(57)【要約】【課題】静電吸着装置における自由電荷トラップによる吸着力の低下を防止し、実用的な静電吸着装置を構成する。【解決手段】トラップされた自由電荷を電極へ放電させるため、適当な導電性を付与した誘電体膜で電極を覆う。このようにすることにより膜上から除去されるので摩擦などによる吸着力の低下がなく、電極の電位極性を切り替えるなどの操作も不要で、そのための付加回路も不要なコスト的に極めて有利な静電吸着装置を実用化することができる。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
層状の誘電体よりなる吸着層の裏面に近接して、略同一平面上に配された、正負少なくとも一対の層状の電極と、該電極に電位差を与える手段とを有し、前記吸着層裏面に誘起された分極電荷によるクーロン力によって、前記吸着層表面に物体を吸着する静電吸着装置において、前記誘電体に自由電荷が吸着したとき、その自由電荷が前記電極対の少なくとも一方に放電される手段を備えた静電吸着装置。
【請求項２】
前記電極が、絶縁性支持体フィルム上に積層状に形成され、前記吸着層が前記電極表面を被覆してなる請求項１記載の静電吸着装置。
【請求項３】
吸着した自由電荷が半減する放電時定数が６０秒以内であるような放電手段をもつ静電吸着装置
【請求項４】
吸着層の体積抵抗率が１．０×１０１１〜９．９×１０１３Ωｃｍある請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電吸着装置
【請求項５】
前記吸着層がポリ塩化ビニル系樹脂を含有する請求項４記載の静電吸着装置。
【請求項６】
前記吸着層がナイロンを含有する請求項４記載の静電吸着装置。
【請求項７】
前記吸着層が下記一般式（１）
【化１】
2004147358.tif 000004
2004147358.tif 000005
であらわされる繰り返し単位を有し、重合度を表すｌ，ｍ，ｎが
ｌ／（ｌ＋ｍ＋ｎ）＝０〜０．５
ｍ／（ｌ＋ｍ＋ｎ）＝０．５〜０．９９５
ｎ／（ｌ＋ｍ＋ｎ）＝０〜０．２５
の関係を有する樹脂を含有する請求項４の静電吸着装置。
【請求項８】
前記吸着層に１．０×１０６〜９．９×１０１０Ωｃｍの体積抵抗率を有する微粒子を含有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の静電吸着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は静電クーロン力によって対象物を吸着する、静電吸着装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電クーロン力によって対象物を吸着する、いわゆる静電吸着装置は、磁気吸着とことなり吸着対象を選ばないので、産業上の用途が広い。たとえば、真空蒸着装置内でシリコンウエハを保持するための静電吸着装置（特開平５−３１５４３５）、コピーマシンにおける紙めくり機構に静電吸着装置を用いたもの（特開平５−２０１１７５）、シートを張り付ける手段として静電吸着装置をもつ電子黒板（特開平５−５６２０１）などが開示されている。
【０００３】
静電吸着は、よく知られている通り、電界中の物体に誘起される、静電誘導による逆極性電荷（導電体の場合）あるいは分極による逆極性分極電荷（絶縁体の場合）と電界との間のクーロン力をその原理としている。
電界を発生させる方法としては、電極対に電位差を与える（電圧を印加する）ものや強誘電体の自発分極（電石）を利用するものがあるが、前者が一般的である。
【０００４】
電極対に電圧を印加して発生した電界により対象物を吸着する静電吸着装置で、電極対が露出していると、導電体の吸着では電極対が導電体により電気的に短絡されるので電界の発生が困難となるか、あるいは吸着物に過大な電流が流れ吸着物を破損する恐れがある。したがって、特開平５−３１５４３５では電極対の体積抵抗を１×１０９〜１０×１０１１Ω−ｃｍとなるよう工夫し、吸着物に過大な電流が流れることを防いでいる。
