JPH11196583A - 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ロー
タ電極を挟んで他方の電極である上下一対のステータ電
極を対向するように配置し、ロータ電極が上部及び下部
ステータ電極に同時に接触するように構成した。この結
果、静電的結合の実効面積が大きくなり前記課題が解決
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 ＳｉｌｉｃｏｎＥｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｗ
ｏｂｂｌｅ Ｍｏｔｏｒ”，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＭｉｃｒ
ｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔ
ｅｍｓ，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１
７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の各電極と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
１５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が小さく、その間に作用
する静電力も小さい。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問題があった。

【００１１】そこで本発明は、上記問題点に着目してな
されたものであって、所定の駆動電圧で得られる回転ト
ルクと保持トルクとを増大させ、耐震性に優れた構造お
よび駆動方法により、耐久性および駆動の信頼性に優れ
る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、本発明のうち請求項１記載の発明に係わる静電ウォ
ブルモータは、表面に絶縁層を積層した円盤状のロータ
電極とその中央に貫通する回転軸とを有するロータと、
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
電極をその片面に有する基板からなり前記ロータを挟ん
で対向配置される上下一対のステータとを備え、前記一
対のステータのそれぞれのステータ電極に順次印加され
る駆動電位と、前記一対のステータの少なくとも一方の
中央部に配置されたグランド電極と前記回転軸とを経由
して前記ロータ電極に印加されるグランド電位との間に
作用する静電引力により、前記ロータが前記一対のステ
ータの両方に接触しながら前記ステータ電極の駆動に同
期して歳差運動をするように構成されていることを特徴
とする。

【００１３】また、請求項２記載の発明に係わる静電ウ
ォブルモータは、請求項１記載の静電ウォブルモータに
おいて、前記一対のステータのそれぞれのステータ電極
に順次印加される駆動電位が、グランド電位を中間とし
て相互に逆極性であることを特徴とする。

【００１４】また、請求項３記載の発明に係わる静電ウ
ォブルモータは、請求項１記載の静電ウォブルモータに
おいて、前記一対のステータのそれぞれのステータ電極
に順次印加される駆動電位が、グランド電位に対して同
一の極性を有することを特徴とする。

【００１５】また、請求項４記載の発明に係わる静電ウ
ォブルモータは、表面に絶縁層を積層した円盤状のロー
タ電極とその中央に貫通する回転軸とを有するロータ
と、放射状に配置され円弧状に等分割された多数のステ
ータ電極をその片面に有する基板からなり前記ロータを
挟んで対向配置される上下一対のステータとを備え、前
記一対のステータのそれぞれのステータ電極に順次印加
される相互に異なる駆動電位と、この相互に異なる駆動
電位により前記ロータ電極に誘起される浮遊電位との間
に作用する静電引力により、前記ロータが前記一対のス
テータの両方に接触しながら前記ステータ電極の駆動に
同期して歳差運動をするように構成されていることを特
徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下図面を
用いて本発明の第１の実施の形態を説明する。図２は、
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
を示す断面図である。

【００１７】図２に示すように、第１の実施の形態にお
ける静電ウォブルモータは、円盤状のロータ電極１７
と、ロータ電極１７の表面を覆うように形成された絶縁
層２１ａ、２１ｂと、ロータ電極１７の中心に接続部２
６を介して設置した回転軸１９とからなるロータ２３ａ
と、一方の基板１１ａと、基板１１ａの中心に配置され
たグランド電極１３ａと、その周囲に放射状に配置され
１２分割されたステータ電極１５ａとを有する下部のス
テータ２２ａと、他方の基板１１ｂと基板１１ｂの中心
に配置されたグランド電極１３ｂと、その周囲に放射状
に配置され１２分割されたステータ電極１５ｂとを有す
る上部のステータ２２ｂとを備えている。前記２つのス
テータ２２ａ、２２ｂは前記ロータ１７を挟む形でステ
ータ電極１５ａ、１５ｂが対向するように配置されてい
る。

【００１８】更に、上部のステータ電極１５ｂと下部の
ステータ電極１５ａに順次印加する駆動電位と、前記グ
ランド電極１３ａ、１３ｂおよび回転軸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位との間に
作用する静電引力により、ロータ電極１７が絶縁層２１
ａ、２１ｂを介して上部のステータ電極１５ｂと下部の
ステータ電極１５ａとが同時に接触し前記ロータ２３ａ
がステータ電極１５ａ、１５ｂの駆動に同期して歳差運
動するように構成されている。

【００１９】次に製造方法について説明する。ロータ電
極１７は、中心部の接続部２６と一括して、厚さ０．０
７ｍｍのアルミニウム板をフォトリソ・エッチング工程
で作成し、ロータ電極１７の表面を覆う絶縁層２１ａ、
２１ｂは、陽極酸化により形成した酸化アルミ層を用い
た。また、上記のように作成したロータ電極１７と接続
部２６に回転軸１９を固定し一体のロータ１５とした。

