JP2001150393A - 半導体マイクロアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型であり、低消費電力で駆動可能な半導体マ
イクロアクチュエータを提供する。 【解決手段】枠体６に第１の接合部１１を介して一端部
が接合された各可撓部３の他端部が第２の接合部１２を
介して可動エレメント４に接合される。各可撓部３を加
熱すると可撓部３と薄膜５との熱膨張係数差により可撓
部３が撓み、可動エレメント４が変位する。この可動エ
レメント４の変位により弁座７ａとの距離が変化して、
貫通孔７を流れる流体の流量が制御される。上記可撓部
３と可動エレメント４を接合する第１の接合部１１の方
が、枠体６と可撓部３を接合する第２の接合部１２より
も曲げ剛性が低くなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可撓部の温度変化
による撓みによって、可撓部に連なって形成された可動
エレメントの変位を得る半導体マイクロアクチュエータ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体マイクロアクチュエータと
して、特表平４−５０６３２９号「半導体マイクロアク
チュエータ」、特開平５−１８７５７４号「超小型バル
ブ」や、出願人が以前出願した特願平１１−４５６１５
号等がある。

【０００３】特願平１１−４５６１５号にある半導体マ
イクロアクチュエータについて簡単に説明する。図８
は、半導体マイクロアクチュエータを用いた半導体マイ
クロバルブの構造を示す一部破断した斜視図である。

【０００４】図８において、半導体マイクロバルブは、
貫通孔７が形成されたガラス又はシリコンで構成されて
いる半導体基板１０の上部に、シリコンからなる半導体
基板を加工して形成される半導体マイクロアクチュエー
タ１が配置されている。

【０００５】半導体マイクロアクチュエータ１は、半導
体基板から形成される枠体６と、枠体６の内方向に第１
の接合部２１を介して一端部が接合される撓み可能な可
撓部３と、可撓部３の他端部に第２の接合部２２を介し
て接合される上面が開口した中空の可動エレメント４と
を有している。各可撓部３は、例えば中央の可動エレメ
ント４を挟んで十字形状となるように４つ設けられてい
る。

【０００６】各可撓部３の上部にはそれを構成するシリ
コンと異なる熱膨張係数を有する例えば金属からなる薄
膜５が配置されている。各可撓部３の表面に形成される
例えば拡散抵抗からなるヒータ（図示せず）を加熱する
ことで、可撓部３と薄膜５の熱膨張係数差により可撓部
３が撓み、可撓部３に第２の接合部２２を介して接合さ
れる可動エレメント４が半導体マイクロアクチュエータ
１の厚さ方向に変位する。すなわち、バイメタルを用い
た熱駆動方式となっている。

【０００７】第１の基板１０に形成された貫通孔７は、
その上面開口部の外周部に周囲より高くなっている弁座
７ａが形成されている。上述したように各可撓部３が撓
んで可動エレメント４が変位することで弁座７ａとの距
離が変化して、貫通孔７に流れる流体の流量が制御され
る。

【０００８】上述した第１の接合部２１および第２の接
合部２２（特願平１１−４５６１５号は、第１の接合部
２１のみ設けられている）は、可撓部３をヒータにて加
熱する際の熱が枠体６や可動エレメント４に逃げないよ
うにするための熱絶縁層であり、例えばポリイミドやフ
ッ素樹脂などの樹脂により構成されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この従来例の半導体マ
イクロアクチュエータ１では、各可撓部３の両端にある
第１の接合部２１と第２の接合部２２の剛性が等しくな
っている。そのため、可撓部３が少なくとも２つ設けら
れ、可動エレメント４の両端に各可撓部３が接合されて
いる本従来例のような場合、可撓部３に撓みが生じたと
きに、その可撓部３のみが撓むだけで、その撓みが可動
エレメント４に伝わらず、可動エレメント４の充分な変
位が得られないという問題が生じていた。