電極対が露出していても、被吸着物が絶縁体の場合には吸着物による電極対の短絡という不都合は起こらないが、一般に電極対間の電位差は数１００〜数１０００Ｖを必要とするので、電極対の露出は感電の危険性があり、湿気や埃などによる放電が吸着動作を不完全にする恐れがある。
【０００５】
電極対の露出による不都合を避けるため、特開平５−５６２０１、特開平６−２２５５５６では電極対の表面を薄い誘電体膜で覆う構造をとっている。このような構造としても、静電誘導電荷や分極電荷は発生するので導電体、絶縁体とも吸着動作は可能である。ただし、誘電体膜の厚さだけ電極対と吸着物の距離が離れるので、吸着力が減少する。
このように、電極対を薄い誘電体膜で覆う技術は、電極対が露出していることによる不都合を解決し、感電の危険性もなく、導電体も絶縁体も区別無く吸着できる静電吸着装置を実現している。
しかし、この従来技術は以下に述べる重大な欠陥を擁している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
静電吸着装置の実用上のおおきな問題は吸着力の安定性にある。電極対が露出している場合、吸着力を不安定にする要因は、汚れによる電極対間の絶縁不良である。この場合、電極対表面、電極間およびその周辺から汚れを取り去れば吸着力は回復する。また、電極表面に吸着された電極電位とは逆電位の自由電荷やイオンの電荷は電極へ放電されるので吸着力には影響しない。
【０００７】
一方、電極を誘電体膜で覆った構造のものでは、汚れによる電極対間の絶縁不良は発生しない。また、誘電体膜上の、水分をふくんだ埃などの導電性のよごれは清掃で取り去ることも可能である。
しかし、誘電体膜表面に吸着した電極電位とは逆電位の自由電荷やイオンの電荷は電極への放電がなされないため、そのまま残留、トラップされ、電極対が発生する電界を相殺する。したがって、吸着力が減少する。
【０００８】
特に、誘電体膜表面を他の物質で摩擦したときに発生する摩擦電荷のトラップは吸着力をゼロにまで減少させうる。誘電体膜表面の他物質による摩擦は、吸着物の吸着時、剥離時、吸着面の清掃時など静電吸着装置の動作上不可避に発生するから、この現象は静電吸着装置の有用性を全く損なってしまう。
【０００９】
実験によれば、このトラップ電荷はアルコールによる清掃などの通常の清掃方法では除去できない。このトラップ電荷を除去するためには電極対の発生電界の向きを逆にする必要があるが、これは、静電吸着装置において、定期的に印加電圧を逆にすると吸着力が回復するという経験的な知識と一致する。しかし、数１００〜数１０００Ｖの電圧を電子的に切り替える回路を備えることは、コスト的にひじょうに不利である。また、印加電圧の逆転は何度か繰り返すうちに吸着力の回復が弱くなることが経験的に知られているので、この方法は完全ではない。
【００１０】
このように電極対を薄い誘電体膜で覆った従来の静電吸着装置は、自由電荷やイオン、特に摩擦電荷の蓄積による吸着力の低下、というより全く吸着しなくなることもあるという重大な欠陥があり、静電吸着装置の普及を大きく妨げている。
【００１１】
すなわち本発明の目的は、前述のように重大な欠陥をもつ従来の静電吸着装置から自由電荷やイオン、特に摩擦電荷のトラップによる吸着力の毀損を防止し、安定した吸着力を長期に保持できる静電吸着装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
発明者らは誘電体上に形成される自由電荷が長時間にわたって放電されず、またこの滞留した自由電荷が静電吸着装置の形成する電界とは反対向きの電界を発生するため、静電吸着装置の吸着力低下が発生することに鑑み、自由電荷の短時間内の放電こそが吸着力の長期安定を達成する方法であることを見出し本発明を完成した。
【００１３】
すなわち本発明は、層状の誘電体よりなる吸着層の裏面に近接して、略同一平面上に配された、正負少なくとも一対の層状の電極と、該電極に電位差を与える手段とを有し、前記吸着層裏面に誘起された分極電荷によるクーロン力によって、前記吸着層表面に物体を吸着する静電吸着装置において、前記誘電体に自由電荷が吸着したとき、その自由電荷が前記電極対の少なくとも一方に放電される手段を備えた静電吸着装置を提供する。
