(57)【要約】【課題】回転出力を向上させた液体駆動モータを提供する。【解決手段】液体駆動モータ１は有底円筒状のステータ容器２を備えており、ステータ容器２の内周面には、ステータ容器２の中央に向かって断面略矩形状のリブ２Ａが突設されている。リブ２Ａは、ステータ容器２の内周面に沿って略垂直方向に形成されており、ステータ容器２の内周面全周に亘って一定間隔で配置されている。ステータ容器２内には電界共役流体が注液されており、ステータ容器２の中央には中空円筒状のロータ３が配置されている。ロータ３の表面には、印刷加工により薄膜状の正極５及び負極８が形成されている。リブ２Ａによる電界共役流体に対する抵抗の増加でロータ３の回転力が増加し、電極を薄膜とすることでロータ３の回転抵抗が小さくなる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界によって移動流を生起する液体と、前記液体中で前記移動流により回転するロータと、前記液体及び前記ロータを収容するステータ容器と、前記ロータの外周面に配置された少なくとも一対の電極と、を備えた液体駆動モータにおいて、前記ステータ容器は、前記ロータの外周面に対向する内壁面に前記流体の移動を規制する突出部を有することを特徴とする液体駆動モータ。
【請求項２】
前記突出部は、前記ロータの回転方向に対して直交する方向にリブ形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の液体駆動モータ。
【請求項３】
前記突出部は、前記ステータ容器の内壁面に一定の間隔で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液体駆動モータ。
【請求項４】
前記間隔は、前記一対の電極の間隔よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の液体駆動モータ。
【請求項５】
電界によって移動流を生起する液体と、前記液体中に配置され回転可能に軸支された円筒状のロータと、前記液体及び前記ロータを収容するステータ容器と、前記ロータの表面に配置された少なくとも一対の電極と、を備えた液体駆動モータにおいて、前記電極は前記ロータの外径と略同一の外形に形成されており、前記ステータ容器は前記ロータの外周面に対向する内壁面に凹部が形成されていることを特徴とする液体駆動モータ。
【請求項６】
前記電極は、前記ロータ表面上に形成された薄膜電極であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の液体駆動モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体駆動モータに係り、特に、電界によって移動流を生起する液体と、液体中で移動流により回転するロータと、液体及びロータを収容するステータ容器と、ロータの外周面に配置された少なくとも一対の電極と、を備えた液体駆動モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気絶縁性の液体に電界を与えると、液体の種類によってはその液体の特性が変化することが知られている。一例として、液晶表示装置は、液晶層に電圧を印加することで液晶の配向性を制御することを利用したものである。日本機械学会論文集（Ｃ編）、６６巻６４２号（２０００−２）、６２７頁〜６３３頁には、デカン二酸ジブチル等の特定の電気絶縁性液体（電界共役流体）中に一対の電極を配設して電極に数キロボルトの直流電圧を印加することで、プラス電極（以下、正極という。）からマイナス電極（以下、負極という。）に電界共役流体の移動流（以下、水流という。）が発生する現象が発表されている。
【０００３】
この現象を利用したアクチュエータとして、例えば、特開平１０−１４６０７５号公報には、水流を回転体への回転力に変換する小型モータ（液体駆動モータ）が開示されている。この小型モータは、有底円筒容器内に電界共役流体を満たし、電界共役流体中に水車状翼板を有するロータを配置し、有底円筒容器の内周面に配置された電極間に数キロボルトの直流電圧を印加することで正極から負極に向かって水流が生起され、この水流を翼板で受けてロータの回転力として出力する。
【０００４】
このモータでは、電極から離れ水流が生起されてない箇所や水流の生じない回転軸付近で、翼板がロータの回転を阻害する抵抗となってしまうため、翼板の形状を最適な形状にする必要があるが、その形状はモータの大きさ、使用液体の粘度、生起させる水流の速度等によって異なり、変動要因が多いため実験的又は理論的な最適形状を得るまでに困難を伴う。また、電界共役流体の粘度は、温度依存性を有すると共に、モータの回転速度を変化させる際の水流の速度変化等、モータの使用状況によっても変動するため、これらを含めた最適形状を得るにはさらに困難性が増す。従って、これらの変動下で、水流を受けて回転力を生み出す力と、回転力に対する抵抗力とが逆転してしまうと、モータの適正な回転力を生み出せない場合もある。
