JPH10144973A - 静電リニアモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 誘電体層にかけられた電場が非リニア分極性
の静電モータを作り出すこと。 【解決手段】 金属層４と誘電体層５とからなる容量構
造の平らな固定子１、および固定子１と平行に可動の滑
動子２を包含し固定子１の誘電体層５上に旋回接触して
配置してある導体薄膜製の突出する弾性変形可能の足を
備えているリニアモータにおいて、電圧パルス供給源で
ある電源９によりかけられた電場について非リニア分極
性の誘電体層５であって、望ましくは誘電率の値の高い
強誘電体膜からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に、振動および
衝撃が検証される条件、例えば自動車の分野において機
械装置および類似のものの駆動のためのミクロ電子技術
の適用において、アクチュエータとしての使用に適した
低出力および小型の静電モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】上記の適用においては、電気機械エネル
ギ変換が逆圧電効果に基づいた、圧電型静電モータアク
チュエータが提案された。この種のモータは、製作費が
比較的高く、信頼性が低いこと、かなり高い供給電圧が
必要であること、そして効率が十分高くないことなどさ
まざまな不都合がある。従って、この種の圧電モータの
使用は一般に、冒頭に挙げた用途、特に自動車内のもの
には不適用である。

【０００３】また、金属層と誘電体層とから形成された
容量構造の平らな固定子、およびその固定子と平行な、
固定子から距離をおいた滑動子を包含し、固定子の誘電
体層と接触して配置された、突出する弾性変形可能の足
を規定する導体薄膜製手段および静電効果により、該足
を弾性変形させ、かつ固定子と平行の方向にそって滑動
子移動の押圧力を生じさせるように、該足と固定子の該
金属層との間に電場をかけるための電圧パルス供給手段
を備えている往復リニア型の静電モータも公知である。

【０００４】この型の静電モータアクチュエータでは、
多数の足（または「花弁」あるいは「眉毛」）の使用が
最速の静電捕獲効果を得ることを可能にし、これが最高
の作業信頼性を保証し、実地において振動、固定子平ら
面性の欠陥、偶発的な粉塵の存在などの影響を受けな
い。この種の理由から、これらのモータは自動車内に装
備されたミクロ電子システムに適用するのに適している
と見なされる。

【０００５】これらのモータの機能の基礎となる電気機
械エネルギ変換の特殊な特性は、固定子にそった滑動子
の足の旋回作動の際に、足−誘電体層界面に対応して極
めて高い１００−１５０ｋｇ／ｃｍ²のオーダの圧力と
等価の力のエネルギが集中し、結果として滑動子が固定
子に対してリニアに移動する力は、１０Ｎまでの値に達
する。このエネルギ変換の効率は圧電モータの典型的な
ものよりかなり高く９０％のオーダ値に達する。

【０００６】しかし上記の型の静電モータには下記に要
約されるいくつかの不都合がある。 ・比較的高い供給電圧（通常２００−３００Ｖ以上） ・高い供給電圧、および電界強度と誘電体層の分極との
間の線形依存性に起因する部分放電 ・誘電体層内の集中放電（このことが極性の異なる電流
の使用を必要とする） ・リニア分極性誘電体の低い誘電率に起因する十分には
高くないエネルギ集中

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の問題点を排除した静電モータを作り出すことである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、上記に
定義した型の静電リニアモータが、誘電体層がかけられ
た電界について非リニア分極性であることを特徴とする
ことにより達成される。

【０００９】望ましくはこの種の誘電体層は熱電気性物
質の膜、より適切にはニオブ酸バリウムストロンチウム
膜からなる。

【００１０】以下に本発明を、もっぱら非限定的な例と
して示してある添付図面を参照しながら詳しく記述す
る。

【００１１】図１および図２によると、本発明による静
電リニアモータの基本構造は、定置の要素すなわち固定
子１、および可動の要素すなわち滑動子２を包含する。

【００１２】固定子１は絶縁材料製基板３、金属層４、
およびその上にのせてある平らな誘電体層５を包含す
る。

【００１３】滑動子２は、下面に固定子１と滑動接触す
る支持要素７と、固定子１の方へ突出する導体薄膜製要
素からなる弾性変形可能の足８（それらのうち１個のみ
が図示してある）とを備えた絶縁材料製支持板６を包含
する。足８は、末変形の休止状態において断面が、図１
に示したとおり実質上曲率半径の大きい変曲点のあるＳ
字形である。この種の足８は、一端で滑動子２の絶縁材
料製支持板６に固定してあり、他端で固定子１の誘電体
層５上に接触配置してある。これらの末端はまた何らか
の在来のシステムを用いて誘電体層５に固定しておくこ
ともできる。