【００１４】
本発明の静電吸着装置は誘電体に自由電荷が付着、吸着したときに該自由電荷を該電極対の少なくとも一方に放電させる機能を有するので、自由電荷が誘電体上に滞留せず、安定した吸着力を保持することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
また、本発明の静電吸着装置においては、前記電極が、絶縁性支持体フィルム上に積層状に形成され、前記吸着層が前記電極表面を被覆していてもよい。
【００１６】
このような静電吸着装置は薄膜を積層した構造を取ることができ、全体としてシート状の静電吸着装置を形成することができる。
発明者らは吸着層にトラップされた自由電荷が半減する時間を放電時定数と定義して、放電時定数を自由電荷のトラップの目安とすることにより、自由電荷の放電手段の評価指数の一つとすることができることを見出した。放電時定数が大きいことは、自由電荷やイオンの吸着に対して、装置の吸着力が不安定であることを示す。
【００１７】
すなわち、吸着した自由電荷が半減する放電時定数が６０秒以内であるような静電吸着装置であると、誘電体表面の自由電荷が速やかに電極対へと放電されるので好ましい。
【００１８】
またそのためには、吸着層の体積抵抗率は１×１０１１〜９．９×１０１３Ωｃｍであることが好ましい。体積抵抗率が１×１０１１未満であると吸着層を通しての電荷のリークが生じて、電極の電圧が上がらず吸着力が不足する傾向にあり、またリーク電流による電力消費が発生するため効率が悪くなる傾向がある。一方吸着層が１×１０１４以上の体積抵抗率を有すると、摩擦等によって吸着層に付着した自由電荷が電極に放電されず、吸着層の電位の大きさを低下させて吸着力を低下させる傾向がある。
【００１９】
また吸着層を構成する前記誘電体はポリ塩化ビニル系樹脂、またはナイロン等を含有することが好ましく、さらには誘電体中に体積抵抗率１×１０６〜９．９×１０１０Ωｃｍの微粒子を含有することが好ましい。このような構成を用いることにより、誘電体の体積抵抗率を静電吸着装置として適性な数値にまで低下させることができ、さらにはノンオーミックな導電機構も機能させて自由電荷を電極対へと放電させることができる。
【００２０】
本発明は、従来の技術がもつ致命的な欠陥である、自由電荷やイオン、特に摩擦電荷のトラップによる吸着力の毀損を解決するため、自由電荷を電極対へと放電させる手段を提供するものである。
【００２１】
本発明の静電吸着装置の層状の電極部分は、その基本構成が上記の先行文献に提示されている。電極対は複数あってよく、その平面上の構成は吸着効率をあげるため例えば櫛形形状を用いることができる。このような一定の平面状パターンを有する電極は、金属蒸着または金属粉やカーボン粉を含有する導電性塗料を塗布することによって形成することができる。
【００２２】
本発明の吸着層はポリエステル、ポリ塩化ビニル、ナイロン、アクリル、ポリカーボネート、ポリアセタール、フェノール、エポキシ等のプラスティック、またはこれらを２種以上混合した混合プラスティックのプレートもしくはシート、またはそれら同種、もしくは異種のプレートやシートを積層した材料が用いられる。通常吸着層は電極対間のリークをなくすため１×１０１４〜１×１０１５Ωｃｍの体積抵抗に設定される。しかし自由電荷を電極対へと短時間に放電させるには１．０×１０１１〜９．９×１０１３Ωｃｍの範囲に設定することが好ましく、そのような体積抵抗範囲に設定が可能なプラスティック、例えばポリ塩化ビニル、ナイロン、下記一般式（１）で表される樹脂等が好適に用いられる。
【化２】
2004147358.tif 000002
2004147358.tif 000003
ｌ，ｍ，ｎは重合度を表し
ｌ／（ｌ＋ｍ＋ｎ）＝０〜０．５
ｍ／（ｌ＋ｍ＋ｎ）＝０．５〜０．９９５
ｎ／（ｌ＋ｍ＋ｎ）＝０〜０．２５
の関係があるものとする。一般式（１）のなかにはエチレンビニルアルコール共重合体樹脂、ポリビニルアルコール等が含まれる。
特にポリ塩化ビニルが高湿環境化での体積抵抗率の低下が少なく好ましい。
