JP2002165467A - マルチフォールデッドスプリングを用いた多軸駆動のためのシングルステージマイクロアクチュエータ - Google Patents
マルチフォールデッドスプリングを用いた多軸駆動のためのシングルステージマイクロアクチュエータInfo
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Abstract
ングルステージマイクロアクチュエータを提供する。 【解決手段】 基板11と、固定板電極14と、長方形
のステージ41と、複数の駆動フレーム33aとを具備
する複数の駆動フレーム部33と、複数のスプリング部
材とスプリング支持部材とを具備する第1スプリング部
31と、複数の固定フレーム21を備える固定フレーム
部と、櫛形駆動電極22と、櫛形固定電極32と、第2
スプリング部35とを具備する。駆動部に1つの電極の
みを使用して多軸駆動を行うように構成することによ
り、製造時の絶縁工程が不要となって製造工程が単純化
され、しかもマルチフォールデッドスプリング構造によ
って相異なる方向のカップリング運動が排除される。
Description
ッドスプリングを有する多軸駆動のためのシングルステ
ージマイクロアクチュエータに係り、特に、SPM(S
canningProbe Microscope:走
査型プローブ顕微鏡)の技術を応用したデータ記憶シス
テムに用いられるX−Yステージマイクロアクチュエー
タに関する。
システムは一般に、記憶媒体、この記憶媒体をステージ
上に装着してX−Y軸の面内方向で駆動自在に構成され
るアクチュエータ、前記記憶媒体に情報を書込んだり、
記憶媒体に書込まれた情報の読出しを実行したりするた
めの探針(tip)を少なくとも1つ備えるプローブ、
そしてこのような情報の書込みまたは読出しに用いられ
る情報信号を処理する信号処理部よりなる。
前記記憶媒体に書込んだり、読出したりすることができ
るものである。このため、前記各プローブに備えられる
探針は、記憶媒体に所要の距離で近接させる必要があ
る。したがって、前記多重プローブは、アクチュエー
タ、及びセンサによって精密に制御して操作されること
を必要とする。その際、前記アクチュエータは、多重プ
ローブの探針部を記憶媒体に所要の距離で近接させるよ
うに、多重プローブを精密に駆動させる役割を果たす。
また、前記センサは、記憶媒体上に書込まれた情報に応
じて、前記多重プローブの駆動を感知することにより記
憶媒体から情報の読出しを実行する。
Y軸方向等の2軸以上での駆動を実行するには、1軸で
一方向のみの駆動を実行する場合、駆動部に少なくとも
3つの電極が必要である。また、1軸で双方向の駆動を
実行する場合には、駆動部に少なくとも5つの電極が必
要である。例えば、米国特許5,536,988号明細
書には、このような複数の電極を備えて多軸駆動を可能
としたアクチュエータを、半導体装置において選択領域
に熱酸化膜を形成させる技術を用いて作製された絶縁体
により、単一のシリコン構造物として構成する技術が開
示されている。このような方法は、多軸駆動を実行する
際に生じる電極に関する問題を解決するものであるが、
製造工程が比較的複雑になるという問題がある。
者:the IEEE Robotics and A
utomation Society in Coop
eration with the Micromac
hine Center)でP.F.Indermue
hle等は、アクチュエータにおける駆動部の2軸駆動
を実行するにあたって、電極を1つのみ使用するアクチ
ュエータの製造方法を発表した。この製造方法によれ
ば、アクチュエータの形成に前記のような絶縁体を形成
する工程が不要となるのでアクチュエータの製造工程が
比較的簡単となる。しかしながら、この方法では、駆動
部に1つの電極のみを使用するため、構造上、2軸駆動
でカップリングの問題が発生する。
記憶装置のための大面積ステージを備えたアクチュエー
タに直ちに適用するに際し、その構造が構造的に不安定
な要素を内包していること(すなわち、駆動面の垂直方
向を回転軸として回転運動が発生し易い)、そしてマイ
クロアクチュエータ全体の大きさに対してステージで実
際に使用される領域の割合が小さく非効率的であること
(ステージとアクチュエータとの間のスプリングの長さ
による空間損失)といった問題を有している。
ために、本発明の第1の目的は、駆動部に1つの電極の
みを使用して多軸方向の駆動が実行されるようにして、
製造時の絶縁工程を不要とし、製造工程の単純化を図っ
たマルチフォールデッドスプリングを用いた多軸駆動シ
ングルステージマイクロアクチュエータを提供すること
にある。
軸の面内方向での駆動のカップリングが効率的に抑制さ
れ得るマルチフォールデッドスプリングを用いた多軸駆
動シングルステージマイクロアクチュエータを提供する
