JP3485949B2 - 微小可動体 - Google Patents
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Description
動する微小な可動体、いわゆる、マイクロマシン(以
下、マイクロマシン)に関する。さらに詳しくは、シリ
コンウエハ上に集積回路を構成するために利用されてい
る多結晶シリコンに微細加工技術をほどこして製作した
多結晶シリコン可動体や、各種の半導体材料や、金属材
料、プラスチック材料などに微細加工技術をほどこして
製作した微小形状のマイクロマシンに係わるものであ
る。
研究の例として、微小なロータとステータを組み合わせ
た回転型マイクロロータがある(庄野克房著「CMOS
LSIエンジニヤリング」pp.273〜282(日
刊工業新聞社)参照)。その構成を図17に示す。図1
7(a)は平面図であり、図17(b)は縦断側面図を
示す。基板101上にはキャップ付きのシャフト102
が設けられており、その周囲にはロータ電極103が配
設され、さらに、そのロータ電極103の外周にはステ
ータ電極104が配設されている。ロータ電極103と
ステータ電極104とは基板上の同じ高さに設けられて
おり、ロータ電極103を挟んで対向するステータ電極
104間に電圧を順次印加することにより、ロータ電極
103とステータ電極104との間に発生する静電力に
よってロータ電極103が回転する。以下、上記従来技
術の製法の一例を説明する。構造材料である多結晶シリ
コンは、モノシランの熱分解(CVD法)によって析出
する。レジストを用いた写真食刻技術がシャフトやロー
タの微細加工に用いられる。多結晶シリコンは、フレオ
ン・酸素のプラズマエッチングにより加工される。多結
晶シリコンは熱酸化SiO2あるいはCVD SiO2
によってつつみ込むように製作される。これらの工程を
繰り返すことにより微小機械可動体としてのマイクロマ
シンが組み立てられる。なお、犠牲材料であるSiO2
は、製作工程の最後にエッチング液により取り除かれ
る。
て、マイクロミラーについて説明する(「オプチカル
マイクロシャッタズ アンド トーショナル マイクロ
ミラーズ フォア ライト モジュレータ アレーズ
(OPTICAL MICTOSHUTTERS AN
D TORSIONAL MICRONIRRORSF
OR LIGHT MODULATOR ARRAY
S)」、IEEE MEMS’93,Fort Lau
derdale,Florida,pp.124−12
7 参照)。これは、多結晶シリコンを用いて形成さ
れ、シリコン基板上に両端が固定された両持ち梁と、両
持ち梁によって支えられたねじれ振動子と、ねじれ振動
子に平行にシリコン基板上に設けられた電極によって構
成され、電極とねじれ振動子との間に電圧を印加するこ
とによりねじれ振動子に取り付けられた鏡面を回転させ
る。
する静電アクチュエータがある。例えば、固定電極の櫛
歯と噛み合う櫛歯状の可動電極を持つ可動部材を一方向
にのみ案内するために弾性支持バネなどの案内部材を備
え、変位量の増大を図るものである(特開平5−761
86号特許公開公報)。
の特徴は、ミクロンレベルの寸法で形成される点にあ
る。このため、従来から、できるだけ簡素な構造のマイ
クロマシンが待ち望まれていた。簡素な構造のマイクロ
マシンでなければ、微小な個別部品を組み立てて微小な
機械システムを構成することはできないからである。従
って、製作課程であるウエハプロセスの各工程において
も、組み立てられた形(完成形状)になるように製作課
程が進められなければならない。
微小な運動を実現できる点である。このため、従来か
ら、マイクロマシンにふさわしい動きが待ち望まれてい
た。即ち、例えば、巨視的スケールの汎用機械では重力
や慣性の影響を強く受けるため、加える力はそれに打ち
勝つ大きさでなければならないが、ミクロンオーダのマ
イクロマシンでは当然のことながら重力や慣性の影響が
小さいので、新たな概念でマイクロマシンの実用化研究
に取り組む必要がある。しかるに、従来のマイクロマシ
ンでは、単に上記巨視的スケールの汎用機械を微小化す
るに留まっていた。そして、マイクロマシンの微小性を
活かした特異な動きを実現する構造や、マイクロマシン
を動作させるために加える力、その伝達方法など、マイ
クロマシンそれ自体の構造を含めてマイクロマシンにふ
さわしい方式の発見が切望されていた。
ロマシンの初歩的な試みであるマイクロロータの例でも
分かるように、ロータの周囲に配置された多数のステー
タ電極に電圧を切り替えながら与えるための配線や電極
構造だけでなく、ロータやミラーを支える機構などを含
めて、マイクロマシンの構造が複雑になってしまうとい
う欠点がある。
力は、回転角度に応じて半径方向に対向するステータと
ロータとの端面間の静電力で与えられる。その結果、せ
っかくの静電力も有効に活用され得ず、効率よく静電力
を機械力に変換したり、力の伝達をさせることができな
い。
イクロミラーでは、ロータやミラーの回転速度や回転角
度、位置(変位)を制御するために、微小なロータやミ
ラーの運動状態や位置を正確に検出するための高度な検
