(57)【要約】【課題】半導体静電モータにおいて下側軸受け３と可動体１における摩擦抵抗の極少を可能とし、効果的に可動体１の電荷と固定子２の電位または電荷を利用して高速駆動できる半導体静電モーターを提供する。【解決手段】電圧によって作用する電荷を保有する可動体１と、電圧または電荷によって作用する固定子２からなる半導体静電モータにおいて、固定子２と相対する可動体１の表面に複数の不純物添加部１ａを配置し、可動体１と相対する固定子の表面に複数の電極部２ａを配置し、電極部２ａに電圧を印加しない状態で、電極部２ａが不純物添加部１ａより上方にあることを特徴とする半導体静電モータ。回転時、可動子１と軸５が浮上し、下側軸受け３とこれらの摩擦がなくなり、高速回転が可能となった。【選択図】　図１
2004129397.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からなる半導体静電モータにおいて、固定子と相対する可動体の表面に複数の不純物添加部を配置し、可動体と相対する固定子の表面に複数の電極部を配置し、前記固定子の電極に電圧を印加しないときは前記固定子の電極部は前記可動子の不純物添加部より上方にあることを特徴とする半導体静電モータ。
【請求項２】
前記可動子に軸を取りつけたことを特徴とする請求項１に記載の半導体静電モータ。
【請求項３】
前記可動子が高抵抗の半導体であることを特徴とする請求項１乃至請求項２いずれか１項に記載の半導体静電モータ。
【請求項４】
前記不純物添加部が前記高抵抗の半導体と異なる導電型であ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】
前記固定子の電極が金属であ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】
前記固定子が高抵抗の半導体であって、前記電極部が前記高抵抗の半導体と異なる導電型の不純物添加部であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか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半導体静電モータにおいて可動体の不純物半導体添加部および固定子の電極部の位置に関するものである。
【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。
【０００３】
図３は従来の半導体静電モータの第１の例を説明するための回転中心を通る縦断面図である（非特許文献１参照）。以下従来の半導体静電モータの第１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、同心円状の固定子２、下側軸受け３、上側軸受け４、円柱状の軸５、モールド部６で構成されている。
【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なっている。可動子１が回転を始めれば軸５は固定子２の中央に位置し、上側軸受け４に接触することはなくなる。
【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が複数、等間隔で遇数個配置されている。
【０００８】
固定子２は、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。
【０００９】
図２は従来の半導体静電モータの第１の例の動作を説明するための図である。図は可動体１と固定し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の、半導体静電モータの回転動作について説明する。
【００１０】
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。
【００１１】
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型半導体全体は正電位の電極側に電気的に引き寄せられる。
【００１２】
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。
【００１３】
可動子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。
【００１４】
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。半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。
【００１５】
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。
【００１６】
従来の半導体静電モータのほとんどが軸受け５を設けて可動体１を超高速で駆動させるものであるが、小型化になるほど下側軸受け３と軸５との摩擦抵抗が問題となってくる。この摩擦抵抗を低下させるために潤滑油を用いることもあるが保守など取り扱いに不便であり、また低減効果も十分でないため実用的でない。
【００１７】
図４は従来の半導体静電モータの第２の例を説明するための回転中心を通る縦断面図である（特許文献１参照）。以下従来の半導体静電モータの第２の例の構造と動作について説明する。
【００１８】
従来の半導体静電モータの第２の例は、下側軸受け３と軸５との摩擦抵抗の問題を改善するために、軸５をとってしまい、可動子１と下側可動体支持部７との摩擦抵抗を防ぐため、下側可動体支持部７の形状を円錐形とした。それぞれの固定子の電極部２ａに適切な電圧を印加することにより、効果的に可動体１を浮上させ、回転駆動する半導体静電モータを提供するものである。
【００１９】
この従来の半導体静電モータは、円板状の可動体１、これに対し同心円状の固定子２、下側可動体支持部７、上側可動体支持部８からなり、円柱状の軸はない。
【００２０】
円板状の可動体１は回転していないときあるいは回転数が低い場合、下側可動体支持部７に支えられる。必ずしも水平ではなく傾いている。
【００２１】
従来の半導体静電モータの第１の例と同様に各固定子の電極部２ａに適切な電位をかけることにより、可動体１は回転し浮上し始めるので、高速回転できる。
【００２２】
可動体１を浮上させるために、可動体の不純物の添加部１ａの縦方向の厚さｔを固定子の電極部の縦方向の厚さＴ以下の厚さとし、可動体の不純物の添加部１ａの縦方向の厚さｔを上側可動体支持部８と下側可動体支持部７の間隙Ｌより小さくする。
【００２３】
可動体１の回転数が低いか、静止状態にあるときは可動体１が下側可動体支持部７に接触している。　このため、回転の始動時には不安定な動作になることが予想されるが、前記ｔ、Ｌ，Ｔが上記の関係にあると回転数が高くなるにつれて浮上するといわれている。
【００２４】
この、従来の半導体静電モータの第２の例では、回転軸を取り除いた構造にして超高速回転を可能とした。これにより高速の光シャッターなどへの用途を可能とした。しかし、回転軸がないため、回転力を取り出すことはできない。
【００２５】
従来の第１の実施例においては可動体１を超高速で駆動させようとすると、小型化になるほど下側軸受け３と軸５との摩擦抵抗が問題となってくる。
【００２６】
また第２の実施例においては回転軸がないため、回転力を取り出すことができない。また、回転の始動時には不安定な動作になる。
回転開始前においては可動体１が下側可動体支持部７と点接触となるわけではなく、傾いて可動体１と下側可動体支持部７のかなりの面が接触して回転できないか、回転開始時に高電圧の駆動電圧が必要になる。高電圧は、半導体静電モータの半導体集積回路との一体化等のシステム構成にとって望ましくない。
【００２７】
【特許文献１】
特開平３−２７７１８９号公報（第１図）
【非特許文献１】
高橋、渡辺著　「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
