JP4837449B2

JP4837449B2 - 静電モータ

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Publication number: JP4837449B2
Application number: JP2006167247A
Authority: JP
Inventors: 年生指田
Original assignee: Shinsei Corp
Current assignee: Shinsei Corp
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2026-06-16
Also published as: US8278797B2; US20100164322A1; US8779647B2; RU2008152022A; CA2656897A1; CA2656897C; JP2007336735A; EP2040366A4; US20120274177A1; EP2040366B1; EP2040366A1; WO2007145131A1; RU2430269C2

Description

本発明は、静電力を利用して回転駆動する静電モータに関し、特に真空中において高電界を生じさせて回転駆動する静電モータに関する。

従来の電気モータのほとんどは、コイルと磁石からなる電磁力を利用したものであった。また、静電力を利用して回転駆動する静電モータも知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１等）。

しかしながら、コイルと磁石からなる電磁力利用した従来の電気モータでは、真空中ではガスが発生し、真空を破壊してしまうおそれがあった。また、磁性体を使用しているため、高磁場の中では作動することができなかった。

従来の静電モータでも、やはり上記と同じように真空中ではガスが発生し、真空を破壊してしまうおそれがあった。また、従来の静電モータでは、絶縁体上に多数の電極対を配置し、その間隔を狭くして電界を高める方法としているが、絶縁破壊、沿面放電、火花放電等のため、高電界を作り出せず十分な駆動力が得られなかった。その結果、実用的な静電モータが実現できなかった。
特開平８−８８９８４号公報「静電モータを用いたサーボシステムに関する研究」www.intellect.pe.u-tokyo.ac.jp/japanese/dissertation_j/yamamoto.html 著者：山本晃生

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、真空中において高電界を生じさせて十分な駆動力で回転駆動することができる静電モータを提供することを課題とする。

また、本発明は、絶縁破壊、沿面放電、火花放電等を効果的に防止し、高磁場の中でも作動でき、しかも軽量化を図ることができる静電モータを提供することも課題としている。

本発明の静電モータは、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、真空容器内に、円盤状の固定子と円盤状の回転子が対向配置され、固定子は真空容器本体に固定され、回転子は回転軸を介して回転自在に真空容器本体に軸支され、固定子には、それぞれ電極支持体に取り付けられ互いに絶縁体により電気的に絶縁された第１電極と第２電極が円周方向に交互に配置され、回転子には、それぞれ電極支持体に取り付けられ互いに絶縁体により電気的に絶縁された第１電極と第２電極が円周方向に交互に配置され、固定子側の第１電極と第２電極は回転軸の中心から所定の距離だけ離間して２列以上の間隔で配置され、回転子側の第１電極と第２電極は回転軸の中心から所定の距離だけ離間し、かつ固定子側の第１電極及び第２電極の列間の中間に位置するように配置され、固定子側の第１電極と第２電極間には所定の電界が印加され、回転子側の第１電極と第２電極には異なる極性の電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加されること。

第２に、上記第１の発明において、固定子側の第１電極と第２電極、及び回転子側の第１電極と第２電極は、それぞれピン状に形成され、且つそれぞれ回転軸の軸方向と平行に配置されていること。

第３に、上記第１又は第２の発明において、固定子側の第１電極と第２電極の電極支持体、及び回転子側の第１電極と第２電極の電極支持体は、それぞれ絶縁体により十分な沿面距離で絶縁支持されていること。

第４に、上記第１ないし第３いずれかの発明において、固定子側と回転子側の絶縁体にそれぞれ１又は複数の溝が形成されていること。

第５に、上記第１ないし第４いずれかの発明において、固定子側の第１電極と第２電極、及び回転子側の第１電極と第２電極は、それぞれ端部が丸みを有する形状に形成されていること。