【００１０】この可動エレメント４の大きい変位を得る
ためには、可撓部３の加熱量を多くする必要があり、消
費電力が大きくなってしまう。また消費電力が大きくな
ると、その電力を得るための電池として小型のものを用
いることができず、半導体マイクロアクチュエータが大
型化してしまう問題がある。

【００１１】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は小型であり、低消費電力で駆動可能な
半導体マイクロアクチュエータを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、半導体基板からなる枠体と、前
記枠体から切り離されその一端部が第１の接合部を介し
て前記枠体の内方向に接合されるとともに温度変化によ
り撓む少なくとも２つの可撓部と、前記各可撓部の他端
部のそれぞれに第２の接合部を介して両端が接合された
可動エレメントとを備え、前記各可撓部の撓みにより前
記可動エレメントが変位する半導体マイクロアクチュエ
ータにおいて、前記第２の接合部の曲げ剛性を前記第１
の接合部の曲げ剛性よりも低くしたことを特徴とする。

【００１３】請求項１の発明によれば、可撓部が撓んだ
ときの可動エレメントの変位が大きなものとなる。この
ため、可撓部を撓ますための加熱量を抑えることができ
るので、低消費電力で半導体マイクロアクチュエータを
駆動することが可能となり、そのため使用する電池を小
型化できるので半導体マイクロアクチュエータの小型化
が可能となる。

【００１４】また、請求項２の発明は、請求項１の発明
において、前記第２の接合部は樹脂からなり、前記第１
の接合部は樹脂と樹脂よりも弾性率の高い材料とが互い
に接合方向に櫛刃の形成された櫛刃状になっていること
を特徴とする。

【００１５】請求項２に発明によれば、第２の接合部の
曲げ剛性を前記第１の接合部の曲げ剛性よりも低くする
ことができ、可撓部が撓んだときの可動エレメントの変
位が大きなものとなる。このため、半導体マイクロアク
チュエータの低消費電力化と小型化が図れる。

【００１６】また、請求項３の発明は、請求項１の発明
において、前記第２の接合部と第１の接合部はともに樹
脂と樹脂よりも弾性率の高い材料とが互いに接合方向に
櫛刃の形成された櫛刃状になっており、第２の接合部の
方が第１の接合部より櫛刃の本数が少なくなっている
か、あるいは樹脂よりも弾性率の高い材料による櫛刃の
幅が細くなっているかの少なくとも一方であることを特
徴とする。

【００１７】請求項３の発明によれば、第２の接合部の
曲げ剛性を前記第１の接合部の曲げ剛性よりも低くする
ことができ、可撓部が撓んだときの可動エレメントの変
位が大きなものとなる。このため、半導体マイクロアク
チュエータの低消費電力化と小型化が図れる。

【００１８】また、請求項４の発明は、請求項１の発明
において、前記第２の接合部の接合方向と直交する方向
の幅が、前記第１の接合部の接合方向と直交する方向の
幅よりも短いことを特徴とする。

【００１９】請求項４の発明によれば、第２の接合部の
曲げ剛性を前記第１の接合部の曲げ剛性よりも低くする
ことができ、可撓部が撓んだときの可動エレメントの変
位が大きなものとなる。このため、半導体マイクロアク
チュエータの低消費電力化と小型化が図れる。

【００２０】また、請求項５の発明は、請求項１の発明
において、前記第２の接合部の厚みが前記第１の接合部
の厚みよりも薄いことを特徴とする。

【００２１】請求項５の発明によれば、第２の接合部の
曲げ剛性を前記第１の接合部の曲げ剛性よりも低くする
ことができ、可撓部が撓んだときの可動エレメントの変
位が大きなものとなる。このため、半導体マイクロアク
チュエータの低消費電力化と小型化が図れる。

【００２２】また、請求項６の発明は、請求項１の発明
において、前記第１の接合部に補強材が近接配置したこ
とを特徴とする。

【００２３】請求項６の発明のよれば、第２の接合部の
曲げ剛性を前記第１の接合部の曲げ剛性よりも低くする
ことができ、可撓部が撓んだときの可動エレメントの変
位が大きなものとなる。このため、半導体マイクロアク
チュエータの低消費電力化と小型化が図れる。

