(57)【要約】【課題】弾性体を用いて固定子及び可動子の少なくとも何れか一方を作製した場合でも、固定子と可動子との接触や貼り付きを抑えることのできる静電電動機を提供する。【解決手段】３相で構成された電極が所定のピッチで配置されたステータ１２０と、ステータに対向して設けられ、且つ単極に帯電された電極が所定のピッチで配置されたロータ１３０と、ステータの各相の電極に加える所定の電圧パターンを順次切り替えてロータを駆動するスイッチング部１０２と、を備え、ステータ及びロータの少なくとも一方が弾性体で構成される静電モータ１０１であって、ロータの駆動時に、所定の電圧パターンとは別に、ロータの電極の少なくとも２ピッチ以上の距離を移動するごとにステータの全ての電極に、ロータの電極と同極性の電圧を加えるようにスイッチング部１０２を制御する制御部１０３を有する。【選択図】図９
2016046837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の相で構成された電極が所定のピッチで配置された固定子と、
前記固定子に対向して設けられ、且つ単極に帯電された電極が所定のピッチで配置された可動子と、
前記固定子の前記各相の電極に加える所定の電圧パターンを順次切り替えて前記可動子を駆動する電圧切替駆動手段と、
を備え、前記固定子及び前記可動子の少なくとも一方が弾性体で構成される静電電動機であって、
前記可動子の駆動時に、前記所定の電圧パターンとは別に、前記可動子の電極の少なくとも２ピッチ以上の距離を移動するごとに前記固定子の全ての電極に、前記可動子の電極と同極性の電圧を加えるように前記電圧切替駆動手段を制御する制御手段を有する静電電動機。
【請求項２】
前記可動子の移動量としての回転量を検出する回転量検出手段を有し、
前記回転量検出手段により検出された前記回転量の一定量ごとに、前記同極性電圧を加える印加間隔が５０°以下に設定されていることを特徴とする請求項１記載の静電電動機。
【請求項３】
前記印加間隔は、３５〜４５°に設定されていることを特徴とする請求項２記載の静電電動機。
【請求項４】
前記同極性電圧を加える印加時間は、０．５〜５μｓであることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１つに記載の静電電動機。
【請求項５】
前記所定の電圧パターンが、矩形波の３相交流電圧であることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１つに記載の静電電動機。
【請求項６】
前記矩形波のデューティ比が、３３％であることを特徴とする請求項５記載の静電電動機。
【請求項７】
前記固定子が、弾性体で構成されることを特徴とする請求項１ないし６の何れか１つに記載の静電電動機。
【請求項８】
前記可動子の電極が、エレクトレットであることを特徴とする請求項１ないし７の何れか１つに記載の静電電動機。
【請求項９】
複数の相で構成された電極が所定のピッチで配置された固定子と、
前記固定子に対向して設けられ、且つ単極に帯電された電極が所定のピッチで配置された可動子と、
前記固定子の前記各相の電極に加える所定の電圧パターンを順次切り替えて前記可動子を駆動する電圧切替駆動手段と、
を備え、前記固定子及び前記可動子の少なくとも一方が弾性体で構成される静電電動機を制御する制御装置であって、
前記可動子の駆動時に、前記所定の電圧パターンとは別に、前記可動子の電極の少なくとも２ピッチ以上の距離を移動するごとに前記固定子の全ての電極に、前記可動子の電極と同極性の電圧を加えるように前記電圧切替駆動手段を制御する制御手段を有する制御装置。
【請求項１０】
前記可動子の移動量としての回転量を検出する回転量検出手段を有し、
前記回転量検出手段により検出された前記回転量の一定量ごとに、前記同極性電圧を加える印加間隔が、５０°以下に設定されていることを特徴とする請求項９記載の制御装置。
【請求項１１】
前記印加間隔が、３５〜４５°に設定されていることを特徴とする請求項１０記載の制御装置。
【請求項１２】
前記同極性電圧を加える印加時間は、０．５〜５μｓであることを特徴とする請求項９ないし１１の何れか１つに記載の制御装置。
【請求項１３】
前記所定の電圧パターンが、矩形波の３相交流電圧であることを特徴とする請求項９ないし１２の何れか１つに記載の制御装置。
【請求項１４】
前記矩形波のデューティ比が、３３％であることを特徴とする請求項１３記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電電動機及び制御装置に関し、詳しくは静電電動機及びこの静電電動機を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁石を使用しない静電電動機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利点があるが、磁石を使った電磁モータに比べトルクが小さく、高電圧を必要する。そこで、半導体プロセス技術を使って複数の電極をフィルムに形成し、このフィルムを積層して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使って駆動電圧を下げる方法が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の静電モータでは、弾性体を用いて固定子を作製すると、固定子と可動子との間に作用する静電気の引力により引き付けられ、可動子と接触若しくは貼り付いてしまい、その駆動を妨げたり、止めてしまったりするという問題があった。