【００１４】金属層４および足８は、図１に図解的に示
してある方法で電圧パルス供給源である電源９と電気的
に接続されている。作動中には、一方の固定子１の金属
層４と、他方の滑動子２の足８とにより規定される電極
の間に、電源９によりかけられる電場が、静電効果によ
って、図１の末変形の状態から図２の弾性変形した状態
（Ｓ字形の変曲点の曲率半径が小さくなっている）ヘの
これらの足８の形状変化および結果としての足８の対応
の部分の誘電体層５にそった旋回を引き起こす。従っ
て、滑動子が固定子１と平行に、図１および図２におい
て左へあらかじめ定められた幅の１ステッブだけ移動さ
せられる。

【００１５】本発明の基本的および特徴的な面による
と、固定子１の誘電体層５は、かけられた電場Ｅｉにつ
いて非リニア分極性Ｐである。実地においては、誘電体
層５は望ましくは誘電率εの値が高い強誘電体の、好ま
しくはニオブ酸バリウムストロンチウムの膜からなる。
こうした膜の分極の飽和は電界強度Ｅ_i＝Ｅ_io＝（１．
５−２）×１０⁶（Ｖ／ｍ）に対応して検証され、分極
ＰはＰ_o＝（３−２０）×１０^-2（Ｃ／ｍ²）に等しい
（図２）。

【００１６】こうした誘電体層５を用いる本発明による
モ−タの足８の静電旋回法は下記の式によって与えられ
る。 ε_oＥ_i＋Ｐ（Ｅ_i）＝ε_oＥ_e＋σ Ｅ_iｄ_i＋Ｅ_eｄ_e＝Ｕ_m 但し、 Ｕ_m：電圧パルスの振幅 Ｅ_i、Ｅ_e：強誘電体膜および作業間隙の電場強度 σ：強誘電体膜表面上の分極した電荷の密度 Ｐ（Ｅ_i）：電場に対する強誘電体膜の分極の依存性 ε_o＝８．８５×１０^-12（Ｆ／ｍ）

【００１７】上記の本発明による静電モータの構造を用
いると、電荷は実質上完全に足８の既に完了した旋回の
域内に集中している（ｄ_e≒０）。すなわち、 Ｑ＝Ｓε_oＥ_e≒Ｓ［Ｐ（Ｕ／ｄ_i）−σ］ 高い値の分極ではε_oＥ_i≪Ｐ（Ｕ／ｄ_i）だからであ
る。

【００１８】上記の関係式に基づいて、例えばσ＝０に
ついて、本発明による静電モ−タの電気機械エネルギ変
換に関するグラフを描くことができる。この種のグラフ
が図４に示してあり、同図では破線がリニア分極の誘電
体の場合を示し、面積ＯＡＢＣは作業サイクル中に電源
９によりモ−タヘ供給された電気エネルギの積分（電圧
パルスの存在）を示し、面積ＯＡＢは足８の静電旋回実
施中の電気エネルギの積分を示し、面積ＯＢＣはＳ＝Ｓ
４（静電旋回の完了）についての容量構造内に蓄えられ
た電気エネルギを示す。但し、Ｓ₁＝０、Ｓ₁＜Ｓ₂＜Ｓ₃
＜Ｓ₄。

【００１９】図４のグラフから、強誘電体製の誘電体層
５の高い非リニア性Ｐ（Ｅ_i）および誘電体層５上の足
８の密な付着（ｄ_e＝０）があるので本発明によるモー
タの１サイクル中に機械的仕事実施のため消費される電
気エネルギと電源９の消費する全エネルギとの比率が極
めて高い。この比率はリニア分極性誘電体上で静電旋回
するモータの場合に比べても、逆圧電効果式モータの場
合に比べてもかなり高い。このことを下表に要約してあ
る。

【００２０】

【表１】

【００２１】静電旋回のエネルギ変換の効率は旋回の単
位面積あたりの静電旋回の比（specific）仕事を特徴と
する。リニア分極性誘電体の場合はこの比仕事が関係式 α＝Ｃ_oＵ²／２ により定義される。式中Ｃ_o＝εε_o／ｄ_i＝比容量であ
る。

【００２２】図４のグラフから、強誘電体膜からなる誘
電体上の静電旋回の場合この仕事が関係式α≒Ｐ_oＵに
より表され、その場合Ｐ_o＞εＥ_emaxであり、Ｅ_emaxは
電場の強度でありそれに対応してかなりのトンネル電流
（Ｅ_emax≒２×１０⁹（Ｖ／ｍ））が生じ、強誘電体膜
の部分的分極が検証されるがＰ_oは先行の式中のＰ_o−σ
により置換されなくてはならないことになろう。

【００２３】図５は、強誘電体膜上の静電旋回の場合
（分極に関しては曲線１はＰ_o＝３×１０^-2（Ｃ／ｍ²）
に相当し曲線ｌ’はＰ_o＝２０×１０^-2（Ｃ／ｍ²）に相
当しＥ_io＝１．５×１０⁶（Ｖ／ｍ）、リニア分極性誘
電体上の静電旋回の場合（曲線２はｄ_e／σ＝１０^-7ｍ
である場合に相当し曲線３は厚さ３−４μｍのポリエチ
レンテレフタラト膜の場合に相当する）の電圧に依存し
た静電旋回の比仕事の経過を示す。Ｐ_o＝１．８×１０
^-2（Ｃ／ｍ²）についての強誘電体膜上の静電旋回の場
合の比仕事を破線で示してある。

