WO2001069771A1 - Corps rotatif et moteur electrique quantique - Google Patents

Description

明 細 書 回転体と量子電動機 技術分野

この出願の発明は、 回転体と量子電動機に関するものである。 されに詳し くは、 この出願の発明は、 各種の物理、 機材器機において有用な回転体、 そ してこの回転体を回転子とする電動機、 特に微小機材の回転駆動装置として の電動機に関するものである。 背景技術

従来、 電気モーターと呼ばれているものは、 電流を流して電磁力により回 転駆動力を得るもので、 電気エネルギーを機械的にエネルギーに変換する電 磁動力装置である。 そのためこれを電磁モーターと呼ぶのが適切である。 電 磁モーターは比較的効率が高く、 取り扱いやすい上に制御性もよい。 電源さ えあればどこでも手軽に使用することができ、 大出力のものから、 小型のも のまで作ることができる上、 種種の特性をもつ色々な形式のものがあり、 用 途が広く、 家庭から工場まで広範囲にわたって使用されている。

このような電磁モーターの動作原理は、 古典的な電磁力に基づくものであ る。 すなわち、 磁界の中で、 磁界と直角方向に電流を流すと、 フレミングの 左手の法則により、 磁界の向きと電流の向きのそれぞれに直角向きに力が働 く。 この力を中心軸の周りの一定方向の回転力となるように、 磁界と電流の 相対的な向き関係を同一に保つように電流の向きを順次回転に応じて切り替 えるようにすると、 同一方向への回転が続くというものである。

電磁モーターには、 直流の電源を用いる直流電動機、 交流の電源を用いる 交流電動機に大きく分けられるが、 交流電動機には交流整流子電動機、 同期 電動機、 誘導電動機など色々の種類ものがあり、 それぞれ異なった特性と用 途を有している。 またリニアモー夕一は、 回転運動ではなく、 直線運動をす る原動機であり、 交流電動機の一種である。

このように種々の形式と広い用途をもつ電磁モーターであるが、 マイクロ マシンの動力のためにマイクロ電磁モーターを作ろうとすると、発生する力、 及び効率はサイズと共に極端に小さくなり、 実用に耐える駆動力が得られな くなつてくる。 これは一種の電磁気学特有のサイズ効果である。

それを補うものとして登場したのが静電モー夕一である。 静電モー夕一は 固定子と回転子を帯電させ、 その間に働く静電気力 （クーロン力） を回転運 動に変えるものである。 モーターのサイズが大きいときには、 静電力は先の 電磁力に比べると微弱なので、 大きな回転力を発生し得ないが、 サイズが小 さくなつたときサイズの割に電磁モーターに比べて大きな回転力を発生する ことができるようになる。 そのため、 静電モー夕一はマイクロマシンの原動 機として、 電磁モ一夕一に代わって有望であると考えられている。

しかしながら、 静電モーターは小さな空間に高い電圧をかけなくてはなら ず、 絶縁が容易でなく、 また、 駆動のために、 帯電の極性を回転に合わせて 交番的に変えていく電子回路を必要とするなど、 複雑な構造を有しているな ど欠点を有している。 発明の開示

この出願の発明は、 これら従来の微小電動機の問題を解決するために創案 されたものであり、 簡単な構造を有し、 損失の少ない新しい微小電動機の構 成も可能とする回転体とこれを用いた電動機を提供することを課題としてい る。

この出願の発明は、 上記の課題を解決するものとして第 1 には、 回転体に おいて回転面の一方から注入される電子と、 回転体の他方から引き出される 電子がそれぞれ同数で、 かつスピン偏極の度合いが異なることを特徴とする 回転体を提供する。

そして、 この出願の発明は上記回転体について、 第 2には、 注入される'電 子と引き出される電子が、 各々、 スピン偏極していない電子とスピン偏極し た電子であるか、 もしくはその逆である回転体を、 第 3には、 回転面の一方 が非磁性金属または合金であり、 他方が磁化された強磁性金属または合金で あって、 両者が電気的に接合されている回転体を、 第 4には、 磁化された強 磁性合金がその成分の一つとしてマンガンを含む回転体を、 第 5には、 回転 体の直径が 0 . 0 1 m以上、 4 mm以下である回転体を提供する。

