(57)【要約】【課題】従来の半導体静電モータの構造では、下側軸受け３１と上側軸受け４１が絶縁物であるためその表面に電荷が蓄積し、可動体１の回転を押さえてしまい、回転が高速にならず、回転むらがあった。【解決手段】外部の電荷または電圧によって作用する電荷を保有する可動体１と、電圧によって作用する固定子２と、固定子２と相対する可動体１の表面に配置された不純物添加部１ａと、可動体１と相対する固定子２の表面に配置された固定子の不純物添加部２ｂと、可動体１の中央付近に埋め込まれた軸５と、当該軸５を支える軸受け３１、４１とを有する半導体静電モータにおいて、前記軸受け３１、４１は導体であることを特徴とする半導体静電モータである。回転むらのない、高速回転可能な半導体静電モータが得られた。【選択図】  図１
2004208391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の電荷または電圧によって作用する電荷を保有する可動体と、電圧によって作用する固定子と、固定子と相対する可動体の表面に配置された複数の不純物添加部と、可動体と相対する固定子の表面に配置された複数の電極部と、可動体の中央付近に埋め込まれた軸と、当該軸を支える軸受けとを有する半導体静電モータにおいて、前記軸受けは導体であることを特徴とする半導体モータ。
【請求項２】
外部の電荷または電圧によって作用する電荷を保有する可動体と、電圧によって作用する固定子と、固定子と相対する可動体の表面に配置された複数の不純物添加部と、可動体と相対する固定子の表面に配置された複数の電極部と、可動体の中央付近に埋め込まれた軸と、当該軸を支える軸受けとを有する半導体静電モータにおいて、前記軸受けの前記可動体と相対する面に導体が搭載されていることを特徴とする半導体モータ。
【請求項３】
前記固定子は半導体であり、且つ、前記電極部は不純物添加部であることを特徴とする請求項１または請求項2に記載の半導体静電モータ。
【請求項４】
前記軸受けは絶縁物を介して固定子に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の半導体静電モータ。
【請求項５】
前記軸受けに接地用端子が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の半導体静電モータ。
【請求項６】
前記導体は金属であることをことを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれか１項に記載の半導体静電モータ。
【請求項７】
前記導体は比抵抗が１０１０Ω−cm以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６いずれか１項に記載の半導体静電モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷に働くクーロン力を利用した回転型の半導体静電モータであって回転むらのない、高速回転可能な半導体静電モータである。
【０００２】
【従来の技術】
微細加工の進歩に伴ないマイクロアクチュエータとして半導体静電モータを利用する研究が活発に行なわれている。静電モータはそれぞれ電極部あるいは不純物添加部を有する可動体と固定子からなり、それぞれの不純物添加部内の電荷間あるいは、不純物添加部内の電荷と電極部間に働くクーロン力を利用して超高速で駆動するものである（例えば、非特許文献1参照。）。
【０００３】
図５は従来の半導体静電モータの例を説明するための回転中心を通る縦断面図である。以下従来の半導体静電モータの例の構造と動作について説明する。
【０００４】
この従来の半導体静電モータは、真性半導体からなる円板状の可動体１、絶縁物である貝殻などによる同心円状の固定子２、絶縁物であるガラス基板など電荷が流入及び流出しにくい材料による下側軸受け３と上側軸受け４、鋼の円柱状の軸５、絶縁物であるモールド部６で構成されている。絶縁物である固定子２の表面に導体である固定子の電極部２ａが形成される。
【０００５】