ことにある。
軸の面内方向で実行される駆動以外の駆動の発生が効率
的に抑制され得るマルチフォールデッドスプリングを用
いた多軸駆動シングルステージマイクロアクチュエータ
を提供することにある。
配置させることによって、ステージを拡大した場合に
も、高密度な記憶装置が具現化されるマルチフォールデ
ッドスプリングを用いた多軸駆動シングルステージマイ
クロアクチュエータを提供することにある。
の本発明の第1の目的を達成するために、本発明は、基
板と、前記基板の中央部に形成された固定板電極と、前
記固定板電極の上方に配置され、互いに直交した第1の
側部と第2の側部とを有する長方形ステージと、前記長
方形ステージの第1の側部と第2の側部の近傍部に備え
られ、各々互いに平行、かつ長方形ステージの側部と直
交する方向に配列された複数の駆動フレームを備える複
数の駆動フレーム部と、前記長方形ステージの第1の側
部、第2の側部、およびこれらに対応する各駆動フレー
ム部にそれぞれ連結され、前記長方形ステージの第1の
側部と第2の側部に平行に延びる複数のスプリング部材
と、これらのスプリング部材を支持するためのスプリン
グ支持部材とを備える第1スプリング部と、前記長方形
ステージの第1の側部と第2の側部にそれぞれ配列され
ると共に、前記駆動フレーム部の駆動フレームに交互に
並んで配列された複数の平行固定フレームを備える固定
フレーム部と、前記各駆動フレーム部の駆動フレームか
ら、前記長方形ステージの第1の側部または第2の側部
に、互いに平行に延びる方向に配置された櫛形駆動電極
と、前記櫛形駆動電極と組み合わされ、前記固定フレー
ム部の各固定フレームから互いに平行に延びる方向に配
置された櫛形固定電極と、前記基板における駆動フレー
ム部を支持すると共に、弾性バイアスにより櫛形駆動電
極の延びる方向で駆動フレーム部を動作させ、駆動フレ
ーム部の駆動フレームに平行に延びる複数のスプリング
部材と、これらのスプリング部材を支持するための複数
のスプリング支持部材とを備える第2スプリング部とを
具備することを特徴とするマルチフォールデッドスプリ
ングを用いた多軸駆動のためのシングルステージマイク
ロアクチュエータを提供する(請求項1)。
スプリングを用いた多軸駆動のためのマイクロアクチュ
エータにおいて、前記各駆動フレーム部の駆動フレーム
は、補助駆動フレームによって直角に連結され、格子状
長方形に形成されてもよい(請求項2)。また、前記各
固定フレーム部の固定フレームは、各々前記基板に固定
され、各固定フレーム部を分離して電気的に結合されて
構成されることが望ましい(請求項3)。
ォールデッドスプリングを用いた多軸駆動のためのマイ
クロアクチュエータにおいて、前記固定フレーム部の各
固定フレームは、前記駆動フレームと補助駆動フレーム
とによって形成された1つの単位フレームに配置され、
前記固定フレームは、各固定フレーム部に電気的に結合
されてもよい(請求項4)。そして、前記第1スプリン
グ部及び第2スプリング部のスプリング支持部材の端部
は、スプリング連結エレメントによって形成され、前記
各スプリング支持部材は、互いに連結するように隣接し
たスプリング支持部材の間に配置される共に、前記スプ
リング部材より短い長さを有し、前記第2スプリング部
の一側は、基板に固定されたスプリング支持体に連結さ
れて構成されることが望ましい(請求項5)。
ォールデッドスプリングを用いた多軸駆動のためのマイ
クロアクチュエータにおいて、前記第1スプリング部と
第2スプリング部のスプリング支持部材は、スプリング
部材に対して所定角度でジグザグパターンに配列された
複数の連結板を備え、隣接したスプリング部材を連結す
ることが望ましい(請求項6)。
ついて、添付した図面に基づき詳細に説明する。図1
は、本発明に係るマルチフォールデッドスプリングを用
いた多軸駆動のためのシングルステージマイクロアクチ
ュエータの一実施形態を模式的に示す平面図である。図
1を参照すると、本発明に係る一実施形態のマルチフォ
ールデッドスプリングを用いた多軸駆動のためのシング
ルステージマイクロアクチュエータは、基板11の上面
中央に記憶媒体(図示省略)が装着され、互いに直交す
る第1の側部及び第2の側部を有する長方形のステージ
41が配置されて構成される。
2の側部に隣接し、各々の近傍部に隣接したステージの
各辺と直交する方向に配列された複数の駆動フレーム3
3a、及びこれらを互いに連結する補助駆動フレーム3
3bを具備する格子状長方形の駆動フレーム部33が配
置される。
ドスプリングを用いた多軸駆動のためのシングルステー
ジマイクロアクチュエータに適用される櫛形駆動電極と
櫛形固定電極の構造を模式的に示す主要部の抜粋斜視図
である。図2に示されるように、前記各駆動フレーム3
3aには、前記ステージ41の各辺に平行に延びる複数
