JP2008178235A - プラズマモータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で且つ簡単な構成のプラズマモータを提供する。
【解決手段】スイッチ８を投入して高電圧電源７で回転子２の回転軸３と固定子１との間に高電圧を印可することにより一対の針状電極６の先端部と固定子１との間にコロナ放電を生じさせると、これら針状電極６の先端部の近傍にプラズマが形成され、イオン化された空気が固定子１へ向けて流れてイオン風が発生し、針状電極６がイオン風の反力を受ける。一対の針状電極６は、回転子２の回転方向に対して互いに同一の方向に屈曲しているため、双方の針状電極６がそれぞれ受ける反力により回転軸３に同一方向のモーメントが発生し、回転子２が回転軸３を中心として回転する。
【選択図】図１

Description

この発明は、プラズマモータに係り、特にプラズマの形成により発生するイオン風を利用して回転子を回転させるモータに関する。

従来から磁界と電流の相互作用による力を利用して駆動力を発生させる電動機が広く知られているが、磁界を発生するため、あるいは電流を流すためにコイルが必要となり、小型化が困難であった。
これに対し、例えば、特許文献１には、クーロン力を利用して駆動力を得るコロナモータが開示されている。このコロナモータは、放電電極を有する固定子と誘電体を有する回転子との間にコロナ放電を発生させて回転子の誘電体を帯電させ、クーロン力により回転子を回転させるものである。

特開２００２−３４６５７９号公報

この種のコロナモータは、固定子と回転子とが板状に形成されていることからディスク型コロナモータと呼ばれており、小型化が可能となる。
しかしながら、回転子を回転させるために、回転子の誘電体の表面を正及び負に局部的に帯電させる必要があり、このため、回転子の回転方向に沿って固定子の放電電極を多数に分割して交互に正及び負の電圧を印加しなければならず、構成が複雑になるという問題を有していた。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、小型で且つ簡単な構成のプラズマモータを提供することを目的とする。

この発明に係るプラズマモータは、固定子と、固定子に対して回転自在に配設された回転子と、固定子及び回転子のうちの一方に配設された針状電極と、固定子及び回転子のうちの他方と針状電極との間に高電圧を印可して針状電極の近傍にプラズマを形成することによりイオン風を発生させて回転子を回転させる高電圧印可手段とを備えたものである。

なお、針状電極は、回転子の回転方向に対して接線方向で且つ後方を向くように回転子に配置することができる。
あるいは、針状電極を固定子に配置し、回転子が、固定子を囲むように環状に配列され且つそれぞれ回転子の回転方向に対して同一方向に傾斜する複数の羽根部材を有するように構成することもできる。
また、複数の針状電極が、固定子及び回転子のうちの一方に設けられていてもよい。
さらに、高電圧印可手段として、針状電極が配設された回転子または固定子との間にコロナ放電を生じさせる高電圧ガンを用いることもできる。

この発明によれば、固定子及び回転子のうちの一方に針状電極を配設し、高電圧印可手段により固定子及び回転子のうちの他方と針状電極との間に高電圧を印可して針状電極の近傍にプラズマを形成し、イオン風を発生させて回転子を回転させるので、簡単な構成で小型のモータを実現することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１及び２に実施の形態１に係るプラズマモータの構成を示す。円筒状の固定子１の内部に回転子２が配設されている。回転子２は、固定子１内の中心部に位置する回転軸３を中心として支持台４上に回転自在に配置されており、回転軸３から互いに反対方向に延びる一対のアーム部５と、それぞれのアーム部５の先端から直角に屈曲した一対の針状電極６とを有している。これら一対の針状電極６は、回転子２の回転方向に対して接線方向で且つ後方を向くように互いに同一の方向に屈曲している。

また、固定子１が電気的に接地されると共に、回転子２の回転軸３に高電圧電源７の一端が電気的に接続され、高電圧電源７の他端がスイッチ８を介して固定子１に電気的に接続されている。これら高電圧電源７とスイッチ８とにより、高電圧印可手段が構成されている。
なお、固定子１と、回転子２の回転軸３、アーム部５及び針状電極６はそれぞれ導体から形成され、支持台４は絶縁物から形成されているものとする。また、このプラズマモータは空気中に置かれているものとする。

