JPS63253884A - 静電モータ - Google Patents

静電モータ

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Publication number
JPS63253884A
JPS63253884A JP62259831A JP25983187A JPS63253884A JP S63253884 A JPS63253884 A JP S63253884A JP 62259831 A JP62259831 A JP 62259831A JP 25983187 A JP25983187 A JP 25983187A JP S63253884 A JPS63253884 A JP S63253884A
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JP
Japan
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rotor
stator
lands
electrostatic motor
positioning
Prior art date
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Pending
Application number
JP62259831A
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English (en)
Inventor
カイガム　ジャコブ　ガブリエル
ロバート　クラフト　プラドホーム
ウィリアム　スチュアート　ニューバリー　トリマー
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AT&T Corp
Original Assignee
American Telephone and Telegraph Co Inc
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/004—Electrostatic motors in which a body is moved along a path due to interaction with an electric field travelling along the path

Landscapes

  • Micromachines (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 孜貢盆互 本発明は広く静電モータの分野に関し、詳しくは小型マ
イクロリニアモータおよびマイクロロータリモータに関
し、固定子および回転子は基板に形成され互いに直接あ
るいは潤滑フィルムを介して滑動自在に接触し、静電結
合を最大化するとともに固定子と回転子間の間隙許容誤
差の問題を排除したリニアモータおよびロータリモータ
に関する。
発ｙＩ１１最 静電モータは長い歴史を有している。“電気の歴史（Ａ
旧５ｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ）　　”
、ジョンウィリー・アンド・サンズ、ニューヨーク、１
８９８゜第５０６〜５０７頁および“ベンジャミン・フ
ランクリンの業績（Ｔｈｅ　Ｗｏｒｋｓ　ｏｆ　Ｂｅｎ
ｊａｍｉｎ　Ｆｒａｎｋｌｉｎ）’、ウィツトモア・ナ
イルズ・アンド・ホール、ボストン、１８５６．第５巻
、第３０１真によれば、アンドリュウ・ゴートンとベン
ジャミン・フランクリンは電磁モータの出現より１（１
０）年前の１７５０年代に静電モータをつくった。最初
のキャパシタ静電モータは１８８９年にカール・チベル
ノスキによって開発され、“チベルノスキ静電モータ（
Ｚｉｐｅｒｎｏｗｓｋｙ　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ
　Ｍｏｔｏｒ）”　、“電気の世界（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ａｌ　Ｗｏｒｌｄ）’＋第第１拳初期の静電モータの展
望はオレグ・ジェフィメンコによる“静電モータ（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　Ｍｏｔｏｒｓ）″、エレクト
レット・サイエンティフィツク・カンパニ、スター市，
１９７３年に記載されている。ジェフィメンコはこの展
望において、空中電気によって電力供給できるゴートン