また、 この出願の発明は、 第 6には、 軸対称の前記いずれかの回転体であ つて、 その重心が支点とされている回転体を、 第 7には、 支点において片持 ち式軸受けで支持される回転体を提供し、 第 8には、 軸対称の回転体におい て、 内筒が非磁性金属または合金であり、 その外筒が磁化された強磁性金属 または合金であるかまたはその逆であり、 内筒と外筒の電気的に接合されて いる回転体を、 第 9には片持ち式軸受けから電流が注入され、 回転体の外周 表面から電流が引き出されるようにした回転体を提供する。

さらに、 この出願の発明は第 1 0には、 以上いずれかの回転体を回転子と する量子電動機を提供し、 第 1 1には、 回転体がガス放電域に配置され、 放 電プラズマ内に電子が放出されるようにした量子電動機を提供する。

以上のとおりのこの出願の発明は新しい原理による微小回転体とこれを用 いた電動機の基本構成を提供するものである。 すなわちこの出願の発明によ る微小回転体とこれを用いた電動機は、 電流により運ばれる電子の量子力学 的スピン角運動量を回転子の古典力学的回転角運動量に変換する手段であつ て、 電気的エネルギーを入れることにより、 量子力学的作用により回転子の 回転運動とトルクを得ることができるようにしたものである。 この作用は量 子力学的作用であるため、 特に電動機のサイズを小さくしたとき、 従来の電 磁電動機ゃ静電電動機に対して、 損失が小さく、 効率が高いという特徴的優 位性を発揮する。 この出願の発明による量子電動機は微小機械の動力として 利用されることになる。 図面の簡単な説明

図 1は、 量子電動機の原理を示す概略図である。

図 2は、 マックスウェルのこま型スピンフィル夕回転子の断面図である。 図 3は、 量子電動機の有実施形態を示す概略図である。

なお、 図中の符号は、 次のものを示している。

1 回転軸

2 非磁性体円盤

3 磁性体円盤 5 支点

6 磁性体軸

7 磁化ベク トル矢印

8 電子

9 電子流れの経路

1 0 スピン偏極電子

1 1 回転方向

1 A タングステン針

2 A 非磁性体円筒

3 A 磁性体回転子

1 2 回転子の支点

1 3 スピン無偏極電子電流

1 4 電流導入端子

1 5 スピン偏極電子電流

1 6 マックスウェルのこま型スピンフィルタ回転子

1 7 ガラス製真空容器

1 8 減圧した不活性ガス雰囲気

1 9 放電プラズマ

2 0 アースシールド

2 1 コンダクタンス調節バルブ

2 2 真空排気口

2 3 不活性ガス流量調節バルブ

2 4 不活性ガス導入口

2 5 接地端子 発明を実施するための最良の課題

以下に、 詳しく この出願の発明の原理とこの原理に基づく回転体とこれを 用いた量子電動機について説明する。

電子は電荷 eとスピン角運動量

斗 S をもつ素粒子である。 電子の量子力学的物理量のスピン角運動量が磁気の根 元であり、 同時にスピン角運動量は古典力学の剛体の角運動量 Lと等価であ ることが 1 9 1 5年 A. E ins t e i nと W. J. e Haasにより理論的並びに実験的に示 された。 それより以前に、 Neu t onによる古典力学では角運動量保存則が知ら れており、 天体を含むすべての力学系で角運動量は保存されることが知られ ている。 すなわち、 角運動量保存則は量子力学的な電子のスピン角運動量を 含めて保存されるということが、 先の E i ns t e i nと de Haas が主張するところ であり次式において全角運動量 M

M= L + ή S ( l )