次に、この実施の形態１の作用について説明する。スイッチ８を投入して高電圧電源７で回転子２の回転軸３と固定子１との間に高電圧を印可することにより一対の針状電極６の先端部と固定子１との間にコロナ放電を生じさせると、これら針状電極６の先端部の近傍にプラズマが形成され、イオン化された空気が図１に破線で示す電気力線に沿って固定子１へ向けて流れる。すなわち、針状電極６の先端部から固定子１に向かうイオン風が発生し、針状電極６はこのイオン風の反力を受ける。ここで、一対の針状電極６は、回転子２の回転方向に対して互いに同一の方向に屈曲しているため、双方の針状電極６がそれぞれ受ける反力により回転軸３に同一方向のモーメントが発生し、図１に実線矢印で示すように、回転子２が回転軸３を中心として回転することとなる。

このように、実施の形態１に係るプラズマモータは、針状電極６を有する回転子２を円筒状の固定子１の内部に配設し、固定子１と回転子２との間に高電圧電源７から高電圧を印加するだけの小型で且つ簡単な構成で回転子２を回転させることが可能となる。
なお、プラズマモータを空気中に載置したが、これに限るものではなく、空気以外の雰囲気中に載置することもできる。例えば、窒素雰囲気中でプラズマモータを動作させれば、イオン化された窒素分子の流れが形成され、その反力で回転子２が回転する。

実施の形態２
図３に実施の形態２に係るプラズマモータの構成を示す。固定子１１には、外方へ向かって放射状に延びる４本の針状電極１２が配置され、固定子１１の外周部に回転子１３が配置されている。回転子１３は、固定子１１を囲むように環状に配列された複数の羽根部材１４を有しており、これら羽根部材１４の環状配列の中心部を中心として回転自在に配置されている。複数の羽根部材１４は、それぞれ回転子１３の回転方向に対して同一方向に同一角度だけ傾斜している。なお、図４に示されるように、固定子１１の各針状電極１２は、回転子１３の回転面内で放射状に延び、回転子１３は、ほぼ筒状の全体形状を有している。

また、回転子１３の各羽根部材１４が電気的に接地されると共に、固定子１１の各針状電極１２に高電圧電源７の一端が電気的に接続され、高電圧電源７の他端がスイッチ８を介して回転子１３の各羽根部材１４に電気的に接続されている。
なお、各針状電極１２と各羽根部材１４はそれぞれ導体から形成され、このプラズマモータは空気中に置かれているものとする。

スイッチ８を投入して高電圧電源７で固定子１１と回転子１３との間に高電圧を印可することにより各針状電極１２の先端部と各羽根部材１４との間にコロナ放電を生じさせると、各針状電極１２の先端部の近傍にプラズマが形成され、イオン化された空気が図３に破線で示す電気力線に沿って回転子１３の各羽根部材１４へ向けて流れる。ここで、各羽根部材１４は、それぞれ回転子１３の回転方向に対して同一方向に同一角度だけ傾斜しているため、イオン化された空気が各羽根部材１４に衝突することにより、各羽根部材１４に同一方向のモーメントが発生し、回転子１３が回転することとなる。
このように、針状電極１２を固定子１１に配置し、固定子１１を囲むように回転子１３の複数の羽根部材１４を環状に配列しても、回転子１３を回転させることができる。

実施の形態３
上述した実施の形態１では、高電圧電源７とスイッチ８とにより高電圧印可手段を構成し、回転子２の回転軸３に高電圧電源７の一端を電気的に接続して高電圧を印可したが、図５に示されるように、高電圧ガン１５を高電圧印可手段として用いることもできる。高電圧ガン１５は、内部に高電圧電源とコロナ電極を有しており、コロナ電極と回転子２の回転軸３との間にコロナ放電を生じさせることにより、回転子２に対して非接触状態で回転子２の電位を高めるものである。この高電圧ガン１５を用いて回転子２の電位を高めることで、回転子２の針状電極６の先端部と固定子１との間にコロナ放電が生じてイオン風が発生し、回転子２が回転する。
このように、高電圧印可手段として高電圧ガン１５を用いれば、接点を有しないモータが実現される。
なお、上述した実施の形態２にこの実施の形態３を適用し、高電圧電源７の代わりに高電圧ガン１５を用いて固定子１１の４本の針状電極１２の電位を高め、各針状電極１２の先端部と各羽根部材１４との間にコロナ放電を生じさせて回転子１３を回転させることもできる。

