交流駆動両電極形静電モータ^[1,2]

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はじめに

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原理

　交流駆動両電極形静電モータの試作例を図１に示す．本静電モータは，固定子・移動子の２種のフィルムからなる．固定子・移動子ともに，３相に結線された平行帯状電極を持ち，表面は絶縁膜で覆われている．固定子・移動子ともに，帯状電極の配置ピッチは同じであり，図１の場合においては，320µmの配置ピッチとなっている．
　本モータには，大別して２つの駆動方法がある．それぞれ，２周波数法，１周波数法と呼んでいるが，まず始めに２周波数法の場合について，動作原理を説明する．

図１　交流駆動両電極形静電モータ

２周波数法

　図２は，２周波数法によるモータの駆動原理を表したものである．２周波数法においては，周波数の異なる２つの３相正弦波を，固定子・移動子のそれぞれの３相電極に印加する．固定子・移動子，それぞれの表面近傍においては，３相正弦波の印加に従い，おおよそ正弦波状の進行電位分布が発生する．これら２つの電位分布の間には，両者の空間的位相差に応じて，静電吸引・反発力が働き，それによって，モータが駆動される．
　本モータは同期モータであり，その同期速度は固定子・移動子の両３相電極への印加周波数により定まる．固定子側の印加周波数を f_st ，移動子側の印加周波数を f_sl とすると，モータの同期速度 u_d は，

u_d = 3 p ( f_st - f_sl )

と表される．

図２　２周波数法

１周波数法

　２周波数法においては，駆動に６相分の信号（３相正弦波×２）が必要とされる．後述するように，本モータの駆動には 1000～2000V 程度の高電圧を必要としており，そのような高電圧を発生することは容易ではないため，駆動時の信号相数の削減が求められる．１周波数法は，信号の接続方法を工夫することにより，信号相数を６相から３相へと削減した駆動方法である．
　１周波数法によるモータの駆動原理を図３に示す．１周波数法では，１つの３相正弦波を，固定子・移動子の両者に，それぞれ接続順が逆向きになるようにして印加する．これにより，固定子・移動子上には，それぞれ逆向きに進行する正弦波状の電位分布が発生する．これらの２つの電位分布の間に働く静電気力により，モータは駆動される．
　１周波数法における同期速度 u_s は，印加する３相正弦波の周波数を f として，

u_s = 6 p f

と表される．

図３　１周波数法

性能

　図１のモータを，１周波数法で駆動した場合の性能測定結果を以下に示す．駆動に際しては，移動子・固定子間の摩擦を低減するため，フィルム間には直径10～20µm程度のガラスビーズを挿入した．また，空気の絶縁破壊によるフィルムの帯電を防止するため，フィルム間の空隙をフッ素系絶縁性液体（パーフルオロカーボン，商品名：Fluorinert FC-77 (3M社)）で満たした．
　図１のモータを，１周波数法で駆動した場合の印加電圧と推力との関係を図４に示す．推力は，移動子に糸を取り付け分銅を引き上げさせることで測定した．推力は，印加電圧の２乗におおよそ比例している．図中よりさらに高い電圧を印加したところ，2500V_rmsの電圧印加時において，最高4.4Nの推力を発生した．固定子・移動子フィルムの重量は，それぞれ，3.5gずつ，合計7gであるので，本モータは自重の60倍以上，移動子重量に対しては120倍以上の推力（120G）を発生していることになる．
　モータのパワーを測定した結果を図５に示す．印加電圧は2500V_rmsである． 0.53m/sのときに最大のパワーを発生しており，そのときのパワーは1.6Wとなった．固定子・移動子フィルムの重量の合計は7gであることから，本モータのパワー密度（パワー／重量比）を計算すると，230W/kgとなる．このパワー密度は，現時点で商業的に入手可能な最高性能の電磁モータと，ほぼ同等の値である．

図４　印加電圧と推力の関係

図５　パワー特性

積層モータ

　本モータは，薄いフィルムにより構成されるため，容易に積層し，高出力化することができる．図６に積層モータの試作例を，図７に構造図を示す．
　図６のモータにおいては，固定子・移動子のフィルムを各５０枚ずつ，交互に積み重ねている．利用したフィルムは，電極ピッチ200µm，１層当たりの有効電極面積が25cm²である．

