JPH11136961A - 静電ウォブルモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転トルク及び保持トルクの大きな静電ウォ
ブルモータを提供する。 【解決手段】 静電力が作用する一方の電極であるステ
ータ電極をステータの上面に設けた円錐面の表面に配置
し、他方の電極であるロータ電極を備えたロータの下面
とステータ電極とが絶縁膜を介して常時線接触した状態
でロータが歳差運動するように構成した。この結果、前
記ロータ電極とステータ電極との線接触状態により両電
極間の距離が最小化され、静電的結合の実効面積が最大
化されると同時に滑り摩擦抵抗が増大し、前記課題が解
決される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子機器等で今後
利用が期待されている小型のアクチュエータとして使用
する静電ウォブルモータに関する。

【０００２】

【従来の技術】静電ウォブルモータは、ロータとステー
タとの間の静電引力を用いて回転するモータで、構造が
単純でありながら、減速機構を内蔵し、高回転トルクを
期待でき、かつ小型化に有利であることからマイクロア
クチュエータとして有望視されている。

【０００３】図４は、従来の平面型静電ウォブルモータ
の構造を示す断面図である。

【０００４】Ｌ．Ｐａｒａｔｔｅ，Ｈ．Ｌｏｒｅｎｚ，
Ｒ．Ｌｕｔｈｉｅｒ，Ｒ．Ｃｌａｖｅｌ ａｎｄ Ｎ．
Ｆ．ｄｅ Ｒｏｏｉｊ ”Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｇｅａ
ｒＲｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ Ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ
ａ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ
Ｗｏｂｂｌｅ Ｍｏｔｏｒ”，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＭｉｃ
ｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓ
ｔｅｍｓ，ｐｐ．１１９−１２３，１９９４．に開示さ
れている様に、従来の平面型静電ウォブルモータは、円
盤状のロータ電極１７とその中央に貫通する回転軸１９
とを有する円盤状のロータ２３と、基板１１と基板１１
の上面の中央に配置されたグランド電極１３とその周囲
に放射状に配置され円弧状に等分割された多数のステー
タ電極１５とを有するステータ２２と、前記ロータ電極
１７とステータ電極１５との電気的短絡を防止する手段
としての絶縁層２１とを備え、前記ステータ電極１５に
順次印加される電圧と、前記グランド電極１３および前
記回転軸１９を経由して前記ロータ電極１７に印加され
るグランド電圧との間に作用する静電力により、前記ロ
ータ２３が前記ステータ２２の上面でステータ電極１５
の駆動に同期して歳差運動するように構成されている。

【０００５】前記ロータ２３を構成するロータ電極１７
と回転軸１９とは接続部２６によって電気的に接続され
ている。また、この接続部２６は、回転方向には剛性を
持ち、ロータ電極１７の傾きに対して弾性を有する構造
になっている。

【０００６】すなわち、前記ロータ電極１７と前記ステ
ータ電極１５の各電極の間に電圧を順次印加すると、静
電力が発生し、ロータ電極１７はステータ電極１５の各
電極に順次引きつけられる。従って、電圧を印加するス
テータ電極１５を連続的にスイッチングすると、ロータ
２３は、架空の回転中心線２０を中心にステータ電極１
５上を公転しながら転がる。

【０００７】ロータ２３の外周の長さと、ステータ電極
１５上のロータ２３の公転する軌道の長さの差が、ロー
タ２３の自転を生む。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一般に、対向する二平
面間に作用する静電力Ｆは、「矢田、坂田、細谷：ウォ
ブルモータの開発、日本機械学会論文集（Ｃ編）、５８
巻５４９号（１９９２−５）、１６２８−１６３３」に
開示されている様に、誘電率をε、駆動電圧をＶ、電極
間距離（ロータとステータ間の距離）をｄ、電極面積を
Ａとすると、次式で表される。 Ｆ＝（１／２）×ε（Ｖ² ／ｄ² ）×Ａ