円板状の可動体１の中心に円柱状の軸５が埋め込まれ、両者はコマ型に一体化されており、軸５は下側軸受け３に支えられ、上側軸受け４の中央には軸５の直径より大きい穴が空けられており、軸５の上部がこの穴の中に位置され、軸５があまり傾かないようにされている。上側軸受け４と下側軸受け３の間には円板状の可動体１を取り囲むように同心円状に固定子２が配置されており、固定子２と上側軸受け４の間は、モールド部６により接着されている。
【０００６】
軸５は下側軸受け３との接触抵抗を少なくするために下側が円錐状にすることが多い。
【０００７】
また、可動体１の円板の外周面部分にはＮ型高濃度層による可動体の不純物添加部１ａが等間隔で遇数個配置されている。
【０００８】
固定子２は、貝殻などによる絶縁物であり、固定子の電極部２ａは可動体の複数の不純物拡散部に対応する固定子２の上部とその電極部の中間に等間隔に配置されている。即ち固定子の電極部２ａは可動体の不純物添加部１ａの２倍の数である（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
従来の半導体静電モータは既に説明したように、下側軸受け３と上側軸受け4はガラス基板等の絶縁物で作られており、可動体1と他の部品間を絶縁している。
【００１０】
図４は従来の半導体静電モータの例の動作を説明するための図である。
図４は可動体１と固定子２を上面から見たものである。以下、本図面に基づき、可動体の不純物添加部１ａがＮ型高濃度層である場合における半導体静電モータの回転動作について説明する。
【００１１】
固定子の電極部２ａに対して一つおきに正の電位、その間の固定子の電極部２ａに負の電圧を印加する。Ｎ型高濃度層による可動体の不純物添加部１ａの多数キャリアである電子群は負の電位の固定子の電極部２ａから斥力を受けると同時に正の電位の固定子の電極部２ａから引力を受けるので可動体１は図の矢印方向に回転する。
【００１２】
Ｎ型高濃度層による可動体の不純物添加部１ａの多数キャリアである電子群は正の電位の固定子の電極部２ａの方向に偏る。可動体の不純物添加部のイオン化したアクセプタ即ちイオン化したＮ型拡散不純物(例えば燐)は固定電荷であるため、位置が固定されており、この負の電位の電極方向に動けない。
したがって、多数キャリアの電子群に働くクーロン力は、イオン化したアクセプタ原子群に働くクーロン力より大きくなるので、Ｎ型高濃度層による可動体の不純物添加部１ａ全体は正電位の電極側に電気的に引き寄せられる。
【００１３】
この後、可動体の不純物添加部１ａが最初正の電位に印加した固定子の電極２ａの正面を通過するまで、全ての固定子の電極２ａに電圧を加えない。可動体１は引き続き慣性により回転方向に回転する。
【００１４】
可動体１が回転方向における最初の固定子の電極部２ａの正面を通過した後、各固定子の電極部２ａに上記電圧と逆の電位の電圧を加える。この電圧極性の変更により、可動体１は上記回転方向に更に回転する。
【００１５】
時計周りの方向にそって正電位の固定子の電極２ａと負電位の固定子の電極２ａがあり、その間に可動体の不純物添加部１ａがあれば負電位から正電位の電極方向、反時計周りに回転する。反時計周りの方向にそって正電位の固定子の電極２ａと負電位の固定子の電極２ａがあり、その間に可動体の不純物添加部１ａがあれば負電位から正電位の電極方向、時計周りに回転する。
【００１６】
したがって、回転方向を一定にするためには、正電位の固定子の電極２ａ、負電位の固定子の電極２ａとその間にある可動体の不純物添加部１ａの位置関係を回転の開始前に確認調整する必要がある。
【００１７】
【特許文献１】
特開平３−２７７１８９号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開２０００−２４５１７２号公報（第８頁、第２図）
【非特許文献１】
「不純物半導体を用いたパルスモータ」、静電気学会誌、第１５巻、第５号、１９９１年、ｐ．３８１−ｐ．３８２。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この構造では、可動体１と相対する下側軸受け３と上側軸受け4の可動体１側の表面に電荷が蓄積し、又、電極の電位を変えてもこの電荷が追随して移動しないため、可動体１の回転を押さえてしまい、しかも回転むらが出るという問題点があることが分かった。