実施の形態４
図６に実施の形態４に係る表示機を示す。この表示機は、上述した実施の形態３のプラズマモータの回転子２の一対のアーム部５に第１の円板１６を固定すると共に、この第１の円板１６の背部に位置するように支持台１７に第２の円板１８を固定したものである。回転子２に固定された第１の円板１６には、それぞれ回転軸３からの距離及び大きさ等が異なる複数の開口部１９及び２０が形成されており、支持台１７に固定された第２の円板１８の表面には、被表示物となる文字、絵、マーク等が広い範囲にわたって描かれている。第１の円板１６の開口部１９及び２０は、第２の円板１８の表面に描かれた被表示物の大きさに比べて小さく形成されており、いずれか一つの開口部を通しただけでは、正面側から被表示物の全体を目視することができないように構成されている。

ここで、高電圧ガン１５を用いて回転子２の電位を高めることにより、回転子２の針状電極６の先端部と固定子１との間にコロナ放電を発生させて回転子２を回転させると、アーム部５と共に第１の円板１６が回転する。この第１の円板１６の回転に伴って複数の開口部１９及び２０も回転するため、高電圧ガン１５が配置されている正面側から見ると、フラッシュ効果（残像効果）によって第２の円板１８の表面に描かれた被表示物の全体を目視することができるようになる。これにより、被表示物の表示が可能となる。

なお、実施の形態３のプラズマモータを用いてこの実施の形態４の表示機を構成したが、同様にして実施の形態１あるいは２のプラズマモータを用いて表示機を構成することもできる。

この発明に係るプラズマモータは、小型で且つ簡単な構成で回転子を回転させることが可能となる。
また、コイルを用いた従来の電動機とは異なり、固定子と回転子との間に高電圧電源あるいは高電圧ガンから高電圧を印加しているときに、何らかの原因で回転子の回転が強制的に停止されても、高電圧電源あるいは高電圧ガンの負荷となることがなく、また熱損失が少ないという利点を有している。

実施例１
図７に示されるように、アース板２１の上に絶縁物からなる支持部２２を介して一対のアーム部２３及び針状電極２４を有する回転子２５を回転自在に配置し、回転子２５の周囲に固定子となる円筒状のアースリング２６を配置した。アース板２１とアースリング２６を電気的に接地し、回転子２５の回転軸の上方に高電圧ガン２７の針状のコロナ電極２８を対向させた。スイッチ２９の投入により高電圧ガン２７のコロナ電極２８と回転子２５の回転軸との間にコロナ放電が生じて回転子２５の電位が高まり、針状電極２４の先端部とアースリング２６との間にコロナ放電が生じてイオン風が発生し、回転子２５が回転する。

ここで、アースリング２６の直径Ｄ１＝７０〜１００ｍｍ、高さＨ＝５０ｍｍ、アース板２１との間隔Ｇ１＝５ｍｍ、コロナ電極２８と回転子２５の回転軸との間隔Ｇ２＝１０ｍｍ、アース板２１の直径Ｄ２＝１５０ｍｍとした。また、図８に示されるように、回転子２５の一対のアーム部２３の全長Ｌ１＝４５ｍｍ、針状電極２４の長さＬ２＝４ｍｍとした。
そして、高電圧ガン２７のコロナ電極２８に印加する高電圧ＨＶ＝４０ｋＶ、コロナ電極２８に流れる電流Ｉ＝８０μＡとして回転実験を行ったところ、回転子２５が良好に回転することが確認された。
なお、アースリング２６を取り外しても同様に回転子２５が良好に回転することが確認された。アースリング２６を取り外した場合には、アース板２１が固定子として作用し、針状電極２４の先端部とアース板２１との間でコロナ放電が生じてイオン風が発生したものと推察される。