が一定に保たれる訳である。

これまで、 アインシユタイン、 ド ·ハース効果と呼ばれるこの効果は電子 の磁気回転比を測定する物理的手段として甩いられていたが、 これを原動機 の回転機動力に応用する試みはなされていなかった。 その理由は通常の巨視 的な大きさをもつ機械系に応用したのでは、 発生できるトルクがありまにも 小さく、 実用性が期待できなかったからである。

しかしながら、 この出願の発明者は、 微細加工技術を研究する中で、 電子 のスピン角運動量を用いた電動機はそのサイズが微小機械のように極端に小 さくなつたとき、 サイズの割に大きな回転角運動量を発生することができ、 実用可能な範囲は難易になることを究明した。 いうなればこれは機械系にお けるサイズ効果である。 さらに最近、 磁性体物理学において非磁性体と磁性 体、 あるいは半導体と磁性体の接合面で電子スピンのフィルタ効果が発見さ れるに及んで、 この出願の発明によって電子のスピン角運動量を力学系に応 用することが可能となった。 この出願の発明は以上の経緯から構成されたも のである。

まず、 この出願の発明の量子電動機の原理を図 1の模式図に基づいて説明 する。 銅や金などの非磁性体でできた円盤 （ 2) と磁化された強磁性の金属 あるいは合金の磁性体円盤 （3) が接合面 （4) で電気的並びに機械的に接 合されている。 また非磁性体円盤 （2 ) には同じく非磁性体の回転軸 （ 1 ) で電気的並びに機械的に接合され、 また磁性体円盤 （ 3) は同じ向きに磁化 された同種の磁性体でできた軸 （6) により支点 （ 5) で支えられ、 両者は 摺動しながら電気的に接合されている。 それらの磁化の向きは矢印 （7 ) で 示すとおりとする。 磁化された強磁性金属あるいは合金の磁性体円盤 （ 3) 並びに軸 （6) は鉄、 ニッケル、 コバルト等の強磁性の金属あるいはそれら を成分に含む強磁性合金製とし、 これらは、 外部から磁界を加え続けて磁化 状態を保持するようにしてもよいが、 アルニコ合金、 E S D磁石合金、 Mn — A 1合金、 Sm— C o合金、 N d _ F e— B合金などの予め着磁した導電 性永久磁石合金としてもよい。 このような系において磁性体の軸 （6) 側か ら非磁性体回転軸 （ 1 ) の向きに直流電流を流す。 すると、 電荷担体として の自由電子 （8) は図中に示した経路 （ 9) に沿って非磁性体回転軸 （ 1 ) 側から流入し、 非磁性体円盤 （2)、 接合面 （4)、 磁性体円盤 （3) をそれ ぞれ経由し、 磁性体の軸 （6) 側に出ていくことになる。 このとき、 非磁性 体回転軸 （ 1 ) から流入する電子 （8) はそのスピンの向きは矢印で模式的 に示すとおりばらばらである。このような電子は無偏極電子と呼ばれている。 無偏極電子 （8) は非磁性体円盤 （2 ) と磁性体円盤 （3) の接合面 （4) を通過するとき、 そのスピンの向きが磁性体の磁化の向き （ 7) と反対向き に変換され、 スピンの向きが整列した状態で磁性体軸 （6) から系外に出て いく。 このような電子は偏極電子と呼ばれている。 このときすべての電子が 偏極されるわけではなく、 一定割合の電子だけが偏極する。 偏極電子の割合 はスピン偏極度 Pと呼ばれ、 次式で定義される

P = (n+ ― n " ) / N (2)

n ⁺ > n ' (3) ここで Nは全電子数、 n-は磁化と反対向きのスピンをもつ電子数、 n-は 磁化と同一向きのスピンをもつ電子数である。 Pはそれぞれの磁性体毎に決まった値をもち、 例えば鉄では約 0. 4、 二 ッケルでは約 0. 3、 またはマンガン合金では約 1. 0である。 すなわち鉄 では 7 ： 3の割合で揃っており、 またマンガン合金では全電子がそろってい る。

