JPH04285478A - 静電モ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、産業用ロボッ
ト、産業機械、自動車機器部品、家庭電化製品、オフィ
スオ−トメ−ション機器、および、医用福祉機器等の駆
動に利用することが可能な静電モ−タに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、磁気力を利用した回転型モ−タ
やリニアモ−タ、および、ステッピングモ−タ等が知ら
れている。そして、磁気力を利用した各種のモ−タは、
例えば、産業用ロボット、産業機械、自動車機器部品、
家庭電化製品、オフィスオ−トメ−ション機器、および
、医用福祉機器等を駆動するアクチュエ−タとして利用
されている。しかし、静電力を利用したモ−タとして、
実用に供することのできる程度の出力を持つものは、い
まだ製作されていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、静電力は、
μｍからｎｍ程度の小さなスケ−ルで電磁力よりも有効
になる。このため、静電モ−タの外径寸法は小さく設定
される。

【０００４】また、静電モ−タとして、一対の電極間に
可動子を挿入し、この可動子を電極間に吸引するタイプ
のものが考えられる。そして、モ−タの十分に大きなト
ルクや推力を得るためには、一対の電極間の距離をでき
るだけ短くすること、および、電極と可動子との間のギ
ャップをできるだけ小さくすること等が肝要である。

【０００５】さらに、この一方で、電極を支持する部材
や可動子をできるだけ薄く成形することが望まれている
。しかし、現在の技術を利用して、薄く剛性の小さい部
材の間に例えば数μｍの大きさのギャップを形成するこ
と、および、このギャップの大きさを許容できる値に保
つこと等は困難である。

【０００６】また、電極対と可動子との間のギャップの
大きさが数μｍ以下となると、両者の固体表面間に生じ
る摩擦力は極めて大きくなり、可動子に作用する推力が
摩擦によって大幅に消費され、実効推力は小さくなる。

【０００７】本発明の目的とするところは、微小な大き
さのギャップを容易に確保できるとともに、固体間の摩
擦が少なく、出力の大きい静電モ−タを提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために本発明は、互いに離間して対向した１組も
しくは複数組の電極と、少なくともその一部を誘電体に
より構成され、電極の間に挿入されるとともに、各電極
の電極面との間にギャップを介在させ、各組の電極間で
の静電力の発生に伴って電極間に吸引される可動子と、
真空の誘電率よりも高い誘電率を持ち、ギャップ中に配
置されて各電極と可動子との間に介在し、電極面を覆う
絶縁性媒質とを具備したことにある。

【０００９】こうすることによって本発明は、微小な大
きさのギャップを容易に確保できるようにするとともに
、固体間の摩擦力を低減し、静電モ−タの出力を向上で
きるようにしたことにある。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図１〜図７に基づ
いて説明する。

【００１１】図１〜図４は本発明の第１の実施例の要部
を示しており、図１の（ａ）および（ｂ）の中に符号１
で示すのは静電モ−タである。この静電モ−タ１には、
互いに対向しコンデンサを構成する１組の電極２、３が
設けられている。

【００１２】両電極２、３は直方体状の電極支持体４、
５に固定されており、この電極支持体４、５によって支
持されている。また、両電極２、３は、電極面６、７を
平坦に加工されており、この電極面６、７を矩形状に露
出させている。そして、両電極２、３は互いに離間して
おり、電極面６、７を略平行に向け合っている。また、
両電極２、３はそれぞれ端子８、９を接続されており、
これら端子８、９を介して、電源１０により電圧を印加
される。

【００１３】また、図中に符号１１で示すのは可動子で
ある。この可動子１１は誘電体からなるものであり、直
方体状に成形されるとともに、その厚さを略一定として
いる。そして、可動子１１は電極支持体４、５の間に挿
入されており、その長手方向および幅方向を電極支持体
４、５（および、電極２、３）の長手方向および幅方向
にそれぞれ略一致させている。そして、可動子１１は、
長手方向の一部を電極支持体４、５の間に位置させると
ともに、長手方向の他の部分を電極支持体４、５の外側
に突出させている。

【００１４】さらに、可動子１１は逆向きな２つの側面
１２、１３を、電極２、３、および、電極支持体４、５
に向けており、側面１２、１３の一端部を電極面６、７
に対向させている。また、可動子１１はその幅を電極２
、３の幅と同程度に設定されている。

【００１５】また、可動子１１は、長手方向の寸法を電
極２、３よりも大きく設定されており、側面１２、１３
の面積を電極面６、７の面積よりも大としている。そし
て、可動子１１は側面１２、１３を電極２、３の電極面
６、７に対して離間させるとともに略平行に向けており
、側面１２、１３と電極面６、７との間にギャップ１４
、１５を介在させている。