第６に、上記第１ないし第５いずれかの発明において、真空容器内の金属製構成部材にステンレス鋼を用いるとともに、絶縁物構成部材に無機質絶縁体を用いること。

第７に、上記第１ないし第６いずれかの発明において、真空容器内の金属製構成部材に非磁性体を用いること。

第８に、上記第１ないし第７いずれかの発明において、固定子側の第１電極、第２電極と、回転子側の第１電極、第２電極との相対的な位置を検出するスリット板とセンサーよりなるエンコーダを設けたこと。

第９に、上記第１ないし第８いずれかの発明において、真空容器内の構成部材にガス吸着材を蒸着したこと。

本発明によれば、上記構成を採用したので、固定子及び回転子の電極支持体に取り付けられた第１電極、第２電極は真空中に存在し、従来の静電モータのように電極群を絶縁体で支持させている手法と違い、電極間が高電界であっても絶縁破壊を起こさない。そのため電磁モータと同等あるいはそれ以上の高出力化が可能となる。よって、真空中において高電界を生じさせて十分な駆動力で回転駆動することができる静電モータを提供することが可能となる。高真空でクリーンな真空状態で駆動可能となると、例えば半導体製造装置等に応用可能となり、また風損が無いため効率が高くなる利点がある。また、電極間に高電界で作動するため小型モータあるいは大型モータの実用化が可能となり、高出力で軽量化が図れる。

また、本発明によれば、電極支持体を十分な沿面距離で絶縁支持させ、絶縁体に溝を設けることにより、絶縁破壊、沿面放電、火花放電等を効果的に防止し、高電界を生じさせる静電モータとすることができる。

また、本発明の静電モータは、構成部材に、残留ガスの発生が少ないステンレス及び磁器、ガラス等の無機質絶縁体を使うことによりクリーンな真空の中で使用できる。さらに、金属製構成部材に、非磁性体を使うことにより非磁性モータが可能となり、高磁場の中でも使用できる。

さらに、本発明の静電モータは、金属製構成部材に重い磁性材料を使用しないことにより、従来の電気モータに比べ、軽量化が図れる。

以下、本発明の実施形態に係る静電モータを詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る静電モータの縦断面図、図２は同上実施形態の回転子の平面図、図３は同上実施形態の固定子の平面図、図４は同上実施形態の固定子の第１電極及び第２電極の一部詳細見取り図である。

本実施形態の静電モータは、真空容器１１内に、円盤状の固定子Ｓと円盤状の回転子Ｒが対向配置され、固定子Ｓは真空容器１１本体に固定されている。本実施形態の静電モータは、３Ｐａ以下の真空下において作動可能となっている。

本実施形態の静電モータでは、固定子Ｓ側の各電極支持体３１に第１電極３４Ａを固定配置する。この第１電極３４Ａは回転軸１の中心（モータ基体１０の中心）から所定の距離だけそれぞれ離間して２列配置されている。また、固定子Ｓ側の他の電極支持体３２においても同様に第２電極３４Ｂが固定配置されている。第１電極３４Ａと第２電極３４Ｂは、図２、図４に示すように、交互に位置するように配置されている。第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂは、回転軸１と平行に電極支持体３１、３２に円周方向に等分割で配置され、放射方向に２列固定配置されている。第１電極３４Ａと第２電極３４Ｂを備えた電極支持体３１と電極支持体３２は絶縁体３３で固定され、モータ基体１０（真空容器１１本体）に取り付けられている。絶縁体３３は十分な絶縁厚さと沿面距離を取り、複数の溝を設けて沿面放電を防止する形状とする。ここで十分な絶縁厚さと沿面距離は、それぞれ絶縁体の絶縁破壊電圧以上の厚さとその数倍以上の沿面距離を必要とする。また、溝の個数、形状、深さ等は静電モータの大きさ、用途等に応じて適宜設定することができる。