その結果、 電子スピン系でスピン角運動量の不均衡分が発生し、 自由に回 転するように支えられた回転系において、 式 （ 1 ) により、 全角運動量 Mを 一定にするため。 力学的な角運動 Lが不均衡分をうち消すよう有限な値をと り、 回転系は矢印 （ 1 1 ) で示した向きに回転駆動力を得ることになる。 図 2は、 このような原理を合理的に実現するために構成として例示された 回転子の断面図である。 回転子は矢印 （ 7) の向きに着磁した例えば Μη— A 1合金磁石からなる磁性体回転子 （3 A) の内部をく りぬいて、 例えば銅 製の非磁性体内筒 （ 2 A) をはめ込み、 両者の界面が非磁性体と磁性体の接 合を形成しているようにする。 また銅製の非磁性体の内筒 （ 2 A) は頂点が 回転子全体の重心点 Gになるように内部が円錐形にく りぬかれ、 先鋭な例え ばタングステン針 （ 1 A) で支えられ、 回転子の支点 （ 1 2) を形成すると 同時に電流の接点となっている。 支点と重心点が一致した回転体はマックス ゥエルの独楽として古くから公知であるが、 この出願の発明では回転子をマ ックスゥエルの独楽の構造とすることにより、 片持ち式軸受けで安定した高 速回転を可能としだものである。 一方、 電子はタングステン針 （ 1 A) に接 続した電流導入端子（ 1 4) から導入され、 タングステン針（ 1 A)、 支点 （ 1 2 )、 非磁性体内筒 （2 A)、 磁性体回転子 （3 A) を経由し、 磁性体回転子 ( 3 A) の表面から次に述べるプラズマ雰囲気に矢印 （ 1 5) で示すとおり 導出される。

図 3はマックスウェルの独楽型回転子を組み込んだ量子電動機の一実施形 態を示した略図である。 マックスウェルの独楽型回転子 （ 1 6)、 並びにそれ を支えたタングステン針 （ 1 A) は、 真空容器 （ 1 7) の中に設置され、 絶 縁した真空フランジを経て電流導入端子（ 1 4)に電気的に接続されている。 真空容器 （ 1 7 ) は真空バルブ （ 2 1 ) により排気速さを調節しながら真空 排気管 （2 2) から真空に排気し、 同時にガス導入管 （2 4) から流量調節 バルブ （2 3) により流量を調節しながら例えばアルゴンガスを導入し、 真

フ 空容器 （ 1 7 ) 内のアルゴンガスの圧力を 0. 1〜 1 0 O P aの範囲に調節 する。 真空容器 （ 1 7 ) 全体は接地端子 （ 2 5) により接地され零電位に保 たれている。 この構成において、 電流導入端子 （ 1 4) に負の電圧一 V0 を 印加すると、 回転子 （ 1 6) を取り囲んでアルゴンガスプラズマ （ 1 9 ) が 発生する。 なお V0 〖ま 1 0 0〜 1 0 0 0 Vが適当である。 なおアースシール ド （2 0 ) はタングステン針 （ 1 A) を取り囲み、 真空容器と等電位に保た れた金属製の円筒であり、 プラズマの発生を回転子 （ 1 6 ) の周辺だけに限 定する役目を担っている。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しくこの発明について例示説明する。 もちろん、 この出願の発明は以上の例示説明に限定されることはない。 そ の具体的形態についてさらに様々に可能とされる。 実 施 例