の電気ベルから現代のモータまでにわたる静電モータの
歴史を記述している。
ジエ・エッチ・スタウトの米国特許第３，６２９．６２
４号には腕時計に使用する小さな静電モータが記載され
ている。この特許は静電モータの回転子と固定子に複数
個の極面（ランド）を形成するのにフォトリソグラフィ
技術の使用を示唆している。
これらきわだった歴史にもかかわらず、高電圧と機械的
に精度が要求されるので静電モータの実際上の応用は少
ししかない。このことによって静電モータの使用を多く
の応用に向けることが一般に制限されていた。しかしな
がら電磁モータは通常より大きなシステムで使用されて
いる。残念なことに電磁力は小型マイクロモータに対し
てはうまく適合しない。しかし、静電力は、既に概説し
た問題を克服するならば、うま（適合し小型マイクロ静
電モータを使用できる能力がある。
１皿■黴！ 当該技術の進歩は半導体基板に形成した固定子と回転子
とを有する静電モータによって達成される。ここで使用
する“回転子”という用語は、回転運動に制限すること
なくむしろ可動部材を指摘している。各固定子と回転子
の基板の一方の表面には絶縁層が堆積されている。
一実施例においては、支承面に備はった自然の潤滑性に
よって充分にモータの動きを可能としている。他の実施
例においては、支承面間に潤滑媒体を置いている。好ま
しくは、潤滑媒体は油中に浮く微小な球の混合物より成
る。
固定子と回転子のランドを各々の基板上に直線的にある
いは円形に配列することによってリニアモータとロータ
リモータの両方を構成することができる。リニアモータ
の場合、固定子と回転子の位置決めは、固定子あるいは
回転子の支承面の１個以上の溝と、溝を形成しない方の
固定子あるいは回転子の支承面の１個以上の係合リブと
によって維持できる。
ロータリモータの場合、位置決め方法のひとつの方法で
は、固定子あるいは回転子の支承面の回転中心に形成さ
れた円孔と、円孔を形成しない方の固定子あるいは回転
子の支承面に形成され円孔と対応する凸部とを用いてい
る。他の位置決め方法では、回転子に起動ランドを形成
するのと同一工程で、回転中心に同心状に複数個の扉電
共通位置決めランドを堆積する。同様にこれらランドと
対応して複数個の同心ランドを固定子に堆積する。
固定子の位置決めランドは２個の電気的に共通な２分割
領域に区分されている。位置決めは、これら２分割領域
に互いに逆極性の電位をかけることによって生ずる固定
子と回転子との位置決めランド間の電磁吸引力によって
維持される。
さらに、複数個の導電位置検知ランドを固定子と回転子
の支承面に堆積することもできる。位置検知ランドは、
固定子と回転子の起動ランド群と対応する群として物理
的および電気的に配列される。固定子の位置検知ランド
群に電気的に接続された出力手段は、固定子の位置検知
ランド群と回転子の位置検知ランド群との間の容量を指
示する。
モータは、シリコン等の基板に前もって微細加工したギ
ヤ等の他の微小部品とともに使用することもできる。
１縦設皿 小型リニア静電モータを第１図に示す、好ましくはシリ
コンでつくった半導体基板３（１０）および３０２は固
定子３０４と回転子３０６の基台を形成している。固定
子と回転子はその主要な点で同様に構成できる。固定子
基板の一方の表面には、例えば１／３〜２ミクロン厚の
二酸化珪素あるいは窒化シリコンの絶縁層３０８を堆積
する。フォトリソグラフィ技術を用いて、絶縁層３０８
の上部に複数個のアルミニウムランド（極面）３１０を
堆積する。今のところ６ミクロン技術を使用している。
従って各ランドの幅は６ミクロンである。
最後にもうひとつの絶縁層３１２をランドの上部と絶縁
層３０８の露出面とに堆積する。ランド３１０があるの
で絶縁層３１２の表面は完全に平坦ではない。この表面
を廖いて平坦にすることができる。あるいは平坦でない
ままにしておき、表面の小さな谷を以下に詳述する潤滑
媒体の貯留所として作用させることもできる。いずれの
場合も、固定子３０４と回転子３０６の上層の絶縁層は
互いに位置合せを行って接触させる。このことによって
固定子と回転子のランド間の距離が最小となり、ランド
対の容量と発生できる起動力とが最大となる。前述した
ように絶縁層３１２の自然な潤滑性が固定子と回転子の
相対運動を充分に可能としている。
固定子と回転子の対応する各ランド対、例えばＡ−Ａ　
’　、は第１図の拡大部分に示されるように互いにずれ
た平行板容量対を形成する。このずれたランドＡ−Ａ　
’に電圧を印加すると、力が発生してランドＡ−Ａ　’