【００２４】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図面を用いて本発
明の実施形態１を説明する。図１は半導体マイクロアク
チュエータを用いた半導体マイクロバルブの構造を示す
一部破断の斜視図であり、図２は上面図である。図１、
図２において従来例を示す図８と同じものには同じ符号
を付している。

【００２５】図において、半導体マイクロアクチュエー
タ１は、従来例と同様に貫通孔７の形成された半導体基
板１０の上部に配置され、それとともに半導体マイクロ
バルブを構成している。

【００２６】この半導体マイクロアクチュエータ１は、
半導体基板から形成される中空で略四角形状の枠体６の
４辺中央より内方向に、枠体６と切り離された４つの可
撓部３の一端部が第１の接合部１１を介して接合されて
いる。そして、各可撓部３の他端部はそれぞれ、第２の
接合部１２を介して、上面が四角形状に開口した中空の
可動エレメント４の四角形状の各辺に接合されている。

【００２７】従来例と同様、各可撓部３の上部にはそれ
を構成するシリコンと異なる熱膨張係数を有する例えば
金属からなる薄膜５が配置されている。各可撓部３の表
面に形成される例えば拡散抵抗からなるヒータ（図示せ
ず）を加熱することで、可撓部３と薄膜５の熱膨張係数
差により可撓部３が撓み、可撓部３に第２の接合部１２
を介して接合される可動エレメント４が半導体マイクロ
アクチュエータ１の厚さ方向に変位する。

【００２８】このように半導体マイクロアクチュエータ
１の可動エレメント４の変位により、半導体基板１０に
形成された貫通孔７の上面開口部の周囲に設けられた弁
座７ａと可動エレメント４との距離が変化して、貫通孔
７に流れる流体の流量が制御される。

【００２９】本実施形態において、枠体６と可撓部３を
接合する第１の接合部１１と、可撓部３と可動エレメン
ト４を接合する第２の接合部１２の構造が従来例と異な
る。

【００３０】本実施形態における第１の接合部１１と第
２の接合部１２の構造を図３に示す。尚、簡略化するた
め、薄膜５の図示を省略している（図４〜図７も同
様）。第２の接合部１２はポリイミドやフッ素樹脂など
の樹脂により構成されているのに対し、第１の接合部１
１は、可撓部３から枠体６側、および枠体６から可撓部
３側に突設したシリコンからなる突設部１４と、その突
設部１４とともに互いに、第１の接合部１１の接合方向
（Ａ方向）に櫛刃の形成された櫛刃状となっている樹脂
１３とにより構成されている。この突設部１４を構成す
るシリコンは、ポリイミドやフッ素樹脂などの樹脂１３
よりヤング率（弾性率）の高い材料である。このように
構成することで、第２の接合部１２の曲げ剛性が第１の
接合部１１の曲げ剛性よりも低いものとなる。

【００３１】本実施形態では、可動エレメント４が各可
撓部３のそれぞれと４点で接合されている。このよう
に、可撓部３が少なくとも２つ設けられており、可動エ
レメント４の両端がその各可撓部３に接合される場合、
第１の接合部１１と第２の接合部１２の曲げ剛性が等し
いと、従来例で説明したように可動エレメント４の充分
な変位を得られないが、第２の接合部１２の曲げ剛性が
第１の接合部１１の曲げ剛性よりも低くなるようにする
ことで、可撓部３が撓んだときの可動エレメント４の変
位が大きなものとなる。

【００３２】このため、可撓部３の加熱量を抑えること
ができるので、低消費電力化が可能となり、そのため使
用する電池を小型化できるので半導体マイクロアクチュ
エータの小型化が可能となる。

【００３３】また、このように枠体６と可撓部３のそれ
ぞれより突設部１４を突設させるのではなく、第１の接
合部１１をポリイミドやフッ素樹脂などの樹脂と、その
樹脂よりヤング率の高い金属とにより互いに櫛刃状を形
成する構造としてもよい。

