JPH05505300A - 誘電モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 誘電モータ 技術分野 本発明は電界により駆動される誘電モータであって、複数の電極により囲繞され た回転子を備えている形式のものに関する。

この種の誘電モータは小型化に適しており、マイクロエレクトロニクスの各素子 と組合せることが可能である（システム統合）。この誘電モータは小型化された 各種の機械乃至ポンプの駆動装置として、または切換要素として用いられ、或い は位置規定のために利用することも可能であって、例えばこの種のモータをステ ップ・パイ・ステップ方式で操作するならば、情報伝送用の光学チャネルを開放 し或いは遮断することが出来る。更にこの種の誘電モータで位置規定を行なうた めには、該当の構成要素が所定の位置を占めた場合にのみ回転子を回転させれば よい。またこの種のモータは顕微手術用の器械類を操作するためにも利用されコ ンスタントな電界を介して駆動される連続回転式モータの作用形式に関しては、 当該専門分野の文献に紹介されており、コータ回転特性についての計算も開示さ れている（例えば１９６８年度に刊行された応用物理学ジャーナルの第３９号に おける２９５７頁乃至２９６１頁に掲載されているＰ、Ｅ、ゼッカー並びに１、 Ｎ、ジャロームによる学術論文：　「単純液体沈下式の誘電モーター’　（Ｓｓ ｏｋｅｒ、？、Ｅ、５ｃｉａｌｏｚ、ｌ、Ｎ　〜Ｓｉ＋＋＋ｐｉａ　Ｌ＋ｑ：ａ ｉａ　ｉｖｍｅｒＳｅｄＤ；ｅｉｓＣ；ｒｉｃ　Ｍｏｔｏｒ、ＪｏｃｚａｉＯｉ 　Ａｐｐ・ｉｅｄ　ＰｈｙＫ　口；、３９．　１９６８．　Ｐ、２９５７−２ｈ ｌ）　。　但しこの種のモータでは初期回転方向か確定されないので、始動のた めに付加的な補助装置を用いる必要がある。

更に種々異なった構造を有する小型化された誘電モータは、１９８８年度の刊行 によるＧＥＯの第１０号第１８８頁、並びにアメ１ツ力合衆国特許第４７４０４ １０号明細書に開示されている。この種のモータにおいては回転する電界か利用 されるので、始動装置を省略することか出来る。ヨーロッパ特許出願公開第０２ ３３９４７号明細書に開示されている誘電モータの回転子は、セクター状に形成 され半径方向に配置された複数の誘電体を備えている。この公知文献に開示され たモータは静電作用に基ついて励起され、その交番電界も常に準静的条件下で付 勢される。つまりこのモータは同期モータであって、その回転子は常に回転電界 の方向で回転運動を行なう。従ってこの種のモータの利用分野；よ、周期モータ としての特性により限定されている。

発明の要旨 本発明の課題とするところは、誘電モータに制御可能な回転特性を与えて、簡単 に調整できる複数の回転状態が任意に利用されうるようにする点にある。

中央範囲の周囲に装着された複数の定置電極を備えている電界駆動式誘電モータ において上記の課題を解決すべく提案された本発明の措置によれば、誘電材料か ら成る少なくとも２つの回転子か中央範囲に回動可能に配置されており、これら の回転子は互いに立体的に分離された回転軸線を中心にした回転運動を行なうよ うに構成されている。

これらの回転子は、電極によって限定されている中央範囲に各回転子を共に配置 することにより共通の励起電界を介して駆動されるっこの中央範囲における回転 子の数を適正な値に設定し且つ回転子の適宜な配置形式を選択することによって 、その都度の用途に応じた種々異なる回転状態を生せしめることが出来る。

本発明によるその他の有利な構成様式及び種々異なる実施態様は、各従属請求の 範囲に開示されている。

請求の範囲第２項によれば、回転子が複数の異なった誘電材料から構成されてい る。従って互いに異なる回転子は、それぞれ共通の励起電界を介して別個に駆動 される。この場合、各回転子はそれぞれ同一のもしくは逆の回転方向で回動可能 であり、同一のもしくは互いに異なった角速度を有することか出来る。