を第２図に示すように位置合せする。この時点でランド
Ｂ−Ｂ　’はずれ、起動される位置にあり、ランドＡ−
Ａ’とＢ−Ｂ　’とをもとの位置に移動する。このよう
な簡素な設計での力と動きは比較的小さいが、以下に説
明するリニア静電モータの原理を示している。
ランドの位相を互いに異ならせることによって、動きを
いずれの方向にもでき発生ずる力を増大できる。第３図
はこのようなモータのランドの構成として可能な一側の
一部を示している。上と下の導電ランドが所与の相対位
置にある時、ランドＡ−Ａ’（および同一相対位置にあ
る他のすべてのランド）に電圧を印加すると、これらラ
ンドの位置を合せるような力が発生する。上の部材５（
１０）を固定しておくと、下の部材５０２は自由に動き
、発生した力によって＋Ｘ方向にＷ／３　（Ｗは１個の
ランドの幅）動く。第４図はランドＡ−Ａ　’が起動さ
れ位置が合さった後の各ランドの相対位置を示す。
これとは逆に第３図において、ランドＢ−Ｂ　’（およ
び同一相対位置にあるすべてのランド）に電圧を印加す
ると−Ｘ方向にＷ／３動く。前者の場合はランドｃ−ｃ
　’が＋Ｘ方向への動きを継続する位置にきて、後者の
場合はランドＤ−Ｄ　’が＋Ｘ方向への動きを継続する
位置にきていることに注意されたい。
シリコン基板に形成された第５図に示すリニア静電モー
タにおいて、Ｗ＝６ミクロン、ｌ　＝　５　ｍｍ、ｄ＝
１ミクロン、Ｌ＝５ｃｍそしてＶ＝１（１０）ボルトと
仮定すると、質量が約０．３７５グラムの構造から理論
的に１．８７ニユートン（０，４２ポンド）の力が発生
する。
第１図に示す絶縁層３１２に自然に備なわった潤滑性を
用いて固定子と回転子との相対運動とが可能となるが、
この相対運動は固定子と回転子との間に潤滑フィルムを
置くことによって増強されることを見出した。好ましい
実施例では、軽油に浮かぶ微小なガラス球より成る潤滑
フィルムを使用している。微小ガラス球は約２ミクロン
の直径を有し、カルフォニア州パーロアルトにあるデュ
ーク科学会社にり入手できる。
第７図は三相リニアモータの固定子と回転子のランドの
別な詳細を示す。回転子のランドは図の下の方に示され
ている。固定子のランドからの容量性結合を回転子のラ
ンドを起動するのに用いている。従って回転子のすべて
のランドは互いに電気的に接続されている。この構成に
よって回転子に対する外部の電気的接続は不要となる。
固定子と回転子の位置決めは主要な問題である。
第８図〜第１１図は、本発明の特徴であるリニアモータ
の位置決め問題の解決に使用したふたつの方法を示す図
である。第８図において、例えば固定子の支承面１（１
０）が示されている。縦の破線１（１０）２は支承面の
下のランドを示す。
２個のＶ字形の溝１（１０）４が支承面に刻まれている
。第９図の固定子９（１０）と回転子１１（１０）の端
面に示されるように、位置決め用の２個のＶ字形のりブ
１１０２が溝１（１０）４と係合するよう配設されてい
る。溝１（１０）４は従来の方向性光学エソチング工程
によって絶縁基板層に形成される。位置決め用のリブ１
１０２は異方性エツチング工程によって形成できる。
第１０図および第１１図は第８図および第９図と同様の
図であるが、固定子と回転子の全域に延びる１個のＶ溝
１３（１０）とこれに対応するリブ１３０２が使用され
ている。この実施例では、第１０図に示すようにランド
はＶ溝の面内に置かれている。当然モータを収容し支持
する容器が存在するが、簡略にするために図示されてい
ない。容器とともに、これらリブと溝との技術が正確で
便利な位置決め手段を提供している。
第１２図はリニアモータの実施例を示し、Ｘ−Ｙ平面の
ように自由度２の回転子の動きをする。
部材１４（１０）を固定子とすると、部材１４０２およ
び１４０４は各々第１および第２の回転子である。固定
子１４（１０）の溝１４０６は回転子１４０２の位置決
めリブ１４０８と係合する。同様にリブ１４０８の方向
と直角に走る溝１４１０は回転子１４０４の位置決めリ
ブ１４１２と係合する。
第１３図は本発明の原理に従ってつくられた小型ロータ
リモータを示す。回転子２２（１０）は上の方に置かれ
ている。固定子２２ｏ２は回転子よりも大きく、パッド
２２０４の接続スペースと回転子の運動スペースを許し
ている。回転子と固定子とが方形であるのは、シリコン
ウェハがら円形よりも方形の方が切り易いからである。
固定子のランドの配列を第１４図に示す。この配列は前
述したリニアモータとそれと同一であって、直線的に配
列されたランドを円形に曲げている。従って、ここで示