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題を解決しようとするものであり、可動体を精度よく浮上させ、下側軸受けと可動体における摩擦抵抗の極少を可能とし、効果的に可動体の電荷と固定子の電荷あるいは電圧を利用して高速に回転する半導体静電モーターを提供する。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、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からなる半導体静電モータにおいて、固定子と相対する可動体の表面に複数の不純物添加部を配置し、可動体と相対する固定子の表面に複数の電極部を配置し、前記固定子の電極に電圧を印加しないときは前記固定子の電極部は前記可動子の不純物添加部より上方にあることを特徴とする半導体静電モータである。
請求項２記載の発明は前記可動子に軸を取りつけたことを特徴とする請求項１に記載の半導体静電モータである。
請求項３記載の発明は前記可動子が高抵抗の半導体であることを特徴とする請求項１乃至請求項２いずれか１項に記載の半導体静電モータである。
請求項４記載の発明は前記不純物添加部が前記高抵抗の半導体と異なる導電型であ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記載の発明は前記固定子の電極が金属であ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記載の発明は前記固定子が高抵抗の半導体であって、前記電極部が前記高抵抗の半導体と異なる導電型の不純物添加部であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体静電モータである。
【００３０】
【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、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００３１】
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、下側軸受け部３、上側軸受け部４、円柱状の軸５で構成されている。
【００３２】
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３に支えられ、上側軸受け４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。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の固定子２が配置されている。
【００３３】
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。可動子１が回転を始めれば軸５は固定子２の中央に位置し、上側軸受け４に接触することはなくなる。下側軸受け３と上側軸受け４は耐摩耗性のあるシリコン半導体やガラスが望ましい。シリコン半導体を用いると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。
【００３４】
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が複数、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、これを可動子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、回転浮上に必要なクーロン力を大きくできる。
【００３５】
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。可動体の不純物添加部１ａに対応する固定子２の内周部上部と上面に接し、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が複数配置されている。固定子の電極部２ａは可動体の不純物添加部１ａの２倍の数が望ましい。
【００３６】
固定子２は、Ｐ型半導体を基板とし可動体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高抵抗の絶縁物である上側軸受け４と下側軸受け３が固定されている。
【００３７】
可動体の不純物添加部１ａと固定子の不純物添加部２ｂの位置は、精度よく浮上させるために、可動体の不純物添加部１ａの表面は固定子の不純物添加部２ｂの下面より下側にあり、両者の差はできるだけ少ない方がよい。
【００３８】
本発明の動作は従来の半導体静電モータの第１の例の動作と同様であり、図２を参照して説明できる。ただし、図２の固定子の電極部２ａは本発明の固定子の不純物添加部２ｂに相当する。
【００３９】
固定子の不純物添加部２ｂに対して一つおきに正の電位、その間の固定子の電極部２ｂ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２ｂから斥力を受けると同時に正の電位の固定子の電極部２ｂ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。
【００４０】
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電位の固定子の不純物添加部２ｂの方向に偏る。可動体の不純物添加部１ａのイオン化したアクセプタであるＮ型拡散不純物（例えば燐）は固定電荷のため、位置が固定されており、負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型半導体全体は正電位の電極側に電気的に引き寄せられる。
【００４１】
この後、可動体の不純物添加部１ａが最初正電位に印加した固定子の不純物添加２ｂの正面を通過するまで、全ての固定子の不純物添加部２ｂ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。
【００４２】
可動子１が回転方向最初の固定子の不純物添加部２ｂの正面を通過した後、各固定子の不純物添加部２ｂに上記電圧と逆の電位の電圧を加える。この電圧極性変更により、可動体１は上記回転方向に更に回転する。
【００４３】
但し、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。
【００４４】
可動子の不純物添加部１ａの電子が正電位の固定子の不純物添加部２ｂにより引き付けられ浮上する。これにより、可動子の不純物添加部１ａが固定子の不純物添加部２ｂとほぼ相対する位置まで浮上できる。
【００４５】
固定子２、可動子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分２ｂはＰ型拡散領域であってもよい。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半導体であってもよい。
【００４６】
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等によって堆積し、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。
【００４７】
軸５がある場合について説明したが、軸５がない場合も、浮上前の状態で、下側軸受け３と可動体１との接触面積を少なくしておけば本実施例同様、高速回転は可能であり、軸５がない場合も本発明の技術的範囲に入る。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば可動体の回転数が増すと同時に軸と下軸受けの摩擦が低減し高速回転が可能となり、軸より出力が取り出すことが容易で超小型半導体静電モータを提供することが出来る。
【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】従来の半導体静電モータの第１の例の動作を説明するための図である。
【図３】従来の半導体静電モータの第１の例を説明するための回転中心を通る縦断面図である。
【図４】従来の半導体静電モータの第２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　下側軸受け
４　上側軸受け
５　軸
６　モールド部
７　下側可動体支持部
８　上側可動体支持部
【図１】
2004129397.tif 000003
【図２】
2004129397.tif 000004
【図３】
2004129397.tif 000005
【図４】
2004129397.tif 000006