【００２４】とにかく図５には作業サイクル中の厚さ１
ｍｍのセラミック圧電素子の比機械仕事が斜線の施され
た域４により表してある。

【００２５】図５のグラフから見て取れるとおり、静電
旋回の比仕事は強誘電体膜上の旋回の場合の方がリニア
分極性誘電体層上の旋回の場合に比べて本質的に大き
い。この仕事は在来の逆圧電効果式モータのものに比べ
ても大きい。強誘電体膜上の静電旋回の場合の比仕事の
比較的高い値が１０−３０Ｖのオーダーの比較的低い電
圧を用いて取得できることは特に重要である。

【００２６】上記のことから、旋回の誘電体層として強
誘電体膜を用いる本発明によるリニアモータアクチュエ
ータの高い効率はこの種の材料の分極の非リニア性に由
来する。

【００２７】もちろん構造の細部および実施形式は、そ
うすることによって特許請求の範囲に定義したとおりの
本発明の枠から離れることなしに、明細書に記載し図面
に示したものから幅広く変動させることができる。

【００２８】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、より高
い効率およびより高い信頼性を保証するよう、誘電体層
にかけられた電場が非リニア分極性の静電モータが実現
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は不活性化した状態における本発明による
静電リニアモータの基本的構造を示す部分縦断面図であ
る。

【図２】図２は活性化した状態のモータを示す図１と同
様の図である。

【図３】図３はかけられた電場の強度についての本発明
によるモータの誘電体の分極の経過を示すグラフであ
る。

【図４】図４は本発明による静電モータの電気機械エネ
ルギ変換の経過を示すグラフである。

【図５】図５はかけられた電圧または電位に対する比機
械的仕事の経過を示す比較のためのグラフである。

【符号の説明】

１ 固定子 ２ 滑動子 ３ 絶縁材料製基板 ４ 金属層 ５ 誘電体層 ６ 絶縁材料製支持板 ７ 支持要素 ８ 足 ９ 電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴィンチェスラオ・ディアトロヴ イタリア国 トリノ，オルバッサノ 10043，ストラーダ・トリノ 50 シー・ オー チ．エルレ．エッフェ．・ソチェ タ・コンソールティレ・ペル・アツィオニ (72)発明者 ピエーロ・ペルロ イタリア国 トリノ，オルバッサノ 10043，ストラーダ・トリノ 50 シー・ オー チ．エルレ．エッフェ．・ソチェ タ・コンソールティレ・ペル・アツィオニ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属層（４）と誘電体層（５）とから形
   成された容量構造の平な固定子（１）および前記固定子
   （１）と平行であり、前記固定子（１）から距離をおい
   た滑動子（２）を包含し、前記固定子（１）の前記誘電
   体層（５）に接触して配置された突出する弾性変形可能
   の足８を規定する導体薄膜製の手段および前記足（８）
   を静電効果により弾性変形させかつ前記固定子（１）に
   平行の方向にそって前記滑動子（２）移動の抑圧力を生
   じさせるように前記足（８）と前記固定子（１）の前記
   金属層（４）との間に電場をかけるための電圧パルス供
   給手段を備えている静電リニアモータにおいて、 前記誘電体層（５）は、かけられた前記電場（Ｅ）につ
   いて非リ二ア分極牲であることを特徴とする静電モー
   タ。
2. 【請求項２】 前記誘電体層（５）は静電誘電率の高い
   強誘電体膜からなることを特徴とする請求項１記載の静
   電モータ。
3. 【請求項３】 前記誘電体層（５）はニオブ酸バリウム
   ストロンチウムの膜からなることを特徴とする請求項２
   記載の静電モータ。
4. 【請求項４】 前記足（８）は断面において実質上Ｓ字
   形であることを特徴とする請求項１記載の静電モータ。
5. 【請求項５】 電場において誘電体層（５）の表面上で
   弾性導体薄膜（８）の静電旋回を実施することに存する
   電気機械エネルギ変換方法において、 前記静電旋回は、前記弾性導体膜（８）と前記誘電体層
   （５）の表面との接近に伴って非リニア電場が増大する
   条件下て実施されることを特徴とする方法。
6. 【請求項６】 前記誘電体層（５）の前記表面は、かけ
   られた前記電場（Ｅ）について非リニア分極性（Ｐ）で
   あることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 【請求項７】 前記誘電体層（５）の前記表面は強誘電
   体の膜からなることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 【請求項８】 前記強誘電体の膜はニオブ酸バリウムス
   トロンチウムの膜であることを特徴とする請求項７記載
   の方法。