物体を機械的な接触を行わず,空中に浮かすことは省エネルギー,製品の高品質化など様々な面で重要である.そこで,磁気力や流体力,または超音波力を用いた物体の非接触支持機構に関する研究は今まで数多く研究されてきた.その反面,静電気力を物体の非接触支持や運動制御に用いた例は,その力の弱さのため,数少ない.しかし,静電気力は導体や半導体に加えて誘電体や絶縁体など物体の種類に制限されることなく力を与えることができる特長を有する.また,明らかに真空環境においても静電気力は発生できる.そのため,静電気力を浮上力として利用する静電浮上は他の制御方式が有しない特長を持つことになる.例えば,磁気浮上における浮上体は磁性体に限られる反面,静電浮上は全ての物質が浮上可能である.また,流体力を用いた浮上方式は物質の種類に制限されないが,クリーンルームや真空環境では利用し難い.更に,超音波力を用いた浮上方式は浮上力がごく小さい欠点を有する.以上より,クリーンルームや真空環境での反磁性体の非接触支持には静電浮上が一番適している.浮上対象物としては,例えばシリコンウエハやガラス板などが挙げられる.

　半導体製造工程や平面ディスプレイ産業などにおいてウエハや液晶ディスプレイの非接触ハンドリングシステムの開発は製品の高集積化,高品質化に伴い強く要求されている.そこで,本論文ではこの要求に応じてクリーンルームや真空環境での使用を目標とし,静電力を用いた物体の非接触支持機構の開発を行う.なお,製品製造工程においては対象物を単純に非接触支持するばかりではなく,対象物を回転させたり搬送するなど様々なハンドリングが要求される.そこで,本論文では浮上機能に加えて回転または直進運動などの駆動機能を同時に有する新しいタイプの静電浮上式静電アクチュエータの開発も同時に行う.

　静電浮上システムにおいては浮上体の真上に幾つかの電極を配置し,その電極に電圧を印加することにより,浮上体に浮上力を発生する.しかし,その際,浮上力は浮上ギャップの2乗に反比例するので一定電圧では浮上体の運動は不安定となってしまう.そこで,ギャップ信号に基づいて電極への印加電圧を能動的に制御することにより,浮上体運動の安定化を図る.浮上体の6自由度運動を能動的に制御するには最小7つの電極が必要である.静電浮上系における浮上体としては,静電力が比較的弱いため板状体が適しており,その板状体の広い面においてはその面に対向するように電極を配置しその電極に電圧を印加することにより大きな静電吸引力を得ることができる.しかし,浮上体の側面においてはその面積が非常に小さいのでそれに対向するように電極を配置しその電極に電圧を印加しても大きな力を得ることはできず制御系が複雑になるばかりである.幸いに,静電浮上においては浮上体の水平面内における運動は静電場の端部効果により受動的に安定である.そこで,本論文における静電浮上系では浮上体の水平面内での運動に関しては本来有する受動的な安定性をそのまま利用し,浮上体の真上にだけ最小4つの電極を配置し,その電極への印加電圧を能動的に制御することにより浮上体の垂直運動とピッチ,ロール運動の安定化を図る.

図1 導体や半導体の静電浮上における制御系の構成

　図1は導体や半導体からなる浮上体を安定浮上するための電極構造や制御系の構成を示す.ステータ電極は円を4等分割した形をしており,それぞれの電極への印加電圧はセンサから検知した浮上体の位置や姿勢に基づいて制御される.制御系の設計は,浮上体の電位をゼロボルトに維持することと,各自由度運動が独立して設計可能であることとの2つの設計方針のもとで行われる.各電極に電圧を印加する際,電極E₁とE₃には正の,電極E₂とE₄には負の電圧を用いることにより浮上体の電位をゼロボルトに維持する.本論文ではこの浮上系を用いて8インチシリコンウエハの浮上に成功した.電極への印加電圧は約±0.5kV,浮上ギャップは約0.3mmであった.

