(57)【要約】【課題】従来の半導体静電モータの構造では、可動体１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複数の不純物添加部１ａと、可動体１と相対する固定子２の表面に配置された複数の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、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５と軸受け３１、３４は導体であって可動体１と電気的に接続されており、軸受け３１、４１には接地電極９、１０が設置されていることを特徴とする半導体静電モータ。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
2004208392.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、前記軸は導体であって、可動体と電気的に接続されていることを特徴とする半導体モータ。
【請求項２】
前記軸受けの少なくとも一方は導体であることを特徴とする請求項１記載の半導体モータ。
【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５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４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３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３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の可動体の不純物添加部１ａ以外の場所にも移動性の乏しい電荷がたまってしまい、可動体の不純物添加部１ａだけの電荷を外部電界により力学的に制御するのが困難である。即ち、可動体の不純物添加部１ａとそれ以外の部分との境界が曖昧になり、可動体の不純物添加部１ａ内に保有する多数キャリアの本来の力学作用が得られにくい。また、帯電した電荷が作り出す電界あるいは帯電した電荷と外部電界との相互作用により作られた電界が、回転している可動体１の表面のチャネル構造を動的に撹乱するため、可動体１内の電気伝導状態が位置的及び時間的に意図した制御とは異なる変化をしてしまう。
【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可動体１の可動体の不純物添加部１ａ以外の場所の表面上に蓄積する意図しない電荷を押え、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軸５に加え、下側軸受け３１と上側軸受け4１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、さらに接地電位に接続するものである。
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、前記軸は導体であって、固定子と電気的に接続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２記載の発明は前記軸受けの少なくとも一方は導体であることを特徴とする請求項１記載の半導体モータである。
請求項３記載の発明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。
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項に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５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、円板状の可動体１と円柱状の軸５軸は電気的に接続されるよう導電性の接着剤で接続されている。
【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。軸５は、導体であり、耐摩耗性のある鋼やシリコン半導体が用いられる。下側軸受け３１と上側軸受け４１は電荷が流出する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】
軸５または下側軸受け３１あるいは上側軸受け４１の材質である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。軸５自体に伝導性のブラシ(図示せず)をアースとして接触させれば下側軸受け３１と上側軸受け４１は導体でなくともよい。
【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の例と同様に図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、本発明の第２の実施例を図２に基づいて説明する。
【００３４】
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。
【００３５】
第２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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
実施例において軸５が導体である例を示したが絶縁体の軸に比抵抗が１０１０Ω−cm以下である金属や有機物を塗布する二重構造であってもよい。
【００４１】
次に試作結果を示す。
外形の直径５mm、且つ、可動体の直径２mm、の大きさの第１の実施例の構造による半導体静電モータを試作し、特性を測定した。固定子の不純物添加部２ｂに±５００Ｖの電圧をかけて駆動したところ、１分間に２万６千回転させることができた。また、電圧を上昇させるにつれ連続的に回転数があがった。
【００４２】
上記の半導体静電モータにおいて、下側軸受け３１と上側軸受け４１を絶縁物とした従来の半導体静電モータの構造相当品において、固定子の不純物添加部２ｂに±５００Ｖの電圧をかけて駆動したところ、１分間に１万１千回転しか回転しなかった。また、電圧を上昇させると不連続に回転数があがった。
【００４３】
【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、あるいは、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】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】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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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