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、弾性体を用いて固定子及び可動子の少なくとも何れか一方を作製した場合でも、固定子と可動子との接触や貼り付きを抑えることのできる静電電動機を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の相で構成された電極が所定のピッチで配置された固定子と、前記固定子に対向して設けられ、且つ単極に帯電された電極が所定のピッチで配置された可動子と、前記固定子の前記各相の電極に加える所定の電圧パターンを順次切り替えて前記可動子を駆動する電圧切替駆動手段と、を備え、前記固定子及び前記可動子の少なくとも一方が弾性体で構成される静電電動機であって、前記可動子の駆動時に、前記所定の電圧パターンとは別に、前記可動子の電極の少なくとも２ピッチ以上の距離を移動するごとに前記固定子の全ての電極に、前記可動子の電極と同極性の電圧を加えるように前記電圧切替駆動手段を制御する制御手段を有する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、上記特有の制御構成により、駆動時に、固定子と可動子との間に斥力を発生させ、固定子と可動子との間にギャップを維持することができるようになる。そのため、固定子及び可動子の少なくとも一方を弾性体で構成しても、固定子と可動子との接触や貼り付きを抑えることができ、駆動速度の向上や駆動の安定化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明を適用する参考例１に係る静電モータの主要構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は参考例１に係る静電モータのステータの構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）を展開した要部の断面図である。
【図３】（ａ）は参考例１に係る静電モータのロータの構成を示す平面視図、（ｂ）は（ａ）を展開した要部の断面図である。
【図４】本発明を適用する参考例２に係る静電モータの主要構成を示す斜視図である。
【図５】（ａ）は、参考例３に係る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図、（ｂ）は参考例３に係る固定子へ印加する電圧の切替パターンを示す図である。
【図６】実施形態１に係る静電モータの制御構成を示す模式的なブロック図である。
【図７】実施形態１に係る静電モータに３相交流電圧を加えて駆動させる際のロータ及びステータの動作推移状態を示す模式図である。
【図８】（ａ）は従来の課題を説明する図であって、ステータに３相の電圧を印加した際のロータとステータとの動作推移状態を示す模式的な断面図である。（ｂ）は、（ａ）の要部を拡大誇張して模式的に示す拡大断面図、（ｃ）は（ｂ）から更に貼り付きが進んだ時の図８（ａ）の要部を拡大誇張して模式的に示す拡大断面図である。
【図９】（ａ）は実施形態１に係る静電モータのステータに３相の電圧を印加した際のロータとステータとの状態を示す模式的な断面図、（ｂ）は（ａ）の所定の時機にロータの電極と同極性の電圧を加えた際のロータとステータとの状態を示す模式的な断面図である。
【図１０】実施例１に係る静電モータの試験機の要部の構成図である。
【図１１】実施例１に係る静電モータのロータを取り外してステータ周りの構成を示す平面図である。
【図１２】実施例１に係る静電モータのロータ構成を示す底面図である。
【図１３】実施例１における静電モータのステータの各電極に印加する電圧パターンとしての３相矩形波を説明する図である。
【図１４】（ａ）は、実施例１における同極印加間隔の角度を変え、その時のロータの回転速度（回転数）を測定した図表１である。（ｂ）は、（ａ）の図表１のグラフである。
【図１５】（ａ）は、図１４（ａ）の図表１で示した最高値に固定し、印加時間を変え回転速度を測定した図表２である。（ｂ）は、（ａ）の図表２のグラフである。
【図１６】従来の静電モータの駆動方法を簡略化して示すフローチャートである。
【図１７】本発明の静電モータの駆動方法を簡略化して示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図を参照して実施例を含む本発明の実施の形態（以下、「実施形態」という）を詳細に説明する。各実施形態等に亘り、同一の機能および形状等を有する構成要素（部材や構成部品）等については、混同の虞がない限り一度説明した後では同一符号を付すことによりその説明を省略する。図および説明の簡明化を図るため、図に表されるべき構成要素であっても、その図において特別に説明する必要がない構成要素は適宜断わりなく省略することがある。公開特許公報等の構成要素を引用して説明する場合は、その符号に括弧を付して示し、各実施形態等のそれと区別するものとする。
【０００９】
（参考例１）
本発明の実施形態を説明する前に、図１〜図３を用いて、本発明を適用する好適な参考例を説明する。図１は、本発明を適用する参考例１に係る静電モータの主要構成を示す斜視図である。
図１に示すように、参考例１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。静電モータ１は、薄い平板上に帯状電極としてのパターン電極５が形成された固定子としてのステータ２と、帯状電極としてのパターン電極６が形成された可動子としてのロータ３と、駆動軸としての回転軸４と、を備えている。
【００１０】