【００３４】（実施形態２）図４は、本発明の実施形態
２に対応する半導体マイクロアクチュエータにおける第
１の接合部１１と第２の接合部１２の構造を示す。その
他の構成は、実施形態１と同様のためその説明を省略す
る。

【００３５】図４では、第１の接合部１１と第２の接合
部１２のいずれも図３の第１の接合部１１と同様に樹脂
１３と、シリコンからなる突設部１４とが互いに櫛刃状
となっている。そして、第１の接合部１１における突設
部１４の数が、第２の接合部１２における突設部１４の
数より多くなっている。すなわち、第２の接合部１２の
方が第１の接合部１１に比べて櫛刃の数が少なくなって
いる。

【００３６】このようにすることで、第２の接合部１２
の曲げ剛性が第１の接合部１１の曲げ剛性より低くな
り、可撓部１３が撓んだときの可動エレメント１４の変
位が大きなものとなる。そのため、半導体マイクロアク
チュエータの低消費電力化と小型化が図れる。

【００３７】また、第１の接合部１１と第２の接合部１
２のそれぞれにおける突設部１４の櫛刃の数を異なるよ
うにするのではなく、第２の接合部１２の突設部１４に
おけるＢ方向（接合方向Ａ方向と直交する方向）の幅
を、第１の接合部１１に比べて細くすることで、第２の
接合部１２の曲げ剛性が第１の接合部１１の曲げ剛性よ
り低くなるようにしてもよい。

【００３８】（実施形態３）図５には、本発明の実施形
態３に対応する半導体マイクロアクチュエータにおける
第１の接合部１１と第２の接合部１２の構造を示す。そ
の他の構成は、実施形態１と同様のためその説明を省略
する。図５において、図３と異なる点は、図５では、第
２の接合部１２の接合方向（Ａ方向）と直交する方向
（Ｂ方向）の幅を第１の接合部１１に比べて短くするよ
うにしている点である。このように構成することで、図
３に比べてさらに、第２の接合部１２の曲げ剛性が第１
の接合部１１の曲げ剛性より低くなる。そのために、可
撓部３が撓んだときの可動エレメント４の変位がより大
きなものとなる。そのため、半導体マイクロアクチュエ
ータの低消費電力化と小型化が図れる。

【００３９】尚、上述したように第２の接合部１２のＢ
方向の幅を第１の接合部１１の幅よりも細くしていれ
ば、図３のように第１の接合部１１を櫛刃状にせず樹脂
のみで構成するようにしても、第２の接合部１２の曲げ
剛性が第１の接合部１１の曲げ剛性よりも低くなるよう
にでき、可動エレメント１４の大きな変位を得ることが
できる。

【００４０】（実施形態４）次に、図６の側面断面図を
用いて、本発明の実施形態４に対応する半導体マイクロ
アクチュエータにおける第１の接合部１１と第２の接合
部１２の構造を説明する。その他の構成は、実施形態１
と同様のためその説明を省略する。図６において、図３
と異なる点は、図６では第２の接合部１２の厚さが第１
の接合部１１の厚さに比べて薄くなっている点である。

【００４１】このように構成することで、図３に比べて
さらに、第２の接合部１２の曲げ剛性が第１の接合部１
１の曲げ剛性より低くなる。そのために、可撓部３が撓
んだときの可動エレメント４の変位がより大きなものと
なる。そのため、半導体マイクロアクチュエータの低消
費電力化と小型化が図れる。

【００４２】尚、上述したように第２の接合部１２の厚
さを第１の接合部１１の厚さよりも薄くしていれば、第
１の接合部１１を図３のように櫛刃状にせず樹脂のみで
構成するようにしても、第２の接合部１２の曲げ剛性が
第１の接合部１１の曲げ剛性よりも低くなるようにで
き、可動エレメント４の大きな変位を得ることができ
る。