すロータリモータはリニアモータで例示したように３相
駆動される。さらに、図示するように固定子のランドは
起動ランド２３（１０）と位置検知ランド２３ｏ２とを
有する。固定子と回転子のランド間の容量性結合を用い
ている。従って第１５図に示すように回転子のすべての
ランドは電気的に互いに接続されている。この構成によ
って回転子に対する外部の電気的接続の必要がなくなる
。
回転子と固定子の位置決めの一方法を第１６図に示す。
凹部２５（１０）が反応性イオンエツチングあるいは他
の手段によって固定子（あるいは回転子）の中心にエツ
チングされている。対応する凸部２５０２は同様の手段
によって回転子（あるいは固定子）に形成されている。
電気的よりもむしろ機械的手段を用いたもうひとつの方
法を第１４図および第１５図に示す。この方法では、複
数個の同心状の位置決めランドが固定子と回転子とに堆
積されている。固定子の位置決めランドは回転子の各々
の位置決めランドと対応する。固定子の位置決めランド
は２個の電気グループ２３０４および２３０６に分割さ
れている。互いに反対極性の電位がポンディングパッド
２３０８および２３１０を介して２個の位置決めグルー
プに印加される。回転子の位置決めランドは外部の電気
的接続が不要なように電気的に共通である。回転子の位
置決めランドと互いに反対極性の電位がかけられた固定
子のランドグループ２３０４および２３０６との間の容
量性結合は、位置決めランド間の静電吸引力となり回転
子が回転している間の位置決めを維持する。
以上説明した構成は本発明の原理の応用例であって、当
業者にとって本発明の精神および範囲から逸脱すること
なく他の構成も工夫できることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図は、半導体基板でつくられ固定子と
回転子においてランドが基板に堆積され、固定子と回転
子とが物理的に接触しているのを示す断面図、 第３図〜第５図はリニアモータの回転子に継続した動き
を与えることのできる固定子と回転子との間の位相関係
を示す図、 第６図は油中に浮かぶ微小ガラス球の潤滑媒体を介して
固定子と・回転子とが接触している実施例を示す図、 第７図は固定子および回転子の起動ランドと固定子の位
置検知ランドとの両方を有する三和リニアモータと、継
続した動きを与えることのできる固定子と回転子との間
の位相関係を示す図、第８図〜第１１図はリニアモータ
の固定子と回転子のふたつの位置決め構成を示す図、第
１２図は直角方向に相対運動のできる２個の回転子を有
したリニアモータを示す図、第１３図は半導体基板に実
施されたロークリ静電モータを示す図、 第１４図は三相ロータリモータの固定子の起動ランドと
位置検知ランド、ならびに固定子と回転子の位置決めを
維持するために使用する同心状ランドの構成を示す図、 第１５図は第１４図の固定子に対応した、回転子の起動
ランド、位置検知ランドおよび位置決めランドを示す図
、そして 第１６図はロータリモータの固定子と回転子の位置決め
を維持する別な構成を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １（１０）−・・支承面、 ３（１０）．３０２・−・基板、 ３０４．９（１０）．１４（１０），２２０２−固定子
、３０６．１１（１０），２２（１０）−・−回転子、
３０８．３１２−・・絶縁層、 ３１０．２３（１０）−　ランド、 １（１０）４．１３（１０）．１４１０−・溝、１１０
２．１３０２．１４０８−　　リブ。 出願人　：　アメリカン　テレフォン　アンドテレグラ
フ　カムパニー ＦＩＧ、　ｆ ＦＩＧ、　２ 図面の浄＋’ｒ　（１”ｊ　’（ｉに変更なし）ＦＩＧ
、　３ 中入 ＦＩＧ、　５ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　６ ＦＩＧ、　　ｆ６ ＦＩＧ、　８　　　　　　　　ＦＩＧ、　９ＦＩＧ、　
ｆＯＦＩＧ、　ｆｆ ＦＩＧ、　　イ４ ＦＩＧ、１５

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）固定子と回転子とを有し、各固定子および回転子
    は、基板と、 各固定子あるいは回転子の基板の表面に堆積した複数の
    導電起動ランドと、そして 回転子を起動させるために固定子の前記ランドに選択的
    に電圧を印加する手段とより成る静電モータであって、 回転子および固定子の一側表面と各々のランドに堆積さ
    れて支承面を形成し、滑動あるいは回動自在に各々の支