【００１６】また、電極２、３と可動子１１との間のギ
ャップ１４、１５には絶縁性媒質としてのギャップ充填
剤１６が充填されている。このギャップ充填剤１６は、
真空の誘電率よりも高い誘電率を持つ液体である。そし
て、ギャップ充填剤１６は、ギャップ１４、１５を満た
しており、電極２、３の電極面６、７、および、可動子
１１の側面１２、１３のそれぞれの全体に接している。 そして、ギャップ充填剤１６は、電極面６、７、および
、側面１２、１３を覆っている。

【００１７】ここで、ギャップ１４、１５をギャップ充
填剤１６によって満たすために、電極支持体４、５、電
極２、３、および、可動子１１をギャップ充填剤１６の
中に浸すことが考えられる。また、真空の誘電率と空気
の誘電率とは略等しいと考えることができる。つぎに、
静電モ−タ１の基本原理を図２に基づいて説明する。

【００１８】図２において、端子８、９をそれぞれ接続
された一対の電極２、３によってコンデンサが形成され
ている。そして、電極２、３と可動子１１との間に形成
されたギャップ１４、１５は、真空の誘電率よりも高い
誘電率を持った絶縁性の媒質（ここではギャップ充填剤
１６）によって満たされている。

【００１９】電極２、３に電圧が供給されると、電極２
、３同志の間に働く吸引力Ｆｖと、電極２、３と可動子
１１との間に働く吸引力Ｆｈとが発生する。これらのう
ち電極２、３と可動子１１との間に働く吸引力Ｆｈは以
下の［数１］によって表される。

【００２０】

【数１】 また、静電容量Ｃ（ｘ）は、以下の［数２］のように導
かれる。

【００２１】

【数２】 さらに、０≦εｇ≦εｒの範囲において、Ｆｈが最大値
をとる場合のεｇは、以下の［数３］のように表される
。

【００２２】

【数３】

【００２３】［数１］より、εｒに比べてεｇが比較的
小さい領域においては、媒質の比誘電率εｇを高めてい
くと吸引力Ｆｈは増加し、比誘電率εｇがある値に達し
たときに吸引力Ｆｈがピ−クを示すことがわかる。一方
、滑り速度の変化が大きくない場合の摩擦力Ｆｆは、以
下の［数４］のように表される。

【００２４】

【数４】 ［数４］より、潤滑性の高い媒質材料を用いてμの値を
小さくすれば、摩擦力Ｆｆを小さくできることがわかる
。

【００２５】静電モ−タ１の実効推力Ｆａは、吸引力Ｆ
ｈと可動子１１が移動する際に発生する摩擦力Ｆｆとの
差として求められる。すなわち、実行推力Ｆａは以下の
［数５］のように表される。

【００２６】

【数５】 したがって、ギャップ充填剤１６に誘電率が高く潤滑性
の高い固体、液体、或いはゲルなどを用いれば、実効推
力Ｆａを増加させることができる。

【００２７】図３は、ギャップ充填剤１６の比誘電率ε
ｇが変化した場合における静電容量Ｃ（ｘ）の、可動子
１１の変位量ｘに対する割合（以下の［数６］の値。以
下では［数６］を（静電容量）／（挿入量）と記す。）
を示している。

【００２８】

【数６】

【００２９】ここで、ギャップ充填剤１６の比誘電率ε
ｇの範囲は１から１２０００に設定されている。また、
電極の間口長さ、可動子１１の厚み、および、可動子１
１の比誘電率は、それぞれ、Ｗ＝２０［ｍｍ］、ｄ＝１
［ｍｍ］、および、εｒ＝１２０００に設定されている
。そして、ギャップ１４、１５の大きさがパラメ−タと
して用いられており、この大きさを１、５、および、１
０［μｍ］のそれぞれの値で一定とした場合の曲線が図
３に描かれている。

【００３０】［数１］に示すように、（静電容量）／（
挿入量）の値にＶ２／２を掛けた値が吸引力となる。 すなわち、電圧が一定なら発生推力は（静電容量）／（
挿入量）に正比例する。図３より、ギャップ充填剤１６
の比誘電率εｇを増加させていくと、εｇ＝１〜１００
０の範囲で急速に（静電容量）／（挿入量）は増加する
ことが分かる。

【００３１】図４には、εｇ＝１の場合と比較した（静
電容量）／（挿入量）の増加率、即ち吸引力の増加率が
示されている。図４から、適当な値の比誘電率を持つギ
ャップ充填剤１６を用いれば、吸引力は、ｇ＝１［μｍ
］の場合には約２０倍、ｇ＝５［μｍ］の場合には約１
００倍、そして、ｇ＝１０［μｍ］の場合には約１８０
倍に増加することが分かる。