【００１９】
本発明は上記問題を解決しようとするものであり、回転速度を制限し、回転むらを起こす原因となる下側軸受け３と上側軸受け4の表面上に蓄積する電荷を押え、効果的に可動体１の電荷と固定子２の電荷あるいは電圧を利用して高速にしかも均一に回転する半導体静電モータを提供する。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために下側軸受け３と上側軸受け4の少なくとも一方を電荷がたまりにくく逃げやすい導体とし、さらに接地するものである。また、下側軸受け３と上側軸受け4の可動体１と相対する表面に導体を堆積し、電荷の影響を防ぐものである。
具体的には、請求項1記載の発明は外部の電荷または電圧によって作用する電荷を保有する可動体と、電圧によって作用する固定子と、固定子と相対する可動体の表面に配置された複数の不純物添加部と、可動体と相対する固定子の表面に配置された複数の電極部と、可動体の中央付近に埋め込まれた軸と、当該軸を支える軸受けとを有する半導体静電モータにおいて、前記軸受けは導体であることを特徴とする半導体モータである。
請求項２記載の発明は外部の電荷または電圧によって作用する電荷を保有する可動体と、電圧によって作用する固定子と、固定子と相対する可動体の表面に配置された複数の不純物添加部と、可動体と相対する固定子の表面に配置された複数の電極部と、可動体の中央付近に埋め込まれた軸と、当該軸を支える軸受けとを有する半導体静電モータにおいて、前記軸受けの前記可動体と相対する面に導体が搭載されていることを特徴とする半導体モータである。
請求項３は前記固定子は半導体であり、且つ、前記電極部は不純物添加部であることを特徴とする請求項１または請求項2に記載の半導体静電モータである。請求項４記載の発明は前記軸受けは絶縁物を介して固定子に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか１項記載の半導体静電モータである。
請求項５記載の発明は前記軸受けに接地用端子が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の半導体静電モータである。
請求項６記載の発明は前記導体は金属であることをことを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれか１項に記載の半導体静電モータである。
請求項７記載の発明は前記導体は比抵抗が１０１０Ω−cm以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６いずれか１項に記載の半導体静電モータである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第１の実施例を説明するための縦断面構造図である。半導体静電モータの回転中心を通る縦断面図である。以下、本発明の第１の実施例を図１に基づいて説明する。
【００２２】
本発明の半導体静電モータは、円板状の可動体１、同心円状に配置された固定子２、下側軸受け３１、上側軸受け４１、円柱状の軸５、接地電極９、１０で構成されている。また、同心円状に配置された固定子２と下側軸受け３１、上側軸受け４１は絶縁物７，８で接着されているとともに電気的に絶縁されている。
【００２３】
円板状の可動体１の中心に円柱状の軸５が埋め込まれ、コマ型にされており、軸５は下側軸受け３１に支えられ、上側軸受け４１には、中央に軸の径より大きい穴が空けられており、軸の上部がこの穴の中に位置されていると共に、あまり傾かないようにされている。
【００２４】
軸５は下側軸受け３１との接触抵抗を少なくするために下側が円錐状になっている。材質は耐摩耗性のある鋼やセラミックを用いる。下側軸受け３１と上側軸受け４１は電荷がたまらないように導体である金属、シリコンなどの半導体あるいは半絶縁物が用いられる。
【００２５】