さらにポリ塩化ビニルに導電性可塑剤を添加したものは、体積抵抗率を上記した好ましい数値範囲内に設定することが容易でありさらに好ましい。
吸着層の厚さは静電吸着装置の電極への印加電圧、想定している吸着力にもよるが１μｍ〜１ｍｍの間で適宜設定することができる。
【００２３】
さらに吸着層に用いるプラスティックに導電性微粉を含有させると、ノンオーミックな導電機構の寄与を大きくすることができ、より一層短時間で自由電荷を電極対へと放電することができる。
導電性微粉としては、１．０×１０６〜９．９×１０１０Ωｃｍの体積抵抗率を有する微粒子を用いることが好ましく、１．０×１０１０〜９．９×１０１０Ωｃｍの体積抵抗率を有する微粒子を用いることが、その添加量の調整によってプラスティックの体積抵抗率を上記した好ましい範囲内に設定することが容易でさらに好ましい。
【００２４】
導電性微粉としてはカーボン粉、金、銀、錫、酸化亜鉛、導電性酸化物、導電性イオン樹脂等が用いられる。
【００２５】
本発明における自由電荷とは、吸着層表面に付着する吸着層表面上の電荷とは逆極性の電荷であって、ほこりの付着、摩擦帯電などで吸着層表面に付着するものをいう。
【００２６】
本発明では従来技術による吸着力の低下、毀損が自由電荷トラップによるものであることを実験的に確認し、従来技術では考慮されなかった、自由電荷トラップによる吸着力の低下、毀損の評価指数として自由電荷の放電し易さの指標として、吸着層に捕獲された自由電荷が半減するまでの時間を放電時定数として定義した。
放電時定数は摩擦電荷を発生させ、直後の吸着層の電位を時間を追って測定することによって行った。
【００２７】
該放電手段の導電機構としては、通常のオーミックな導電機構が主体であるが、アバランシェ、ツェナー、トンネルなどの他のノンオーミックな導電機構も排除しない。
【００２８】
本発明においては自由電荷による影響がなく安定した吸着力を保持するためには吸着層の放電時定数は６０秒以下が好ましく、３０秒以下とすることがさらに好ましいい。さらに１５秒以下とすると、摩擦等によって発生する自由電荷による吸着力の低下を実質的に無視することができさらに好ましい。
このように放電時定数を設定することにより、オーミックな放電機構以外の放電機構の寄与も含めて自由電荷の放電機能に優れた吸着層の材料を選定することができる。
吸着層の体積抵抗率を１×１０１１〜９．９×１０１３Ωｃｍとすることは、前記放電時定数を６０秒以下とするために好ましい。またさらに体積抵抗率をこのような数値に設定することにより、摩擦電荷の発生後に最終的に吸着層に残存する電荷を少なくすることができる。
【００２９】
電極は絶縁性支持体フィルム上に積層状に形成することができる。該絶縁性支持フィルムとしては吸着層の用いるプラスティックのうち通常、体積抵抗率が１０１４Ωｃｍ以上のものを導電性微粉を含有させずに用いるのが好ましい。また絶縁性支持体の厚さは印加電圧に対する絶縁性、静電吸着装置に求められる可撓性から２０μｍ以上が好ましい。
電極は絶縁性支持体フィルム上に転写、あるいは加圧してフィルム中に埋め込んでも良く、また電極表面あるいは周囲を絶縁性の接着剤で固定してもよい。あるいはまた絶縁性支持体フィルムの代わりに絶縁性接着剤を用いて電極の保持と絶縁を同時に行っても良い。
また絶縁性支持体フィルムを吸着層と同一の材料で構成することもできる。
さらにまた電極は絶縁性支持体フィルムの両面に形成してもよい。
【００３０】
【実施例】
第１図は実施例に用いた静電吸着装置の断面図である。１、２は電極対、３は電極対を覆う吸着層、４は接着層、５は電極の保持材であって、電極１，２には電源６により電圧が加えられている。電極１，２間に加えられた電位差により、電極１，２間には電界が発生する。電界は電気力線７で表現されるが、電気力線の一部は膜３をとおりぬけ、近傍の物体８に静電誘導または分極による逆電荷を発生させ、クーロン力により膜３の表面に物体を吸着させる。
以下第１図の静電吸着装置において、吸着層に種々の物質を用いて放電時定数と吸着層に残存する摩擦電荷による最終的な電位の大きさを測定した。なお体積抵抗率は２３℃、５０％の条件で５００Ｖの電圧を印加して行った。
