WO2007145131A1

WO2007145131A1 - 静電モータ

Info

Publication number: WO2007145131A1
Application number: PCT/JP2007/061546
Authority: WO
Inventors: Toshio Sashida
Original assignee: Shinsei Corporation
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2007-12-21
Also published as: US20100164322A1; RU2430269C2; EP2040366A4; RU2008152022A; US20120274177A1; EP2040366A1; EP2040366B1; CA2656897C; JP4837449B2; CA2656897A1; US8278797B2; JP2007336735A; US8779647B2

Abstract

　本発明の静電モータは、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には、それぞれ電極支持体３１、３２に取り付けられ互いに絶縁体３３により電気的に絶縁された第１電極３４Ａと第２電極３４Ｂが円周方向に交互に配置され、回転子Ｒには、それぞれ電極支持体４１、４２に取り付けられ互いに絶縁体４３により電気的に絶縁された第１電極４４Ａと第２電極４４Ｂが円周方向に交互に配置され、固定子Ｓ側の第１電極３４Ａと第２電極３４Ｂは回転軸１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Ｒ側の第１電極４４Ａと第２電極４４Ｂは回転軸１の中心から所定の距離だけ離間し、かつ固定子Ｓ側の第１電極３４Ａ及び第２電極３４Ｂの列間の中間に位置するように配置される。これにより、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が提供される。

Description

明細書

静電モータ

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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つた。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/ disserta- tionj/yamamoto.html 着 ^：山本晃生等)。

[0003] し力しながら、コイルと磁石からなる電磁力を利用した従来の電気モータは、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。

[0004] 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。

発明の開示

[0005] 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。

[0006] 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、しかも軽量ィ匕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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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。

[0013] 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等を用いるとともに、絶縁物構成部材に無機質絶縁体を用いること。

[0014] 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。 [0015] 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一よりなるエンコーダを設けたこと。

[0016] 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。

[0017] 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レ、。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。

[0018] 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。

[0019] 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鋼等及び磁器、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。

[0020] 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。

図面の簡単な説明

[0021] [図 1]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である。

[図 2]図 2は同上実施形態の固定子の平面図である。

[図 3]図 3は同上実施形態の回転子の平面図である。

[図 4]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。

[図 5]図 5 (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、図 5 (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。

[図 6]図 6は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。

[図 7]図 7は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。

[図 8]図 8は本発明の第 2実施形態に係る静電モータの縦断面図である。

[図 9]図 9は本発明の第 3実施形態に係る静電モータの縦断面図である。

[図 10]図 10は本発明の第 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。

[図 11]図 11は第 4実施形態の固定子の断面図である。

[図 12]図 12は第 4実施形態の回転子の断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0022] 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。

[0023] 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は同上実施形態の固定子の平面図、図 3は同上実施形態の回転子の平面図、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。

[0024] 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。

[0025] 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。

[0026] 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力 Sできる。

[0027] 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。

[0028] 回転子 R佃 J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。 [0029] 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〜： !OOkV程度）を出力して第 1電極 44A、第 2 電極 44Bに供給する。

[0030] 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 1 0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。

[0031] 本発明は、真空中で作動する静電モータとしている力たとえば 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。

[0032] 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列とした力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。

[0033] 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等を用いるとともに、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、タ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、バナジゥム、タンタル、ジノレコニゥム等のガス吸着材 (ゲッタ材）を蒸着することも有効である。

[0034] 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レ、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。

[0035] 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（l〜100kV程度 )をカ卩えると第 1電極 34Aと第 2電極 34Bの間に高電界（l〜100kVZmm程度）が形成される。

[0036] 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（l〜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。

[0037] 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 XOよりわずかに右側に回転子 R側の第 2電極 44Bが来た時 (XI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。

[0038] 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、ェンコ一ダのセンサー 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。

[0039] 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、 T

0は XOの時刻を示し Tl、 Τ2は XI、 Χ2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。

[0040] 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。

[0041] 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 34Α、第 2電極 34

Βを 3歹 lj、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。

[0042] 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。

[0043] 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。

[0044] 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。

[0045] 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。

[0046] 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。

[0047] 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、 3 2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。

[0048] 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。

Claims

請求の範囲

[1] 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。

[2] 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。

[3] 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。

[4] 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。

[5] 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。

[6] 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。

[7] 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。

[8] 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。

[9] 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レヽずれか一項に記載の静電モータ。