【００３２】そして、例えば加工精度や組立精度が悪い
場合等はギャップ１４、１５が必要以上に大きくなるこ
とが考えられるが、ギャップ充填剤１６を用いれば、ギ
ャップ１４、１５の大きさが１０［μｍ］であっても、
ギャップ充填剤１６を用いずにギャップ１４、１５の大
きさを１［μｍ］とした場合と同程度の推力を発生させ
ることができる。

【００３３】図１に示された静電モ−タ１は、電極２、
３、可動子１１、および、ギャップ充填剤１６からなる
１つの基本素子１ａを有している。そして、静電モ−タ
１は、電極２、３に電圧を印加し、電極２、３の外側に
突出した可動子１１を、電源１０の電圧の二乗に比例し
た力で電極２、３の間に吸引する。そして、静電モ−タ
１は、可動子１１を電極２、３の外側から内側へ変位さ
せ、可動子１１を長手方向に沿って直線変位させる。

【００３４】そして、この静電モ−タ１においては、電
極２、３と可動子１１との間に真空の誘電率よりも高い
誘電率を持つギャップ充填剤１６が充填されており、電
極２、３と可動子１１との間がギャップ充填剤１６によ
って満たされているので、電極２、３間の静電容量を増
大させることができる。そして、可動子１１に働く吸引
力を高めることができ、静電モ−タ１の出力を大とする
ことが可能である。

【００３５】また、ギャップ１４、１５に液体であるギ
ャップ充填剤１６が充填されており、このギャップ充填
剤１６が電極２、３と可動子１１との間に介在している
ので、可動子１１が変位する際に電極２、３に直接摺動
することを防止できる。そして、ギャプ充填剤１６を用
いない場合に比べて、可動子１１と電極２、３との間の
摩擦力を大幅に低減することができる。

【００３６】さらに、電極２、３の電極面６、７と可動
子１１の側面１２、１３との平行度にばらつきがあって
も、充填剤１６によってこのばらつきを吸収することが
できる。つぎに、本発明の第２の実施例を図５に基づい
て説明する。なお、第１の実施例と同様の部分には同一
番号を示し、その説明は省略する。

【００３７】図５中の符号２１は静電モ−タである。こ
の静電モ−タ２１においては、電極支持体４、５の表面
に、真空の誘電率よりも高い誘電率を持つ絶縁性の物質
からなる絶縁性媒質としての絶縁層２２、２３が形成さ
れている。

【００３８】この絶縁層２２、２３は、潤滑性が高い固
体やゲル等からなるもので、電極支持体４、５の表面の
略全体に形成されるとともに、電極２、３を覆っている
。そして、絶縁層２２、２３は、電極２、２の電極面６
、７と可動子１１の側面１２、１３との間のギャップ１
４、１５の一部を埋めており、電極支持体４、５の間に
挿入された可動子１１の側面１２、１３に対向している
。そして、絶縁層２２は、ギャップ１４、１５の大きさ
を、電極面６、７と側面１２、１３との間隔よりも小と
している。

【００３９】ここで、絶縁層２２、２３を電極支持体４
、５に形成するために、電極支持体４、５の表面に絶縁
層２２、２３を接着することや、電極支持体４、５の表
面に絶縁層２２、２３に要求される条件を満たす物質を
コ−ティングすること等が考えられる。

【００４０】すなわち、上述のように潤滑性が高い固体
やゲル等からなる絶縁層２２、２３を備えた静電モ−タ
２１においては、電極２、３や可動子１１を絶縁性の液
体に浸すことなく、ギャップ１４、１５の大きさを極め
て小さな値に保つことができる。そして、電極２、３と
可動子１１との間に働く吸引力Ｆｈを高めること、およ
び、可動子１１と電極２、３との摩擦力Ｆｆを低減させ
ることができ、実効推力Ｆａを向上することが可能であ
る。そして、高出力な静電モ−タを実現することが可能
である。本発明の第３の実施例を図６に基づいて説明す
る。なお、第１および第２の実施例と同様の部分には同
一番号を示し、その説明は省略する。

【００４１】図６中の符号３１は静電モ−タである。こ
の静電モ−タ３１においては、二組の電極３２、３３、
３４、３５が設けられており、電極３２〜３５によって
２つのコンデンサが形成されている。これら電極３２〜
３５は電極支持体３６、３７に固定されており、矩形状
の電極面３８〜４１を略平行に向け合っている。

【００４２】また、両電極支持体３６、３７の間には可
動子４２が挿入されている。この可動子４２は、直方体
状に成形されており、その長手方向を電極支持体３６、
３７（および、電極３２〜３５）の長手方向および幅方
向に略一致させている。そして、可動子１１は、長手方
向の一部を電極支持体３６、３７の外側に突出させてい
る。また、可動子４２は誘電体４３、４４を部分的に有
しており、これら誘電体４３、４４を長手方向に沿って
並べている。