【０００９】駆動電圧Ｖを一定とすると、静電力Ｆを大
きくするには、電極間距離ｄをできるだけ小さくし、か
つ、電極面積Ａをできるだけ大きくすれば良いことが解
る。

【００１０】しかしながら、従来の静電ウォブルモータ
においては、平板状の基板の上面でコマのように歳差運
動する円盤状のロータ２３が、その外周部で基板の上面
に設けられたステータ電極１５と点接触するように構成
されている。従ってステータ電極１５とロータ電極１７
との静電的な結合面積の実効値は極めて小さく、その間
に作用する静電力も小さい。即ち、電極面積Ａを大きく
しても、電極間距離ｄが大きくなってしまい、電極面積
Ａは有効に働かず、静電引力が大きくならない。このた
めモータとしての回転トルクが小さく実用に至らないと
いう大きな課題がある。

【００１１】そこで本発明においては、静電ウォブルモ
ータにおける回転トルク及び保持トルクを増大させ、低
電圧駆動において回転トルクの大きな静電ウォブルモー
タを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における静電ウォブルモータは、ステータを
構成する基板の上面の一部に凸型の円錐面を設け、この
円錐面の表面にステータ電極を配置することにより、ロ
ータ電極の下面と前記ステータ電極とが絶縁層を介して
常時線接触した状態でロータが歳差運動するような構成
とした。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図１の平
面図、図２及び図３の断面図を用いて説明する。

【００１４】図１及び図２に示すように、本実施形態に
おける静電ウォブルモータは、従来技術におけるロータ
と同じ構成である円盤状のロータ電極１７とその中央に
貫通する回転軸１９とを備えた円盤状のロータ２３と、
基板と該基板の上面の中央に配置されたグランド電極１
３とその周囲に凸型の円錐面２７とこの円錐面２７の表
面に放射状に配置され円弧状に１２分割されたステータ
電極１５ａとを備えたステータ２２ａと、前記ロータ電
極２３とステータ電極１５ａとの電気的短絡を防止する
手段としての絶縁層２１とから構成されている。

【００１５】さらに、前記ステータ電極１５ａに順次印
加される電圧と、前記グランド電極１３および前記回転
軸１９を経由して前記ロータ電極１７に印加されるグラ
ンド電圧との間に作用する静電力により、前記ロータ電
極１７の下面と前記ステータ電極とが前記絶縁層を介し
て常時線接触した状態で前記ロータ２３が前記ステータ
２２ａの上面でステータ電極１５ａの駆動に同期して歳
差運動するように構成されている。

【００１６】すなわち、前記ロータ電極１７と前記ステ
ータ電極１５ａの各電極の間に電圧を順次印加すると、
静電力が発生し、ロータ電極１７はステータ電極１５ａ
の各電極に順次引きつけられる。この時、ステータ電極
１５ａが円錐面２７の表面に形成されているため前記ロ
ータ電極１７の下面と前記ステータ電極とが前記絶縁層
を介して線接触した状態となる。従って、電圧を印加す
るステータ電極１５ａを連続的にスイッチングすると、
ロータ２３は、架空の回転中心線２０ａを中心としてス
テータ電極１５上を歳差運動する。公転しながら転が
る。

【００１７】次にステータ２２ａの製造方法を説明す
る。基板１１はエポキシ樹脂を材料として射出成型法に
より製作するが、この時、基板１１の上面の一部に所定
の円錐面の底角を持つ凸型の円錐面２７を同時に形成す
る。更に、円錐面２７の表面に、所定のメタルマスクを
用いて、ＮｉとＡｕを真空蒸着法することにより、グラ
ンド電極１３とステータ電極１５ａを形成した。

【００１８】そして、ロータ電極１７は、厚さ０．１ｍ
ｍのＡｌ板をウェットエッチング法を用いて、エッチン
グすることで作成し、また、絶縁層２１は、ロータ電極
１７を硫酸水溶液中で陽極酸化することで形成した酸化
アルミ層を用いた。

【００１９】本実施形態において製作した静電ウォルブ
モータにおけるローター電極１７は、回転軸１９、グラ
ンド電極１３を通じて、電気的にグランド電極１３に接
続されている。また、放射状に１２分割したステータ電
極１５ａの個々の電極は順番に、プラスまたはマイナス
の電源に接続される。

【００２０】放射状に分割したステータ電極１５ａの個
々の電極に順番に電圧を印加し、ロータ電極１７と個々
のステータ電極１５ａとを静電力により順に引きつけロ
ータ２３を歳差運動させる。

