JP2719035B2

JP2719035B2 - 静電力を利用した薄葉材料の駆動装置

Info

Publication number: JP2719035B2
Application number: JP2185397A
Authority: JP
Inventors: 俊郎樋口; 索柄川
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1990-07-16
Filing date: 1990-07-16
Publication date: 1998-02-25
Anticipated expiration: 2013-02-25
Also published as: JPH0475483A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、静電力を利用した薄葉材料の駆動装置に関
する。

（従来の技術）従来から、機械的エネルギーを電界エネルギーに変換
するものとして、静電発電機がよく知られており、それ
とは逆の変換、つまり、電界エネルギーを機械的エネル
ギーに変換するのが静電モータである。

このような静電モータの歴史は古く、18世紀頃から既
に研究されており、例えば、「静電気ハンドブック」、
静電気学会論、オーム社発行、第664頁〜第675頁に詳細
に記載されている。

上記文献中には、誘電体の分極の遅れを利用した誘導
モータが示されている。この誘電モータの原理は、電界
内におかれた誘電体が分極することに着目し、その分極
の時間遅れを利用したものである。即ち、第９図に示す
ように、回転子としての誘電体ｂが固定子ａ内部の回転
電界内におかれた場合、誘電体ｂの誘電負荷は、時間遅
れのために回転電界とは角度がずれた形となる。その電
荷と回転電界との間の相互作用が回転力となる。

また、誘電体の代わりに抵抗体を用いたモータも存在
している。このモータは回転電界内で抵抗体内に誘導さ
れる電荷が、電界の向きに対して遅れることを利用して
いる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、従来の静電モータは、（１）抵抗体と電極の間に吸引力が働くので、フィルム
化することが困難である。

（２）固定子と回転子を具備し、ある程度のギャップを
有する回転機構からなっており、そのギャップを保持す
るために軸受け等の機構を用いている。そのため、広い
面積にわたってギャップを狭くすることは困難である。
また、それを実現するためには、固定子、回転子を十分
厚くして剛性を高くしなければならないので、力密度
（単位当たりに発生できる力）が損なわれてしまう。

従って、上記装置をコンパクトに構成することには難
があり、その力密度も低いものであった。

このような状況に鑑みて、本出願人は、既にフィルム
を利用した静電アクチュエータを提案している。しか
し、そのアクチュエータによって駆動できる移動体は、
抵抗体を塗布した特殊なフィルムに限られていた。

本発明は、上記問題点を除去し、絶縁性フィルムや紙
などの一般的な材料を駆動することができる静電力を利
用した薄葉材料の駆動装置を提供することを目的とす
る。

（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、（Ａ）静電力を利用した薄葉材料の駆動装置において、
薄葉材料に直接正負の電荷を与えるイオン発生装置と、
この薄葉材料が載置され、絶縁体内に配線される複数の
電極を具備する固定子と、前記複数の電極への電圧の切
り換えにより前記薄葉材料に浮上力と駆動力を与え駆動
するとともに、位置決めを行う手段とを具備するように
したものである。

（Ｂ）静電力を利用した薄葉材料の駆動装置において、
イオン発生装置により直接正負の電荷を与え正負の帯状
の電荷パターンが付与された薄葉材料と、この薄葉材料
が載置され、絶縁体内に配線される複数の電極を具備す
る固定子と、前記複数の電極への電圧の切り換えにより
前記薄葉材料に浮上力と駆動力を与え駆動するととも
に、位置決めを行う手段とを具備するようにしたもので
ある。

（作用）本発明によれば、固定子の電極に電圧を印加した状態
で正負のイオンを薄葉材料としての絶縁性フィルム上に
振りかけると、イオンがそれぞれ逆符号の電圧の電極に
引き付けられ、絶縁性フィルム上に電極に沿った電荷パ
ターンが作られる。この電荷は、本願出願人が既に提案
した抵抗体を用いたアクチュエータにおいて作られる電
荷パターンと等価であり、その場合と同様の力が発生す
る。この方式は、イオンにより空気に導電性を与えるこ
とで、従来の方式における抵抗体層の役割を、空気が代
行させていると考えられる。

なお、イオン発生装置は、最初に電荷パターンを作り
出した後は、停止させても、動作させ続けてもよい。イ
オン供給を停止すると、電荷パターンが固定されるの
で、フィルムを正確なピッチで駆動することができる。

一方、イオンを供給し続けると、電荷パターンと電極
がずれても、電荷パターンが電極に沿うように修正され
るので、脱調現象が発生しなくなるという利点が生じ
る。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳
細に説明する。