マックスウェルの独楽型スピンフィル夕回転子を図 2に例示した構成とし た

すなわち、 直径 1. Omm、 長さ 1. 5 mmの M n— A 1磁石合金 （密度は 5. 5 gZ c c ) の磁性体回転子 （ 3 A) に、 直径 0. 5 mm、 深さ 1 · 2 5mmの孔を設け、 その孔に外径 0. 5 mm、 長さ 1. 2 5mmの高純度の 電解銅製の非磁性体内筒 （2 A) をぴったりとはめ込んで固定した。 なお電 解銅製の非磁性体内筒 （ 2 A) その中心軸に沿って頂角が 9 0 ° の円錐形の 終端をもつ直径 0. 3 8 mmの深さ 0. 9 8 mmの孔がく りぬかれており、 孔の終端の円錐形の頂点としての支点 （ 1 2 ) が回転子 （ 3 A) 全体の重心 Gになるように寸法を決めた。 なお作製は放電加工法と精密研削法により行 つた。 スピンフィル夕回転子を組み立てた後、 それを電磁石の対向した電極 片の間に挾み込み、 2 M AZmの磁界をかけて、 磁化ベクトルの矢印 （ 7) で示した向きに着磁した。 スピン無偏極電子エミッ夕回転軸受けには電解研 磨法により先端を鋭利に研磨し、 金メッキを施した直径 2 0 0 nmのタンヴ ステン針 （ 1 A) を用いた。

量子電動機全体は図 3に示した構造とした。 すなわち、 スピンフィル夕回 転子（ 1 6 )を内径 5 0 mmのガラス製ベルジャーをもつ小型の真空容器（ 1 7 ) 内に設置し、 前記のとおりの方法で、 真空容器内にアルゴンガスを導入 し、 真空ポンプで排気しながら圧力を約 1 0 P aに調節した。 また真空容器 全体を接地し、 電気流導入端子 （ 1 4 ) に一 2 2 0 Vの電圧をかけた。 以上 により、 真空容器内に淡赤紫色のアルゴンガスプラズマ （ 1 9 ) が発生し、 2 m Aの電流が流れ、 回転子は回転を始めた。 アルゴンガスプラズマは特に 磁化したスピンフィルタ回転子から生じる磁力線の影響を受け回転子の中央 部分で密度が高く、 回転子の中央に淡赤紫色の光の輪が発生する。 回転子の 回転はその光の輪の運動を通して、 容易に目視することができる。 回転は加 速しながら数秒間継続し、 約 2 0 r p mに達した。 産業上の利用可能性

以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、簡単な構造を有し、 損失の少ない微小電動機の構成も可能とされる。 量子力学的作用を奏する回 転体とそれを用いた電動機が提供される。

Claims

請求の範囲

1 . 回転体において回転面の一方から注入される電子と、 回転面の他方か ら引き出される電子がそれぞれ同数で、 かつスピン偏極の度合いが異なるこ とを特徴とする回転体。

2 . 注入される電子と引き出される電子が、 各々、 スピン偏極していない 電子とスピン偏極した電子であるか、 もしくはその逆であることを特徴とす る回転体。

3 . 回転体において回転面の一方が非磁性体金属または合金であり、 回転 面の他方の側が磁化された強磁性金属または合金であり、 両者が電機的に接 合されていることを特徵とする請求項 1または 2の回転体。

4 . 磁化された強磁性合金が成分の一つとしてマンガンを含むことを特徴 とする請求項 3の回転体。

5 . 回転体の直径が 0 . 0 以上、 4 m m以下であることを特徵とす る請求項 1ないし 4のいずれかの回転体。

6 . 軸対称の回転体であって、 その重心が支点とされていることを特徴と する請求項 1ないし 5のいずれかの回転体。

7 . 支点において片持ち式軸受けで支持されることを特徴とする請求項 6 の回転体。

8 . 請求項 5または 6の軸対称の回転体において、 内筒が非磁性金属また は合金で、 それを包む外筒が磁化された強磁性金属または合金であるか、 あ るいはその逆であって、 内筒と外筒の両者が電気的に接合されていることを 特徵とする回転体。

9 . 請求項 7の軸対称の回転体において、 片持ち式軸受けから電流が注入 され、 回転体の外周表面から電流が引き出されるようにしたことを特徴とす る回転体。

1 0 . 請求項 1ないし 9のいずれかの回転体を回転子とすることを特徴と する量子電動機。

請求項 9の回転体を回転子とする量子電動機であって、 回転体をガス放領域 内に設け、 放電プラズマ内に電子が放出されるようにしたことを特徴とする

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