【００２１】本実施形態においては、円錘面２７の表面
にステータ電極１５ａを設けることで、ロータ電極１７
とステータ電極１５ａとが絶縁層２１を介して、ほぼ線
接触するようになり、従来に比べて回転トルクが向上し
た。

【００２２】本実施形態において製作した静電ウォルブ
モータは、図３に示す円錘面２７の底角θを１０．４
゜、絶縁層２１の厚さを０．００５ｍｍ、電極長さＬを
１ｍｍ、ロータ２３とステータ電極１５ａとが、接触し
た時の絶縁層２１とステータ電極１５ａとの間にできる
隙間の平均距離が０．０１ｍｍであった。この結果、従
来に比べて、約６倍の静電引力が得られた。

【００２３】図２に示すように本発明の実施の形態によ
れば、ロータ電極１７とステータ電極１５ａとが絶縁層
２１を介して、線接触するように構成されているため、
ステータ電極１５ａをグランド電極１３ぎりぎりまで形
成することにより、ステータ電極１５ａの増える面積分
だけ更に静電力が大きくなる。

【００２４】ロータ電極１７とステータ電極１５ａの間
の静電力が大きくなった分、外部からの衝撃などに対す
る影響も少なくなり、安定した駆動が得られるようにな
った。

【００２５】本発明の実施の形態では、絶縁層２１は、
ロータ電極１７の表面に形成した構造を用いて説明した
が、ロータ電極１７の表面またはステータ電極１５ａの
表面のいずれ一方に形成してあれば良い。

【００２６】また、本発明の実施の形態では、円錘面２
７の表面にステータ電極１５ａを設けた構造を例に挙げ
て説明したが、円錘面２７を設けずにステータ電極１５
ａ自身を凸型の円錘面に形成しても良い。

【００２７】

【発明の効果】本発明のによれば、円錘面の表面にステ
ータ電極を設けることで、ロータ電極とステータ電極が
絶縁層を介してほぼ線接触するようになり、かつステー
タ電極を、グランド電極ぎりぎりまで形成する事ができ
るため、静電力に起因する電極面積を大きくし、かつ、
ロータ電極及びステータ電極の距離を小さくできるた
め、回転トルクと保持トルクの大幅増大が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における静電ウォブルモー
タの構造を示す平面図。

【図２】本発明の実施の形態における静電ウォブルモー
タの構造を示す断面図。

【図３】本発明の実施の形態における静電ウォブルモー
タのステータ構造を示す断面図。

【図４】従来の静電ウォブルモータの構造を示す断面
図。

【符号の説明】

θ 円錘面の底角 １１ 基板 １３ グランド電極 １５、１５ａ ステータ電極 １７ ロータ電極 １９ 回転軸 ２０、２０ａ 仮想回転中心線 ２１ 絶縁層 ２２、２２ａ ステータ ２３ ロータ ２６ 接続部 ２７ 円錐面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 重之 埼玉県所沢市大字下富字武野840番地 シ チズン時計株式会社技術研究所内 (72)発明者 鈴木 一男 埼玉県所沢市大字下富字武野840番地 シ チズン時計株式会社技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円盤状のロータ電極とその中央に貫通す
   る回転軸とを備えた円盤状のロータと、中央に配置され
   たグランド電極とその周囲に放射状に配置され円弧状に
   等分割された多数のステータ電極とをその上面に備えた
   基板からなるステータと、前記ロータ電極とステータ電
   極との電気的短絡を防止する手段としての絶縁層とから
   なり、前記ステータ電極に順次印加される電圧と、前記
   グランド電極および前記回転軸を経由して前記ロータ電
   極に印加されるグランド電圧との間に作用する静電力に
   より、前記ロータが前記ステータの上面でステータ電極
   の駆動に同期して歳差運動するように構成されている静
   電ウォブルモータにおいて、 前記基板の上面の一部に凸型の円錐面を設け、この円錐
   面の表面に前記ステータ電極を配置することにより、前
   記ロータの下面と前記ステータ電極とが前記絶縁層を介
   して常時線接触した状態で前記ロータが歳差運動するよ
   うに構成されていることを特徴とする静電ウォブルモー
   タ。