出手段を設けなければならず、結果としてマイクロマシ
ン全体が複雑化、大型化し、マイクロマシンを実用化す
る上での大きな障害になっていた。
も、電圧を加えない状態では、1ピッチづつのピッチ運
動やそれにともなって必要になるラッチ機能が実現でき
ないという基本的な課題を有していた。
々の課題に鑑みてなされたもので、マイクロマシンを実
現するためにふさわしい簡素な構造を持ち、しかも、静
電力を効率よく機械力に変換して外部に伝達でき、マイ
クロマシンそれ自体に制御機能を内在し、ピッチ運動や
ラッチ機能をも実現可能な微小な可動体を提供するこを
目的としており、また、多結晶シリコンのもつ弾性を利
用して、加えた静電気引力を前進運動にかえ、確実に運
動するミクロの可動体をシリコンウエハ上に形成するこ
とを目的とする。
に、本発明の微小可動体では、少なくとも一対の電極
と、前記一対の電極の電極間隔を弾性力で可変に支える
弾性支持部材とを備えるものである。
を介してシリコン基板と多結晶シリコン板との間に交流
パルスを加え、その立ち上がりにおいて多結晶シリコン
板のブッシング支持部につらなる多結晶シリコン棒にひ
ねりをあたえ、立ち下がりにおいてひねられた多結晶シ
リコン棒がもとにもどることを利用して、ブッシング支
持部がピッチ運動をすることを特徴とする。
加えて、多結晶シリコン板がたわむことをも利用するこ
とが好ましい。
極に電圧を加えると、電極間に静電力が働き、弾性支持
部材の弾性変形とあいまって電極間隔を恋化させ、電極
から電圧を取り除いた後は、弾性支持部材に蓄えられた
弾性復元力が働き、電極間隔を所定に復元させ、この動
作がそれ自体に制御機能を有し、これらの動作を繰り返
しても微小可動体が安定に運動するように作用する。
ミクロンの多結晶シリコン棒の弾性定数の測定に関する
物性的研究から、新たな力の伝達方法を発見したことに
よりなされたものである。具体的に説明すれば、モノシ
ランの熱分解によって析出された多結晶シリコンを微細
加工技術を用いて加工した多結晶シリコン棒(たとえば
長さ500ミクロン)では、弾性定数が150GPaで
あり、その値は単結晶シリコンでの値に匹敵する。弾性
限界内で歪を加え、そののち力を取り除くと、多結晶シ
リコン棒はもとの形状にもどる。たわみだけでなく、ね
じりに関しても同様である。
機械的物性にも着目し、絶縁膜を介してシリコン基板と
多結晶シリコン板との間に交流パルスを加え、その立ち
上がりにおいて多結晶シリコン板のブッシング支持部に
つらなる多結晶シリコン棒にひねりをあたえ、立ち下が
りにおいてひねられた多結晶シリコン棒がもとにもどる
ことを利用して、ブッシング支持部がピッチ運動をする
という現象そのものが、前記の目的にも合うことをつき
とめ、これを提供するものである。
るのに、前記の多結晶シリコン棒のひねりに加えて、多
結晶シリコン板がたわむことを利用してもよい。
図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、
同一要素には同一符号を付して説明の重複を避けてい
る。
する。図1において、微小可動体としてのマイクロマシ
ンには、可動部100と駆動部300が設けられてお
り、可動部100を構成するシリコン基板1の上面には
凹凸が形成され、シリコン基板1の上面に接して駆動部
300が設けられている。駆動部300には弾性支持部
材としてのスプリング支持体12が設けられており、ス
プリング支持体12は一対の電極111、112が互い
に対向して電極間隔dを可変にするように保持してい
る。そして、電極111の一端にはツメ13が設けられ
ており、ツメ13はシリコン基板1の上面の凹凸に噛み
合っている。なお、電極112は図示されぬ取付具によ
って外部に固定されている。
して上記実施例の動作原理を説明する。電極111、1
12間に電圧を加えると(図2(a))、これらの電極
111、112の間には静電力が働き、スプリング支持
体12が弾性変形することによって電極111が電極1
12側に吸引され、電圧が加わらないときに比べて電極
間隔dが狭くなる(図2(b))。ついで、これらの電
極111、112間から電圧が取り除かれると、スプリ
ング支持体12の弾性復元力によって電極111が電極
112から離れ、電極間隔dが広がって元に戻る(図2
(c))。このとき、電極111の一端のツメ13がシ
リコン基板1の凹溝を図中矢印方向に押しやり、シリコ
ン基板1で形成された可動部100を駆動部300に対
して相対的に移動させる。そして、電極111、112
間に加える電圧を入切して上記動作を繰り返す事によっ
て可動部100をピッチ運動(歩進駆動)する。
ってシリコン基板1上に刻まれた凹凸一ピッチに対応し
た変位量が確保され、しかも、その変位力は、スプリン
グ支持体12の持つ弾性復元力に相当し、しかも、電圧
を切ってもその変位位置が保持される。つまり、上記構
成のマイクロマシンでは、それ自体に制御機能が内在
し、静電力と弾性力の組み合わせによって効率よく機械
的な原動力を得ている。
のために駆動部を外部に固定して可動部を歩進させると
したが、可動部を固定して駆動部を移動させることもで
き、シリコン基板上で駆動部をピッチ運動させることが