【０００５】
また、上記公報には別の方式として、有底円筒容器内に電界共役流体を満たし、電界共役流体中に表面に正負極を構成したロータを配置して、電極間に直流電圧を印加して水流を生起させ、その水流の反作用によってロータを回転させるモータについても提案されている。この方式は、水車状翼板を用いた方式に比べ、環境温度や水流の速度変化が大きな影響を与えないため、変動要因に対して最適形状の決定の上で好ましい方式と云うことができる。
【０００６】
このような液体駆動モータは、小型化することにより特性（出力密度）が向上し、また電気ノイズを発生しないという利点を有し、構造が簡単で故障が少なく低コストで製作可能なモータとして期待されているが、モータの原理が、モータ内で電極間に直流電圧を印加することで液体に水流を生起させその水流をロータの回転力に変換する点で、モータ外で水流を作り出しその水流によって回転駆動力に変換する従来のモータの原理とは異なっており、従来のモータの技術をそのまま適用できない点も少なくない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように表面に電極を構成したロータは変動要因に対して好ましいものの、水流による反作用の力が小さくなり回転力が減少してしまう、という問題がある。すなわち、この方式のロータは水流を生起させた反作用で回転力を得ており、効率良くロータに回転力を出力するためには、容器内壁との液体の粘性抵抗を大きくする必要がある。上記公報の技術では粘性抵抗が大きくなるようにロータと容器の内壁との間隙を小さくすることが提案されているが、その場合水流を生じている液体量が少なくなってしまい、水流による反作用の力が小さくなる結果、回転力が減少してしまう。また、上記公報の技術では、ロータ表面上に配置された電極が凸状の形状を有しているため、水流を生起させると共に水流の抵抗体にもなるので、モータの出力を低下させてしまう。
【０００８】
本発明は上記事案に鑑み、回転出力を向上させた液体駆動モータを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、電界によって移動流を生起する液体と、前記液体中で前記移動流により回転するロータと、前記液体及び前記ロータを収容するステータ容器と、前記ロータの外周面に配置された少なくとも一対の電極と、を備えた液体駆動モータにおいて、前記ステータ容器は、前記ロータの外周面に対向する内壁面に前記流体の移動を規制する突出部を有する。本態様では、ステータ容器の内壁面に流体の移動を規制する突出部を有しているので、突出部とロータとの間隔が小さくなるため、流体の粘性抵抗が増大しロータの回転力が増加してモータの出力を向上させることができる共に、突出部間には液体が収容されるので、移動流を生起する液体の容量（液体量）を確保することができる。本態様において、流体の粘性抵抗の大きくするために、突出部はロータの回転方向に対して直交する方向にリブ形状を有していることが好ましい。また、突出部をステータ容器の内壁面に一定の間隔で配置すれば、突出部の間隔が一定のためロータに回転ムラが生ずることを防止することができる。この間隔を一対の電極の間隔よりも小さくすることで、電極がどの回転位置にあっても、リブ形状の突出部で移動流を受ける効率を高めることができる。
【００１０】
また、本発明の第２の態様は、電界によって移動流を生起する液体と、前記液体中に配置され回転可能に軸支された円筒状のロータと、前記液体及び前記ロータを収容するステータ容器と、前記ロータの表面に配置された少なくとも一対の電極と、を備えた液体駆動モータにおいて、前記電極は前記ロータの外径と略同一の外形に形成されており、前記ステータ容器は前記ロータの外周面に対向する内壁面に凹部が形成されている。本態様では、電極がロータの外径と略同一の外形に形成されているので、ロータ回転時の液体に対する抵抗を少なくすることができると共に、ステータ容器にはロータの外周面に対向する内壁面に凹部が形成されているので、凹部に液体が収容されるため液体量が確保され、移動流の反作用を大きくすることができる。
【００１１】