【００２０】ステータ２２ａ及び２２ｂは、両面に銅メ
ッキを施したガラスエポキシ基板を用い、フォトリソ・
エッチング工程で片面に放射状に１２分割したステータ
電極１５ａ、及び１５ｂとグランド電極１３ａ、１３ｂ
を作成した。

【００２１】また図示はしないが、ステータ２２ａ及び
２２ｂはステータ電極１５ａ及び１５ｂを作成した反対
側の面に、各ステータ電極１５ａ及び１５ｂと外部の駆
動回路と接続するための引き出し電極を形成しそれぞれ
スルホールを介して電気的に接続して用いた。また、回
転軸１９は、ステータに設ける軸受け（図示せず）によ
って支えられている。

【００２２】第１の実施の形態においては、前記ロータ
２３ａを挟む形でステータ電極１５ａ、１５ｂが対向す
るように配置されている。この状態で位置的に１８０度
ずれた上部及び下部ステータ電極１５ａ、１５ｂに同時
に、グランド電位に対して同一の電位を印加すると、ロ
ータ電極１７が絶縁層２１ａ、２１ｂを介して上部及び
下部ステータ電極１５ａ、１５ｂに同時に接触する。言
い換えると位置的に１８０度ずれた上部及び下部ステー
タ電極１５ａ、１５ｂに絶縁層２１ａ、２１ｂを介して
前記ロータ２３ａが接触するように構成されている。

【００２３】従って、前記ロータ電極１７と前記上部及
び下部ステータの各電極の間に電圧を順次印加すると、
静電引力が発生し、ロータ電極１７は上部及び下部ステ
ータの各電極に順次引きつけられる。従って、電圧を印
加する上部及び下部ステータ電極を連続的にスイッチン
グすると、ロータ２３ａは、架空の回転中心線２０を中
心にステータ電極上を公転しながら転がる。すなわち、
ステータ電極１５ａ、１５ｂの駆動に同期してロータ２
３ａが歳差運動する。

【００２４】以上のように第１の実施形態における静電
ウォブルモータは、ロータ電極１７が上部及び下部ステ
ータ電極１５ａ、１５ｂに同時に接触するように構成す
ることによって、静電的結合の実効面積が大きくなり従
来に比べて約２倍の静電引力を得ることが出来た。この
結果、回転トルクも増大し、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】また、第１の実施の形態では、位置的に１
８０度ずれた上部及び下部ステータ電極１５ａ、１５ｂ
に同時に、グランド電位に対して同一の電位を印加する
駆動方法を用いて説明したが、グランド電位を中間とし
て相互に逆極性の電位を印加しても、同様に静電引力が
発生し、ステータ電極１５ａ、１５ｂの駆動に同期して
ロータ２３ａが歳差運動する。

【００２６】このグランド電位を中間として相互に逆極
性の電位を印加する駆動方法の場合、仮にグランド電極
１３ａと回転軸１９の電気的接続が不十分で、絶縁層２
１ａ及び絶縁層２１ｂが帯電したとしても、絶縁層２１
ａに帯電した電荷と絶縁層２１ｂに帯電した電荷とが相
殺し、結果として絶縁層２１ａ及び絶縁層２１ｂは帯電
しなくなる。

【００２７】第１の実施の形態では、絶縁層２１ａ、２
１ｂ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の表面のいずれか一方に形成してあれば良い。ま
た、グランド電極１３ａ、１３ｂは、いずれか一方のス
テータに設けるだけでも良いが、一対のステータの両方
に設けると回転軸とグランド電極の摺動接触がより確実
となる。

【００２８】（第２の実施の形態）以下図面を用いて本
発明の第２の実施の形態を説明する。図１は、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
面図である。本実施形態における静電ウォブルモータの
構造は、ステータの基板上にグランド電極を設けない点
で第１の実施形態と異なっている。

【００２９】図１に示すように、第２の実施の形態にお
ける静電ウォブルモータは、円盤状のロータ電極１７
と、ロータ電極１７の表面を覆うように形成された絶縁
層２１ａ、２１ｂと、ロータ電極１７の中心に接続部２
６を介して設置した回転軸１９とからなるロータ２３ａ
と、一方の基板１１ａと、放射状に配置され１２分割さ
れたステータ電極１５ａとを有する下部のステータ２２
ｃと、他方の基板１１ｂと基板１１ｂに放射状に配置さ
れ１２分割されたステータ電極１５ｂとを有する上部の
ステータ２２ｄとを備えている。前記２つのステータ２
２ｃ、２２ｄは前記ロータ１７を挟む形でステータ電極
１５ａ、１５ｂが対向するように配置されている。