できるのは勿論である。また、上記説明ではシリコン基
板を例に取り上げたが、材料や形状はそれに限らず、プ
ラスチックなどの他の材料や、円筒などの他の形状に置
き換える事もできる。
について図3を参照して以下に説明する。この変形例の
構成が図1に示す実施例の構成と異なる点は以下の通り
である。即ち、駆動部300の一方の電極111は、弾
性支持部材としてのポリイミド弾性板121の片面に蒸
着形成されており、他方の電極112は、外部に固定さ
れたリジッドなポリイミド固定板上に形成され、電極1
12の表面は絶縁層2で覆われている。そして、これら
一対の電極111、112の一端(図中上部)は互いに
固着され、他端(図中下部)は裾広がりに開いている。
(d)を参照して上記実施例の動作原理を説明する。電
極111、112間に電圧を加えると(図3(a))、
これらの電極111、112の間には静電力が働き、は
じめは電極間隔が狭い図中上部から弾性板121を変形
させて電極111が電極112側に吸引され、電極間隔
dが狭くなる(図3(b))。その後、電圧を加え続け
ると、電極111は図中下部にまで及んで電極112側
に吸引されて絶縁膜2に徐々に張り付いていく(図3
(c))。なお、絶縁膜2は、電極111、112が静
電力によって吸引されても、両電極間の電圧を短絡しな
いで絶縁を保つ作用をなす。ついで、これらの電極11
1、112間から電圧を取り除くと、弾性板121の弾
性復元力によって電極111が電極112から引き離さ
れ、電極間隔dが広がって元に戻る(図3(d))。こ
のとき、電極111の一端のツメ13がシリコン基板1
の凹溝を押しやり、シリコン基板1で形成された可動部
100を駆動部300に対して相対移動させる。そし
て、電極111、112間に加える電圧を入切して上記
動作を繰り返す事によってシリコン基板1をピッチ運動
する。
がりに形成できるので、裾野の部分での電極間隔を広く
とることができ、結果的に大きなピッチでピッチ運動を
実現できる。しかも、電極間に加える電圧を調整するこ
とによって、電極間の吸引度合い調整できる。これによ
れば、電極間に加える印加電圧量を調整することによっ
て、シリコン基板1上に刻まれた凹凸の任意の数ピッチ
に対応して所望の変位量を得ることもでき、ピッチ運動
を自在に制御することができる。
の容易のために電極111にツメ13を備え、電極11
2が外部に固定されるとしたが、電極112にツメを備
えて電極111を外部に固定することもできる。また、
電極112の表面に絶縁膜2を設けたが、電極112で
はなく電極111の表面に絶縁膜2を設けるようにして
もよいのは勿論である。
乃至図6を参照して以下に説明する。図4は、多結晶シ
リコンで一体形成された可動部500の構造を示した斜
視図であり、可動部500は図5に示されるように固定
部600としてのシリコン基板1上に移動可能に置かれ
る。可動部500の形状は、断面が概ね逆L字状に形成
され、可動部500の水平面の一部には電極111が形
成されている。電極111の延長面から直角に延びる可
動部500の他端にはブッシング50が設けられてい
る。ブッシング50の上辺はブッシング支持部51であ
り、その左右には弾性支持部材としての梁17が突き出
して設けられている。梁17の突出端は図示されぬ枠体
などを介して外部(移動子)に固定されている。そし
て、当初、可動体500は、電極111がシリコン基板
1に形成されるもう一方の電極(図示されぬ)と平行に
位置し、しかも、ブッシング50の足52とシリコン基
板1の表面が機械的に接するように、梁17によって支
えられている。なお、シリコン基板1の表面は絶縁膜で
覆われており、ブッシング50の足52がシリコン基板
1と接触しても、可動部500と固定部600の間は電
気的に絶縁されている。
して上記第二の実施例の動作について説明する。可動部
500の電極111と固定部600のシリコン基板1の
電極の間に電圧を加えると(図5(a))、これらの電
極間には静電力が働き、梁17がねじられることによっ
て電極111がシリコン基板1側に吸引され、可動部5
00が傾き、電圧が加わる前に比べて電極間隔dが狭く
なる。このとき、可動部500は梁17を介して固定さ
れているので、足52は、電圧を印加する前の位置から
ΔXだけ、シリコン基板1上でずれる(図5(b))。
次に、電極111とシリコン基板1の電極の間から電圧
が取り除かれると、ねじられた梁17の弾性復元力によ
って電極111がシリコン基板1から離れて平行に戻ろ
うとし、電極間隔dが広がって可動部500の姿勢が元
に戻る(図5(c))。このとき、可動部500は足5
2が支点となって姿勢を戻すので、可動部500は固定
部600に対してΔXだけ相対的に移動する。上記の電
極間に加える電圧を入切することで、可動部と固定部は
相対的にピッチ運動を行う。
て上記第二の実施例の変型例について説明する。なお、
図6(a)、(b)、(c)には、固定部600のシリ
コン基板1側の電極112と絶縁膜2が示されており、
この変型例の構成が図4乃至図5に示す実施例の構成と
異なる点は以下の通りである。即ち、図6(a)、