    承面が互いに接触する絶縁相と、そして 回転子および固定子を互いに位置決めしてこの位置決め
    を維持する手段とより成ることを特徴とする静電モータ
    。
  2. （２）前記基板は半導体材料より成る特許請求の範囲第
    １項記載の静電モータ。
  3. （３）固定子と回転子の支承面の間の潤滑媒体をさらに
    有する特許請求の範囲第１項記載の静電モータ。
  4. （４）前記潤滑媒体は油中に浮く微小な球の混合物より
    成る特許請求の範囲第３項記載の静電モータ。
  5. （５）前記微小な球はガラス製である特許請求の範囲第
    ４項記載の静電モータ。
  6. （６）固定子および回転子の各々のランドはリニアモー
    タを形成するために各々の基板上で直線的に配設されて
    る特許請求の範囲第１項記載の静電モータ。
  7. （７）固定子および回転子の各々のランドはロータリモ
    ータを形成するために各々の基板上で円形パターンとし
    て配設されている特許請求の範囲第１項記載の静電モー
    タ。
  8. （８）前記位置決め手段は、さらに、 固定子あるいは回転子の支承面において静電モータの直
    線運動の方向に位置した１個以上の溝と、そして、 溝の形成されていない固定子あるいは回転子の支承面に
    おいて前記１個以上の溝と係合する１個以上のリブとを
    有する特許請求の範囲第６項記載の静電モータ。
  9. （９）２個の溝と２個のリブとが位置決めのために使用
    され、ランドは回転子と固定子の各々溝とリブとの間に
    位置している特許請求の範囲第８項記載の静電モータ。
  10. （１０）１個の溝と１個のリブとが位置決めのために使
    用され、各溝およびリブは静電モータの運動の方向に直
    角な方向の全域に延びる２面によって形成され、ランド
    は２面の各々に堆積されている特許請求の範囲第８項記
    載の静電モータ。
  11. （１１）各溝およびリブはＶ字形状である特許請求の範
    囲第８項記載の静電モータ。
  12. （１２）固定子あるいは回転子の一方は、さらに、基板
    の第２の側に第２の支承面を有し、静電モータは、さら
    に、固定子あるいは第１の回転子の第２の支承面と接触
    する支承面を有した第２の回転子を有し、第２の回転子
    は、第１の回転子あるいは固定子の１個以上のリブある
    いは溝と係合する、第１の回転子の運動方向に直角な方
    向に走る１個以上の溝あるいはリブを有している特許請
    求の範囲第８項記載の静電モータ。
  13. （１３）固定子あるいは回転子の一方は支承面の回転中
    心に形成された円孔を有し、前記位置決め手段は、さら
    に、固定子あるいは回転子の他方の支承面の回転中心に
    前記円孔と係合する凸部を有する特許請求の範囲第７項
    記載の静電モータ。
  14. （１４）前記位置決め手段は、さらに、回転子の支承面
    の回転中心に対して同心状の複数個の導電共通ランドと
    、固定子の支承面の回転中心に対して同心状であって、
    共通ランドと対応する複数個の導電ランドとを有し、固
    定子の前記位置決めランドは各々が電気的に共通な２個
    の２分割領域に区分されている特許請求の範囲第７項記
    載の静電モータ。
  15. （１５）固定子および回転子の起動ランドに対応して支
    承面に配設された複数個の導電位置検知ランドと、そし
    て、 固定子の位置検知ランドに電気的に接続され、固定子お
    よび回転子の位置検知ランド間の容量を指示する出力手
    段とをさらに有する特許請求の範囲第１項記載の静電モ
    ータ。
JP62259831A 1986-10-16 1987-10-16 静電モータ Pending JPS63253884A (ja)

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US06/919,789 US4754185A (en) 1986-10-16 1986-10-16 Micro-electrostatic motor
US919,789 1986-10-16

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JP (1) JPS63253884A (ja)

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