上記第１及び第２の態様において、移動流に対する抵抗を低減させるために、電極はロータ表面上に形成された薄膜電極であることが好ましい。このような薄膜は、例えば、印刷、部分メッキ、蒸着等で形成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る液体駆動モータの実施の形態について説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の液体駆動モータ１は、ステータ（固定子）として機能する電気絶縁性樹脂製で有底円筒状のステータ容器２を備えている。ステータ容器２の内周（内壁）面には、ステータ容器２の中央に向かって断面略矩形状のリブ２Ａが突設されている。リブ２Ａは、ステータ容器２の内周面に沿って略垂直方向に形成されており、ステータ容器２の内周面全周に亘って一定間隔かつ同一突出長さで配置されている。
【００１４】
ステータ容器２内には図示を省略した電界共役流体が注液されている。この電界共役流体には、導電率が４×１０−１０〜５×１０−６、粘度が１×１０−４Ｐａ・ｓ〜１Ｐａ・ｓの範囲にある、例えば、デカン二酸ジブチル等を用いることができる。
【００１５】
ステータ容器２の上部開口は、電気絶縁性樹脂製で円盤状の上蓋１１で接着材により接着され封口されており、液体駆動モータ１全体として外気から密閉されている。従って、液体駆動モータ１は、ステータ容器２と上蓋１１とでケーシングが構成されている。
【００１６】
ステータ容器２の中央には、回転子として機能する電気絶縁性樹脂製で中空円筒状のロータ３が配置されている。ロータ３の表面には、印刷加工により薄膜状の正極５及び負極８が形成されている。すなわち、正極５は、ロータ３の上端面中央部を中心に十字状に形成（印刷）されており、上端面周部でロータ３の外周面に沿うように略垂直方向に折れ曲がり、ロータ３のぼぼ下端面近傍まで延出されている。一方、負極８は、ロータ３の下端面中央部を中心に十字状に形成されており、下端面周部でロータ３の外周面に沿うように略垂直方向に折れ曲がり、ロータ３のぼぼ上端面近傍まで延出されている。正極５及び負極８は、直線状となるロータ３の外周面で所定間隔隔てられるように、ロータ３の上下端面の十字状形成位置がずれている（図２参照）。
【００１７】
また、一対の正極５及び負極８間の間隔（最も近い異極との間隔）は、上述したリブ２Ａ間の間隔より大きい間隔で形成されている。換言すれば、リブ２Ａ間の間隔の方が一対の正極５及び負極８間の間隔より小さく設定されている。更に、正極５及び負極８のそれぞれの端面中央部には、円形電極部が形成されている。
【００１８】
ロータ３の上端面中央及び下端面中央からは、ロッド状の正極回転軸７及び負極回転軸１０が立設されている。正極回転軸７及び負極回転軸１０は、円形電極部の中央を貫通してそれぞれ同軸上にロータ３の内部に圧入されている。正極回転軸７は出力軸として機能し上蓋１１の中央に形成された軸穴を貫通して上蓋１１の外部まで導出されており、負極回転軸１０はステータ容器２の底部中央に形成された軸穴を貫通してステータ容器２の外部まで導出されている。
【００１９】
上蓋１１の上面中央部及びステータ容器２の底面中央部には、それぞれ正極回転軸７及び負極回転軸１０を回転可能に軸支する円筒状の軸受け６、９が配設されている。また、正極回転軸７及び負極回転軸１０には、ロータ３の上下動を規制するために、上蓋１１及びステータ容器２の内底面近傍に図示を省略したストッパが嵌着されている。なお、軸受け６、９は、正極回転軸７、負極回転軸１０との摩擦抵抗を低減するベアリング機構や電界共役流体の浸出を防止する密閉機構等が組み込まれたユニット体とすることが好ましい。
【００２０】
正負極間の電蝕を防止するために、正極５、正極回転軸７及び軸受け６にはアルミニウム又はアルミニウム合金が材質として用いられ、負極８、負極回転軸１０及び軸受け９には銅又は銅合金が用いられている。軸受け６、９からは、それぞれ正極外部端子及び負極外部端子が導出されている。この外部端子間に、数キロボルトの直流定電圧が印加される（図２参照）。このような直流電圧は、直流低電圧を昇圧する小型トライバから供給される。
【００２１】
次に、本実施形態の液体駆動モータ１の動作について説明する。
【００２２】
軸受け６、９間に印加された数キロボルトの直流電圧により、正極８には電荷が注入され、電界共役流体中で自由電荷が発生し、負極８側に到る。このとき、図２の矢印に示すように、電界共役流体は正極５から負極８の方向に水流を生起する。ロータ３の回転方向に対して直交する方向に形成されたリブ２Ａは、生起された水流を受ける。リブ２Ａにより電界共役流体の移動が規制され移動しにくくなる分、ロータ３に回転力が生じ、電界共役流体の反作用でロータ３は図２の反時計方向に回転する。このため、正極回転軸７（出力軸）からこの回転力を出力として取り出して動力源とすることができる。なお、印加電圧を逆にすると、ロータ３は逆方向に回転する。