(b)においては、梁17が移動可能な枠体16に固着
されている点であり、図6(b)においては、梁17が
電極111の近傍に設けられている点であり、図6
(c)においては、枠体16を外部に固定し、しかも、
シリコン基板1上に絶縁膜2を設け、固定部600とし
てのシリコン基板1側を移動可能とした点である。
図6(a)の構成では、電極111、112間に電圧を
加えると、これらの電極111、112の間には静電力
が働き、梁17がねじれ弾性変形することによって電極
111が電極112側に吸引され、電圧が加わらないと
きに比べて電極間隔dが狭くなる。このとき、図6
(a)においては、梁17がねじられると同時に枠体1
6が矢印161方向に移動する。そして、電圧を切る
と、ねじられていた梁17が弾性復元する弾性力によっ
て電極111が電極112から離れ、電極間隔dが広が
って元に戻り、枠体16は矢印162の方向に移動す
る。つまり、この変型例では、電圧の入切を繰り返す事
によって枠体16を紙面の左右方向に振動させる事がで
きる。次に、図6(b)の構成においては、梁17がね
じられると同時に枠体16が矢印163方向に移動す
る。そして、電圧を切ると、ねじられていた梁17の弾
性復元力によって枠体16は矢印164の方向に戻り、
上記と同様にして枠体16を紙面の上下方向に振動させ
る事ができる。さらに、図6(c)においては、枠体1
6が固定されたいるために、ブッシング50によって絶
縁膜2とそれに連なる電極112が矢印1121方向に
駆動され、ついで、これらの電極111、112間から
電圧が取り除かれると、ねじられていた梁17が弾性復
元することによって電極112が矢印1122の方向に
移動するので、上記と同様にしてシリコン基板1を紙面
の左右方向に振動させる事ができる。
材としてのねじり弾性の機能と、可動部500と枠体1
6を機械的に結合させる機能とを併せもたせているの
で、微小可動体の構造が簡素化でき、しかも、特別な伝
達機構無しで電極間隔の変位量を振動に変換でき、ある
いは、外部に伝達損失無く取り出すことができる。つま
り、上記構成のマイクロマシンでは、静電力と弾性力の
組み合わせによって効率よく得られた変位量を原動力と
して利用できる。
移動によってシリコン基板1または枠体16が振動する
としたが、前記図5に説明した動きを取り入れる事によ
って、シリコン基板1または枠体16を歩進(ピッチ運
動)させる事もできる。なお、この場合、シリコン基板
1または枠体16に沿って案内用のガイドレールを設け
る事も好ましい。また、図6(c)における変形例の説
明では、理解の容易のために電極112を移動するとし
たが、電極112とその上面にある絶縁膜2を分離し、
絶縁膜2のみを移動可能とする事もできる。
第三の実施例について説明する。この実施例の構成が前
記第二の実施例の構成と異なる主要な点は、可動部50
0に特別な梁などを設けず、固定部600上に単に載せ
てあり、しかも、可動部500の少なくとも一部が弾性
部材で形成されている点である。そして、この実施例で
は、可動部500を固定部600の上で自在に移動させ
ることができる点に特徴がある。可動部500は電極1
11を含めて多結晶シリコンで形成されており、電極1
11自体が弾性変型可能な弾性支持部材としての機能も
有している。
して上記実施例の動作原理を説明する。電極111、1
12間に電圧を加えると(図8(a))、これらの電極
111、112の間には静電力が働き、可動部500の
電極111が固定部600に静電力で吸引される。この
とき、電極111は、それ自体の弾性を活かして変型し
ながら電極112側に吸引される。そして、可動部50
0から延びて固定部600に接するブッシング足52
が、電圧印加の前に位置していた位置から図示の矢印方
向にずれる(図8(b))。ついで、これらの電極11
1、112間から電圧が取り除かれると、多結晶シリコ
ンでつくられた電極111は、絶縁膜2上を滑り、その
弾性復元力によって電極112から離れ、電極間隔dが
広がって元に戻る。このとき、可動部500のブッシン
グ足52が支点となり、可動部500は足52を中心と
して移動するので、可動部500は固定部600に対し
てΔXだけ相対的に移動する(図8(c))。このよう
に、電極111、112間に加える電圧を入切繰り返し
て上記動作を続ける事によって、可動部500が固定部
600上をピッチ運動する。
(d)、(e)を参照して上記実施例の変型例と動作を
説明する。なお、図9(a)、(b)、(c)に示す変
型例では電極111とブッシング50で挟まれた角αの
頂点部が弾性を有している。また、図9(d)に示す変
型例では電極111およびブッシング50自体も弾性を
有している。さらに図9(e)に示す変型例では角αの
頂点部が弾性を有するとともに電極111が固定部60
0の上面に対して平行に維持されている。そして、上記
変型例によれば、電圧を加えると頂点部の弾性に応じて
角αを変えて電極111が固定部600側に吸引される
(図9(a)、(b)、(c))。あるいは、電極11
1とブッシング50の弾性に応じて、電極111とブッ
シング50が弾性変型して可動部500が固定部600