請求の範囲第３項による誘電モータにおいでは、少なくとも１つの回転子かその 回転軸線に対して非回転対称な回転子として構成されている。この措置を講じる ためには、回転軸線に対して非回転対称に配！された互いに異なる誘電材料から 成る複数の範囲を当該回転子に形成すればよい。なおこの回転子には、回転軸線 に対して非回転対称な幾何学形状を与えることも可能である。このように単に非 回転対称な構造を与えるだけで、個々の回転子は互いに異なった回転状態を呈す ることになる。これらの回転子が別の回転子と組合わせられるならば、モータに おける回転状態の総数は更に増大せしめられる。

請求の範囲第４項によれば、少なくとも１つの回転子がモ・−夕の中央範囲で固 定された位置を占めている。

立体的に位置固定されない回転子のポジションは、励起電界とその他の回転子の ポジションと周辺媒体と誘電モータの位置とによって左右される。従って回転子 の回転状態を観察することにより、例えばモータの位置を推定することか可能で ある。このような構成様式によりば、各回転子か部分的にもしくは常に相互の乃 至は電極とのダイレクトな機械的接触状態を維持する　−ように、或いは全く接 触しない状態を保つようにすることが出来る。

利用することの出来る回転状態は、例えば請求の範囲第５項に開示されたように 導電性の領域を回転子に組込むか、或いは請求の範囲第６項に開示されたように 電気分極可能な要素をそ一夕の中央範囲に装着することによってもコントロール することが可能である。

この措置によれば個々の回転子における回転特性が制御されるので、互いに異な る回転子を同一の時点て連続的または非連続的もしくはステップ・パイ・ステッ プ方式により駆動することが出来る。

請求の範囲第７項には本発明の特に有利な実施態様が開示されている。この場合 、回転子は歯付きロールとして構成されており、並列的な位置を占める２本の歯 付きロールにそれぞれ逆方向の回転運動が与えられると、周辺媒体が優先的な方 向で加速される。従って本発明によるこの実施例は、特に液相もしくは気相の媒 体を用いるポンプに適している。なおこの場合、請求の範囲第８項に開示された 誘電モータにおけるように、少なくとも１つの回転子を変形可能に構成しておく と特に有利である。この措置によれば、近接した位置を占める回転子かポンプ媒 体中に含まれる固体粒子によって損傷されるような事態は確実に回避される。

請求の範囲第９項によれば、駆動のために用いられる電界が回転子の回転運動に 対して著しく非同期的に回転せしめられる。この実施例では、回転子及び電界に 互いに等しい回転方向を与えてもよいし、或いはそれぞれ逆の回転方向を与えて もよく、電界は回転子の１０７倍の回転速度で回転させることが出来る。

請求の範囲第１０項に開示されているごとく、駆動のために用いられる電界が１ 回転ごとに交替する振幅で回転するように構成されているならば、本発明により 達成される機能を一段と強化することが出来る。更１ご請求の範囲第１１−項に 開示された誘電モータにおけるように、例えば移相された方形電圧を電極に印加 することによって電界の回転運動を非連続的に行なわせることも可能である。こ の措置によれば、単一の回転丑もしくは全での回転子に強制的な非連続回転運動 を与えることが出来るっ 本発明による誘電モータは著しく小型化することが可能であって、請求の範囲第 １２項乃至第１４項によれば、このモータはマイクロ機械工学的な製法を応用し た基板から製作されるので、モータは１００μｍ未満の規模で製作可能になる。

基板としては特に珪素が、それも必要に応じて薄い絶縁コーティングの施された 珪素、例えば二酸化珪素（Ｓｉｎ、）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）またはガラスか 用いられる。電極は写真製版プロセスによって構成され、且つ電気鍍金方式で例 えば金により型取られる２、これによれば電極の幾何学形状をマイクロメートル 精度で規定することか可能になり、凹版方式を利用すれば電極の高さを数百マイ クロメートルの値に設定することか出来る。