ステータ２とロータ３とは互いに対向して配置されていて、ステータ２とロータ３との間の微小な距離であるギャップを一定に保ちながら複数枚積層されて構成されている。回転軸４は、金属製であり、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一体回転するように構成されている。ステータ２とロータ３との間に微小なギャップを設ける方法としては、例えば特開２００５−２７８３２４号公報記載の技術のように数十μｍのビーズをステータ２とロータ３の間に入れることで達成することができる。あるいは、特開２００５−２１０８５２号公報記載の技術のようにロータ３の側面にスペーサを挟む周知技術を用いて達成してもよい。
【００１１】
ステータ２に形成された複数のパターン電極５には、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と記載されている。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回転軸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、回転軸４経由で行われる。図１に示す参考例では、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相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なく、２相の配線をして駆動するようにしてもよい。
【００１２】
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。図２（ａ）は参考例に係る静電モータのステータの構成を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）を展開した要部の断面図である。
ステータ２には、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、複数のパターン電極５が中心に貫通孔２Ｃを有する円環状の基板２Ａ上に形成されている。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対応して３相配線がされている。図２の例では、Ｕ、Ｖ、Ｗの１組の配線のみを例示している。本参考例において、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、回転軸４が絶縁部材（図示せず）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、貫通孔２Ｃの中心から放射する方向（半径方向若しくは遠心方向でもある）に延びた放射状のパターンとして形成されている。また、パターン電極５の各個別電極５Ａ、５Ｂ、５Cは、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。
【００１３】
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。図３（ａ）は参考例に係る静電モータのロータの構成を示す平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）を展開した要部の断面図である。
ロータ３には、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、複数のパターン電極６が中心に貫通孔３Ｃを有する円環状の基板３Ａ上に形成されている。基板３Ａも、基板２Ａと同様に、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、貫通孔３Ｃの中心から放射する方向（半径方向）に延びた金属により構成された複数の個別電極６Ａで構成されている。各個別電極６Ａには、単相の配線が接続されている。本参考例では、基板３Ａの貫通孔３Ｃに金属製の回転軸４が挿入されることにより、回転軸４と金属製の個別電極６Ａとが接触するとともに、回転軸４と基板３Ａとが固定されて一体化される。
【００１４】
このような構成において、ロータ３の個別電極６Ａを−極とし、ステータ２の各個別電極５Ａ、５Ｂ、５Ｃに３相交流電圧を印加するとともに、個別電極５Ａ、５Ｂ、５Ｃの極を、順次切り替えることにより、ステータ２とロータ３との間に静電気のクーロン力が作用する。このクーロン力によって、ロータ３の個別電極６Ａの−極に対して＋極となるステータ２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２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の極の切替え方向、即ち、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、本参考例のように、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、ロータ３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間の静電気による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。
【００１５】
尚、参考例１において、金属製の複数の個別電極６Ａを有するロータ３に代えて、帯状パターン膜に電荷を注入したエレクトレットを用いてパターン電極を形成したロータ（図示せず）であってもよい。この場合、図１を借りて説明すると、回転軸４は参考例同様、上記図示しないロータだけに連結されていて、このロータが回転移動することで一体回転するように構成されている。上記図示しないロータは、図３を借りて説明すると、中心に貫通孔３Ｃを有する円環状の基板（図示せず）上にエレクトレットからなる複数のパターン電極（図３（ａ）に示したと同様のパターン形状）が形成されている。上記図示しない基板は、ガラスなどの絶縁性の材料からなる基板と、この基板の表面に形成された金属層からなり、この金属層上に、エレクトレットからなる複数のパターン電極が形成されている。
