JP2013523074A - 静電付着及び静電積層のための材料 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図5B
Description
本出願は、2010年3月19日に出願され「MATERIALS FOR ELECTROADHESION AND ELECTROLAMINATES(静電付着及び静電積層のための材料)」と題された米国仮特許出願第61/315451号の優先権を主張する。該出願は、あらゆる目的のためにその全体を参照によって本明細書に組み込まれる。
本明細書で使用される「静電付着」という用語は、静電力を使用して2つの物体を機械的に結合することを言う。本明細書で説明される静電付着は、これらの静電力の電気的制御を使用して、2つの物体間の一時的で尚且つ分離可能な付着を可能にする。この静電付着は、印加された電場によって形成される静電力ゆえに、これらの物体の2つの表面を合わせて保持する、又は2つの表面間の牽引若しくは摩擦を増大させる。静電クランプは、従来は、高絶縁性の材料によって隔てられた、平坦で、滑らかで、尚且つ総じて伝導性の2つの表面を合わせて保持することに限定されていたが、本発明は、静電付着の力及び取り扱いを受ける物体の材料特性又は表面粗さを制限しない静電付着の装置及び技術を伴っている。
図1Aの静電付着つかみ表面11を有する静電付着エンドエフェクタ10は、6つの電極18を有するものとして示されているが、任意の静電付着エンドエフェクタ又はつかみ表面は、単一電極のみを有してもよいことが理解される。更に、任意の静電付着エンドエフェクタは、各々が少なくとも1つの電極を有し尚且つつかまれる異質物体に寄せて又はごく近づけて配されるように適応された複数の異なる静電付着つかみ表面を有してもよいことが容易にわかる。静電付着エンドエフェクタ、静電付着つかみユニット、及び静電付着つかみ表面という用語は、全て、対象とされる静電付着部品を示すために使用されるが、これら各種の用語は、様々な文脈で区別なく使用可能であることが理解される。具体的には、或る「エンドエフェクタ」が、数々の異なる「つかみ表面」を含むかもしれない一方で、これらの数々の異なるつかみ表面もまた、それら自体が個別のエンドエフェクタであると見なされるかもしれない。
上記の静電付着タイプの装置及びシステムが、異質物体をクランプする静電付着装置の使用を伴う一方で、更なる静電クランプ及び静電積層システムは、このような装置が互いをクランプすることを伴うことができる。基本的な静電クランプ及び静電積層構成の様々な例が、図4A〜4Cに提供されている。後ほど更に詳しく提供される様々な電極及び絶縁体の材料及び特性に関しては、このような項目が静電クランプ及び静電積層システムにも同様に適用可能であることが理解される。
上記の例で示されたような、静電付着の使用の特徴は、十分な静電付着力を形成するために比較的大きい電圧が必要なことである。電流の量が、危険のレベルを下げるために非常に小さくできる一方で、このような大きい電圧の存在は、状況次第では厄介になる恐れがある。例えば、所定の応用において、バッテリの代わりに標準110V電源の使用が望まれるかもしれない場合は、装置の回路における問題又は欠陥が、危険な状況をもたらす恐れがある。すると、場合によっては、本明細書で説明される特殊な電極材料が使用されない限り、露出電極を有することは望ましくないだろう。また、応用によっては、安全で且つ高信頼性のシステムが実現されるために、電圧の量が低減可能であることが望ましいだろう。その他の事例では、摩耗抵抗の機械的頑強性を向上させるために、厚い絶縁層を使用することが望ましいだろう。場合によっては、この厚さの強化を、静電クランプを駆動するために必要な電圧を比例して増大させることなく実現することが望ましいだろう。このような改善されたシステムは、本明細書に記述される特殊な静電付着材料及び設計の使用を通じて実現することができる。
