JP2001268957A - 回転体と量子電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造を有し、損失の少ない微小電動機
を可能とする。 【解決手段】 回転面の一方から注入される電子と、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回転体を回転子とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】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。

【従来の技術とその課題】従来、電気モータと呼ばれて
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と
呼ぶのが適切である。電磁モータ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
ニアモータは、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ってくる。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タである。静電モー
ター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
イズが小さくなったときサイズの割に電磁モータに比べ
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、静電モータはマイクロマシンの原動機として、
電磁モータ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。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。

【課題を解決するための手段】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０．０１μｍ以上、４ｍｍ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って、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１０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１１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
あって、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、
従来の電磁電動機や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。

【発明の実施の形態】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 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１９１
５年A.Einstein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、Neuton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Einstein
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

【数１】 が一定に保たれる訳である。これまで、アインシュタイ
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用いられていたが、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ったとき、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、ＥＳＤ磁石合金、Ｍｎ−Ａ
ｌ合金、Ｓｍ−Ｃｏ合金、Ｎｄ−Ｆｅ−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・

【数２】 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、ニッケルでは約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（１１）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Ｍｎ−Ａｌ合金磁石からなる磁性体回転
子（３Ａ）の内部をくりぬいて、例えば銅製の非磁性体
内筒（２Ａ）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（２Ａ）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（１Ａ）で支えられ、回転子の支点（１２）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ウェ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
スウェ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たものである。一方、
電子はタングステン針（１Ａ）に接続した電流導入端子
（１４）から導入され、タングステン針（１Ａ）、支点
（１２）、非磁性体内筒（２Ａ）、磁性体回転子（３
Ａ）を経由し、磁性体回転子（３Ａ）の表面から次に述
べるプラズマ雰囲気に矢印（１５）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（１６）、並びにそれを支えた
タングステン針（１Ａ）は、真空容器（１７）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（１７）は真
空バルブ（２１）により排気速さを調節しながら真空排
気管（２２）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（２３）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、真空容器（１７）内
のアルゴンガスの圧力を０．１〜１００Ｐａの範囲に調
節する。真空容器（１７）全体は接地端子（２５）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（１４）に負の電圧−Ｖ₀ を印加すると、
回転子（１６）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 は１００〜１０００Ｖが適当
である。なおアースシールド（２０）はタングステン針
（１Ａ）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（１６）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タ回転
子を図２に例示した構成とした。すなわち、直径１．０
ｍｍ、長さ１．５ｍｍのＭｎ−Ａｌ磁石合金（密度は
５．５ｇ／ｃｃ）の磁性体回転子（３Ａ）に、直径０．
５ｍｍ、深さ１．２５ｍｍの孔を設け、その孔に外径
０．５ｍｍ、長さ１．２５ｍｍの高純度の電解銅製の非
磁性体内筒（２Ａ）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（２Ａ）その中心軸に沿っ
て頂角が９０°の円錐形の終端をもつ直径０．３８ｍｍ
の深さ０．９８ｍｍ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（１２）が回転子（３Ａ）
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った。スピンフイルタ回
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、２ＭＡ／ｍ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
電子エミッタ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２００μｍのタング
ステン針（１Ａ）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、スピンフイルタ回転子（１
６）を内径５０ｍｍのガラス製ベルジャーをもつ小型の
真空容器（１７）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１０Ｐａに調節した。また真空容器全
体を接地し、電気流導入端子（１４）に−２２０Ｖ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（１９）が発生し、２ｍＡ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イ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２０ｒｐｍに達し
た。

【発明の効果】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
転体とこれを用いた電動機が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】量子電動機の原理を示す概略図である。

【図２】マックスウェルのこま型スピンフィルタ回転子
の断面図である。

【図３】量子電動機の壱実施形態を示す概略図である。

【符号の説明】

１ 回転軸 ２ 非磁性体円盤 ３ 磁性体円盤 ４ 接合面 ５ 支点 ６ 磁性体軸 ７ 磁化ペクトル矢印 ８ 電子 ９ 電子流れの経路 １０ スピン偏極電子 １１ 回転方向 １Ａ タングステン針 ２Ａ 非磁性体円筒 ３Ａ 磁性体回転子 １２ 回転子の支点 １３ スピン無偏極電子電流 １４ 電流導入端子 １５ スピン偏極電子電流 １６ マックスウェルのこま型スピンフィルタ回転子 １７ ガラス製真空容器 １８ 減圧した不活性ガス雰囲気 １９ 放電プラズマ ２０ アースシールド ２１ コンダクタンス調節バルブ ２２ 真空排気口 ２３ 不活性ガス流量調節バルブ ２４ 不活性ガス導入口 ２５ 接地端子

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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
   ていることを特徴とする請求項１または２の回転体。
4. 【請求項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. 【請求項５】 回転体の直径が０．０１μｍ以上、４ｍ
   ｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいず
   れかの回転体。
6. 【請求項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. 【請求項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
   ていることを特徴とする回転体。
9. 【請求項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。
10. 【請求項１０】 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。
11. 【請求項１１】 請求項９の回転体を回転子とする量子
    電動機であって、回転体をガス放電域内に設け、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
    る量子電動機。