　一方,図1に示す電極パターンを用いてガラス板のような誘電体や絶縁体の静電浮上を行うと,電極に電圧を印加してから浮上開始するまでの時間,いわゆる浮上開始時間が長くなる問題点が生じる.また,電極と浮上体間に作用する静電力は分布力であるため,導体や半導体の場合この分布力を電極の面積中心点に作用する等価集中力で置き換え制御系の設計を行うが,浮上体が誘電体や絶縁体の場合は等価集中力の作用点が時間の関数となり,そのため制御系の設計が難しくなる問題点が生じる.これは誘電体や絶縁体の高い抵抗率のためであり,これより誘電体や絶縁体における浮上力の発生メカニズムは導体や半導体のそれと違ってくる.明らかに,高抵抗体の中では電荷が移動し難い.そのため,電極に電圧を印加してから浮上体の表面に浮上力を得るための十分な誘導電荷が現れるのには相当な時間が必要となる.これが浮上開始時間を長くする原因となる.電極に電圧を印加した後形成される電界の様子をみると,異なる電圧が印加される電極間の境界付近では強い電界が形成される.それより,この境界付近に対向する浮上体の表面には電荷が早く集まり浮上力が素早く増加する.しかし,境界から遠いところでは電界の強さが小さいため,電荷が集まるのに相当な時間を要し浮上力が徐々に増加する.したがって,浮上開始時間を短くするには電極間の境界を数多く形成すればよい.明らかに,この浮上開始時間は浮上体の抵抗率に依存する.抵抗率が高いほど浮上開始時間は長くなる.なお,電極に電圧を印加した後,時間が経つにつれ浮上体の表面に誘導される電荷の様子は変化する.それより,等価静電力の作用点が変化することになる.これが制御系を複雑にする原因である.一方,誘電体や絶縁体からなる物体の水平方向における復元力の発生原理は導体や半導体のそれと異なる.導体や半導体の場合は浮上体の縁付近での端部効果のため復元力が発生するが,誘電体や絶縁体の場合はこの端部効果による復元力に加えて更に異なる電圧が印加される電極間の境界付近においても復元力が作用する.高抵抗体からなる浮上体の場合,浮上体が電極の真下の位置から水平方向にずれたとき,浮上体の高い抵抗率のため,浮上体が電極の真下に位置したとき誘導された電荷の分布状態が浮上体が横方向にずれても直ちには変わらない.それより,電極の境界付近では復元力が作用することになる.明らかに,この復元特性は浮上体の抵抗率に関わる.抵抗率が高いほど復元力は大きくなる.

　以上より,誘電体や絶縁体の静電浮上に適したステータ電極としては異なる電圧が印加される電極間の境界を数多く形成し,かつ等価静電力の作用点が変化しない構造にしたものが望ましいことがわかる.図2はこの趣旨に基づき設計した電極パターンを示す.電極はそれぞれ4つの電極から構成される四つの電極グループに分けられ,各電極グループ内の電極は図に示すように結線されている.この各電極グループ内の電極には図のように制御電圧V_iとゼロボルトが交互に印加される.これより,電極間の境界が数多く形成されることになる.また,この構造を用いることにより各電極グループにおける等価静電力の作用点は時不変となる.この電極を用いて本研究では横×縦が100×100mmであるソーダ石灰ガラスの静電浮上に成功した.印加電圧は約1.5kVで,浮上ギャップは約0.3mmであった.浮上開始時間は湿度50%RHの環境下で僅か0.3秒であり,導体や半導体の静電浮上に適した図1のような電極を用いたときの浮上開始時間が数十秒であったことに比べて相当短くなった.ガラス板の場合,その表面抵抗率は大気の湿度に強く影響を受けるため,浮上開始時間も大気の湿度に影響される.湿度が高いほど表面抵抗率は低くなり,したがって浮上開始時間は短くなる.実験より,湿度70〜30%RHのとき,浮上開始時間は0.02〜1.3秒と変化した.本論文では,大気の湿度の影響以外に浮上ギャップや電極への印加電圧,電極パターン,ガラスの種類など様々なパラメータが浮上開始時間に及ぼす影響について実験を行った.また、浮上体の水平面内における復元特性についても動特性同定実験を行った.

図2 誘電体や絶縁体の静電浮上に適した電極構造

　一方,以上で述べた静電浮上の制御系はアナログ式変位センサとPIDで代表される線形制御器と高電圧アンプとをその基本構成要素としている.これらの内,特に高電圧アンプは相当高価であるため,静電浮上系を実用化する際の1つのネックとなっている.本論文ではこれらの代わりに相対的に安価な高電圧電源やオン-オフ式近接センサ,また高電圧スイッチング回路から構成されるオン-オフ制御法を用いて浮上実験や系の安定性解析を行った.このオン-オフ制御による安定浮上が可能となるのは電極と浮上体間の空気の出入りが浮上体に大きなダンピング力を与えるからである.つまり,大気環境で静電浮上を行う際,浮上ギャップが浮上体の面積に比べて非常に小さいので空気のスキィーズフィルム効果により浮上体には大きなダンピング力が作用することになる.図3は1自由度浮上モデルにおけるオン-オフ制御系の構成を示す.本論文では3自由度オン-オフ制御系を構成し浮上実験を行い,浮上ギャップ0.1mmで4インチシリコンウエハやガラス板の振動の振幅を1m以下に抑えることができた.