【００３１】
（放電時定数）
静電吸着装置に１２００Ｖの電圧を印加し吸着機能を持たせた状態で、吸着層をティッシュペーパーにて摩擦して摩擦電荷を吸着層表面に発生させる。この摩擦電荷によって吸着層の電位は急激に低下し、その後徐々に回復するがその電位の時間変化を測定することによって放電時定数を測定している。
【００３２】
（吸着層に残存する摩擦電荷による最終的な電位の大きさ）
静電吸着装置に２０００Ｖの電圧を印加し、ティッシュペーパーにて摩擦電荷を発生させ、３０分間放置した後電源を切り、吸着層の電位を測定し、これと静電吸着装置に電源投入前の吸着層の電位との差を求め、その絶対値で表す。
【００３３】
（実施例１）
第１図の機械的構成による静電吸着装置において、膜３にわずかな導電性を付与することで、吸着された自由電荷を電極に放電させた。吸着層である膜３の材質として塩化ビニル（体積抵抗、１×１０１２Ω−ｃｍ）を採用した。第５図に示すグラフは膜３の表面をティッシュペーパでこすり、摩擦電荷を吸着させたとき、電極上の膜３の表面電位実測値である。３０秒程度でトラップされた自由電荷が放電され、吸着力が回復している。データから放電時定数は１０秒程度と見積もられる。吸着層に残存する摩擦電荷による最終的な電位の大きさは３Ｖであった。
【００３４】
（実施例２）　第１図の機械的構成による静電吸着装置において、膜３にわずかな導電性を付与することで、吸着された自由電荷を電極に放電させた。導電性は膜３の材質として塩化ビニルに導電性微紛（カーボン紛）を分散させたものを採用した。体積抵抗は抵抗計が印加する低電圧では実施例１とかわらず、１×１０１２Ω−ｃｍである。したがって、この場合、付与された導電性にはノンオーミックなものが寄与していると考えられる。第６図に示すグラフは膜３の表面をティッシュペーパでこすり、摩擦電荷を吸着させたとき、電極上の膜３の表面電位実測値である。５秒程度でトラップされた自由電荷が放電され、吸着力が回復している。データから放電時定数は１秒以下と見積もられる。吸着層に残存する摩擦電荷による最終的な電位の大きさは３Ｖであった。
【００３５】
（実施例３）
膜厚１９μｍのナイロン、（東レ合成（株）製　１４０１＃２０）を吸着層に用いて実施例１と同様に実験を行った。体積抵抗率は８．０×１０１２Ωｃｍであった。放電時定数を測定したところ摩擦電荷付与時の電位降下が小さく、また電位も直ちに回復して時定数は５秒以下であった。吸着層に残存する摩擦電荷による最終的な電位の大きさは１Ｖであった。
【００３６】
（実施例４）
膜厚４８μｍのナイロン、（東レ合成（株）製　１４０１＃５０）を吸着層に用いて実施例１と同様に実験を行った。体積抵抗率は９．１×１０１２Ωｃｍであった。放電時定数を測定したところ摩擦電荷付与時の電位降下が小さく、また電位も直ちに回復して時定数は５秒以下であった。吸着層に残存する摩擦電荷による最終的な電位の大きさは１Ｖであった。
【００３７】
（実施例５）
膜厚５０μｍのエチレンビニルアルコール共重合樹脂（クラレ　ＥＦ−Ｅ＃５０）を吸着層に用いて実施例１と同様に実験を行った。体積抵抗率は２．７×１０１４Ωｃｍであった。放電時定数を測定したところ摩擦電荷付与時の電位降下が小さく、また電位も直ちに回復して時定数は５秒以下であった。吸着層に残存する摩擦電荷による最終的な電位の大きさは２１２Ｖであった。
【００３８】
（比較例１）
第１図の静電吸着装置において、膜３をＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン、体積抵抗２×１０１５Ωｃｍ）にして実施例１と同様の実験を行った。実験によれば、摩擦電荷の場合、吸着された電荷の自然放電による減衰率はきわめて小さく、その放電には常温常湿で３０分以上を要する。
【００３９】
