern film. How to form.
Method (Ie): After the substrate surface with electrodes is subjected to patterning of oil repellency / lipophilicity corresponding to the pattern electrodes, the pattern electrodes are coated by dipping or printing the coating liquid, and corresponding to the pattern electrodes A method for forming a pattern film by forming a pattern liquid layer formed in a pattern to be dried and drying.
After the patterning, a process (curved surface process) may be further performed to make the corner (the connecting portion between the upper surface and the side surface) of the formed pattern film a curved surface. As the curved surface processing method, a method of heat-treating the pattern film, a method of wet-etching the pattern film, a method of forming a polymer film by applying a polymer solution on the pattern film, and dry-etching the polymer film Etc. Among these, the heat treatment method is preferable. In particular, when a coating liquid containing a silane coupling agent is used, the heat stability of the retained charge is further improved by performing heat treatment. About the said method (Ia)-(Ie) and curved-surface processing, it can implement by the method of Unexamined-Japanese-Patent No. 2011-50212.

(電荷注入工程)
上述のようにして形成されたパターン膜に電荷を注入することで、該パターン膜をエレクトレットとすることができる。
電荷の注入方法としては、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。
(Charge injection process)
By injecting charges into the pattern film formed as described above, the pattern film can be used as an electret.
As a method for injecting electric charge, any method can be used as long as it is a method for charging an insulator. For example, the corona discharge method described in GMSessler, Electrets Third Edition, pp20, Chapter 2.2 “Charging and Polarizing Methods” (Laplacian Press, 1998), electron beam collision method, ion beam collision method, radiation irradiation method, light irradiation method, A contact charging method, a liquid contact charging method, or the like is applicable. In the present invention, it is particularly preferable to use a corona discharge method or an electron beam collision method.

コロナ放電法による電荷の注入方法の一例を、図11を用いて説明する。図11は、電荷の注入に用いるコロナ荷電装置の概略構成図である。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構成されている。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構成されている。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構成されている。符号77は電流計である。このコロナ荷電装置の電極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、電荷が注入されることで、エレクトレットの電極パターン(個別電極)を得ることができる。   An example of a charge injection method by the corona discharge method will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a corona charging device used for charge injection. 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.). It 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 is configured so that the pattern film during the charge injection process can be heated to the 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 charging device, heated by a hot plate 76, a grid voltage is applied from the grid power supply 75 to the grid 74, and a DC high voltage power supply device 71 A high voltage is applied between the corona 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, and electric charges are injected. An electrode pattern (individual electrode) can be obtained.

上述したように、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パターン電極5、15、25を有する固定子となるステータ2、12、22と、これらステータに対向するように配置され、複数のパターン電極6,16,26を有する可動子としてのロータ3,13及び可動子23とを有し、各ステータのパターン電極5、15、25に電圧を印加し、各ステータと各ロータ(可動子)と間に作用する静電気のクーロン力でロータ(可動子)を移動せしめる静電電動機1、10、20であって、各ステータ2、12、22もしくはロータ3,13、可動子26のそれぞれパターン電極でない領域に電荷を注入したエレクトレット部9A〜9Eを有し、エレクトレット部9A〜9Eに転動可能な微粒子50,51を静電気力によって付着させ、ステータ2、12とロータ3、13の間およびステータ22と可動子23の間にギャップGをそれぞれ形成した。このため、微粒子50,51を容易にステータ2、12、22もしくはロータ3,13、可動子26に付着させることができ、製造や組み立て工程が大幅に簡素化でき、微粒子50,51の飛散が無くなり、均一なギャップGを形成維持できて、安定してギャップGを形成して保持することができる。また、微粒子50,51は、転動可能であるため、転がり摩擦となり、摺動抵抗が大幅に改善し、長期間に渡って回転トルク(駆動力)を維持できる。   As described above, the stators 2, 12, and 22 that are the stators having the plurality of pattern electrodes 5, 15, and 25 that are insulated from each other, arranged in a predetermined direction and at a predetermined interval, and opposed to these stators The rotor 3 and 13 and the mover 23 as movers having a plurality of pattern electrodes 6, 16, and 26, and applying a voltage to the pattern electrodes 5, 15, and 25 of each stator, Electrostatic motors 1, 10, and 20 that move the rotor (mover) with electrostatic coulomb force acting between each stator and each rotor (mover), and each stator 2, 12, 22 or rotor 3, 13. The electret portions 9A to 9E in which electric charges are injected into the regions that are not the pattern electrodes of the mover 26, and the fine particles 50 and 51 that can roll to the electret portions 9A to 9E Deposited by energy, the gap G is formed between each of and between the stator 22 and the mover 23 of the stator 2, 12 and the rotor 3 and 13. For this reason, the fine particles 50, 51 can be easily attached to the stators 2, 12, 22 or the rotors 3, 13, and the mover 26, and the manufacturing and assembling process can be greatly simplified, and the fine particles 50, 51 are scattered. As a result, the uniform gap G can be formed and maintained, and the gap G can be stably formed and held. Further, since the fine particles 50 and 51 can roll, they become rolling friction, greatly improve the sliding resistance, and can maintain the rotational torque (driving force) over a long period of time.