図3 オン-オフ制御による静電浮上系(1自由度モデル)

　次に,本論文では静電浮上式可変容量形静電モータと静電浮上式誘導電荷形静電モータの開発を行った.これらのモータはロータに浮上機能と回転機能を同時に持たせたものである.これよりクリーンな環境において機械的な接触による塵埃の発生を防止することができる.図4は静電浮上式可変容量形静電モータにおけるステータ電極とロータ電極のパターンを示す.ステータ電極の内側にはロータに浮上力を与えるための浮上用電極E₁〜E₄が,外側には回転力を与えるための回転用電極が配置されている.電極E₁〜E₃はその形や面積が等しく,電極E₄の面積は電極E₁〜E₃の面積の和となっている.この電極E₁〜E₄への印加電圧を能動的に制御することによりロータを安定浮上させる.電圧を印加する際,電極E₁〜E₃には正の,電極E₄には負の電圧を用いることによりロータの電位をゼロボルトに維持している.電極E₄にリング状の多数の溝を設けたのは,ロータの横方向における復元力を増加させるためである.回転用電極は_P1〜_P3と_N1〜_N3の6組に分けられ,各組を形成する電極のピッチはロータの歯のピッチと等しくなっている.また,隣り合う各組の電極は互いに1/3ピッチずつずれた構造となっており,_Piと_Ni(i＝1,2,3)が1個の相を形成している.これより回転用電極は3相電極を形成することになる.この3相電極にシーケンス制御された直流高電圧を順次に印加しロータに回転力を発生させる.電圧を印加する際,p相電極には正の,n相電極には負の電圧を印加しロータの電位をゼロボルトに維持している.このステータ電極を用いて本論文ではロータをギャップ0.3mmで浮上し,その状態で約60rpmまで回転した.

図4 静電浮上式可変容量形静電モータにおけるステータ電極とロータ電極の構造(左:ステータ電極、右:ロータ電極)

　次に,図5は静電浮上式誘導電荷形静電モータにおけるステータ電極のパターンを示す.ステータ電極の内側に配置されている浮上用電極は静電浮上式可変容量形静電モータのそれとほぼ同じ構造をしており,外側には一定のピッチを有する回転用電極が配置されている.回転用電極は2個置きに結線され3相電極を形成している.この回転用電極に3相交流電圧を印加することによりロータ上に回転電場を生じさせる.本論文ではロータとしてガラスディスクを用いた.ガラスは高抵抗体であるため,印加された回転電場に対してガラスディスク上に誘導される誘導電荷には位相遅れが生じる.それより,ガラスディスクはトルクを得,回転することになる.本論文ではガラスディスクをギャップ0.3mmで浮上し,その状態で約70rpmまで回転することができた.また,一面にITO薄膜が形成されているガラスディスクの回転にも成功している.このような静電浮上式静電モータはクリーンルームや真空環境において物体の非接触支持および回転機構として利用することができる.

図5 静電浮上式誘導電荷形静電モータにおけるステータ電極の構造

　次に,誘電体や絶縁体を静電力で浮上し,その状態で搬送する静電浮上搬送装置の開発を行った.その搬送原理はリニア形静電誘導モータと同じである.つまり,非搬送体の上に形成される移動電場と,非搬送体に誘導される誘導電荷との間に生じる位相遅れを利用して非搬送体に搬送力を与える.図6はステータ電極のパターンである.電極の両側には浮上用電極E_A1〜E_A15,E_B1〜E_B15,E_C1〜E_C15,E_D1〜E_D15,E_G1,E_G2が,内側には搬送用電極E_T1〜E_T30が配置されている.浮上用電極は図において点線で示すように結線されている.浮上用電極E_A1〜E_A15,E_B1〜E_B15,E_C1〜E_C15,E_D1〜E_D15には制御電圧V₁〜V₄が印加され,また浮上用電極E_G1,E_G2には常にゼロボルトが印加される.これより,異なる電圧が印加される電極間の境界が形成され浮上開始時間を短縮することができる.また,この境界は搬送方向(図において左右方向)に沿って形成されているので搬送方向の垂直方向における復元剛性を高めることができる.搬送用電極E_T1〜E_T30は図において点線で示すように結線され3相電極を形成している.この3相電極に3相交流電圧,またはシーケンス制御された3段直流電圧(正の電圧と負の電圧とゼロボルト)を印加することにより,非搬送体の上に移動電場を形成させる.本論文ではガラス板をギャップ0.3mmで浮上し,その状態で搬送用電極に3段直流電圧を印加することにより約25mm/sの移動速度でガラス板を搬送することができた.

