(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状または放射状に構成された複数相の電極を有する移動子と、同じく複数相の電極を有する固定子から構成され、前記移動子及び固定子に、それぞれの電極の相数に等しい多相正弦波電圧を印加することで静電力により動作する静電浮上モータにおいて、
前記移動子を前記固定子下に非接触で浮上保持し、静電浮上モータとして動作させるために、
（ａ）前記移動子と前記固定子のいずれか一方の多相正弦波電圧に、バイアス電圧を加える構成を有し、
（ｂ）前記移動子及び前記固定子に印加する前記多相正弦波電圧の振幅と位相の制御により任意の推力を発生させ、
（ｃ）前記（ｂ）での推力の値にかかわらず、常に吸引力が前記移動子重量と釣り合うように、前記（ｂ）で用いた前記多相正弦波電圧の振幅と位相の値をもとに、必要なバイアス電圧を計算するバイアス電圧生成手段を有することを特徴とする静電浮上モータ。
【請求項２】
請求項１記載の静電浮上モータにおいて、前記バイアス電圧を交流電圧とすることを特徴とする静電浮上モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電浮上モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の参照文献としては、以下に示すものを挙げることができる。
【０００３】
（１）新野、樋口、柄川：“交流駆動両電極形静電モータ”、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．１５  Ｎｏ．１，ｐｐ９７／１０２，（１９９７）
（２）Ｈ．Ｗ．Ｋｎｏｅｂｅｌ：“Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｇｙｒｏ”，Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．１１，ｐ７０，（１９６４）
（３）Ｓ．Ｋｕｍａｒ，Ｄ．Ｃｈｏ，Ｗ．Ｃａｒｒ：“Ａ  Ｐｒｏｐｏｓａｌ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｌｅｖｉｔａｔｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｍｏｔｏｒｓ”，Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ，Ｖｏｌ．２４，ｐ１４１，（１９９０）
（４）Ｊ．Ｕ．Ｊｏｅｎ，Ｔ．Ｈｉｇｕｃｈｉ：“Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｍｏｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．４５，ｐ１５７，（１９９８）
電磁モータに劣らない出力性能を持つ静電モータとして、本願発明者らはフィルム状の電極を用いた交流駆動両電極形静電モータの開発に成功している〔上記参照文献（１）参照〕。
【０００４】
かかるモータは高電圧駆動のため、電磁モータに比べ微小電流で同じパワーを発揮できる。そのため、磁場発生や発熱が少ないと考えられる。構造的な面に着目すると、交流駆動両電極形静電モータは減速器無しで高出力を発揮する直動リニアモータであり、薄型・軽量である。したがって、真空チャンバ内の限られた空間での省スペース化に有効であり、真空環境、かつ磁場発生・発熱を嫌う用途において電磁モータに比べ優れていると考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者らは、静電モータが真空環境での利用に適していることに注目し、移動子と固定子が非接触状態で駆動できる静電浮上モータの更なる開発を目指している。
【０００６】
これまでにもアクチュエータ機能を持つ静電浮上の研究は行われているが〔先行文献（２），（３），（４）参照〕、十分に満足のいくものではなかった。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みて、交流駆動両電極形静電モータの移動子・固定子間吸引力を利用することで、浮上用吸引力発生のための付加的な電極を設けることなく、任意の推力を発生しつつも、常に吸引力を移動子重量と釣り合うように制御可能な静電浮上モータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕帯状または放射状に構成された複数相の電極を有する移動子と、同じく複数相の電極を有する固定子から構成され、前記移動子及び固定子に、それぞれの電極の相数に等しい多相正弦波電圧を印加することで静電力により動作する静電浮上モータにおいて、（ａ）前記移動子を前記固定子下に非接触で浮上保持し、静電浮上モータとして動作させるために、前記移動子と前記固定子のいずれか一方の多相正弦波電圧に、バイアス電圧を加える構成を有し、（ｂ）前記移動子及び前記固定子に印加する前記多相正弦波電圧の振幅と位相の制御により任意の推力を発生させ、（ｃ）前記（ｂ）での推力の値にかかわらず、常に吸引力が前記移動子重量と釣り合うように、前記（ｂ）で用いた前記多相正弦波電圧の振幅と位相の値をもとに、必要なバイアス電圧を計算するバイアス電圧生成手段を有することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の静電浮上モータにおいて、前記バイアス電圧を交流電圧とすることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明にかかる交流駆動両電極形静電浮上モータの構成図である。