【００１６】
ここでエレクトレットとは、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）を起させ、その状態が半永久的に保持されているものをいう。本例の場合、上記絶縁性の基板上に上記金属層を形成し、金属層をアースと接地しているので、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。
【００１７】
（参考例２）
図４を用いて、本発明を適用する好適な参考例２に係る静電電動機としてのリニア型の静電モータ２０を説明する。図４は、本発明を適用する参考例２に係る静電モータの主要構成を示す斜視図である。
リニア型の静電モータ２０の基本的な構成は、アキシャルギャップ型と同じであり、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とが所定のギャップをもって構成されている。
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。本例では、Ｕ、Ｖ、Ｗの１組の配線のみを例示している。本例において、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。
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。
【００１８】
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相交流電圧を印加するとともに、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。これにより、ステータ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、即ち、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。また、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、静電モータ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、十分な駆動力を得ることができる。
【００１９】
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等に比べて、パターン電極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モータ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。
【００２０】
（参考例３）
図５を用いて、上述した静電モータの駆動原理となる極性切換え制御の参考例３について説明する。図５（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５（ｂ）は固定子へ印加する電圧の切替パターンを示す。本例では可動子（ロータ）側は１相であり、固定子（ステータ）側は３相交流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５の例では、固定子の個別電極を６７５極とし、可動子の個別電極を４５０極としている。図５（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。
本例では、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５（ｂ）に示すように、３相交流に給電し、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。
【００２１】
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５（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５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、参考例１で示した静電モータ１に適用することで、回転軸４を持続的に回転駆動することができ、また参考例２で示した静電モータ２０に利用することで、ロータ以外のリニア型の静電モータの駆動を持続的に行うことができるようになる。このような静電モータ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。
【００２２】
（実施形態１）
図６を用いて、実施形態１に係る静電モータの制御構成について説明する。図６は、実施形態１に係る静電モータの制御構成を示す模式的なブロック図である。
静電モータ１０１は、互いに対向する少なくとも１対の可動子としてのロータ（後述の図７等参照）、固定子としてのステータ（後述の図７等参照）とからなるアキシャルギャップ型の３相静電モータ（以下、単に「静電モータ」という）である。静電モータ１０１の基本的な構成は、図１〜図３に示した参考例１の静電モータ１と同様である。但し、本実施形態を含む以下の例では、説明の簡明化のため、１対のロータとステータとからなるアキシャルギャップ型の静電モータ１０１で説明する。静電モータ１０１は、参考例１の静電モータ１と比較して、図６に示す静電モータ１０１をスイッチング部１０２を介して制御する制御部１０３を備えた制御装置３００によって、後述の特有の制御がなされる点が相違する。
【００２３】