図6 静電浮上搬送装置におけるステータ電極の構造

　本論文で開発した静電力による物体のハンドリングシステムはクリーンルームや真空環境における物体の非接触支持および駆動機構として,特に半導体製造工程や液晶ディスプレイ分野におけるシリコンエウハやガラス基板の非接触ハンドリングシステムとして広く利用されると期待している.

　本論文は「静電浮上システムとその応用に関する研究」と題し、シリコンウエハや薄板ガラスを浮上対象とする静電力を利用した非接触吸引浮上機構と駆動機構について行った研究を纏めたものである.

　論文は9章から構成されている.

　第1章「序論」では、本研究の背景と研究の動機を記している。先ず、磁気浮上はじめ各種の非接触浮上機構を概説し、磁気浮上と静電浮上との比較を行うとともに、靜電浮上に関する研究と技術の動向を示し、解決すべき静電浮上の課題を明確にし、本論文を研究目的を述べている。

　第2章から第5章では静電力を利用した物体の吸引浮上技術に関して行った研究を述べている。

　第2章「静電浮上システムの設計」では、まず最も基本となる1自由度系の静電浮上の原理を示し、6自由度浮上系を構成するための最小電極数について論じている。

　次に,本論文の研究の対象とするウエハ等の円盤や薄板ガラスの浮上を実現するために考案した電極構造を2方式示し、それぞれ浮上系のモデリングやフィードバック制御による浮上系の安定化法について述べている。制御系の設計手法として,浮上対象の電位を零に維持すること、各自由度運動特性を独立して設定できることとの条件を満たすものを開発している。

　第3章「導体や半導体の静電浮上」では、導体と半導体を浮上対象とする静電浮上について論じている。試作した実験装置を用いて8インチのシリコンウエハの吸引浮上に成功した。また、設計したように、ウエハの電位が零近辺に出来ること明らかにした。浮上体の横方向運動の動特性を実験によって同定し、ダンピング係数と剛性係数を求めた。また、アルミディスクを用いて復元力の測定実験を行い,計算値との比較を行った。

　第4章「誘電体や絶縁体の静電浮上」では,誘電体と絶縁体の静電浮上について論じた。まず、第3章と同様の電極構造で、高抵抗体であるガラスの静電浮上実験を試みた。その結果、制御開始から数十秒後にガラスの浮上が可能になることを発見した。この理由を明らかにするため、誘電体や絶縁体における浮上力や復元力の発生原理について解析し、誘電体や絶縁体の静電浮上に適した電極の設計方法を導き、数値シミュレーションより浮上系の最適設計を行った。この解析に基づいて、電極を細かく分割すること考案した装置により、ほとんど瞬時にガラスの浮上が可能となることを実証している。

　第5章「オンオフ制御による静電浮上」では、オンオフ制御による静電浮上を提案している。アナログ制御では高価である高電圧アンプやギャプセンサーが必要となり、実用化の障害となることが予測される。安価に制御系を構成できるオンオフ制御の可能性を論じ、解析と実験によってその有効性を確認している。

　6章から第8章では静電浮上機能に加えて回転や直進運動などの駆動機能を有する静電浮上式駆動機構の開発について述べるている。

　第6章「静電浮上可変容量形静電モータ」では,静電浮上式可変容量形静電モータで駆動する場合について論じている。ロータに浮上機能と回転機能を持たせるためのステータ電極とロータ電極の構造を検討し、仮定電路法を用いて行った回転トルクおよび軸方向吸引力の計算に基づいて、実験装置と制御装置の設計試作を行った。実験によって、ロータを0.3mmのギャップを保ち、60rpmで回転させることに成功している。

　第7章「静電浮上式誘導電荷形静電モータ」では、誘導電荷形静電モータの原理によって浮上対象を駆動する技術を考案している。高抵抗体のガラスに適用することができ,試作した実験装置によって,両面研磨ガラスディスクやITO膜付きnoガラスディスクを吸引浮上し、滑らかな回転を行うことに成功している。

　第8章「静電浮上搬送」では、液晶パネルに利用されているような、薄板ガラス板の非接触搬送を可能とする技術の開発と実験について述べている。搬送位置に対応して、浮上用電極への印加電圧を切り換える方法や浮上位置を検出する変位センサの切り換え方法などについて検討した。そして、試作した実験装置によってガラス板の滑らかな搬送に成功している。

　第9章「結論」では、本論文の総括し、本研究で得られた成果,今後の研究課題と展望について述べている。

　このように、本論文でなされた研究は、シリコンウエハや薄板ガラスなどの非接触浮上と搬送を可能とする画期的な技術の開発であり、静電浮上という新しい工学の分野を切り開き、その基礎を確立したものであり、学術面での価値が高いだけでなく産業の発展もに大きく貢献するものと言える。

　よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。