【００１２】
この図において、１は移動子、２はその移動子１の電極、１１は固定子、１２は固定子１１の電極、２１は３相交流電源である。
【００１３】
交流駆動両電極形静電モータは、図１に示すように、移動子１、固定子１１共に３相の電極２，１２が等ピッチｐで配置された構造をしている。推力リプルを軽減するために、移動子１の電極２は例えば波形等の形状になっている（参考：山本、新野、坂、樋口、“スキュー電極を用いた高出力静電モータ”、電気学会論文誌Ｄ，１１７巻９号，ｐｐ．１１３９−１１４５，１９９７）。３相交流電源２１から移動子１、固定子１１の各電極２，１２には相順を反転して３相交流電圧を印加し、電極２，１２間に発生した電位分布間の静電気力により駆動する。ｘの原点を移動子１、固定子１１のｕ相が向かい合った位置の一つにとり、３相電極にそれぞれ次のような電圧を印加すると、
【００１４】
【数１】
0003805713.tif 000002
【００１５】
推力ｆx および移動子１、固定子１１間の吸引力ｆy は以下のように表せる。
【００１６】
【数２】
0003805713.tif 000003
【００１７】
ここで、Ｃm （ｄ）、Ｋc （ｄ）は移動子、固定子電極同士に関わる容量計数で、モータ形状により定まり、ギャップｄの関数となる。ただし、３相交流電源２１の発生電圧は、式（１）に示すように、位相と振幅が自由に制御可能であるものとする。なお、本構成図においては、移動子１、固定子１１の各電極２，１２に対し、共通の３相交流電源２１により電圧を印加しているが、電極２と電極１２に対し、それぞれ別個の３相交流電源を用いても良い。
【００１８】
浮上モータを実現するためには、モータに必要とされる動作に応じて推力ｆx を任意に制御すると同時に、吸引力ｆy を移動子重量と釣り合わせることが必要である。すなわち、推力ｆx の値にかかわらず、吸引力ｆy を常に所望の値、具体的には移動子重量と釣り合う値に制御できる手法が必要となる。
【００１９】
以下、本発明の静電浮上モータの浮上方式について説明する。
【００２０】
図２は本発明の第１実施例を示す交流駆動両電極形静電浮上モータの構成図である。図１と同じ部分は同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００２１】
この図において、３１はバイアス直流電源、３２は３相交流電圧にバイアス電圧を重畳する加算器である。
【００２２】
式（２）より明らかなように、推力と吸引力は独立ではない。そこで両者を、図２に示すように、推力ｆx の値にかかわらず、吸引力ｆy を常に所望の値、具体的には移動子重量と釣り合う値に制御できるように、移動子１に可変バイアス電圧ｖb を付加するように構成する。
【００２３】
このときのモータの推力、吸引力を導くと、ｋb （ｄ）をｄの関数として
【００２４】
【数３】
0003805713.tif 000004
【００２５】
が得られる。この結果から、バイアス電圧は推力には影響を与えず、吸引力にのみ影響することが分かる。よって、モータが任意の推力ｆx を発生するためには、まず、
【００２６】
【数４】
0003805713.tif 000005
【００２７】
として電圧ｖ0 を決定し、次に、移動子質量がｍであるとすれば、吸引力ｆy が移動子に働く重力と釣り合うように
【００２８】
【数５】
0003805713.tif 000006
【００２９】
としてｖb を決定すればよい。これにより、モータの推力ｆx をいかなる値に制御した場合でも、可変バイアス電圧ｖb を数式（５）に示すように、電圧ｖ0 もしくはモータの推力ｆx の関数として変化させることで、常に吸引力ｆy を移動子重量の釣り合いを保ち移動子を浮上させたまま、モータの推力を任意に制御することが可能となる。実際の装置構成においては、移動子重量と吸引力とのつり合いは不安定な力のつり合いであるため、ギャップｄの変動をｖb にフィードバックするような回路を構成し、常に安定浮上を保つようｖb を微調整する必要がある。
【００３０】
なお、電極２と電極１２とにそれぞれ別個の３相交流電源を用いた場合にも、同様の考察が可能である。
【００３１】
図３は本発明の第２実施例を示す交流駆動両電極形静電浮上モータの構成図である。
【００３２】
この図において、４１は移動子、４２はその移動子４１の一方側に配置される第１の電極、４３はその移動子４１のもう一方側に配置される第２の電極、５１は第１の固定子、５２はその第１の固定子５１の電極、６１は第２の固定子、６２はその第２の固定子６１の電極、７１は第１の固定子５１の電極５２と第２の固定子６１の電極６２とに接続される第１の３相交流電源、８１は移動子４１の第１の電極４２と第２の電極４３に接続される第２の３相交流電源、９１はバイアス直流電源、９２は第１の３相交流電源７１からの第１の３相交流電圧にバイアス電圧を重畳する加算器である。なお、本実施例では、２つの３相交流電源７１，８１を用いているが、７１と８１を共通のものとしても差し支えない。あるいは、第１の３相交流電源７１を、第２の固定子６１の電極６２と移動子４１の第２の電極４３に接続し、第２の３相交流電源８１を第１の固定子５１の電極５２と移動子４１の第１の電極４２に接続するよう構成しても良い。