図６　積層モータ（５０層）

図７　積層モータの内部構造

この積層モータの推力を測定した結果を，図８に示す．駆動に必要な３相電圧は，商用３相電源を，トランスで昇圧することにより得た．そのため，駆動周波数は50Hzであり，同期速度は60mm/sである． 1500V_rmsの電圧印加時において，推力 310N（約30kgf）を得た．駆動速度が限られているため，あまり高い出力を得ることはできていないが，最大推力時における出力は19Wである．

図８　積層モータの推力特性

電極のスキューによる推力リプル低減^[3,4]

　本モータは，同期モータであるため，誘導電荷形モータと比べ，制御が容易である．さらに，薄型・軽量，高出力密度といった特徴をあわせて考えると，本モータは小型・軽量化の進む各種メカトロニクス機器への搭載に適していると考えられる．
　そのような応用においては，優れた制御性能が要求されることは言うまでもないが，本モータは，電極ピッチ単位で発生する大きな推力リプルを有しているため，電極ピッチ以下（～200µm程度）の領域においては，高い制御性能を得ることが難しい．この点を改善するために，電極をスキュー（傾斜）することを提案し，優れた改善効果を得た．
　図９に，移動子電極をスキューさせたモータ構成を示す．この構成では，移動子側は，ヨー運動を抑制するために，波形の電極形状となっている．波形の電極の山と谷の部分の間隔は，電極ピッチの1.5倍である．これは，数値解析の結果に基づき，最も優れた推力特性が得られるように定められている．

図９　電極のスキュー

　図１０に，電極をスキューした場合と，スキューしない（従来通りの）場合，それぞれに関して，移動子の動作の様子を示す．いずれの場合も，電圧1800V_rms，周波数2.5Hz (同期速度 3mm/s)の３相正弦波で駆動を行っている．従来の電極構成では，正弦波で駆動しているにも関わらず，ステップ状の動作しか得られないのに対し，電極をスキューした場合には，滑らかな動作軌跡が得られている．このような動作の改善により，モータの発生する振動・騒音の大幅な低減や，駆動効率の向上といった効果も確認された．


図１０　移動子の動作の様子（左：従来型，右：電極をスキューした場合）

　図１１に，電極をスキューした場合と，しない場合の，推力特性を示す．推力の測定は，図４と同様に，移動子に糸を介しておもりをつり下げることにより行い，引き上げ可能な最大のおもり重量を推力とした．印加周波数は2.5Hz (同期速度 3mm/s)に固定した．この結果より，電極をスキューした場合でも，従来と遜色のない推力特性が得られていることがわかる．

図１１　電極スキュー時の推力特性

位置決め制御への利用^[5]

　本モータを位置決め制御へ応用した例を示す．駆動用電極は，200µmで配置されており，移動子側の電極はスキューされているものを利用した．フィルムの積層は行なっていない．移動子はリニアガイドで案内するとともに，分解能6.25nmのリニアエンコーダを取り付け，移動子位置を測定できるようにした．図１２に，制御結果の一例として，10mmのステップ入力に対する応答を示す．リニアエンコーダの１パルス分に相当する±6.25nmの範囲内で位置決めが行われており，本モータがナノメートルオーダの高い位置決め能力を有していることがわかる．

図１２　位置決め制御

参考文献

[1] T. Niino, S. Egawa, H. Kimura, and T. Higuchi : "Electrostatic Artificial Muscle : Compact, High-Power Linear Actuators with Multiple-Layer Structures", Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop '94, pp. 130-135 (1994)
[2] T. Niino, T. Higuchi, and S. Egawa : "Dual Excitation Multiphase Electrostatic Drive", Conference Record of the 1995 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, pp. 1318-1325 (1995)
[3]山本，新野，坂，樋口，「電極の傾斜配置による静電モータの性能改善に関する解析」，電気学会論文誌Ｄ，Vol. 117-D，No. 3，pp. 373-378 (1997)
[4]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，Vol. 117-D，No. 9，pp. 1139-1145 (1997)
[5]山本，新野，樋口，「高出力静電リニアモータを用いた高精度位置決め制御」，精密工学会誌，Vol. 64，No. 9，pp. 1385-1389 (1998)

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