各回転子もやはりマイクロ機械工学的な方法により誘電材料から製作される。コ ーティング処理された層からはマイクロメートル範囲の高さを有する回転子を製 作することか可能であり、それより高い寸法の回転子はフォトラッカーを素材と した写真凹版方式によって製作可能である。

回転子を位置固定し或いはモータの周辺溶液を接近乃至離反案内するために用い られる精密な溝及び通路は、等方性または異方性及び選択性の蝕刻法により基板 にエツチング加工される。更に基板に結合される回転子細も、これと同じ方法に よって製作することが出来る。当該システムは基板ウニ−７１上に接着された第 ２のウニーハを用いることによって申し分なく密閉処理される。また基板材料と して珪素が用いられるならば、モータを始動し且つ制御するための電気回路を機 械的な要素と共に共通の基板上に集積する作用を特に効果的に実施することが可 能になる。

本発明によって達成される特別な利点は、種々異なった目的に応用できる多くの 回転状態を実現しつるところにある。本発明による誘電モータは、切換要素また は可変駆動装置として用いられ、薬物学、化学及びバイオテクノロジーのような 各技術分野に応用可能な超小型配置装置、ポンプ及びバルブ等に組込むことが出 来る。本発明におけるごとく特に顕著な小型化が実施されるならば、モータの始 動に要する特開をマイクロ秒範囲の時間に短縮することか可能になる。

図面の簡単な説明 添付の図面には本発明による３つの実施例が示されており、以下ではこれらの実 施例について詳細に説明する。

第１図は４つの電極と２つの誘電回転子とを有する誘電モータの平面図及び側面 図、第２図は１つの大きな回転子と８つの小さな回転子とを有する誘電モータの 平面図、第３図は２つの回転子を有する誘電モータの平面図、第４図は２つの回 転子における角速度を回転励起電界の周波数に関連してプロットしたダイアグ第 １図には電界により駆動される誘電モータが示されている。４つの電極７ａ乃至 ７ｄは中央範囲の周辺に装着されており、この中央範囲には２つの回転子４ａ、 ４ｂが配置されている。両回転子における各回転軸線１は互いに立体的に分離さ れている。回転子４は自体公知の形式により基板２上に支承されている。

中央範囲に位置するこれらの回転子４は、弱導電性の周辺媒体５、例えば水また はアルコールによって囲繞されているか、この周辺媒体５としては気体を用いて もよい。各電極７ａ乃至７ｄはそれぞれ絶縁性の範囲３によって相互絶縁状態に おかれている。

各電極７ａ乃至７ｄにそれぞれ９０度づつ移相された正弦電圧が印加されるか、 或いは電極から電極に飛躍する電界ベクトルが印加されると、回転子４ａ。

４ｂか電界の角周波数とその振幅とに応じた回転運動を行なう。この場合、両回 転子間の距離か小さければ小さいほど、それたけ顕著な集合的回転状態か出現す −る。誘電的に非対称な回転子が用いられるか、回転対称形状または球面形状も しくは円筒形状からそれぞれ偏倚している回転子か用いられるか、或いは単に１ つの回転子のみかこのような形式で構成されているような場合には、電極７の選 択（制御）様式に応じて、一方もしくは双方の回転子に強制的な連続回転運動ま たは非連続回転運動か与えられる。

第２図に示された実施例によるモータは、８つの電極７ａ乃至７ｈと、中央に配 置された１つの大きな誘電回転子４ａと、８つの小さな誘電回転子４ｂ乃至４１ とから構成されており、この場合、小さな誘電回転子４ｂ乃至４１はそれぞれ電 極７ａ乃至７ｈと大きな誘電回転子４ａとの間に配置されている。これらの回転 子４は、例えば水、アルコールまたはこれら両媒体の混合物のような周辺媒体５ 内に収容され、固定されたポジションに配置され、回転軸線１を中心にして回動 可能に支承されている。この実施例によるモータの支承形式及び物理的な構造は 、第１実施例におけるのと同等である。各回転子４は］、つのアンサンプル（集 団）を成しており、その集合的な交番電気作用が個別回転子における回転状態の 特徴を規定している。