エレクトレット部9A〜9Eに付着した微粒子50、51は、直径が1〜100μm好ましくは5〜50μmとすることで、各ステータおよび各ロータ並びに可動子26の機械精度の緩和とトルクアップを両立させる適切なギャップを維持することができる。
これは、図12、図13を用いて既に説明したように、1〜100μmの微粒子を使用することで、1000V以上の高電圧を使用することなく、高トルクを得ることができるともとに万が一絶縁破壊が起きた際も火花放電による火災等のおそれが少なくなるためである。
The fine particles 50 and 51 adhering to the electret portions 9A to 9E have a diameter of 1 to 100 μm, preferably 5 to 50 μm. Gaps can be maintained.
As already described with reference to FIGS. 12 and 13, by using fine particles of 1 to 100 μm, a high torque can be obtained without using a high voltage of 1000 V or more. This is because the risk of fire due to spark discharge is reduced even when dielectric breakdown occurs.

また、ステータ2、12もしくはロータ3、13のエレクトレット部9A〜9Dは、可動方向に延在する環状であるので、静電モータ1、10の回転トルクによって微粒子50,51が移動する状態ができたとしても、エレクトレット部9A〜9Dから微粒子50,51が外れることなく、適切なギャップGを維持することができる。   Further, since the electret portions 9A to 9D of the stators 2 and 12 or the rotors 3 and 13 are annular extending in the movable direction, the particles 50 and 51 can be moved by the rotational torque of the electrostatic motors 1 and 10. Even so, the appropriate gap G can be maintained without removing the fine particles 50 and 51 from the electret portions 9A to 9D.

ステータ22もしくは可動子23に形成したエレクトレット部9Eの場合、エレクトレット部9Eが可動子23の可動方向に延在する直線状としているので、リニア型の静電電動機20の場合において、微粒子50が移動する状態ができたとしても直線状パターンなので、エレクトレット部9Eから微粒子50が外れることなく適切なギャップGを維持することができる。   In the case of the electret portion 9E formed on the stator 22 or the mover 23, the electret portion 9E has a linear shape extending in the moving direction of the mover 23. Therefore, in the case of the linear electrostatic motor 20, the fine particles 50 move. Even if it is possible to achieve this, since it is a linear pattern, an appropriate gap G can be maintained without the fine particles 50 being detached from the electret portion 9E.

また、各エレクトレット部は、その両側、すなわち、可動子の可動方向と交差する方向に位置する部位に、少なくともエレクトレット部9A〜9Eの厚さt、t2よりも高い壁部91〜98を形成しているので、各エレクトレット部の可動子の可動方向と交差する方向側が壁部91〜98によって囲まれる。このため、微粒子50,51が万が一、各エレクトレット部から脱落した場合でも周囲に飛散することを防止することができる。   Moreover, each electret part forms the wall parts 91-98 higher than the thickness t and t2 of the electret parts 9A-9E in the part located in the both sides, ie, the direction which cross | intersects the movable direction of a needle | mover. Therefore, the direction side which cross | intersects the movable direction of the needle | mover of each electret part is enclosed by the wall parts 91-98. For this reason, even if the fine particles 50 and 51 are dropped from each electret part, they can be prevented from being scattered around.