一方、回転子Ｒ側の各電極支持体４１にも第１電極４４Ａを固定配置する。この第１電極４４Ａは回転軸１の中心から所定の距離だけ離間して１列配置されている。また、回転子Ｒ側の他の電極支持体４２においても同様に第２電極４４Ｂが固定配置されている。第１電極４４Ａと第２電極４４Ｂは、図３に示すように、固定子Ｓ側と同様、交互に位置するように配置されている。第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂは、回転軸１と平行に電極支持体４１、４２に円周方向に等分割で配置され、放射方向に１列固定配置されている。第１電極４４Ａと第２電極４４Ｂを備えた電極支持体４１と電極支持体４２は絶縁体４３で固定され、回転軸１に取り付けられている。絶縁体４３も、固定子Ｓ側と同様、十分な絶縁厚さと沿面距離を取り、複数の溝を設けて沿面放電を防止する形状とする。なお、溝の個数、形状、深さ等は静電モータの大きさ、用途等に応じて適宜設定することができる。

回転子Ｒ側の第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂは、上記したように固定子Ｓ側の第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂと同様に回転軸１と平行に支持体４１、４２に等分割で固定配置されるが、回転軸１の中心からの位置は、回転子Ｓが回転駆動可能になるように、図１に示すように、固定子Ｓ側の第１電極３４Ａ及び第２電極３４Ｂの列間の中間になければならない。第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂ、第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂの形状はピン状となっており、その端部は丸みを有していることが電極間の放電を防止するため好ましい。なお、これら電極形状はピン状以外の形状としてもよい。

回転子Ｒ側の電極４４Ａ、４４Ｂへの給電は、スリップリング５１、５２とブラシ６１、６２を通して行われる。

エンコーダは、光学式の場合（スリット板７とセンサー８）、磁気式の場合（磁気円盤とセンサー）から構成することができ、ここでは前者を採用しているが、回転子Ｒ側の第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂの通電タイミングをセンサー８で検出し、ドライブ回路（図示せず）で信号処理し、高電圧（１〜１００ｋＶ程度）を出力して第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂに供給する。

真空シール９は、静電モータを空気中あるいはガス中で使用する時にモータ基体１０に取り付けて、静電モータの内部の真空を維持するためである。

本発明は、真空中で作動する静電モータとしているが、たとえばＳＦ６ガス等の絶縁ガス中であっても静電モータとして機能することは言うまでもない。

また、上記では、固定子Ｓ側の第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂを２列、回転子Ｒ側の第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂを１列としたが、後述するようにこれらの列数はこれに限定されず、それ以上の列数に設定することができる。

また、本実施形態において、真空容器１１内の第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂ、電極支持体３１、３２、第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂ、電極支持体４１、４２等の金属製構成部材に残留ガスの発生の少ないステンレス鋼を用いるとともに、絶縁物構成部材に同じく在留ガスの発生の少ない磁器やガラス等の無機質絶縁体を用いると、クリーンな真空の中での使用が確保される。また、真空容器１１内の構成部材にチタン、バナジウム、タンタル、ジルコニウム等のガス吸着材（ゲッタ材）を蒸着することも有効である。

さらに、本実施形態において、真空容器１１内の金属製構成部材に非磁性体を用いると、非磁性モータとすることが可能となり、高磁場の中での使用が可能となる。また、金属製構成部材に重い磁性材料を使用しないため、軽量化にも寄与できる。

上記のように構成された本実施形態の静電モータの作動原理を説明すると、図５の（Ａ）に示すように、固定子Ｓ側の電極支持体３１と３２の間に高電圧（１〜１００ｋＶ程度）を加えると第１電極３４Ａと第２電極３４Ｂの間に高電界（１〜１００ｋＶ／ｍｍ程度）が形成される。

一方、回転子Ｒ側の第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂが固定子Ｓ側の第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂの間を円周方向に自由に移動するように構成されていることから、電極支持体４２にプラスの高電圧（１〜１００ｋＶ程度）を加えると第１電極４４Ｂは正に、第２電極４４Ａは負に帯電する。帯電のタイミングは、たとえば固定子Ｓ側の第２電極３４Ｂに対して回転子Ｒ側の電極４４Ｂがどの位置にあるかにより推力（回転力）の方向が決定され、電圧の大きさと時間が推力（回転力）の大きさに影響を与える。