【００４３】（実施形態５）図７の側面断面図を用い
て、本発明の実施形態５に対応する半導体マイクロアク
チュエータにおける第１の接合部１１と第２の接合部１
２の構造を説明する。その他の構成は、実施形態１と同
様のためその説明を省略する。図７において、図３と異
なる点は、図７では第１の接合部１１の上部に可撓部３
の端部にかかるように樹脂やガラスなどからなる補強材
１５が近接配置されている点である。

【００４４】このように補強材１５を設けることで、第
１の接合部１１の曲げ剛性が高くなるため、それに比べ
て第２の接合部１２の曲げ剛性が低くなり、可撓部３が
撓んだときの可動エレメント４の変位がより大きなもの
となる。

【００４５】尚、上述したように第１の接合部１１の上
部に補強材１５を配置すれば、第１の接合部１１を図３
のように櫛刃状にせず樹脂のみで構成するようにして
も、第２の接合部１２の曲げ剛性が第１の接合部１１の
曲げ剛性よりも低くなるようにでき、可動エレメント４
の大きな変位を得ることができる。そのため、半導体マ
イクロアクチュエータの低消費電力化と小型化が図れ
る。

【００４６】

【発明の効果】上記したように、請求項１の発明は、半
導体基板からなる枠体と、前記枠体から切り離されその
一端部が第１の接合部を介して前記枠体の内方向に接合
されるとともに温度変化により撓む少なくとも２つの可
撓部と、前記各可撓部の他端部のそれぞれに第２の接合
部を介して両端が接合された可動エレメントとを備え、
前記各可撓部の撓みにより前記可動エレメントが変位す
る半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記第２の
接合部の曲げ剛性を前記第１の接合部の曲げ剛性よりも
低くしたため、可撓部が撓んだときの可動エレメントの
変位が大きなものとなる。このため、可撓部を撓ますた
めの加熱量を抑えることができるので低消費電力で半導
体マイクロアクチュエータを駆動することが可能とな
り、そのため使用する電池を小型化できるので半導体マ
イクロアクチュエータの小型化が可能となる。

【００４７】また、請求項２の発明は、請求項１の発明
において、前記第２の接合部は樹脂からなり、前記第１
の接合部は樹脂と樹脂よりも弾性率の高い材料とが互い
に接合方向に櫛刃の形成された櫛刃状になっているた
め、第２の接合部の曲げ剛性を前記第１の接合部の曲げ
剛性よりも低くすることができ、可撓部が撓んだときの
可動エレメントの変位が大きなものとなる。このため、
半導体マイクロアクチュエータの低消費電力化と小型化
が図れる。

【００４８】また、請求項３の発明は、請求項１の発明
において、前記第２の接合部と第１の接合部はともに樹
脂と樹脂よりも弾性率の高い材料とが互いに接合方向に
櫛刃の形成された櫛刃状になっており、第２の接合部の
方が第１の接合部より櫛刃の本数が少なくなっている
か、あるいは樹脂よりも弾性率の高い材料による櫛刃の
幅が細くなっているかの少なくとも一方であるため、第
２の接合部の曲げ剛性を前記第１の接合部の曲げ剛性よ
りも低くすることができ、可撓部が撓んだときの可動エ
レメントの変位が大きなものとなる。このため、半導体
マイクロアクチュエータの低消費電力化と小型化が図れ
る。

【００４９】また、請求項４の発明は、請求項１の発明
において、前記第２の接合部の接合方向と直交する方向
の幅が、前記第１の接合部の接合方向と直交する方向の
幅よりも短いため、第２の接合部の曲げ剛性を前記第１
の接合部の曲げ剛性よりも低くすることができ、可撓部
が撓んだときの可動エレメントの変位が大きなものとな
る。このため、半導体マイクロアクチュエータの低消費
電力化と小型化が図れる。