第1の実施形態では、ステータ2及びロータ3の対が、駆動軸4の軸線方向に複数積層されているので、ステータ2とロータ3の間のギャップGを長期間均一に維持し、電磁モータに匹敵するような大トルクを得ることができる。   In the first embodiment, since a plurality of pairs of the stator 2 and the rotor 3 are stacked in the axial direction of the drive shaft 4, the gap G between the stator 2 and the rotor 3 is maintained uniformly for a long period of time, and the electromagnetic motor Large torque comparable to can be obtained.

1、10 静電モータ(静電電動機)
2、12、22 ステータ(固定子)
3、13、23 ロータ(可動子)
5、15、25 複数の帯状電極
6、16、26 複数の帯状電極
9A〜9D 環状のエレクトレット部
9E 直線状のエレクトレット部
20 静電電動機
50、51 微粒子(スペーサ)
91〜98 壁部
G ギャップ
t、t2 エレクトレット部の厚さ(高さ)
t4、t5 壁部の高さ(突出量)
1, 10 Electrostatic motor (electrostatic motor)
2, 12, 22 Stator (stator)
3, 13, 23 Rotor (mover)
5, 15, 25 A plurality of strip electrodes 6, 16, 26 A plurality of strip electrodes 9A to 9D Annular electret portion 9E Linear electret portion 20 Electrostatic motor 50, 51 Fine particles (spacer)
91-98 Wall G Gap t, t2 Electret thickness (height)
t4, t5 Wall height (projection)

特開2005−278324号公報JP 2005-278324 A 特開2005−210852号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-210852

“Development of An Electrostatic Actuator Exceeding 10N Propulsive Force” IEEE MEMS’ 92,Travemunde(Germany),Feb.4-7,1992 Toshiki NIINO et.al..“Development of An Electrostatic Actuator Exceeding 10N Propulsive Force” IEEE MEMS ’92, Travelmunde (Germany), Feb. 4-7, 1992 Toshiki NIINO et.al ..

Claims (6)

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、複数の帯状電極を有する可動子とを有し、前記固定子の帯状電極に電圧を印加し、前記固定子と前記可動子間に作用する静電気のクーロン力で前記可動子を移動せしめる静電電動機であって、
前記固定子もしくは前記可動子の少なくとも一方の帯状電極でない領域に電荷を注入したエレクトレット部を有し、
前記エレクトレット部に転動可能なスペーサを静電気力によって付着させて、前記固定子と前記可動子との間にギャップを形成したことを特徴とする静電電動機。
A stator having a plurality of strip electrodes that are insulated from each other and arranged in a predetermined direction and at a predetermined interval, and a mover having a plurality of strip electrodes arranged so as to face the stator. An electrostatic motor that applies a voltage to the strip-like electrode of the stator and moves the mover with electrostatic coulomb force acting between the stator and the mover,
An electret part that injects electric charge into a region that is not at least one band-shaped electrode of the stator or the mover;
An electrostatic electric motor characterized in that a rollable spacer is attached to the electret portion by electrostatic force to form a gap between the stator and the movable element.
前記エレクトレット部に付着した微粒子は、直径が1〜100μmであることを特徴とする請求項1記載の静電電動機。   The electrostatic motor according to claim 1, wherein the fine particles attached to the electret part have a diameter of 1 to 100 μm. 前記エレクトレット部の平面的な形状は、環状であることを特徴とする請求項1又は2記載の静電電動機。   The electrostatic motor according to claim 1, wherein a planar shape of the electret portion is annular. 前記エレクトレット部の平面的な形状は、直線状であることを特徴とする請求項1又は2記載の静電電動機。   The electrostatic motor according to claim 1, wherein a planar shape of the electret part is a straight line. 前記エレクトレット部は、前記可動子の可動方向と交差する方向に位置する部位に、少なくとも前記エレクトレット部の厚さよりも高い壁部が形成されていることを特徴とする請求項3又は4記載の静電電動機。   5. The static electricity according to claim 3, wherein the electret portion is formed with a wall portion at least higher than the thickness of the electret portion in a portion located in a direction intersecting the movable direction of the mover. Electric motor. 前記固定子及び前記可動子の対が、複数積層されていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の静電電動機。   The electrostatic motor according to claim 1, wherein a plurality of pairs of the stator and the mover are stacked.
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