【００２３】
次に、本実施形態の液体駆動モータ１の作用等について説明する。
【００２４】
本実施形態の液体駆動モータ１では、ステータ容器２の内周面に電界共役流体の移動を規制するリブ２Ａが形成されており、リブ２Ａとロータ３との間隔が狭められている。このため、電界共役流体の粘性抵抗が増大し、電界共役流体の反作用で回転するロータ３の回転力は増加する。従って、液体駆動モータ１は、上述した従来の液体駆動モータより大きな出力（回転力）を取り出すことができ、出力密度が向上するため、マイクロモータに適した特性を発揮することができる。更に、リブ２Ａ間には谷間が形成されている。この谷間には電界共役流体が収容されるため、液体駆動モータ１に水流の生起に必要な電界共役流体の液量を確保することができると共に、出力密度を向上させることができる。
【００２５】
また、液体駆動モータ１では、ステータ容器２の内周面にリブ２Ａがロータ３の回転方向に対して直交する方向（垂直方向）に配置されている。リブ２Ａはロータ３の回転方向に対して直交しているので、電界共役流体の移動が規制されて移動しにくくなり、電界共役流体は粘性抵抗が増加する。このため、水流の反作用で回転するロータ３には大きな出力が与えられる。
【００２６】
更に、液体駆動モータ１では、リブ２Ａをステータ容器２の内周面全周に一定の間隔で配置している。リブ２Ａの間隔が一定のため、水流の反作用で回転するロータ３に回転ムラが生ずることを防止することができる。このため、回転出力にムラのない液体駆動モータを得ることができる。また更に、リブ２Ａ間の間隔は一対の正極５、負極８の間隔よりも小さくなるように配置されている。このため、正極５、負極８が３６０°どの回転位置にあっても、リブ２Ａで水流を受けることができ回転ムラが減少すると共に、水流を受ける効率、すなわち、出力を高めることができる。
【００２７】
また、液体駆動モータ１では、正極５、負極８が印刷処理でロータ３の表面に薄膜状に形成されている。このため、従来の液体駆動モータに比べロータ３の回転力に対する抵抗を小さくすることができ、結果として、液体駆動モータ１の出力を向上させることができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、リブ２Ａをロータ３の内周面に沿って略垂直方向に配置した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図３に示すように、ロータ３に対向するようにステータ容器の内周面に沿ってＶ字状のリブ２Ｂを形成するようにしてもよい。このようにすれば、水流がリブ２ＢのＶ字の中央に向かうように生起され、その反作用でロータ３は中央位置に保持されるので、軸受け６、９にスラスト荷重を掛けずに回転させることが可能となる。印加電圧を逆にすると、回転方向が逆となり水流は外側に導かれるが、同様に、軸受け６、９にスラスト荷重を掛けずに回転させることが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態では、ステータ容器２に配置されたリブ２Ａ間の谷間に電界共役流体を収容して電界共役流体の液量を確保する例を示したが、図４に示すように、更に積極的にリブ２Ａ間の谷間に凹部（窪み）２Ｃを形成することで、電界共役流体の液量を増加させるようにしてもよい。このようにすることで、増加した液量で移動流の反作用が大きくなり出力を増加させることができる。
【００３０】
また、本実施形態では、電界共役流体にデカン二酸ジブチルを例示したが、他に、ジブチルアジペート（ＤＢＡ）、トリアセチン、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、３−メトキシ−３−メチルブチルアセテート、フマル酸ジブチル、９，１０−エポキシブチルステアレート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート（ＰＭＡ）、メチルアセチルリシノレート（ＭＡＲ−Ｎ）、ジブチルイタコネート（ＤＢＩ）、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールジイソブチレート、プロピレングリコールエチルエーテルアセテート、テトラヒドロフタル酸ジオクチルエステル、１−エトキシ−２−アセトキシプロパン、リナリルアセテート、２−エチルヘキシルベンジルフタレート等を用いることができ、またこれらの混合物を用いるようにしてもよい。
【００３１】