上記ステータ及び上記ロータには、共に後述するように複数の個別電極（以下、単に「電極」という）が設けられ、それらに電力を供給することにより、静電力で駆動力を発生させることが可能に構成されている。但し、上記ロータの電極がエレクトレットを用いて構成されている場合、参考例でも説明したように電力を供給する必要はない。
静電モータ１０１の上記ロータの回転量は、回転検出部１０４によって検出される。この回転量の検出は、主に、上記ロータの図示しない駆動軸（回転軸）に取り付けられた、一定の回転角度ごとにパルスを出力するロータリエンコーダや、その他の光学センサを用いて行うように構成されている。上記のとおり、回転検出部１０４は、上記ステータの移動量としての回転量を検出する回転量検出手段として機能する。
【００２４】
回転検出部１０４で検出された静電モータ１０１の回転量に係るデータ信号１０５は、制御部１０３に送信・入力される。制御部１０３は、検出した静電モータ１０１の回転量に応じて電力を供給する相を決める制御信号１０６を生成し、この制御信号１０６をスイッチング部１０２に送信する。制御信号１０６を受けて、スイッチング部１０２が動作し、静電モータ１０１の上記ステータの各相１０７−１、１０７−２、１０７−３に、制御部１０３の決定に応じた電力が供給される。例えば、３相交流電圧が印加される場合、静電モータ１０１の各相１０７−１、１０７−２、１０７−３は、図６中括弧を付して示すように、Ｕ配線を介してＵ電極に、Ｖ配線を介してＶ電極に、Ｗ配線を介してＷ電極に、それぞれ接続された３相配線に相当する。
上記のとおり、スイッチング部１０２は、上記ステータの各相の電極に加える所定の電圧パターンを順次切り替えて上記ステータを駆動する電圧切替駆動手段として機能する。
制御部１０３は、上記ロータの駆動時に、回転検出部１０４で検出した回転量に応じて、所定の電圧パターンを出力するよう、スイッチング部１０２を制御する制御手段として機能する。また、制御部１０３は、所定の電圧パターンの間に、上記ロータの一定の回転角度ごとに上記ステータの全ての電極に、上記ロータの電極と同極性の電圧を加えるようにスイッチング部１０２を制御する制御手段としても機能する。ここで、「上記ロータの一定の回転角度ごとに」とは、厳密には上記ロータの電極の少なくとも２ピッチ以上の距離を移動するごとにを意味する。
【００２５】
制御部１０３は、例えば、ＣＰＵ、Ｉ／Ｏ（入出力）ポート、ＲＯＭやＰＲＯＭ、ＲＡＭ及びタイマ等を備え、それらが信号バスによって接続された構成を有するマイクロコンピュータを具備して構成してもよい。上記ＲＯＭやＰＲＯＭには、上記ＣＰＵの演算機能及び制御機能を発揮するためのプログラム（図１７のフローチャート）や、関係データ（図１３の駆動波形パターン、固定データ等）が予め記憶されている。
【００２６】
図７を用いて、実施形態１に係る静電モータ１０１に３相交流電圧を加えて駆動させる時の動作について説明する。図７は実施形態１に係る静電モータ１０１に３相交流電圧を加えて駆動させる際の、ステータとロータとの動作推移状態を説明する模式図である。以降、ステータとロータとの位置関係を分かりやすくするため、ステータとロータとの断面を平行に展開した展開図を用いて説明していく。また、ロータの電極は、エレクトレット材料を用いて形成され、電極は負（−）に帯電されており、それに対して引力を発生させる正（＋）の電圧をステータの電極に印加するものとする。尚、本発明はこれらの例等に限定するものではない。
図７に示す静電モータ１０１において、図中下部に示すステータ１２０には、複数の相で構成された電極１２１が後述のように所定のピッチで配置されている。ステータ１２０に対向し図中上部に示すロータ１３０には、単極に帯電（上記したとおり負（−）に帯電）された複数の電極１３１が後述のように所定のピッチで配置されている。静電モータ１０１は、ステータ１２０の電極数とロータの電極数との比が３：２で構成されている。
【００２７】
ステータ１２０の電極１２１に、図６のスイッチング部１０２により、図７（ａ）に示す３相交流電圧（以下、「３相の電圧」ともいう）、即ちステータ１２０の電極１２１のＶ電極、Ｗ電極、Ｕ電極に対して図において左側から順に、−、−、＋を印加する。すると、対向するロータ１３０の電極１３１とステータ１２０の電極１２１とが同じ−に帯電しているときには斥力が、ステータ１２０の電極１２１が逆の＋に帯電している部位では引力が働くので、図７（ｂ）に示す矢印方向の位置にロータ１３０が移動する。この際、ロータ１３０の移動量を図６の回転検出部１０４により検出する。
ロータ１３０が図７（ａ）から図７（ｂ）へ移動した後、ステータ１２０の電極１２１に、スイッチング部１０２により、図７（ｂ）のような３相の電圧（図において左側から順に、−、＋、−）を印加すると、ロータ１３０が図７（ｃ）に示す位置に移動する。このように、ロータ１３０の回転移動と３相の電圧のスイッチングとを繰り返すことで、静電モータ１０１を駆動させることができる。また、参考例３でも説明したように、ステータ１２０の電極数：ロータ１３０の電極数の比が３：２となる電極配置では、常に推進力が働くように各電極に電圧を印加することができるので、静電モータ１０１を連続的に駆動することが可能である。
【００２８】
図８を用いて、従来技術の問題・課題を補説する。図８（ａ）は従来の課題を説明する図であって、ステータに３相の電圧を印加した際のロータとステータとの動作推移状態を示す模式的な断面図である。図８（ｂ）は図８（ａ）の要部を拡大誇張して模式的に示す拡大断面図、図８（ｃ）は図８（ｂ）から更に貼り付きが進んだ時の図８（ａ）の要部を拡大誇張して模式的に示す拡大断面図である。