【００３０】この時、位置的に１８０度ずれた上部及び
下部ステータ電極１５ａ、１５ｂに同時に、グランド電
位を中間として相互に逆極性の電位を印加することで駆
動を行う。

【００３１】この駆動の原理について以下に示す。図３
に、第２の実施の形態における概念的な回路図を示す。

【００３２】図１に示すように第２の実施形態における
静電ウォブルモータは、ロータ電極１７に同時に２つの
ステータ電極１５ａ、１５ｂが作用する構造のため、図
３に示すように、電気回路的には上部のステータ電極１
５ａとロータ電極１７及びロータ電極１７と下部のステ
ータ電極１５ｂで作られる２つのコンデンサー３１ａ、
３１ｂが直列接続された回路となり、２つのコンデンサ
３１ａ、３１ｂは１つの合成コンデンサとして取り扱え
る。

【００３３】この状態で位置的に１８０度ずれた上部及
び下部ステータ電極１５ａ、１５ｂに同時に、グランド
電位を中間として相互に逆極性の電位を印加すると、ロ
ータ電極１１を電気的に接続しなくとも、上部及び下部
のステータ電極１５ａ、１５ｂに駆動電圧を印加するこ
とにより、ロータ電極１７と上部ステータ電極１５ａ及
びロータ電極１７と下部のステータ電極１５ｂに静電引
力が発生する。

【００３４】従って、前記ロータ電極１７と前記上部及
び下部ステータ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は上部及び下部ステー
タの各電極に順次引きつけられる。従って、電圧を印加
する上部及び下部ステータ電極を連続的にスイッチング
すると、ロータ２３ａは、架空の回転中心線２０を中心
にステータ電極上を公転しながら転がり、ステータ電極
１５ａ、１５ｂの駆動に同期してロータ２３ａが歳差運
動する。

【００３５】上記の構造及び駆動方法を用いることによ
り、ロータ電極１１が電気的に接続されていなくとも安
定してロータ１５を回転することが出来た。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、ロータ電極とステータ
電極との静電的結合の実効面積が大きくなり発生する静
電引力が増大する。その結果、従来に比べて回転トルク
及び保持トルクの大きな静電ウォブルモータを実現する
ことができる。

【００３７】ロータを浮遊電位にしても駆動できるた
め、グランド電極と回転軸との摺動接触の問題が排除で
き、この結果耐震性、耐久性が向上し、かつ駆動の安定
性を向上させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第２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２】本発明の第１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】本発明の第２の実施の形態における概念的な回
路図である。

【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】

１１、１１ａ、１１ｂ 基板 １３、１３ａ、１３ｂ グランド電極 １５、１５ａ、１５ｂ ステータ電極 １７ ロータ電極 １９ 回転軸 ２０ 仮想回転中心線 ２１ ２１ａ、２１ｂ 絶縁層 ２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ ステータ ２３、２３ａ ロータ ２６ 接続部 ３１ａ、３１ｂ コンデンサ

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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に絶縁層を積層した円盤状のロータ
   電極とその中央に貫通する回転軸とを有するロータと、
   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
   電極をその片面に有する基板からなり前記ロータを挟ん
   で対向配置される上下一対のステータとを備え、 前記一対のステータのそれぞれのステータ電極に順次印
   加される駆動電位と、前記一対のステータの少なくとも
   一方の中央部に配置されたグランド電極と前記回転軸と
   を経由して前記ロータ電極に印加されるグランド電位と
   の間に作用する静電引力により、前記ロータが前記一対
   のステータの両方に接触しながら前記ステータ電極の駆
   動に同期して歳差運動を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。
2. 【請求項２】 一対のステータのそれぞれのステータ電
   極に順次印加される駆動電位が、グランド電位を中間と
   して相互に逆極性であることを特徴とする請求項１に記
   載の静電ウォブルモータ。
3. 【請求項３】 一対のステータのそれぞれのステータ電
   極に順次印加される駆動電位が、グランド電位に対して
   同一の極性を有することを特徴とする請求項１に記載の
   静電ウォブルモータ。
4. 【請求項４】 表面に絶縁層を積層した円盤状のロータ
   電極とその中央に貫通する回転軸とを有するロータと、
   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
   電極をその片面に有する基板からなり前記ロータを挟ん
   で対向配置される上下一対のステータとを備え、 前記一対のステータのそれぞれのステータ電極に順次印
   加される相互に異なる駆動電位と、この相互に異なる駆
   動電位により前記ロータ電極に誘起される浮遊電位との
   間に作用する静電引力により、前記ロータが前記一対の
   ステータの両方に接触しながら前記ステータ電極の駆動
   に同期して歳差運動を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。