第１図は本発明の実施例を示す静電力を利用した薄葉
材料の駆動装置の斜視図、第２図乃至第６図はその駆動
装置の動作説明図である。

これらの図に示すように、下部の固定子１は、絶縁体
２に帯状電極４を埋め込んだものである。

更に、詳細に述べると、この固定子１は、フィルム状
の絶縁体からなるベース層と、該ベース層上に配線され
る帯状電極４と、その上に形成されるフィルム上の絶縁
層とからなる。

薄葉材料10は、駆動対象物であり、絶縁性のフィルム
や紙を用いることができる。本願出願人が既に提案した
抵抗体を用いる従来の方式では、高い抵抗体層をもつ材
料のみが駆動可能であり、絶縁性材料は駆動できなかっ
た。一般に用いられているプラスチックフィルムは絶縁
体であるので、従来の方式は一般的なフィルムを駆動す
ることはできず、その有用性が限られていた。

本発明によれば、以下に説明するように、絶縁性フィ
ルムでも駆動を行うことができ、一般的な薄葉材料の駆
動装置として利用できる。また、プラスチックフィルム
に限定することなく、薄い絶縁体であれば、紙、ガラ
ス、セラミックなども駆動することができる。

このような薄葉材料10を固定子１の上に接触した状態
に載置する。また、薄葉材料10上には正負の電荷を付与
するための針電極６と、それに接続される交流高電圧源
５（例えば、７〜10KV）と、送風機７とからなるイオン
発生装置としてのイオンブロワー（コロナ放電式除電
器：例えば、シムコジャパン（株）製エアロスタットＡ
−80型）８を用いる。なお、上記した針電極６の代わり
に細いワイヤを用いることもできる。このイオンブロワ
ー８により、薄葉材料10上に正負の電荷を付与し、帯状
電極４には、後述するように、選択的に電圧が印加さ
れ、薄葉材料10を駆動するとともに、位置決めが行われ
る。

なお、イオンブロワー８が生成するイオン化空気の体
積抵抗率は、10¹⁰〜10¹²Ω・ｍであることが望ましい。

また、イオンブロワー８の針電極６は１個のみ図示さ
れているが、薄葉材料10上に複数個設けることが望まし
い。

因みに、例えば、帯状電極４の幅l₁は0.4mm、帯状電
極４のピッチl₂は1.27mm、帯状電極４が配置される全体
の幅l₃は126mm、帯状電極４の長さl₄は175mmである。

次に、この静電力を利用した薄葉材料の駆動装置の動
作について、第２図乃至第６図を参照しながら説明す
る。

まず、第２図に示すように、絶縁性フィルム20（例え
ば、10¹⁴Ω以上）の前処理を行う。即ち、固定子１を個
性する絶全体２に埋め込まれた各電極群4a₁,4a₂,4a₃、4
b₁,4b₂,4b₃、4c₁,4c₂,4c₃を0Vにした状態で、イオンブ
ロワー８により、正負の電荷を付与して、残留電荷があ
るような場合にはこれを中和して除電を行い、初期設定
を行う。

次に、第３図に示すように、固定子１を構成する絶縁
体２に埋め込まれた第１の電極群である電極4a₁,4a₂,4a
₃に正電圧＋Ｖ、第２の電極群である電極4b₁,4b₂,4b₃に
負電圧−Ｖ、第３の電極群である電極4c₁,4c₂,4c₃に0V
をそれぞれ印加する。その状態で固定子１に載置されて
いる絶縁性フィルム20にイオンブロワー８によってイオ
ンを振り掛け、電極に沿った電荷パターンを作る。

次に、第４図に示すように、各電極に印加する電圧を
切り換える。つまり、第１の電極群である電極4a₁,4a₂,
4a₃に負電圧−Ｖ、第２の電極群である電極4b₁,4b₂,4b₃
に正電圧＋Ｖ、第３の電極群である電極4c₁,4c₂,4c₃に
負電圧−Ｖをそれぞれ印加する。すると、各電極内の電
荷は瞬時に移動するが、絶縁性フィルム20の電荷は抵抗
値が高いため保持される。

従って、電極4a₁,4b₁,4a₂,4b₂の電荷と、その上の電
荷は同符号となるので、反発力、すなわち、絶縁性フィ
ルム20を浮上させる力が発生する。

そして、電極4c₁の−電荷と電極4b₁の上の絶縁性フィ
ルム20の＋電荷は吸引し、電極4c₁の−電荷と電極4a₂の
上の絶縁性フィルム20の−電荷は反発するので、絶縁性
フィルム20は右方向の駆動力を受け、右に移動する。