図８において、従来の静電モータ１０００は、互いに対向する１対の、剛体且つエレクトレットで構成されたロータ１１３０と、弾性体で構成されたステータ１１２０とからなる。ここで、ロータ１１３０は、例えば基材１１３２がガラス基板で形成されている。ステータ１１２０は、例えば基材１１２２がポリイミド樹脂等の弾性体で形成されている。ロータ１１３０は、基材１１３２の厚さにもよるが、ステータ１１２０に対して実質的に剛体とみなせるレベルにあるものとする。ステータ１１２０が弾性体の場合、ロータ１１３０のゆがみや反りに合わせてステータ１１２０が弾性変形し、ステータ１１２０とロータ１１３０との間の距離であるギャップ（隙間）が均一になり、駆動力が増す。
【００２９】
しかし、図８（ａ）に示すように、ステータ１１２０の電極１１２１の正（＋）の電圧部位とロータ１１３０の電極１１３１の負（−）の電圧部位との間に発生する引力により、ロータ１１３０の電極１１３１に引き寄せられて、弾性体のステータ１１２０は浮かび上がるようになる。駆動が遅いうちは、次に正の電圧が印加され、ロータ１１３０の電極１１３１が近付く前にステータ１１２０の電極１１２１は弾性的に復帰して下方へ変位する。駆動が加速していくと、ステータ１１２０の電極１１２１が下方へ変位する前に正の電圧が印加され、ロータ１１３０の電極１１３１が近付くようになり、ステータ１１２０の電極１１２１が徐々にロータ１１３０の電極１１３１と接触するようになる（図８（ｂ）参照）。更に、ステータ１１２０の電極１１２１がロータ１１３０の電極１１３１と接触すると摩擦抵抗が大きくなり、ロータ１１３０の駆動を妨げるようになる。最終的には、ステータ１１２０の電極１１２１がロータ１１３０の電極１１３１に貼り付き駆動を止めてしまう（図８（ｃ）参照）。
【００３０】
図９を用いて、図８で補説した従来技術の課題を解消できる実施形態１に係る静電モータ１０１の駆動方法について説明する。図９（ａ）は実施形態１に係る静電モータ１０１のステータに３相の電圧を印加した際のロータとステータとの状態を示す模式的な断面図である。図９（ｂ）は実施形態１に係る静電モータ１０１の所定の時機にロータの電極と同極性の電圧を加えた際のロータとステータとの状態を示す模式的な断面図である。
図９において、実施形態１に係る静電モータ１０１は、互いに対向する１対の、剛体且つエレクトレットで構成されたロータ１３０と、弾性体で構成されたステータ１２０とからなる。ここで、ロータ１３０は、後述の実施例１のように基材１３２が所定の厚さのガラス基板で形成されている。ステータ１２０は、後述の実施例１のように基材１２２が所定の厚さのポリイミド樹脂の弾性体で形成されている。これにより、ロータ１３０は、ステータ１２０に対して実質的に剛体とみなせるレベルにある。
【００３１】
図９（ａ）に示すように、ステータ１２０の電極１２１の正（＋）の電圧部位とロータ１３０の電極１３１の負（−）の電圧部位との間に発生する引力により、弾性体のステータ１２０はロータ１３０の電極１３１に引き寄せられて徐々に浮かび上がるようになる。
そこで、図９（ｂ）に示すように、ステータ１２０の電極１２１の全てにロータ１３０の電極１３１と同極性の負（−）電圧を印加する。すると、引力で浮かび上がっていたステータ１２０の電極１２１部位がロータ１３０の電極１３１との間に作用する斥力により下方に変位させる力が働き、元の位置へ弾性的に押し戻される。これによって、ステータ１２０の電極１２１とロータ１３０の電極１３１とが接触することなく、一定のギャップを保ち続けることができる。また、ステータ１２０の電極１２１の全てにロータ１３０の電極１３１と同極性の電圧を印加するタイミングを、それまで正の電圧が印加されていたステータ１２０の電極１２１とロータ１３０の電極１３１とが完全に重なる直前に印加する。これにより、浮かび上がったステータ１２０の電極１２１部位は斥力により下方に押されるが、他のステータ１２０の電極１２１は斥力によりロータ１３０の矢印で示す推進・移動方向に力を与えられる。従って、連続してロータ１３０に推進力を与えることができ、ロータ１３０の回転駆動を止めることなく、静電モータ１０１を駆動し続けることができる。
【００３２】
（実施例１）
図１０〜図１２を用いて、本発明の実験を行うために試作した静電モータの試験機を説明する。図１０は実施例１に係る静電モータの試験機の要部の構成図である。図１１は実施例１に係る静電モータのロータを取り外してステータ周りの構成を示す平面図、図１２は実施例１に係る静電モータのロータ構成を示す底面図である。
図１０に示す試験機は、弾性体で構成されたステータ１２０と、ガラス基板で且つエレクトレット電極で構成されたロータ１３０とを互いに対向させた静電モータ１０１と、ロータ１３０の回転軸１４０と同軸に接続されたロータリエンコーダ１５０とからなる。試験機に用いた静電モータ１０１は、一対の単層構成のステータ１２０とロータ１３０とからなり、図６で説明した制御装置３００で制御される。ここで、ロータリエンコーダ１５０とは、ロータリエンコーダ１５０に設けられた、図示しない光透過型のフォトセンサを含んで構成されている。
【００３３】
ステータ１２０は、図１０、図１１に示すように、基材１２２がポリイミド樹脂（ＰＩ）からなる両面フレキシブルプリント基板（以下、「両面ＦＰＣ１２７」という）の両面に、６７５本、長さ６８ｍｍの電極１２１が０．５３３°ピッチで作製されている。ステータ１２０の電極１２１は、銅電極であり、ポリイミド樹脂製の厚さ７０μｍの両面ＦＰＣ１２７の両面に配線されている。ステータ１２０の大きさは、外径最外周の配線部１２４において、外径：φ１２０ｍｍ（電極１２１で外径：φ１１２ｍｍ、電極長６８ｍｍ）であり、両面ＦＰＣ１２７は１辺が１５０ｍｍの正方形をなす。