第３図に示すグラフは、膜３がＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン、体積抵抗２×１０１５Ωｃｍ）の場合において、表面をティッシュペ−パーでこすり摩擦電荷を発生させたとき、電極上の膜３の表面電位の実測値である。グラフでマイナスの時間に対応する表面電位は摩擦電荷を発生させる前の表面電位である。したがって、マイナスの時間の絶対値には意味がない。また、時間０は摩擦電荷発生直後を意味し、純粋なゼロではない。このことは他の図番のグラフの場合も同様である。
図３からはプラス電極上の膜３表面では、摩擦電荷により表面電位が負にまで減少し、その回復に３０分以上を要していることがわかる。
【００４０】
（比較例２）
比較例１で用いた静電吸着装置を用いて、アルコールによる電極の清掃効果を確認する実験を行った。表面をティッシュペーパーでこすり摩擦電荷を発生させ、アルコールによる電極表面の清掃を行う。第４図に示すグラフは、アルコールによる膜３の清掃効果の実測値であって、トラップされた摩擦電荷が通常の清掃方法では除去されないことを示している。
【００４１】
第２図は第１図の構造の従来の静電吸着装置において、摩擦電荷などの自由電荷が吸着されたときの電気力線の様子を模式的に示したものである。図中の部材番号は第１図と同じである。
従来例では、膜３、接着層４、膜保持材５は電極間の漏洩電流を小さくするため、それらの体積抵抗は大きいほうがよいとされ、一般に１×１０１５Ω−ｃｍ程度のものが用いられている。
自由電荷９および１０は電極近傍にトラップされ、電気力線７のうち膜３をつきぬけてゆくものが自由電荷のところで遮断される。したがって、物体８には静電誘導や分極による逆電荷の発生が減少または発生せず、物体の吸着力は減少するかまたは全く吸着しない。
【００４２】
このように、従来技術では第１図膜３にトラップされる自由電荷、特に摩擦電荷による吸着力の大幅な低下が避けられず、静電吸着装置そのものの実用性を発揮できないことがわかる。
【００４３】
これに基づき、放電時定数をさげるため、本発明では、膜（第２図３）にトラップされた自由電荷（第２図９，１０）が膜（第２図３）を通して電極へ放電されるように、膜（第２図３）に導電機構を備えた。導電機構としては、通常のオーミックな導電機構が主体であるが、アバランシェ、ツェナー、トンネルなどの他のノンオーミックな導電機構も排除しない。
【００４４】
本発明によれば、膜（第２図３）にトラップされた自由電荷はすばやく除去されるので、放電時定数の極めて小さな静電吸着装置、つまり吸着力の低下が瞬時に回復し、実用的には吸着力の低下が全く感じられない新たな静電吸着装置が構成できる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、吸着された自由電荷が電極を覆う膜を通して電極（第２図１，２）に放電され、膜上から除去されるので摩擦などによる吸着力の低下がなく、電極の電位極性を切り替えるなどの操作も不要で、そのための付加回路も不要なため、コスト的に極めて有利であり、静電吸着装置を真に実用化することができる。このため、本発明は産業上極めて有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】静電吸着装置の断面図である。
【図２】トラップ電荷と電気力線の関係の説明図である。
【図３】従来例によるトラップ電荷の放電時間のグラフである。
【図４】トラップ電荷がアルコールによる清掃では除去されないことを示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施例によるトラップ電荷の放電時間のグラフである。
【図６】本発明の第２の実施例によるトラップ電荷の放電時間のグラフである。
【符号の説明】
１、２　　　電極対
３　　　　　吸着層
４　　　　　接着層
５　　　　　保持材
６　　　　　電源
７　　　　　電気力線
８　　　　　被吸着物体
９、１０　　自由電荷
【図１】
2004147358.tif 000006
【図２】
2004147358.tif 000007
【図３】
2004147358.tif 000008
【図４】
2004147358.tif 000009
【図５】
2004147358.tif 000010
【図６】
2004147358.tif 000011