前記導体の比抵抗が１０１０Ω−cm以下であることが望ましい。これ以上の比抵抗の物質では、電荷が蓄積してしまい、また蓄積した電荷が動きにくくなって、半導体静電モータの回転速度が押さえられてしまい、回転むらも出てしまう。
【００２６】
耐摩耗性のあるシリコン半導体を用いると長期にわたり回転が安定し、このシリコン半導体基板内あるいは基板上に配線や駆動回路を形成できる利点がある。
【００２７】
下側軸受け３１と上側軸受け４１の少なくとも一方に接地電極９、１０をつければ更に電荷が蓄積しにくくなり、たまった電荷も流出するので効果が上がる。
【００２８】
可動体１は高抵抗のＰ型半導体からなる。シリコン半導体の単結晶が望ましいが多結晶であってもよい。また、上面からみると、可動体１の周辺部の側面と上面に接しＮ型高濃度層による可動体の不純物添加部１ａが等間隔で遇数個配置されている。Ｎ型高濃度層による可動体の不純物添加部１ａは円板上面から拡散により精度よく浅くでき、可動体１の中心方向に広い面積にできる。即ち、広い面積のため、多数キャリアである電子が数多く発生し、これを可動体１の側面に集めることが可能であり、この力を打ち消す正にイオン化した固定電荷は広い面積にばらまかれ、電圧によって移動できないので、回転に必要なクーロン力を大きくできる。
【００２９】
固定子２は、高抵抗のＰ型半導体からなる。シリコン半導体の単結晶が望ましいが多結晶であってもよい。可動体１の不純物添加部１ａに対応する固定子２の内周部と同上部に接し円周方向等間隔に、またその中間にもＮ型高濃度不純物拡散領域である固定子の不純物添加部２ｂが配置されている。固定子の不純物添加部２ｂは可動体の不純物添加部１ａの２倍の数が望ましい。固定子の不純物添加部２ｂは固定子の電極部２ａの役目を果たす。
【００３０】
固定子２は、可動体１の径よりも大きい径の穴が開けられており、この中央に可動体１と軸５が配置される。固定子２を挟んで上下に材質が導体である下側軸受け３１と上側軸受け４１が固定されている。
【００３１】
下側軸受け３１、上側軸受け４１がシリコン半導体であれば、絶縁物７、８はシリコン半導体上に熱酸化で付けた酸化膜で代用することもできる。
【００３２】
第１の実施例の動作についても従来の半導体静電モータ例同様に図４を用いて説明できる。従来の半導体静電モータ例の前記説明において固定子の電極部２ａを固定子の不純物添加部２ａにおきかえれば動作説明となるので詳細は省略する。
【００３３】
図２は本発明の第２の実施例を説明するための縦断面構造図である。半導体静電モータの回転中心を通る縦断面図である。以下、本発明のタ第２の実施例を図２に基づいて説明する。
【００３４】
本発明の半導体静電モータは、円板状の可動体１、同心円状に配置された固定子２、下側軸受け３１、上側軸受け４１、円柱状の軸５で構成されている。
可動体１に対向する下側軸受け３１、上側軸受け４１の表面の部分にの導体３２、４２を設置してある。また、下側軸受け３１、上側軸受け４１と固定子２の間は絶縁物７、８で電気的に絶縁されている。
【００３５】
可動体１に対向する下側軸受け３１、上側軸受け４１の表面の部分に設置した導体３２、４２により、回転子１に対向するこれらの面に電荷が蓄積しずらくたまったとしても、印加電圧の極性が変われば、すぐ消滅する。導体３２、４２は実施例１と同様に比抵抗が１０１０Ω−cm以下の金属、半導体、半絶縁物が望ましい。
【００３６】
可動体１に対向する下側軸受け３１、上側軸受け４１の表面の部分に設置した導体３２、４２はいずれか片方だけであってもよい。この場合、実施例１のように下側軸受け３１あるいは上側軸受け４１の材質が、比抵抗が１０１０Ω−cm以下の金属、半導体、半絶縁物であってもよい。
【００３７】
下側軸受け３１、上側軸受け４１に実施例１と同様に接地端子がついていれば、アースを取ることにより、より効果を上げることができる。
【００３８】
下側軸受け３１、上側軸受け４１がシリコン半導体であれば、絶縁物７、８はシリコン半導体上に熱酸化で付けた酸化膜で代用することもできる。
【００３９】
動作は第１の実施例と同様であり、従来の半導体静電モータ例と同様に図4を用いて説明できるので詳細は省略する。
【００４０】