図６は、固定子Ｓ側の第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂと、回転子Ｒ側の第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂのみを示して動作原理を説明する図である。例えば、固定子Ｓ側の第２電極３４Ｂの位置Ｘ０よりわずかに右側に回転子Ｒ側の第２電極４４Ｂが来た時（Ｘ１の位置）第２電極４４Ｂにプラスの電位を与えると第２電極３４Ｂと第２電極４４Ｂには斥力が働き、第１電極３４Ａと第２電極４４Ｂには吸引力が働く。その結果、第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂに結合された回転子Ｒは右方向に駆動力を受け移動する。

第２電極４４Ｂは、第１電極３４Ａの直前（Ｘ２の位置）で電圧が切り替わり、エンコーダのセンサー８の信号により第２電極４４Ｂの位置タイミングを検出するたびにその動作を繰り返す。

図７は、回転子Ｒ側の第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂの電圧波形を示す。（ただし、Ｔ０はＸ０の時刻を示しＴｌ、Ｔ２はＸ１、Ｘ２の時刻を示す。）
次に、本発明による第２実施形態に係る静電モータについて述べる。

図８は第２実施形態の静電モータの縦断面図である。図８において第１実施形態で用いた図面と同様な要素には同じ符号を付して重複説明は避ける。

第２実施形態では、固定子Ｓ側の電極支持体３１、３２に第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂを３列、円周回りに配置し、回転子Ｒ側は電極支持体４１、４２に第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂを２列、円周回りに配置してある。本実施形態は、電極数を増やすことにより、さらに高出力の静電モータを実現するものである。

次に、本発明による第３実施形態に係る静電モータについて述べる。

図９は第３実施形態の静電モータの縦断面図である。図９においても第１実施形態で用いた図面と同様な要素には同じ符号を付して重複説明は避ける。エンコーダ、スリップリング、ブラシは図示を省略してある。

上記第１実施形態や第２実施形態では、電極が片支持構造という制約から電極の長さを必要以上に伸ばすことに限界がある。そこで、本実施形態では、回転子Ｒ側の電極支持体４１、４２の両側面から第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂを伸張させることにより、第１実施形態の片支持構造の電極を備えた静電モータの倍の出力が可能となる。また、固定子Ｓ側の電極支持体３１、３２の両側面から第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂを伸張させ、軸方向に回転子Ｒ、固定子Ｓを多段に積み重ねることも可能である。

次に、本発明による第４実施形態に係る静電モータについて述べる。

図１０は第４実施形態に係る静電モータであって、回転軸中心から放射状に固定子側の第１電極、第２電極と、回転子側の第１電極、第２電極を配列した静電モータの縦断面図、図１１は第４実施形態の固定子の断面図、図１２は第４実施形態の回転子の断面図である。これらの図においても第１実施形態で用いた図面と同様な要素には同じ符号を付して重複説明は避ける。エンコーダ、スリップリング、ブラシは図示を省略してある。
ただし、本実施形態では、固定子Ｓ側の電極支持体３１、３２、絶縁体３３、第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂと、回転子Ｒ側の電極支持体４１、４２、絶縁体４３、第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂの位置関係が上記各実施形態と異なっている。

本実施形態では、パイプ状の電極支持体４１に空けられた大きめの穴を通して、多数の穴の開いたパイプ状の電極支持体４２に第１電極４４Ａを軸心に向かって圧入、固定配置し、第２電極４４Ｂは電極支持体４１に固定配置する。第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂも同様に軸心方向に電極支持体３１、３２に固定配置する。電極支持体３１、３２は、絶縁体３３を介してモータ基体１０または真空容器１１本体に固定され、電極支持体４１、４２は絶縁体４３を介して回転体１２と回転軸１に結合する。