【００３３】
この実施例では、上記したように、第１の電極４２と第２の電極４３とを有する移動子４１を挟むように、電極５２を有する第１の固定子５１と電極６２を有する第２の固定子６１とを配置して、二組のモータ電極を対向させる方式である。簡単のため、以下では第１の３相交流電源７１と第２の３相交流電源８１が共に式（３）に示される電圧を発生するものとして説明する。また、第１の固定子５１、移動子４１間のギャップと、第２の固定子６１、移動子４１間のギャップはどちらも等しくｄであるものとする。
【００３４】
第１実施例に示した方式では、式（５）の平方根の中身が負となることはできないため、移動子質量によって推力が制限され、十分な推力が発生できないという問題がある。そこで、図３に示すように二組のモータ電極を対向させるようにすると、推力、吸引力は、
【００３５】
【数６】
0003805713.tif 000007
【００３６】
となり、式（３）の吸引力ｆy において、電圧ｖ0 に依存していた項が相殺される。この場合は、吸引力ｆy は明らかに推力ｆx とは独立した制御が可能である。よって、質量ｍの移動子重量と吸引力を釣り合わせるには、
【００３７】
【数７】
0003805713.tif 000008
【００３８】
として一定電圧ｖb を定めることにより、推力ｆx によらず常に、吸引力と移動子重量とのつり合いを保つことができる。実施例１の場合と異なり、推力を決定する電圧ｖ0 は吸引力に影響を及ぼさないため、本実施例においては、移動子質量による推力の上限は存在しない。なお、実際の装置構成においては、移動子重量と吸引力とのつり合いは不安定な力のつり合いであるため、ギャップｄの変動を一定電圧ｖb にフィードバックするような回路を構成し、常に安定浮上を保つよう一定電圧ｖb を微調整する必要がある。しかし、実施例１のバイアス電圧が推力ｆx に応じて大きく変動するのに対し、本実施例のバイアス電圧は、ほぼ一定電圧となるため、バイアス電源をより簡易なものとすることができる。
【００３９】
図４は本発明の第３実施例を示す交流駆動両電極形静電浮上モータの構成図である。図１、２と同じ部分は同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００４０】
この図４において、１０１はバイアス交流電源であり、このバイアス交流電源１０１の発生するバイアス交流電圧を√２ｖb ｃｏｓ（ωｔ）とすると、吸引力ｆy は、以下のように表される。
【００４１】
【数８】
0003805713.tif 000009
【００４２】
この式に示されるように、吸引力ｆy は、バイアス交流電圧の角周波数ωの２倍の角周波数で変動するが、ωが充分に大きいものであるとすれば、吸引力ｆy の変動は平均化して取り扱うことができ、ほぼ一定の吸引力が発生していると見なすことができる。吸引力ｆy の変動を変動１周期分にわたって平均すると、式（３）の吸引力ｆy と同様の式が得られる。よって、第１実施例の場合と同様の考察により、浮上モータを実現することができる。また、これは第２実施例においてバイアス直流電源９１に替えてバイアス交流電源を用いた場合も同様である。
【００４３】
また、第３実施例では、バイアス電圧として交流電圧を用いているために、バイアス電圧を３相交流電圧に重畳する加算器３２としてトランスを利用することができ、システムをより簡易に構成することが可能である。
【００４４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４６】
（Ａ）交流駆動両電極形静電モータの移動子・固定子間吸引力を利用することで、浮上吸引力を制御するための付加的な電極を設けることなく、推力の値によらず、吸引力を移動子重量と釣り合わせることが可能な静電浮上モータを提供することができる。
【００４７】
（Ｂ）固定子を前記移動子の上下に配置することにより、吸引力を相殺し、吸引力の制御を行うことができる静電浮上モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる交流駆動両電極形静電浮上モータの構成図である。
【図２】  本発明の第１実施例を示す交流駆動両電極形静電浮上モータの構成図である。
【図３】  本発明の第２実施例を示す交流駆動両電極形静電浮上モータの構成図である。
【図４】  本発明の第３実施例を示す交流駆動両電極形静電浮上モータの構成図である。
【符号の説明】
１，４１    移動子
２    移動子の電極（３相の電極）
１１    固定子
１２    固定子の電極（３相の電極）
２１    ３相交流電源
３１，９１    バイアス直流電源
３２，９２    加算器
４２    移動子の一方側に配置される第１の電極
４３    移動子のもう一方側に配置される第２の電極
５１    第１の固定子
５２    第１の固定子の電極
６１    第２の固定子
６２    第２の固定子の電極
７１    第１の３相交流電源
８１    第２の３相交流電源
１０１    バイアス交流電源
【図１】
0003805713.tif 000010
【図２】
0003805713.tif 000011
【図３】
0003805713.tif 000012
【図４】
0003805713.tif 000013