回転子４ａはこの作用の規模に応じて支配的な機能を発揮する。回転子を構成す る誘電体とその構造（誘電的に均質、セクター状、シェル状または回転軸線１の 方向で成層された構造）とを適宜に選定するならば、個々の回転子における回転 特性を変化させ、且つ回転子アンサンプルの状態を左右することが出来る。更に これらの回転子を同一の運動領域で対向的に回転させることも可能である。この ように互いに異なった回転運動またはグループごとに等しい回転運動を適正に利 用するならば、その都度所望される切換操作または駆動操作もしくは小型化され たセンサー操作に応用できる回転状態を生ぜしめることが可能になる。連続的な 回転運動は連続回転する電界（４５度移相された正弦電圧の８倍）を介して生ぜ しめられる。電極スペース内に装入される回転子の数か多ければ多いほど、回転 子アンサンプルの集合効果はそれだけ強力に顕現する。

第３図に示された誘電モータは、４つの電極７ａ乃至７ｄと固定ポジションで回 転軸線上を中心にして回動可能な２つの誘電回転子４ａ、４ｂとから成っており 、この場合、一方の回転子４ｂは内位の誘電体Ａと外殻つまりシェルＢとから構 成されている。これら２つの回転子４ａ、４ｂにおける誘電特性は、電極７を介 して生せしめられる外部回転電界の所定の角周波数で各回転子４ａ、４ｂを対向 的に運動させるように設定されている。図においては、各回転子の対向的な運動 か彎曲した矢印とこれに付した角速度Ｗ、、Ｗ：とによって示されている。この 対向運動により周辺媒体５（液体または気体）は優先的な方向で加速される。

矢印Ｆで示されたように、媒体の搬送は電極７ｃ。

７ｄが設けられた側面から電極７ａ、７ｂが設けられた側面に向って行なわれ、 回転子室内におけるその他の側面は電気的に絶縁された範囲３によって遮蔽され ている。このポンプ搬送方向は電界の回転方向を切換えるか、或いは電界の角周 波数を変動させることによって逆転可能である。第３図に示されたこの実施態様 によれば、極端に小さなマイクロ配量装置及びポンプもしくは各種のバルブを構 成することが出来る。

第４図には第３図による両回転子の角速度と回転電界の周波数との相関関係を示 す特性曲線がグラフとして示されている。このダイアグラムの縦座標には角速度 かその最大角速度を基準にしてプロットされ、横座標には励起電界の周波数か対 数目盛でプコ、ソトされている。特性曲線１は回転子４ａに関するものであり、 特性曲線２は回転子４ｂに関するものである。これらの回転子は約１０５ヘルツ の周波数において最大の角速度に達し、ポンプとして稼働するモータはこの周波 数で最大のポンプ機能を発揮するっ 規定の電界回転方向においては、回転子の誘電体及び周辺溶液の導電性を適宜に 選定しておくことにより、電界周波数に対する最大角速度の位置状態を変化させ ることが可能であり、このことは特性曲線２′で示されている。ポンプ機能は電 界のみならず回転子におけるパッシブな電気特性及びポンプ液によっても左右さ れる。更にこれらの回転子はその誘導された双極電界を介して相互に影響される 。各回転子は単に油圧機械的に連結されているのみならず、電気的に無接触連結 されてもいるので、その都度の用途に申し分なく適合させることの出来る複雑な システム特性が生ぜしめられる。