に吸引される(図9(d))。または、固定部600に
対して電極111が平行状態を保ちながら可動部500
が変型する(図9(e))。その後、これらの電極から
電圧が取り除かれると、可動部500が有する弾性復元
力によって電極111が固定部600から離れて元の状
態に戻る。そして、上記に種々の変型例は、例えば、表
示板用のミラーや光集積回路などの光偏向器に利用でき
る。
別な変形例について図10を参照して以下に説明する。
この変形例の構成が前記変形例の構成と異なる点は以下
の通りである。即ち、可動部500には、図7乃至図9
において説明した可動部500を用いている。そして、
固定部600の上面には、可動部500の電極と対向す
る固定部600の電極112上の絶縁膜2を介して、可
動部500の電極に電圧を供給するための給電電極11
3がXY平面に格子状に設けられており、可動部500
の電極111と固定部600の電極113は、機械的接
触によって電気的に接続している。
る。可動部500が位置するXY平面の番地に対応して
XYマトリクス状に配置された電極113を選び、電極
113と電極112の間に電圧を加えると、電極113
と電極111は電気的に接続しているので、可動部50
0の電極111と固定部600の電極112の間には静
電力が働き、ついで、電極113と電極112の間に加
えた電圧を取り除くと可動部500の電極111は電極
112から離れ(この間の動作は、前記種々の実施例の
動作と同じである)、先に説明した原理により、可動部
500は電極113のアドレス(番地)選択に応じてX
Y平面上を自在の平面移動する。
て直接的に配線をすることなく通電できるので、XY平
面上を自由に動くマイクロマシンを構成できる。しか
も、静電力により駆動されるので、可動部500は固定
部600から離れる心配がない。
のために可動部500を図7乃至図9において説明した
可動部としたが、図11に示すような別異の可動部とし
てもよい。図11に示す可動部500では、可動部50
0に互いに直角なブッシング50を2つ設けている。こ
の場合、可動部500は、2つのブッシング50の合成
力によって矢印1111の方向に移動することができ
る。
や変形例によれば、電圧を電極間に印加し、それを取り
除くことにより、可動部500を固定部600に対して
相対的に一定距離(1ピッチ)だけ移動させることがで
きる。したがって、可動部500の移動速度は単位時間
あたりに電圧を印加して取り除く回数(サイクル)によ
って決まる。逆に、電圧を印加して取り除く回数(サイ
クル)を制御することで、可動部500を必要な距離だ
け移動させることができる。しかも、多結晶シリコンで
可動部500を構成すると、構造が簡単になり、重力や
慣性力の影響を受けない動きが得られる。また、その移
動方向は、固定部600のなす面内のどの方向にも自在
に移動が可能である。つまり、上記構成のマイクロマシ
ンでは、構造が簡単であるにも拘らず、その運動を制御
しやすいために、マイクロマシンにふさわしい動きを得
ることができる。
のために電極を多結晶シリコンとしたが、他の材料、例
えば、燐青銅や導電性プラスチックなどに置き換える事
もできる。
2を参照して以下に説明する。微小可動体としてのマイ
クロマシンには、可動部700と平行に固定部800が
設けられており、可動部700には、電極111が設け
られており、電極111からは弾性支持部材としての2
つの棒状のスプリング支持体12が絶縁膜2に延びてい
る。2つのスプリング支持体12は、中心線1112と
非平行に円周方向に傾けて、中心線1112を中心に円
周上に均等に配設されいる。固定部800は図示しない
シリコン基板によって構成され、その上面には絶縁膜2
によって覆われた電極112が形成されている。
記実施例の動作原理を説明する。電極111、112間
に電圧を加えると、これらの電極111、112の間に
は静電力が働き、スプリング支持体12が弾性変形して
円周方向にいっそう傾くことによって電極111が電極
112側に吸引され、電圧が加わらないときに比べて電
極間隔dが狭くなる。そして、電極111は中心線11
12を中心として矢印1113方向に回転する(図12
(b))。ついで、これらの電極111、112間から
電圧を取り除くと、スプリング支持体12が弾性復元す
る弾性力によって電極111が電極112から離れて元
に戻り、電極間隔dが広がる。このとき、電極111は
矢印1113の方向と反対方向に回転する。
変換手段を要さずに、直線的な静電力の吸引ベクトルの
方向(中心線1112の方向)とは直交する円周方向
に、直接に回転ベクトルを生じさせる事ができ、しか
も、回転角度を印可電圧量によって微妙に制御でき、さ
らに、電圧を切れば元に戻る自己復帰性のある画期的な
マイクロマシンを実現できる。
のためにスプリング支持体12を2つとしたが、それ以
上でもよいことは勿論であり、支持体12の形状も棒状
に限らない。また、必ずしも支持体自体に弾性が必要と
は限らず、支持体と電極部とのつなぎを弾性とする事な
ど各種の変型が可能である。
つかの実施例について図13乃至図16を参照して以下
に説明する。先ず、図13の多結晶シリコン可動体を例