図３は本発明の第３の実施例を説明するための縦断面構造図である。半導体静電モータの回転中心を通る縦断面図である。以下、本発明の第３の実施例を図３に基づいて説明する。
【００４１】
構成は第１の実施例と同じである。異なる点は、絶縁物７、８が、固定子２より、中心部からみて外側の位置になっており、絶縁物７、８の表面に蓄積した電荷の影響も避けることができる。
【００４２】
本構造を第２の実施例に適用することもできる。この場合導体４２または導体３２を周辺方向に広げることができ、より効果が上がる。
【００４３】
下側軸受け３１、上側軸受け４１が絶縁物であれば、固定子２の上下の絶縁物７、８を兼ねることができる。下側軸受け３１、上側軸受け４１が半導体であれば、固定子２との接続部分を酸化させることにより、この酸化膜を絶縁物７、８の代用にすることも可能である。
【００４４】
第３の実施例の動作も第１の実施例と同じである。詳細な説明は省略する。
【００４５】
各実施例において、固定子２、可動体１について高抵抗のＰ型半導体でなくＮ型半導体であってもよい。この場合、可動体の不純物添加部１ａと固定子の不純物添加部２ｂはＰ型拡散領域であってもよい。
【００４６】
シリコンを半導体材料として用いた場合を説明したが、ＧａＡｓやＳｉＣ等の半導体材料であってもよい。
【００４７】
固定子２は絶縁物であってもかまわない。この場合、固定子の不純物添加部２ｂは金属で置きかえられる。固定子の不純物添加部２ｂに対応する位置に、Ａｌなどの金属を蒸着方法などによって堆積し、写真、エッチングプロセスで必要な形状に加工すればよい。
【００４８】
第１の実施例において下側軸受け３１、上側軸受け４１が導体である例を示したが、絶縁物の表面に導体を貼りつけたものであってもよい。この導体は比抵抗が１０１０Ω−cm以下の金属、半導体、半絶縁物の他、比抵抗が１０１０Ω−cm以下であれば有機物であってもよい。
【００４９】
第２の実施例において可動体１と下側軸受け３１、上側軸受け４１の相対する面に導体３２、４２がある例を示したが、下側軸受け３１、上側軸受け４１と絶縁物７、８の界面まで導体３２、４２が広がっていてもかまわない。また、導体３２、４２は比抵抗が１０１０Ω−cm以下であれば有機物であってもよいし、板状でも、塗布膜であってもよい。
【００５０】
下側軸受け３１、上側軸受け４１の軸５を支える部分は付近を摩耗性の少ないガラス、セラミックを利用することもできる。但し、これらも絶縁物であり、電荷の蓄積の可能性があるので、この影響を避けるため、できる限り、小さな面積にすべきである。
【００５１】
軸５がある場合について説明したが、本発明は軸５がない場合（例えば、特許文献1参照。）も適用でき、本実施例同様、安定した高速回転が可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば下側軸受け３１あるいは上側軸受け４１の電荷の蓄積をなくし、蓄積したとしてもその影響を少なくし高速回転が可能な回転むらのない小型半導体静電モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を説明するための縦断面構造図である。
【図２】本発明の第２の実施例を説明するための縦断面構造図である。
【図３】本発明の第３の実施例を説明するための縦断面構造図である。
【図４】従来の半導体静電モータの例の動作を説明するための図である。
【図５】従来の半導体静電モータの例を説明するための回転中心を通る縦断面図である。
【符号の説明】
１  可動体
１ａ  可動体の不純物添加部
２  固定子
２ａ  固定子の電極部
２ｂ  固定子の不純物添加部
３、３１  下側軸受け
４、４１  上側軸受け
５  軸
６  モールド部
７  絶縁物
８  絶縁物
９、１０  接地電極
３２、４２  導体
【図１】
2004208391.tif 000003
【図２】
2004208391.tif 000004
【図３】
2004208391.tif 000005
【図４】
2004208391.tif 000006
【図５】
2004208391.tif 000007