そこで、絶縁性フィルム20が右方向へ１ピッチ移動す
ると、第５図に示すように、電極の電荷と絶縁性フィル
ム20の電荷とが異極性となるので、吸引力が働き絶縁性
フィルム20はそこで停止する。

上記ステップを繰り返すことにより、絶縁性フィルム
20を駆動し、移動させることができる。

絶縁性フィルム20が所定位置に移動が完了すると、後
処理を行う。即ち、第６図に示すように、固定子１を構
成する絶縁体２に埋め込まれた各電極群4a₁,4a₂,4a₃、4
b₁,4b₂,4b₃、4c₁,4c₂,4c₃には電圧を印加しない状態
で、イオンブロワー８により、正負の電荷を付与して、
残留電荷があるような場合にはこれを中和して除電を行
った後、絶縁性フィルム20を外す場合、これを容易に剥
がすことができる。

上記実施例においては、イオンブロワー８は常時可稼
働させるようにしたが、この装置の駆動動作を行う前に
１度だけイオンブロワー８を作動させるようにしてもよ
い。

また、駆動対象フィルムにイオンを振りかける際に
は、フィルムが固定子電極に面している全ての部分に振
りかける必要はなく、第７図に示すように、固定子の端
の部分のみにイオンを与えるようにすることもできる。
このような構成であっても、イオンが振りかけられる部
分で作られた帯状の電荷パターンは、フィルムがイオン
がかからない部分に移動しても保持されるので、フィル
ムを駆動できる。

第８図は本発明の他の実施例を示す静電力を利用した
薄葉材料の駆動装置の構成図である。

ここでは、固定子の複数の電極は中心点を基準とし
て、その放射状に所定ピッチで配置され、前記中心点を
軸にして回転する薄葉材料を設けることにより、回転型
の薄葉材料の駆動装置を得ることができる。

この実施例においては、第８図（ａ）に示すように、
固定子40を構成する。つまり、リング状の絶縁体41内に
第１の電極群である電極42a₁〜42a₈,第２の電極群であ
る電極42b₁〜42b₈,第３の電極群である電極42c₁〜42c₈
を放射状に配置する。

一方、第８図（ｂ）に示すように、円板状の絶縁性フ
ィルム50の中心軸51を固定子40の中心Ｏと一致させて、
回転可能にセットする。この円板状の絶縁性フィルム50
には表示針52をデザインしておく。

そこで、円板状の絶縁性フィルム50に図示しないが上
記したようにしてイオンを振り掛ける。

そこで、固定子40を構成するリング状の絶縁体41に埋
め込まれた第１の電極群である電極42a₁〜42a₈に正電圧
＋Ｖ、第２の電極群である電極42b₁〜42b₈に負電圧−
Ｖ、第３の電極群である電極42c₁〜42c₈に0Vをそれぞれ
印加する。すると、固定子40に載置された円板状の絶縁
性フィルム50には、固定子40の電極に沿った電荷パター
ンができる。

次に、各電極に印加する電圧を切り換える。つまり、
第１の電極群である電極42a₁〜42a₈に負電圧−Ｖ、第２
の電極群である電極42b₁〜42b₈に正電圧＋Ｖ、第３の電
極群である電極42c₁〜42c₈に負電圧−Ｖをそれぞれ印加
する。すると、各電極内の電荷は瞬時に移動するが、円
板状の絶縁性フィルム50の電荷は保持される。

従って、電極42a₁,42b₁,42a₂,42b₂,42a₃,42b₃,42a₄,4
2b₄,42a₅,42b₅,42a₆,42b₆,42a₇,42b₇,42a₈,42b₈の電荷
と、その上の円板状の絶縁性フィルム50の電荷は同符号
となるので、反発力が発生し、円板状の絶縁性フィルム
50は浮上する。そして、電極42c₁の−電荷と電極42b₁の
上の円板状の絶縁性フィルム50の＋電荷は吸引し、電極
42c₁の−電荷と電極42a₂の上の円板状の絶縁性フィルム
50の−電荷は反発するので、円板状の絶縁性フィルム50
は時計方向に１ピッチ回転する。

そこで、円板状の絶縁性フィルム50が時計方向へ１ピ
ッチ移動すると、電極の電荷と円板状の絶縁性フィルム
50の電荷とが異極性となるので、吸引力が働き、円板状
の絶縁性フィルム50はそこで停止する。