にとって、ブッシング5の支持部がピッチ運動をするこ
とによって、多結晶シリコン可動体が移動する理由を説
明する。
下に説明する。多結晶シリコン板4とブッシング5と多
結晶シリコン棒6とガイドブッシング7と多結晶シリコ
ンガイド8とは一体に形成されている。ブッシング5
は、多結晶シリコン板4が静電気引力を受けたときに傾
くように設けた。図13のA−A′における断面が図1
4(a)の断面図に示されている。多結晶シリコン棒6
は、多結晶シリコン板4が傾いたときにひねりが生ずる
ように、多結晶シリコン板4と同じ高さでブッシング5
の支持部につらなる位置に形成されている。また、多結
晶シリコンガイド8は2つ以上のガイドブッシング7に
支えられ、多結晶シリコン板4が傾いたときに、多結晶
シリコン棒6と共にひねられないように、おさえる役目
をしている。絶縁膜2と多結晶シリコン可動体との関係
は、図13のB−B′に沿った図14(b)の断面図に
示されている。静電気引力を受けたとき、ブッシング5
の底面とガイドブッシング7の一部が絶縁膜2と接す
る。多結晶シリコンレール3と電気的に接することがで
きるのはガイドブッシング7の一部分だけである。全て
の多結晶シリコン部品はドナーまたはアクセプタの不純
物がドープされていて導伝体となっている。また、シリ
コン基板1と多結晶シリコンの部品との間は、犠牲層に
ならない絶縁膜2、例えばCVD Si3N4(窒化シ
リコン)により電気的に絶縁されている。
リコン可動体におけるブッシング5の支持部のピッチ運
動は前記図5に示した通りである。ただし、図5はピッ
チ運動を説明しやすくするために、図14(a)の断面
図を簡略化して描いている。
力が作用していない状態から出発する(図5(a))。
多結晶シリコンレール3とシリコン基板1との間に交流
パルス電圧を印加し、多結晶シリコン可動体とシリコン
基板1間にパルスの立ち上がりにおいて静電気引力を作
用する。多結晶シリコン板4は基板方向に引き寄せら
れ、ブッシング5の支持部を中心として、傾いた状態に
なり(図5(b))、ブッシング5は、ブッシング5支
持部を中心とした多結晶シリコン棒6のひねり(回転運
動)のために、その底面を距離ΔXだけ移動させる。こ
のときの多結晶シリコン板4の傾きは、作用させた静電
気引力の大きさに依存し、多結晶シリコン板4の端が絶
縁膜に接するまで傾き、さらにそれ以上静電気引力が作
用する場合は、多結晶シリコン板4にたわみを伴う。ま
た、多結晶シリコン棒6には、静電気引力によって多結
晶シリコンガイド8が固定されているために、多結晶シ
リコン板4の傾きに応じたひねりが与えられる。
気引力を取り除くと(パルスの立ち下がり時)、多結晶
シリコン板4は、多結晶シリコン棒6に生じているひね
りと、場合によっては多結晶シリコン板4に生じている
たわみも含めた力よって、もとの位置より距離ΔXだけ
移動したブッシング5の底面を中心にして引き起こされ
る(図5(c))。このとき、多結晶シリコンガイド8
は、静電気引力による固定が解かれるために、多結晶シ
リコン板4が引き起こされるのと同時に、その位置を距
離ΔXだけ移動する。その結果、繰り返しのパルスによ
りブッシング5支持部は距離ΔXづつ移動するというピ
ッチ運動をする。したがって、多結晶シリコン可動体を
パルスの数に比例して任意の距離だけ移動させることが
できる。
明する。図13に、本発明である多結晶シリコン可動体
の第五の実施例を示す。2本の多結晶シリコンレール3
(幅20ミクロン、高さ0.3ミクロン)が間隔180
ミクロンで形成されている。多結晶シリコン板4、ブッ
シング5、多結晶シリコン棒6、ガイドブッシング7、
多結晶シリコンガイド8は、高濃度に燐がドープされた
厚さ1.5ミクロンの一層の多結晶シリコンにより、一
体に形成されている。また、これらからなる多結晶シリ
コン可動体は、厚さ0.3ミクロンのCVD Si3N
4からなる絶縁膜2によって、シリコン基板1から電気
的に絶縁されている。
クロン、高さ1.7ミクロン)は、多結晶シリコン板4
(長さ100ミクロン、幅50ミクロン)が静電気引力
を受けたときに傾くようにもうけた。図13のA−A′
における断面が図14(a)の断面図に示されている。
多結晶シリコン棒6(長さ10ミクロン、幅4ミクロ
ン)は、多結晶シリコン板4が傾いたときにひねりが生
ずるように、多結晶シリコン板4と同じ高さでブッシン
グ5支持部につらなる位置に形成されている。また、多
結晶シリコンガイド8(長さ80ミクロン、幅30ミク
ロン)は2つ以上のガイドブッシング7(長さ18ミク
ロン、幅8ミクロン、高さ1.7ミクロン)に支えら
れ、多結晶シリコン板4が傾いたときに、多結晶シリコ
ン棒6と共にひねられないように、おさえる役目をして
いる。絶縁膜2と多結晶シリコン可動体との関係は、図
13のB−B′に沿った図14(b)の断面図に示され
る。静電気引力を受けたとき、ブッシング5の底面とガ
イドブッシング7の一部が絶縁膜2と接する。多結晶シ
リコンレール3と電気的に接することができるのはガイ
ドブッシング7の一部分だけである。
iO2を犠牲材料とし、多結晶シリコンを構造材料とす