付着層における高抵抗性材料の使用に加えて、異なる特性を有する半導性材料もまた、電極自体として戦略的に適用されたときに利点を提供することができる。上記のように、多くの静電付着応用では、使用者の安全が重大な懸念である。もう1つの懸念は、単一絶縁体の破壊又は短絡に直面したときの耐障害性などの、装置の安全性である。したがって、少なくとも使用者又はその他の電極が接触するかもしれない表面において強い抵抗性を示すような電極を有することが望ましい。このような結果を実現するために、少なくとも1つ又は2つ以上の電極の表面において各種のポリウレタン又はその他の材料を使用することができる。電極としての静電気防止テープ(「ESDテープ」)の使用もまた、使用者にとって有害になりうる又は絶縁層の単一障害点を提供しうる電流レベルを必要とすることなく静電クランプのために高電圧が伝わることを可能にできる。
任意の装置を異質基板に付着させる静電付着を伴った応用としては、多岐にわたる膨大な数を思い付くことが可能であるが、ここでは、一例として、半導性絶縁体を使用した1つの基本的方法が提供される。最後に、図10を見ると、本発明の1つの実施形態にしたがった、異質基板に装置を付着させる代表的な方法のフローチャートが提供されている。このフローチャートで記述されている方法工程は、常に全てが必要なわけではなく、ここでは記述されていない更なる工程も含められることが容易にわかる。更に、工程の厳密な順序は、様々な応用における必要性に応じて変更可能である。
Claims (26)
- 静電付着装置であって、
異質基板の表面と境界を接するように適合された外表面と、
第1の伝導性体積を有し、前記外表面の第1の場所に第1の電圧を印加するように構成された第1の電極と、
第2の伝導性体積を有し、前記外表面の第2の場所に第2の電圧を印加するように構成された第2の電極であって、前記第1の電圧と前記第2の電圧との間の電圧差は、前記基板に相対的な前記装置の現位置を維持するのに適した静電力を前記装置と前記基板との間に生じさせる静電付着電圧を含む第2の電極と、
前記第1の電極及び前記第2の電極の少なくとも一方に隣接して配置され、約107〜1013Ω・mの抵抗を有する半導性材料で形成された絶縁材料と
を備える静電付着装置。 - 前記絶縁材料は、前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置される請求項1に記載の静電付着装置。
- 前記第1の電極及び前記第2の電極は、前記絶縁材料に埋め込まれる請求項2に記載の静電付着装置。
- 請求項1に記載の静電付着装置であって、
前記絶縁材料は、前記異質基板の前記表面と、前記第1の電極及び前記第2の電極の少なくとも一方との間に配置される
静電付着装置。 - 請求項1に記載の静電付着装置であって、
前記絶縁材料は、前記電極が作動されたときに前記第1の伝導性体積及び前記第2の伝導性体積を前記絶縁材料の中へ拡張させるように効果的に動作する
静電付着装置。 - 請求項5に記載の静電付着装置であって、
前記第1の伝導性体積及び前記第2の伝導性体積の前記効果的な拡張は、電気的な短絡を生じさせない
静電付着装置。 - 前記絶縁材料は、前記絶縁材料内における場所ごとに変化する抵抗を有する請求項1に記載の静電付着装置。
- 請求項7に記載の静電付着装置であって、
前記第1の電極及び前記第2の電極の一方又は両方に近い1つ又は2つ以上の絶縁材料領域は、前記対応する1つ又は2つ以上の電極から遠く離れた1つ又は2つ以上の絶縁材料領域よりも低い抵抗を有する
静電付着装置。 - 請求項1に記載の静電付着装置であって、
前記装置と前記異質基板との間の前記静電力は、前記外表面と前記異質基板の前記表面との間にある湿気又は粒子の存在にかかわらず、前記基板に相対的な前記装置の現位置を維持するのに適した
静電付着装置。 - 前記絶縁材料は、弾性率が約1GPa未満の柔軟材料を含む請求項1に記載の静電付着装置。
- 前記絶縁材料は、ポリウレタンである請求項1に記載の静電付着装置。
- 請求項1に記載の静電付着装置であって、
前記絶縁材料は、前記第1の電極、前記第2の電極、前記異質基板の前記表面、又はそれらの任意の組み合わせに吹き付けられる又は蒸着されるコーティングを含む