このように電極の電圧の切り換えを、正規な矩形パル
スで行うことにより、円板状の絶縁性フィルム50を間欠
的に正確に回転させることができ、表示針52により正確
な時刻を表示することができる。

なお、このように構成することにより、極めて薄い時
計を得ることができる。また、固定子40、円板状の絶縁
性フィルム50、電極及び配線を透明体で構成することに
より、表示針52だけが時を刻むハイセンスな時計を得る
ことができる。

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。

（発明の効果）以上、詳細に説明したように、本発明によれば、機構
にローラ等の可動部がなく、電極と駆動回路のみで構成
されるため、構造が単純であり小型化することができ
る。また、駆動する薄葉材料としては絶縁性フィルム、
紙、ガラス、セラミックス等の薄い絶縁材料等、その材
料は広汎なものを用いることができる。

更に、薄葉材料の全面に直接に力を与えられることか
ら、ごく薄い材料でもしわをよせることなく駆動でき
る。例えば、工場における薄い材料を扱う工程や、小型
の機器における用紙送り装置等に利用することができ
る。

また、複数の電極は中心点を基準として放射状に所定
ピッチで配置され、前記中心点を軸にして回転する薄葉
材料を配置することにより、薄型の時計を得ることもで
きる。また、各部材を透明体とすることにより、透明な
時計を得ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す静電力を利用した薄葉材
料の駆動装置の斜視図、第２図乃至第６図はその駆動装
置の動作説明図、第７図は本発明の固定子の端の部分の
みにイオン発生装置を設置した例を示す図、第８図は本
発明の他の実施例を示す静電力を利用した薄葉材料の駆
動装置（回転型駆動装置）の構成図、第９図は従来の静
電モータの構成図である。 1,40……固定子、２……絶縁体、４……帯状電極、4a₁
〜4a₃、4b₁〜4b₃、4c₁〜4c₃,42a₁〜42a₈,42b₁〜42b₈,42
c₁〜42c₈……電極群、５……交流高電圧源、６……針電
極、７……送風機、８……イオンブロワー（イオン発生
装置）、10……薄葉材料、20……絶縁性フィルム、41…
…リング状の絶縁体、50……円板状の絶縁性フィルム、
51……中心軸、52……表示針。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）薄葉材料に直接正負の電荷を与える
イオン発生装置と、（ｂ）該薄葉材料が載置され、絶縁体内に配線される複
数の電極を具備する固定子と、（ｃ）前記複数の電極への電圧の切り換えにより前記薄
葉材料に浮上力と駆動力を与え駆動するとともに、位置
決めを行う手段とを具備する静電力を利用した薄葉材料
の駆動装置。
【請求項２】前記薄葉材料には駆動前にのみ電荷を付与
することを特徴とする請求項１記載の静電力を利用した
薄葉材料の駆動装置。
【請求項３】前記薄葉材料には駆動中接続して電荷を付
与することを特徴とする請求項１記載の静電力を利用し
た薄葉材料の駆動装置。
【請求項４】前記薄葉材料に対する電荷の付与が、固定
子電極の一部分の上のみにおいて行われることを特徴と
する請求項１記載の静電力を利用した薄葉材料の駆動装
置。
【請求項５】前記薄葉材料は表面抵抗10¹⁴Ω／□以上の
絶縁性フィルムや紙である請求項１記載の静電力を利用
した薄葉材料の駆動装置。
【請求項６】前記薄葉材料に対して前処理として電荷除
去を行う手段を具備することを特徴とする請求項１記載
の静電力を利用した薄葉材料の駆動装置。
【請求項７】前記薄葉材料に対して後処理として電荷除
去を行う手段を具備することを特徴とする請求項１記載
の静電力を利用した薄葉材料の駆動装置。
【請求項８】（ａ）イオン発生装置により直接正負の電
荷を与え正負の帯状の電荷パターンが付与された薄葉材
料と、（ｂ）該薄葉材料が載置され、絶縁体内に配線される複
数の電極を具備する固定子と、（ｃ）前記複数の電極への電圧の切り換えにより前記薄
葉材料に浮上力と駆動力を与え駆動するとともに、位置
決めを行う手段とを具備する静電力を利用した薄葉材料
の駆動装置。
【請求項９】前記複数の電極は中心点を基準として放射
状に所定ピッチで配置され、前記中心点を軸にして回転
する薄葉材料を具備する請求項１又は８記載の静電力を
利用した薄葉材料の駆動装置。
【請求項１０】前記薄葉材料は表示針を有する請求項９
記載の静電力を利用した薄葉材料の駆動装置。