るマイクロマシンを作る技術によって実現できる。しか
し、このままでは犠牲材料のエッチングによって、多結
晶シリコン可動体が多結晶シリコンレール3から外れて
しまう。したがって、犠牲材料のエッチングの間、この
多結晶シリコン可動体をシリコン基板1上の多結晶シリ
コンレール3の上にとどめておく機構が必要となる。
4ミクロン、長さ50ミクロンの細い梁を1個の多結晶
シリコンガイド8に1本取り付け、その片側を絶縁膜2
上に固定し、電気的に動作させられる多結晶シリコン可
動体の動く力によって、その梁が折れて切断されること
を利用した機構を用いて、多結晶シリコン可動体を多結
晶シリコンレール3の上にとどめている。
ミクロなスケールに構成された多結晶シリコン可動体を
動作させるには、単にシリコン基板1と2本の多結晶シ
リコンレール3との間に交流パルス電圧を印加するだけ
でよい。たとえば、単相のAC(正弦波)100V、5
0Hzをあたえてもよい。すると、この多結晶シリコン
可動体は、ブッシング5支持部におきるピッチ運動を繰
り返し行い、2本の多結晶シリコンレール3にそって、
レールがなくなるところまでシリコン基板1の上を動い
て行く。
動体の第六の実施例を示す。上記の第五の実施例と異な
るところは、多結晶シリコンレール3が1本であり、2
つの多結晶シリコン板4が1つの多結晶シリコンガイド
8をはさんで、多結晶シリコンレール3を中心線とした
対称な位置に同じ大きさに作られていることである。ま
た、2つの多結晶シリコン板4にはそれぞれ1本づつし
か多結晶シリコン棒6がつながっていないことも第五の
実施例と異なるところである。
板1と多結晶シリコンレール3との間に交流パルス電圧
を与えることによって、多結晶シリコンレール3にそっ
て移動する。このとき、2つの多結晶シリコン板4は同
じ電位になっており、それぞれのブッシング5の支持部
は同じタイミングでピッチ運動をしている。2つの多結
晶シリコン板4は同じ方向に、同じ速さで移動する。こ
の多結晶シリコン可動体は与えられるパルスの数に正確
に比例した移動をする。
1つの多結晶シリコンガイド8につながり、それぞれの
ブッシング5支持部が同時にピッチ運動するかたちの多
結晶シリコン可動体でもよい。
結晶シリコンガイド8に、2つ以上の多結晶シリコン板
4をつないだかたちの多結晶シリコン可動体でもよい。
多結晶シリコン可動体は、多結晶シリコン棒6に生ずる
ひねりに加えて、多結晶シリコン板4に生ずるたわみも
利用しながら移動するものでもよい。
は、構造材料に用いている多結晶シリコンの機械的物性
やそのサイズにも依存するので、上記の大きさ以外にそ
れぞれの目的に合わせた大きさでもよい。
晶シリコン可動体の第七の実施例を示す。この第七の実
施例は、リング状に形成した直径の異なる2つの多結晶
シリコンガイド8を、中心を同じにして配置し、その間
に第五の実施例で示したかたちの多結晶シリコン板4と
ブッシング5と多結晶シリコン棒6を、多結晶シリコン
棒6がその半径方向にそうように2組配置し、それらを
一層の多結晶シリコン膜で一体に形成したものである。
0を中心に回転できるように形成されていて、内側の多
結晶シリコンガイド8が、キャップ9によってシャフト
10から外れないように押さえられている。したがっ
て、第五、第六の実施例には必要であった犠牲材料エッ
チング時の、細い奨を用いた機構は必要ない。また、外
側の多結晶シリコンガイド8は、ガイドブッシング7を
通して多結晶シリコンレール3から電位を与えられる。
2つ備えているが、1つであっても、そのブッシング5
支持部がピッチ運動するのであれば、この多結晶シリコ
ン可動体は回転することがでる。したがって、この実施
例では、ブッシング5と一体に形成された多結晶シリコ
ン板4が、少なくとも1つ以上あればよい。
略して、外側の多結晶シリコン棒6の端にガイドブッシ
ング7のみを取り付けた形であっても、内側の多結晶シ
リコン棒6がひねられることによって回転することがで
き、そのような多結晶シリコン可動体でもよい。
コン基板1を片側電極として、多結晶シリコン可動体に
交流パルス電圧を与え、移動させるものである。
る範囲は、多結晶シリコンレール3を用いることによっ
て、シリコンウエハ全面に及ぼすこともできる。
晶シリコン板4の面積を大きくするか、ブッシング5の
高さを低くするだけでよく、技術的になんら複雑なこと
はない。
コン棒6にひねりを生ずると同時に多結晶シリコンガイ
ド8もシリコン基板1に引き付けておくので、多結晶シ
リコン可動体が基板から離れたり、レールからはずれる
ことはない。
て多結晶シリコン可動体が移動できる距離ΔXはごくわ
ずかであるが、移動できる距離は与えるパルスの数によ
り正確に制御することができる。また、与える単相電源
の周波数や振幅を変えることによって移動速度を変える
ことができる。
リコンガイド8を共通にしてアレイ状に形成することに
よって、多結晶シリコン可動体をシリコンウエハの2次
元平面上で自由に移動させうる。
て構成した場合は、他の歯車と連結して動力を伝えるマ
イクロマシンのシステムを構成することができる。
ているので配線や電極構造だけでなく、駆動機構の構造
が単純で、静電力と弾性力を有効に活用して効率よく機