【００５０】また、請求項５の発明は、請求項１の発明
において、前記第２の接合部の厚みが前記第１の接合部
の厚みよりも薄いため、第２の接合部の曲げ剛性を前記
第１の接合部の曲げ剛性よりも低くすることができ、可
撓部が撓んだときの可動エレメントの変位が大きなもの
となる。このため、半導体マイクロアクチュエータの低
消費電力化と小型化が図れる。

【００５１】また、請求項６の発明は、請求項１の発明
において、前記第１の接合部に補強材が近接配置したた
め、第２の接合部の曲げ剛性を前記第１の接合部の曲げ
剛性よりも低くすることができ、可撓部が撓んだときの
可動エレメントの変位が大きなものとなる。このため、
半導体マイクロアクチュエータの低消費電力化と小型化
が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に対応する半導体マイクロ
アクチュエータを用いた半導体マイクロバルブの構造を
示す一部破断斜視図である。

【図２】同上の半導体マイクロバルブの構造を示す上面
図である。

【図３】本発明の実施形態１に対応する半導体マイクロ
アクチュエータにおける第１および第２の接合部の構造
を示す上面図である。

【図４】本発明の実施形態２に対応する半導体マイクロ
アクチュエータにおける第１および第２の接合部の構造
を示す上面図である。

【図５】本発明の実施形態３に対応する半導体マイクロ
アクチュエータにおける第１および第２の接合部の構造
を示す上面図である。

【図６】本発明の実施形態４に対応する半導体マイクロ
アクチュエータにおける第１および第２の接合部の構造
を示す側面断面図である。

【図７】本発明の実施形態５に対応する半導体マイクロ
アクチュエータにおける第１および第２の接合部の構造
を示す側面断面図である。

【図８】従来の半導体マイクロアクチュエータを用いた
半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ 半導体マイクロアクチュエータ ３ 可撓部 ４ 可動エレメント ５ 薄膜 ６ 枠体 ７ 貫通孔 ７ａ 弁座 １１ 第１の接合部 １２ 第２の接合部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊田 憲治 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 藤井 圭子 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 友成 恵昭 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 河田 裕志 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 吉田 仁 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 鎌倉 將有 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 吉田 和司 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板からなる枠体と、前記枠体か
   ら切り離されその一端部が第１の接合部を介して前記枠
   体の内方向に接合されるとともに温度変化により撓む少
   なくとも２つの可撓部と、前記各可撓部の他端部のそれ
   ぞれに第２の接合部を介して両端が接合された可動エレ
   メントとを備え、前記各可撓部の撓みにより前記可動エ
   レメントが変位する半導体マイクロアクチュエータにお
   いて、 前記第２の接合部の曲げ剛性を前記第１の接合部の曲げ
   剛性よりも低くしたことを特徴とする半導体マイクロア
   クチュエータ。
2. 【請求項２】 前記第２の接合部は樹脂からなり、前記
   第１の接合部は樹脂と樹脂よりも弾性率の高い材料とが
   互いに接合方向に櫛刃の形成された櫛刃状になっている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体マイクロアクチ
   ュエータ。
3. 【請求項３】 前記第２の接合部と第１の接合部はとも
   に樹脂と樹脂よりも弾性率の高い材料とが互いに接合方
   向に櫛刃の形成された櫛刃状になっており、第２の接合
   部の方が第１の接合部より櫛刃の本数が少なくなってい
   るか、あるいは樹脂よりも弾性率の高い材料による櫛刃
   の幅が細くなっているかの少なくとも一方であることを
   特徴とする請求項１記載の半導体マイクロアクチュエー
   タ。
4. 【請求項４】 前記第２の接合部の接合方向と直交する
   方向の幅が、前記第１の接合部の接合方向と直交する方
   向の幅よりも短いことを特徴とする請求項１記載の半導
   体マイクロアクチュエータ。
5. 【請求項５】 前記第２の接合部の厚みが前記第１の接
   合部の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項１記載の
   半導体マイクロアクチュエータ。
6. 【請求項６】 前記第１の接合部に補強材が近接配置し
   たことを特徴とする請求項１記載の半導体マイクロアク
   チュエータ。