各電極１２１のＵ電極、Ｖ電極、Ｗ電極は、その内周配線部１２３と外周配線部１２４より３相の各相の電源入力部１２５とそれぞれ接続される。配線が交差するため一部の配線は裏面に配線し、各電極１２１部にてスルーホール(図示せず)を通して接続される。
【００３４】
ロータ１３０は、図１０、図１２に示すように、基材１３２としての厚さ１ｍｍのガラス基板上に、パターニングされた４５０本、長さ６８ｍｍのエレクトレット製の電極１３１を０．８°ピッチで作製されている。ロータ１３０の大きさは、外径：φ１２５ｍｍ（電極１３１で外径：φ１１２ｍｍ、電極長６８ｍｍ）である。エレクトレット製の電極１３１は、帯電を保持する性質があるので電力を供給する必要がないので配線はされていない。
【００３５】
上記試験機の静電モータ１０１で、以下の駆動条件で試験を行った。静電モータ１０１のステータ１２０の電極１２１であるＵ電極、Ｖ電極、Ｗ電極に加える３相の印加電圧は、±２５０Ｖである。エレクトレット製の電極１３１は、コロナ帯電にて約−４００Ｖに予め帯電されている。ロータリエンコーダ１５０の信号をカウントし、ステータ１２０の各電極１２１に印加する電圧を図６のスイッチング部１０２でスイッチングして、図１３に示す３相の矩形波（方形波）を生成してステータ１２０の各電極１２１に印加した。
【００３６】
ここで、図１３を参照して、前述試験機における静電モータ１０１のステータ１２０の各電極１２１に加える３相の電圧パターンについて説明する。図１３に示すように、ステータ１２０の各電極１２１であるＵ電極、Ｖ電極、Ｗ電極には、通常電圧パターン区間９０２において、デューティ比Ｄが３３％の３相交流電圧の矩形波を印加している。
ここで、デューティ比Ｄ＝τ／Ｔ×１００[％]である。但し、Ｔは３相交流電圧の矩形波の周期を、τは矩形波電圧の印加時間を、それぞれ示す。そして、ロータ１３０の回転角度の一定角度ごとに、ロータ１３０の電極１３１と同極性の同極性電圧印加期間９０１を設け、ロータ１３０の電極１３１と同極性の電圧（図１３では−２５０Ｖ）を印加する。このように、通常電圧パターン区間９０２と、ロータ１３０の一定角度ごとに、ロータ１３０の電極１３１と同極性の同極性電圧印加期間９０１を設けて駆動することで、ステータ１２０とロータ１３０との貼り付きを抑え、安定した駆動を得ることができた。図１３はデューティ比Ｄを３３％で示しているがそれに限定するものではない。しかしながら、デューティ比Ｄが３３％のとき、ロータ１３０の回転速度がより高く得られた。
【００３７】
前述の試験機にて駆動実験を行った結果、前述の一定期間ごとにステータ１２０の全ての電極１２１にロータ１３０の電極１３１と同極性の負（−）電圧を印加する方法を採用することで、回転速度が１００ｒｐｍから最大２０５ｒｐｍまで向上させることができた。このとき、正の電圧が印加されていたステータ１２０の電極１２１の電圧を負（−）極に変えるタイミングは、ロータ１３０の電極１３１と完全に重なる０．０２５°前に行った。また、回転速度は、ロータリエンコーダ１５０から入力される信号のみで制御されているので、回転速度が速くなったということは摩擦抵抗が小さくなったと考えられ、ステータ１２０とロータ１３０との接触が抑えられ、安定した駆動ができたと考えられる。
【００３８】
図１４（ａ）は、実施例１の試験機にてステータ１２０の全ての電極１２１にロータ１３０の電極１３１と同極性の同極性電圧を加える同極印加間隔の角度を変え、その時のロータ１３０の回転速度（回転数）を測定したものである。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の表１をグラフにしたものである。
この実験結果より、ロータ１３０の電極１３１と同極性の電圧をステータ１２０の全ての電極１２１に印加しない場合では、ロータ１３０の回転速度は１００ｒｐｍであった。一方、図１３の同極性電圧印加期間９０１の間に、ステータ１２０の全ての電極１２１にロータ１３０の電極１３１と同極性の同極性電圧を印加することで、ロータ１３０の回転速度が向上していることが分かった。また、その効果は、３５〜４５°で大きいことが分かった。
【００３９】
図１５（ａ）は、ロータ１３０の電極１３１と同極性の電圧の同極印加間隔を図１４（ａ）の表１で示した最高値であった４０°に固定し、印加時間を変え回転速度を測定したものである。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の表２をグラフにしたものである。
この実験結果より、ロータ１３０の電極１３１と同極性の電圧をステータ１２０の全ての電極１２１に印加する印加時間は、０．５〜５μｓの範囲で効果的であり、２．５μｓが最適であることが分かった。
【００４０】
上述の実験結果を踏まえ、図６に示した制御部１０３の記憶手段としての上記ＲＯＭには、ロータリエンコーダ１５０により検出されたロータ１３０の回転量の一定量ごとに、同極性電圧を加える印加間隔が５０°以下に予め記憶され設定される（請求項２）。より好ましくは、上記ＲＯＭには、同極性電圧を加える印加間隔が３５〜４５°に予め記憶され設定される（請求項３）。また、上記ＲＯＭには、同極性電圧を加える印加時間は０．５〜５μｓに予め記憶され設定される（請求項４）。
尚、上記実験データを上記ＲＯＭに予め記憶し設定するのに代えて、その後追加試験で得られた更に有効な実験データに変更できるようにフラッシュメモリなどを利用して、サービス担当者等が随時プログラムのデータの書替えを行うようにしてもよい。
【００４１】
図１６を用いて、従来の静電モータの駆動方法について説明する。図１６は従来の静電モータの駆動方法を簡略化して示すフローチャートである。