静電付着装置。 - 請求項1に記載の静電付着装置であって、
前記電極は、前記静電付着電圧が印加されたときに前記異質基板の前記表面に向かって変形するように構成された1つ又は2つ以上のシリウムを含む
静電付着装置。 - 請求項1に記載の静電付着装置であって、
前記第1の電極及び前記第2の電極は、約0.1〜1000メガオーム/スクエアの表面抵抗を有する
静電付着装置。 - 請求項1に記載の静電付着装置であって、更に、
前記第1の電極及び前記第2の電極と前記絶縁材料との間に配され、約0.1〜100メガオーム/スクエアの抵抗を有する高抵抗性層を備える
静電付着装置。 - 装置を基板に付着させる方法であって、
前記装置の外表面の第1の場所における第1の電極と、前記外表面の第2の場所における第2の電極との間に静電付着電圧差を印加し、
前記第1の電極及び前記第2の電極の少なくとも一方に隣接して配置され、約107〜1013Ω・mの抵抗を有する半導性材料で形成された絶縁材料を利用し、
前記静電付着電圧差によって提供される静電引力を使用して、前記外表面を前記基板の表面に付着させ、
前記装置の前記外表面が前記基板の前記表面に接触している間、前記第1の電極と前記第2の電極との間の前記静電付着電圧差を維持する
方法。 - 前記絶縁材料は、前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置される請求項16に記載の方法。
- 請求項16に記載の方法であって、
前記絶縁材料は、前記電極が作動されたときに前記電極の伝導性体積を前記絶縁材料の中へ拡張させるように効果的に動作する
方法。 - 前記絶縁材料は、ポリウレタンである請求項16に記載の方法。
- 請求項16に記載の方法であって、更に、
前記絶縁材料をコーティングとして前記第1の電極、前記第2の電極、前記異質基板の前記表面、又はそれらの任意の組み合わせに吹き付ける又は蒸着させる
方法。 - 静電積層システムであって、
第1の外表面と、第1の伝導性体積を有する少なくとも第1の電極とを有し、前記第1の外表面に第1の電圧を印加するように構成された第1の静電積層部品と、
第2の外表面と、第2の伝導性体積を有する少なくとも第2の電極とを有し、前記第2の外表面に第2の電圧を印加するように構成された第2の静電積層部品であって、前記第2の静電積層部品は、前記第1の電圧と前記第2の電圧との間の電圧差が、前記第1の静電積層部品及び前記第2の静電積層部品の互いに対する現位置を維持するのに適した静電力を前記第1の静電積層部品と前記第2の静電積層部品との間に生じさせる静電付着電圧を含むように、前記第1の静電積層部品と境界を接するように適応される第2の静電積層部品と、
前記第1の静電積層部品及び前記第2の静電積層部品の少なくとも一方に隣接して配置され、約107〜1013Ω・mの抵抗を有する半導性材料で形成された絶縁材料と
を備える静電積層システム。 - 請求項21に記載の静電積層システムであって、
前記絶縁材料は、前記第1の静電積層部品と前記第2の静電積層部品との間に配置される
静電積層システム。 - 請求項21に記載の静電積層システムであって、
前記第1の静電積層部品及び前記第2の静電積層部品の各々は、自身に関連付けられた個別の絶縁材料を有する
静電積層システム。 - 請求項21に記載の静電積層システムであって、
前記絶縁材料は、前記電極が作動されたときに前記第1の伝導性体積、前記第2の伝導性体積、又はそれらの両方を前記絶縁材料の中へ拡張させるように効果的に動作する
静電積層システム。 - 前記絶縁材料は、ポリウレタンである請求項21に記載の静電積層システム。
- 請求項21に記載の静電積層システムであって、
前記絶縁材料は、前記第1の静電積層部品、前記第2の静電積層部品、又はそれらの両方に吹き付けられる又は蒸着されるコーティングを含む
静電積層システム。
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