械力に変換・伝達でき、それ自体に制御機能を内在し、
ピッチ運動やラッチ機能をも実現可能な微小な可動体を
提供できる。さらに、多結晶シリコンのもつ弾性を利用
して、加えた静電気引力を前進運動にかえ、確実に運動
するミクロの可動体をシリコンウエハ上に形成すること
ができる。結果としてマイクロマシン全体が簡素化、小
型化できるので、マイクロマシンを実用化する上で大き
な効果を発揮する。
するための説明図である。
作原理を説明するための説明図である。
る。
めの説明図である。
理を説明するための説明図である。
る。
である。
図である。
である。
視図である。
明するための説明図である。
ある。
ある。
ある。
ある。
Claims (18)
- 【請求項1】 絶縁膜を介してシリコン基板と多結晶シ
リコン板との間に交流パルスを加え、 その立ち上がりにおいて、 多結晶シリコン板のブッシング支持部につらなる多結晶
シリコン棒にひねりをあたえ、 立ち下がりにおいて、 ひねられた多結晶シリコン棒がもとにもどることを利用
して、ブッシング支持部がピッチ運動をする、 ことを特徴とする 微小可動体。 - 【請求項2】 多結晶シリコン棒のひねりに加えて、多
結晶シリコン板がたわむことも利用した請求項1に記載
の微小可動体。 - 【請求項3】 電極を有する固定部と、 電極と、ブッシングと、前記電極と前記ブッシングとを
連結するブッシング支持部と、を有し、少なくとも一部
が弾性部材で形成された可動部と、 前記固定部の電極と前記可動部の電極との間に介在され
る絶縁膜と、 を備えることを特徴とする微小可動体。 - 【請求項4】 前記可動部が一体形成されていることを
特徴とする請求項3に記載の微小可動体。 - 【請求項5】 前記可動部を支持するとともにねじり変
形する弾性支持部材を有することを特徴とする請求項3
又は4に記載の微小可動体。 - 【請求項6】 前記弾性支持部材が前記可動部のブッシ
ング支持部を支持することを特徴とする請求項3及至5
のいずれか一項に記載の微小可動体。 - 【請求項7】 電極と、前記電極上に絶縁膜を介してな
る導電性を有するレールと、を有する固定部と、 電極と、ブッシングと、前記電極と前記ブッシングとを
連結するブッシング支持部と、前記ブッシング支持部に
接続する弾性支持部材と、前記弾性支持部材に接続する
ガイドと、前記ガイドと前記導電性レールに接するガイ
ドブッシングと、を有する可動部と、を備え、 前記固定部の電極と前記導電性レールにパルスを印加す
ることで、前記可動部電極が前記固定部側に引き寄せら
れ、前記ブッシングが前記固定部上で移動し、ピッチ運
動を行い、該可動部が該導電性レールに沿って移動す
る、 ことを特徴とする微小可動体。 - 【請求項8】 前記可動部の電極、前記ブッシング、前
記ブッシング支持部と前記弾性支持部材、前記ガイド、
前記ガイドブッシング、前記導電性レールは、 ドナー又はアクセプタの不純物がドープされた導電性を
有する多結晶シリコンからなる、 ことを特徴とする請求項7に記載の微小可動体。 - 【請求項9】 パルスを印加することで前記可動部電極
が前記固定部に接してたわみ変形することを特徴とする
請求項3乃至8のいずれか一項に記載の微小可動体。 - 【請求項10】 前記弾性支持部材が多結晶シリコンか
らなることを特徴とする請求項3及至9のいずれか一項
に記載の微小可動体。 - 【請求項11】 パルスを印加することで、前記電極と
前記ブッシングとで挟まれた頂点部が弾性変形すること
を特徴とする請求項3に記載の微小可動体。 - 【請求項12】 パルスを印加することで、前記ブッシ
ングが弾性変形することを特徴とする請求項3又は11
に記載の微小可動体。 - 【請求項13】 前記固定部が給電電極を有することを
特徴とする請求項3に記載の微小可動体。 - 【請求項14】 2つのブッシングを有することを特徴
とする請求項3又は13に記載の微小可動体。 - 【請求項15】 前記可動部の少なくとも一部が多結晶
シリコンからなることを特徴とする請求項3及至14の
いずれか一項に記載の微小可動体。 - 【請求項16】 前記弾性支持部材が前記可動部の電極
を支持することを特徴とする請求項3に記載の微小可動
体。 - 【請求項17】 前記可動部がスプリング支持体を有す
ることを特徴とする請求項16に記載の微小可動体。 - 【請求項18】 前記固定部が、絶縁膜を有するシリコ
ン基板からなることを特徴とする請求項3及至17のい
ずれか一項に記載の微小可動体。
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| 庄野克房 他1名,シリコンを使った静電モータ,日本ロボット学会誌,日本,社団法人ロボット学会,1990年 8月,8巻4号,P89−91 |
| 秋山照伸 他2名,多結晶シリコンで作ったターンテーブルとスライダ −静電気力によるステップ運動−,第70期通常総会講演会講演論文集(III),日本,社団法人日本機械学会,1993年 3月25日,No.930−9,P515−517 |
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