駆動を開始すると、電圧パターン切り替え量移動したのを検出するのを待つ（ステップＳ１）。図１０に示した試験機において、ロータリエンコーダ１５０の検出した信号を制御装置３００の制御部１０３（図１０には図示せず）に入力し、パルス数を割り込みで検出・カウントし、ロータの回転量を計測した。ステップＳ１において、電圧パターン切り替え量を満たすと、電圧パターンを次の信号に切り替え、ステータの電極に入力する電圧を切り替える（ステップＳ２）。これを繰り返すことで駆動する。このときの電圧パターンは、図１３に示す通常電圧パターン区間９０２だけの場合となる。
【００４２】
図１７を用いて、本発明の静電モータの駆動方法について説明する。図１７は本発明の静電モータの駆動方法を簡略化して示すフローチャートである。
駆動を開始すると、電圧パターン切り替え量移動したのを検出するのを待つ（ステップＳ５）。図１０の試験機において、ロータリエンコーダ１５０の検出した信号を制御装置３００の制御部１０３（図１０には図示せず）に入力し、パルス数を割り込みで検出・カウントし、ロータの回転量を計測した。
ステップＳ５において電圧パターン切り替え量を満たすと、更に、ロータの電極と同極性の電圧を印加する同極印加間隔（図１７では「同極性出力間隔」と記載）移動したかを検出する（ステップＳ６）。図１０の試験機においては、電圧パターンの切り替え数をカウントし、ロータが一定の回転角度以上回転したときに、ロータの電極と同極性の電圧をステータの全ての電極に印加した。そして、ロータ電極と同極性の電圧を印加する同極印加間隔移動する場合（図１７では「ロータ同極性出力間隔」を満たす場合）に、ロータの電極と同極性の電圧を一定時間（本試験機では２．５μs）印加した（ステップＳ７）。その後、電圧パターンを次の信号に切り替えステータの電極に入力する電圧を切り替える（ステップＳ８）。これを繰り返すことで駆動する。尚、このときの電圧パターンは、図１３に示したとおりの、通常電圧パターン区間９０２に加え、ロータ１３０の回転角度の一定角度ごとに、ロータ１３０の電極１３１と同極性の同極性電圧印加期間９０１を設けたものになる。
【００４３】
上記背景技術に挙げた特許文献１記載の技術には、安定した駆動が可能で信頼性の高いエレクトレットアクチュエータを提供することを目的として、エレクトレット化された可動子の電極と同極性の電圧を固定基板（ステータ）に印加する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１記載の技術では、駆動パターン自体を一時停止させ、次の駆動パターンに繋げるといったもので、連続性がなく、駆動を止めてしまうといった問題は解消できていない。
【００４４】
以上説明したとおり、本実施形態及び実施例１によれば、上記特有の制御構成及び制御装置により、駆動時に、固定子と可動子との間に斥力を発生させ、固定子と可動子との間にギャップを維持することができるようになる。そのため、固定子及び可動子の少なくとも一方を弾性体で構成しても、固定子と可動子との接触や貼り付きを抑えることができ、駆動速度の向上や駆動の安定化が図れる、という顕著な効果を奏する。
【００４５】
以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記実施形態や実施例等に記載した技術事項を適宜組み合わせたものであってもよい。
【００４６】
本発明に係る静電電動機は、上述した参考例１の静電モータ１や、参考例２のリニア型の静電モータ２０、及び公知の静電電動機にも適用できることは無論である。また、本発明に係る制御装置は、上述した参考例１の静電モータ１の制御装置や、参考例２のリニア型の静電モータ２０の制御装置、及び公知の静電電動機の制御装置としても適用できることも無論である。
【００４７】
本発明の実施の形態に適宜記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４８】
１０１    静電モータ（静電電動機の一例）
１０２    スイッチング部（電圧切替駆動手段の一例）
１０３    制御部（制御手段の一例）
１０４    回転検出部（回転量検出手段）
１２０    ステータ（固定子の一例）
１２１    ステータの電極
１２２    ステータの基材
１３０    ロータ（可動子の一例）
１３１    ロータの電極
１３２    ロータの基材
１４０    回転軸
１５０    ロータリエンコーダ（回転量検出手段の一例）
３００    制御装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４９】
【特許文献１】特開２００６−０２５５７８号公報
【特許文献２】特開平０５−０６４４６３号公報
【図１】
2016046837.tif 000003
【図２】
2016046837.tif 000004
【図３】
2016046837.tif 000005
【図４】
2016046837.tif 000006
【図５】
2016046837.tif 000007
【図６】
2016046837.tif 000008
【図７】
2016046837.tif 000009
【図８】
2016046837.tif 000010
【図９】
2016046837.tif 000011
【図１０】
2016046837.tif 000012
【図１１】
2016046837.tif 000013
【図１２】
2016046837.tif 000014
【図１３】
2016046837.tif 000015
【図１４】
2016046837.tif 000016
【図１５】
2016046837.tif 000017
【図１６】
2016046837.tif 000018
【図１７】
2016046837.tif 000019