更に、本実施形態では、ステータ容器２、上蓋１１の材質に電気絶縁性樹脂を例示したが、強度を増加させるために金属を使用するようにしてもよい。金属を使用する場合には、電界共役流体に侵食されないＳＵＳ３０４等のステンレスやポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等で表面処理を施した金属を用いることが好ましい。また、ステータ容器２、上蓋１１に金属を用いる場合には、両者の短絡を防止するために、電気絶縁性のガスケットを介してカシメにより封口するようにしてもよい。更に、ステータ容器２、上蓋１１の材質としては、ポリカーボネート、アクリル、セラミクス、ガラス等を材質とすることができ、高温環境下で使用する場合には、アクリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）等を材質とするようにしてもよい。
【００３２】
また、本実施形態では、正極５及び負極８をそれぞれ十字状に４対で構成した例を示したが、電極対の数が多いほどロータ３の回転速度は大きいため（電極対の間隔自体はロータ３の回転速度に大きな影響は与えない。）、液体駆動モータ１の用途に応じて、電極対の数を多く又は少なくするようにしてもよい。このような用途に応じて仕様変更を迅速に行うには、量産を考慮すると印刷処理で薄膜電極を形成することが好ましいが、部分メッキ、蒸着、エッチング等によりロータ３に電極を形成するようにしてもよい。
【００３３】
更に、本実施形態では、電界共役流体は熱による体積膨張を考慮して上蓋１１の内底面の近傍まで注液されているが、電界共役流体の劣化を防止するために、電界共役流体と上蓋１１の内底面との間に窒素等の不活性ガスを封入するようにしてもよい。このような封入工程は、例えば、チャンバ内でステータ容器２に所定量の電界共役流体を注液した後、真空ポンプでチャンバ内を真空とし、不活性ガスでチャンバ内を満たして、その環境下でステータ容器２の開口部を上蓋１１で封口すればよい。
【００３４】
また、本実施形態では、ロータ３に中空状のものを用いた例を示したが、その中空部に気体、液体、個体等を充填してロータ３の重さを調整するようにしてもよい。このような調整を行うことによって、ロータ３と電界共役流体との比重を調整することが可能となり、例えば、電界共役流体とロータ３の比重を同一に設定することで、軸受け６、９に浮力や重力による荷重が掛からない構造とすることができる。
【００３５】
更に、本実施形態では、ステータ容器２に有底円筒状の容器を例示したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、立方体状や多角形状の容器を用いるようにしてもよい。この場合に、リブ２Ａの先端とロータ３との間隔は回転ムラを生じないように一定とすることが好ましい。
【００３６】
そして、本実施形態では、正極部材にアルミニウム又はアルミニウム合金、負極部材に銅又は銅合金を用いた例を示したが、本発明はこれに限定されず、回転軸の剛性を確保するために、例えば、ステンレス丸棒等を使用するようにしてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１の態様によれば、ステータ容器の内壁面に流体の移動を規制する突出部を有しているので、突出部とロータとの間隔が小さくなるため、流体の粘性抵抗が増大しロータの回転力が増加してモータの出力を向上させることができる共に、突出部間には液体が収容されるので、移動流を生起する液体量を確保することができ、第２の態様によれば、電極がロータの外径と略同一の外形に形成されているので、ロータ回転時の液体に対する抵抗を少なくすることができると共に、ステータ容器にはロータの外周面に対向する内壁面に凹部が形成されているので、凹部に液体が収容されるため液体量が確保され、移動流の反作用を大きくすることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の液体駆動モータの一部破断外観斜視図である。
【図２】液体駆動モータの動作を模式的に示し、上蓋を取り除いた状態での液体駆動モータの平面図である。
【図３】本発明が適用可能な他の実施形態の液体駆動モータの一部破断外観斜視図である。
【図４】本発明が適用可能な別の実施形態の液体駆動モータの一部破断外観斜視図である。
【符号の説明】
１　液体駆動モータ
２　ステータ容器
２Ａ、２Ｂ　リブ（突出部）
２Ｃ　凹部
３　ロータ
５　正極
８　負極
１１　上蓋（ステータ容器の一部）
【図１】
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【図２】
2004096890.tif 000004
【図３】
2004096890.tif 000005
【図４】
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