このような構成としても、上記実施形態と同様な優れた効果を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る静電モータの縦断面図である。同上実施形態の固定子の平面図である。同上実施形態の回転子の平面図である。同上実施形態の固定子の第１電極及び第２電極の一部詳細見取り図である。（Ａ）は同上実施形態の固定子側の電極支持体と第１電極、第２電極の一部断面の配置を示す展開図、（Ｂ）は同上実施形態の回転子側の電極支持体と第１電極、第２電極の一部断面の配置を示す展開図である。同上実施形態の固定子側の第１電極、第２電極と回転子側の第１電極、第２電極による動作原理説明図である。同上実施形態の回転子側の第１電極と第２電極の電圧波形を示す図である。本発明の第２実施形態に係る静電モータの縦断面図である。本発明の第３実施形態に係る静電モータの縦断面図である。本発明の第４実施形態に係る静電モータであって、回転軸中心から放射状に固定子側の第１電極、第２電極と、回転子側の第１電極、第２電極を配列した静電モータの縦断面図である。第４実施形態の固定子の断面図である。第４実施形態の回転子の断面図である。

符号の説明

１回転軸
２軸受
７エンコーダのスリット板
８エンコーダのセンサー
９真空シール
１０モータ基体
１１真空ケース
１２回転体
３１、３２固定子側の電極支持体
３３固定子側の絶縁体
３４Ａ固定子側の第１電極
３４Ｂ固定子側の第２電極
４１、４２回転子側の電極支持体
４３回転子側の絶縁体
４４Ａ回転子側の第１電極
４４Ｂ回転子側の第２電極
５１、５２スリップリング
６１、６２ブラシ
Ｓ固定子
Ｒ回転子

Claims

真空容器内に、円盤状の固定子と円盤状の回転子が対向配置され、固定子は真空容器本体に固定され、回転子は回転軸を介して回転自在に真空容器本体に軸支され、
固定子には、それぞれ電極支持体に取り付けられ互いに絶縁体により電気的に絶縁された第１電極と第２電極が円周方向に交互に配置され、
回転子には、それぞれ電極支持体に取り付けられ互いに絶縁体により電気的に絶縁された第１電極と第２電極が円周方向に交互に配置され、
固定子側の第１電極と第２電極は回転軸の中心から所定の距離だけ離間して２列以上の間隔で配置され、
回転子側の第１電極と第２電極は回転軸の中心から所定の距離だけ離間し、かつ固定子側の第１電極及び第２電極の列間の中間に位置するように配置され、
固定子側の第１電極と第２電極間には所定の電界が印加され、
回転子側の第１電極と第２電極には異なる極性の電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加されることを特徴とする静電モータ。
固定子側の第１電極と第２電極、及び回転子側の第１電極と第２電極は、それぞれ棒状に形成され、且つそれぞれ回転軸の軸方向と平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の静電モータ。
固定子側の第１電極と第２電極の電極支持体、及び回転子側の第１電極と第２電極の電極支持体は、それぞれ絶縁体により十分な沿面距離で絶縁支持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電モータ。
固定子側と回転子側の絶縁体にそれぞれ１又は複数の溝が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項に記載の静電モータ。
固定子側の第１電極と第２電極、及び回転子側の第１電極と第２電極は、それぞれ端部が丸みを有する形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項に記載の静電モータ。
真空容器内の金属製構成部材にステンレス鋼を用いるとともに、絶縁物構成部材に無機質絶縁体を用いることを特徴とする請求項１ないし５いずれか一項に記載の静電モータ。
真空容器内の金属製構成部材に非磁性体を用いることを特徴とする請求項１ないし６いずれか一項に記載の静電モータ。
固定子側の第１電極、第２電極と、回転子側の第１電極、第２電極との相対的な位置を検出するスリット板とセンサーよりなるエンコーダを設けたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の静電モータ。
真空容器内の構成部材にガス吸着材を蒸着したことを特徴とする請求項１から８いずれか一項に記載の静電モータ。