【００４３】ここで、上述の可動子４２と電極支持体３
６、３７（および、電極３２〜３５）とのそれぞれの長
手方向は、ｘ軸方向、即ち可動子４２の移動方向に一致
している。

【００４４】さらに、電極支持体３６、３７には真空の
誘電率よりも高い誘電率を持つ絶縁性の物質からなる絶
縁性媒質としての絶縁層４５、４６が形成されている。 この絶縁層４５、４６は、潤滑性が高い固体やゲル等か
らなるもので、電極支持体３６、３７の表面の略全体に
亘るとともに、電極３２〜３５を覆っている。そして、
２組の電極３２〜３５、２つの誘電体４３、４４、およ
び、絶縁層４５、４６により構成される２つの基本素子
３１ａ、３１ｂが形成されている。

【００４５】すなわち、上述のように二組の電極３２〜
３５と、誘電体４３、４４とを有する静電モ−タ３１に
おいては、２つの基本素子３１ａ、３１ｂが集積されて
おり、一組の電極を備えたものに比べて、吸引力Ｆｈお
よび実効推力Ｆａを高めることが可能である。そして、
可動子４２の誘電体４３、４４の間隔を、静電モ−タ３
１の出力を十分に大きな値とすることができるよう設定
することが望ましい。

【００４６】なお、本実施例では、電極３２〜３５と誘
電体４３、４４とによって構成される基本素子の数を２
つとしているが、本発明はこれに限定されるものではな
く、基本素子の数を３つ以上としてもよい。そして、基
本素子の数を３つ以上とすることにより、基本素子の集
積化が可能になる。本発明の第４の実施例を図７に基づ
いて説明する。なお、第１〜第３の実施例と同様の部分
には同一番号を示し、その説明は省略する。

【００４７】図７中の符号５１は静電モ−タである。こ
の静電モ−タ５１においては、二組の電極３２〜３５が
設けられるとともに、電極支持体３６、３７、電極３２
〜３５、および、可動子４２が液体であるギャップ充填
剤１６に浸されている。そして、電極３２〜３５の電極
面３８〜４１と可動子４２との間のギャップ５２〜５５
がギャップ充填剤１６によって満たされている。

【００４８】すなわち、２組の電極３２〜３５を備える
とともに、ギャップ５２〜５５をギャップ充填剤１６に
よって満たした静電モ−タ５１においては、第１の実施
例の静電モ−タ１が集積化されている。そして、第１の
実施例の静電モ−タ１に比べて、吸引力Ｆｈを高めるこ
とができるとともに、第３の実施例の静電モ−タ３１に
比べて摩擦Ｆｆを低減できる。そして、実効推力Ｆａの
高い静電モ−タを実現することが可能である。なお、本
発明は、要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが
可能である。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、互いに離
間して対向した１組もしくは複数組の電極と、少なくと
もその一部を誘電体により構成され、電極の間に挿入さ
れるとともに、各電極の電極面との間にギャップを介在
させ、各組の電極間での静電力の発生に伴って電極間に
吸引される可動子と、真空の誘電率よりも高い誘電率を
持ち、ギャップ中に配置されて各電極と可動子との間に
介在し、電極面を覆う絶縁性媒質とを具備したものであ
る。したがって本発明は、微小な大きさのギャップを容
易に確保できるとともに、固体間の摩擦力を低減でき、
静電モ−タの出力を向上できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す概略構成図。

【図２】本発明の基本原理を示す説明図。

【図３】ギャップ充填剤の比誘電率と（静電容量）／（
挿入量）との関係を示すグラフ。

【図４】ギャップ充填剤の比誘電率と増加率との関係を
示すグラフ。

【図５】本発明の第２の実施例を示す概略構成図。

【図６】本発明の第３の実施例を示す概略構成図。

【図７】本発明の第３の実施例を示す概略構成図。

【符号の説明】

１…静電モ−タ、２、３…電極、１１…可動子、１６…
ギャップ充填剤（絶縁性媒質）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　互いに離間して対向した１組もしくは
   複数組の電極と、少なくともその一部を誘電体により構
   成され、上記電極の間に挿入されるとともに、上記各電
   極の電極面との間にギャップを介在させ、上記各組の電
   極間での静電力の発生に伴って上記電極間に吸引される
   可動子と、真空の誘電率よりも高い誘電率を持ち、上記
   ギャップ中に配置されて上記各電極と上記可動子との間
   に介在し、上記電極面を覆う絶縁性媒質とを具備したこ
   とを特徴とする静電モ−タ。