Ａ−Ａ 勺、９ 要約書 本発明は電界により駆動される誘電モータに関する。

この誘電モータは、複数の電極が周囲に装着された中央範囲に配置されている少 なくとも２つの回転子により特徴づけられる。

この回転子は複数の異なった誘電材料から構成され、その回転軸線に対して非回 転対称として構成される。

回転子は連続的又は非連続的に電界を回転させることにより駆動される。幾何学 的電気的構成に応じて、回転する電界の周波数を介して簡単に制御可能となる多 様な回転状態を達成することかできる。この種の誘電モータは切換及び駆動目的 に適しており、マイクロ配置装置、ポンプ及びバルブに利用することかできるっ 一補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成４年８月３日

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．電界により駆動される誘電モータであって、中央範囲の周囲に装着された復 数の定置電極を備えている形式のものにおいて、中央範囲には誘電材料から成る 少なくとも２つの回転子（４）が回動可能に配置されており、これらの回転子（ ４）が互いに立体的に分離された回転軸線（１）を中心にした回転運動を行なう ように構成されていることを特徴とする誘電モータ。
2. ２．請求の範囲第１項記載の誘電モータにおいて、回転子（４）が復数の異なっ た誘電材料から構成されていることを特徴とする誘電モータ。
3. ３．請求の範囲第１項または第２項に記載の誘電モータにおいて、少なくとも１ つの回転子（４）がその回転軸線に対して非回転対称な回転子として構成されて いることを特徴とする誘電モータ。
4. ４．請求の範囲第１項乃至第３項のいづれか１項に記載の誘電モータにおいて、 少なくとも１つの回転子（４ａ）の回転軸線（１）が立体的に固定されており、 少なくとも１つの他の回転子（４ｂ）の回転軸線（１）が中央範囲で移動可能な らしめられていることを特徴とする誘電モータ。
5. ５．請求の範囲第１項乃至第４項のいづれか１項に記載の誘電モータにおいて、 少なくとも１つの回転子（４）が導電性の領域を有していることを特徴とする誘 電モータ。
6. ６．請求の範囲第１項乃至第５項のいづれか１項に記載の誘電モータにおいて、 中央範囲に電気分極可能な要素が装着されていることを特徴とする誘電モータ。
7. ７．請求の範囲第１項乃至第６項のいづれか１項に記載の誘電モータにおいて、 回転子（４）が歯付きロールとして構成されていることを特徴とする誘電モータ 。
8. ８．請求の範囲第１項乃至第７項のいづれか１項に記載の誘電モータにおいて、 少なくとも１つの回転子（４）が変形可能であることを特徴とする誘電モータ。
9. ９．請求の範囲第１項乃至第８項のいづれか１項に記載の誘電モータにおいて、 駆動のために用いられる電界の回転運動が回転子（４）の回転運動に対して著し く非同期的に行なわれるように構成されていることを特徴とする誘電モータ。
10. １０．請求の範囲第１項乃至第９項のいづれか１項に記載の誘電モータにおいて 、駆動のために用いられる電界が１回転ごとに交替する振幅で回転するように構 成されていることを特徴とする誘電モータ。
11. １１．請求の範囲第１項乃至第１０項のいづれか１項に記載の誘電モータにおい て、非連続的に回転する電界を介して駆動が行なわれるように構成されているこ とを特徴とする誘電モータ。
12. １２．請求の範囲第１項乃至第１１項のいづれか１項に記載の誘電モータにおい て、誘電体としては二酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、二酸化 チタン（ＴｉＯ２）またはガラスが用いられており、電極が写真製版法により構 成され、且つ電気鍍金方式で型取られていることを特徴とする誘電モータ。
13. １３．請求の範囲第１項乃至第１２項のいづれか１項に記載の誘電モータにおい て、磯城的な各要素がモータを始動させ且つ制御するための電気回路と共に共通 の基板上に集積されていることを特徴とする誘電モータ。
14. １４．請求の範囲第１項乃至第１３項のいづれか１項に記載の誘電モータにおい て、基板として半導体単結晶が用いられていることを特徴とする誘電モータ。