実施例２
図９に示されるように、互いに１２０度の角度をなして３本のアーム部３１が回転軸に固定され、それぞれのアーム部３１の先端部に直角に屈曲した針状電極３２が配置された回転子３３を用いる他は、実施例１と同様の装置を用いて回転実験を行った。ただし、各アーム部３１の長さＬ３＝８５ｍｍ、針状電極３２の長さＬ２＝１０ｍｍとすると共に、アースリング２６の直径Ｄ１＝１９０ｍｍ、高さＨ＝５０ｍｍ、コロナ電極２８と回転子３３の回転軸との間隔Ｇ２＝１０ｍｍ、アース板２１の直径Ｄ２＝２５０ｍｍとした。
そして、高電圧ガン２７のコロナ電極２８に印加する高電圧ＨＶ＝３０ｋＶ、コロナ電極２８に流れる電流Ｉ＝８０μＡとしたところ、回転子３３が良好に回転することが確認された。
また、アースリング２６を取り外した場合には、高電圧ガン２７のコロナ電極２８に印加する高電圧ＨＶ＝３０ｋＶ、コロナ電極２８に流れる電流Ｉ＝２６μＡとしたところ、回転子３３が良好に回転することが確認された。

実施例３
図１０に示されるように、実施例２で用いた回転子３３の回転軸を電気的に接地すると共に、この回転子３３に対向させて球状電極３４を配置し、球状電極３４にスイッチ３５を介して電圧５０ｋＶの高電圧電源３６を接続した。
回転子３３と球状電極３４との距離を種々変化させて回転実験を行ったところ、回転子３３と球状電極３４とを５０〜１５０ｍｍ程度離しても回転子３３が良好に回転することが確認された。
また、回転子３３の代わりに実施例１で用いた回転子２５を用いたところ、同様に回転子３３が良好に回転することが確認された。

この発明の実施の形態１に係るプラズマモータの構成を示す平面図である。 実施の形態１に係るプラズマモータの構成を示す断面図である。 実施の形態２に係るプラズマモータの構成を示す平面図である。 実施の形態２に係るプラズマモータの構成を概略的に示す斜視図である。 実施の形態３に係るプラズマモータの構成を示す斜視図である。 実施の形態４に係る表示機の構成を示す斜視図である。 実施例１に係るプラズマモータの構成を示す断面図である。 実施例１に係るプラズマモータの構成を示す平面図である。 実施例２に係るプラズマモータの構成を示す平面図である。 実施例３に係るプラズマモータの構成を概略的に示す斜視図である。

符号の説明

１，１１ 固定子、２，１３，２５，３３ 回転子、３ 回転軸、４，１７ 支持台、５，２３，３１ アーム部、６，１２，２４，３２ 針状電極、７，３６ 高電圧電源、８，２９，３５ スイッチ、１４ 羽根部材、１５，２７ 高電圧ガン、１６ 第１の円板、１８ 第２の円板、１９，２０ 開口部、２１ アース板、２２ 支持部、２６ アースリング、２８ コロナ電極、３４ 球状電極。

Claims (5)

1. 固定子と、
   前記固定子に対して回転自在に配設された回転子と、
   前記固定子及び前記回転子のうちの一方に配設された針状電極と、
   前記固定子及び前記回転子のうちの他方と前記針状電極との間に高電圧を印可して前記針状電極の近傍にプラズマを形成することによりイオン風を発生させて前記回転子を回転させる高電圧印可手段と
   を備えたことを特徴とするプラズマモータ。
2. 前記針状電極は、前記回転子の回転方向に対して接線方向で且つ後方を向くように前記回転子に配置されている請求項１に記載のプラズマモータ。
3. 前記針状電極は、前記固定子に配置され、
   前記回転子は、前記固定子を囲むように環状に配列され且つそれぞれ前記回転子の回転方向に対して同一方向に傾斜する複数の羽根部材を有する請求項１に記載のプラズマモータ。
4. 複数の前記針状電極が、前記固定子及び前記回転子のうちの一方に設けられた請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマモータ。
5. 前記高電圧印可手段は、前記針状電極が配設された前記回転子または前記固定子との間にコロナ放電を生じさせる高電圧ガンからなる請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマモータ。

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