の櫛形駆動電極22が平行に延びて形成される。そし
て、後述する固定フレーム21には、対応する駆動フレ
ーム33aの櫛形駆動電極22と交互に並んで配置され
た櫛形固定電極32が形成される。また、図1に示され
るように、前記ステージ41と前記駆動フレーム部33
との間には第1スプリング部31が配置される。
れるように、ステージ41の対応する辺に平行に延びて
おり、互いに並んで配置された複数の長方形スプリング
部材31aと、これらの間に配置されたスプリング部材
31aよりも短いスプリング支持部材31bとを具備す
る。前記スプリング部材31bは、ジグザグパターンに
所定角度だけ傾けて連結された連結板36より構成され
ており、質量が比較的小さく、かつスプリング部材31
aを支持するための充分な剛性を有するものである。
の2つの長辺のうち、スプリング支持部材31bが連結
された区間を除いて弾性バイアスが発生する部分のビー
ムスプリングエレメント37と、長方形の2つの短辺に
配置されてビームスプリングエレメント37の端部を連
結し、かつ支持し得る充分な剛性を有するビームスプリ
ング連結エレメント38よりなる。第1スプリング部3
1では、所望の変形方向の剛性と、その変形方向の垂直
方向の剛性とが相対的に大きくなるように、ビームスプ
リングエレメント37の長さとスプリング部材31aの
個数とが決定される。後述する第2スプリング部35
も、このような第1スプリング部31の構造と同一な構
造を有する。
ンフレーム部33に含まれる駆動メインフレーム33a
との位置関係を示す図であって、図1のA−A線断面図
である。駆動フレーム部33の内側には固定フレーム部
を構成する固定フレーム21が配置されている。各固定
フレーム21は各駆動フレーム33aと交互に並んで配
置されている。したがって、固定フレーム21は格子体
をなす駆動フレーム部33で四角領域の内側に1つずつ
備えられる(図2参照)。そして、ステージ41の各辺
に対応する領域単位に固定フレーム21は、配線電極1
7により電気的に接続されて基板11の各コーナ部に備
えられた固定フレーム電極パッド13に接続されてい
る。駆動フレーム部33も第2スプリング部35と支持
体12上に形成された駆動フレーム電極パッド18を通
じて外部の回路(図示省略)と電気的に接続されてい
る。
31及びこれに連結された駆動フレーム部33との位置
関係を示す図であって、図1のB−B線断面図である。
ステージ41の各近傍に備えられた駆動フレーム部33
は、複数の第2スプリング部35によって支持されてい
る。第2スプリング部35(図4参照)は、駆動フレー
ム部33を、各々基板11に対して支持すると共に、弾
性バイアスにより櫛形駆動電極22の延長方向に駆動フ
レーム部33を動作させるものであり、各駆動フレーム
部33の駆動フレーム33aと平行に延びる複数のスプ
リング部材31aと、これらスプリング部材31aを支
持するスプリング支持部材31bとを具備する。各第2
スプリング部35は各々、その一側が駆動フレーム部3
3に連結され、その他側は基板11に備えられたスプリ
ング支持体12に連結されている。
設けられたステージ41の下方に配置され、配線電極1
5によって基板11の1つのコーナ部に備えられた固定
板電極パッド16に接続されている。
ドスプリングを有する多軸駆動シングルステージマイク
ロアクチュエータの駆動を実行するために適用される、
所定の電圧を印加するため電源の配列を示す図面であ
る。本発明にあっては、ステージ41をX−Y軸の面内
方向で移動自在とするために、櫛形駆動電極22と櫛形
固定電極32との間の電位差による静電気力を用いる。
すなわち、本発明で用いる静電気力は、各軸に沿った駆
動方向に発生され、ステージ41を中心として、右方向
をX軸の正方向、左方向をX軸の負方向、上方をY軸の
正方向、下方をY軸の負方向として、これら4つの方向
に作用するものである。
る静電気力の大きさは、各軸に沿った方向によって独立
して形成された固定フレーム21(図1)の櫛形固定電
極32(図1)と、駆動フレーム電極22(図1)との
間に、電源73、74、75、76によって印加される
電圧Va、Vb、Vc、Vdによって決定される。すな
わち、電源73、74、75、76によって印加される
電圧Va、Vb、Vc、Vdを適宜調節することによ
り、静電気力の大きさが制御され、このようにしてステ
ージ41の移動量を適切に調節することができる。
外部荷重によって、駆動面に垂直な方向に動くこともあ
り得るが、このような動きを防止するためには、固定板
電極14とステージ41との間に、電源77を備えて、
この電源77から所要の電圧Veを印加することによ
り、固定板電極14とステージ41との間に予め所定の
引力を作用させるように構成するのが有効である。
が、1つの電極のみを有するシングルステージを駆動す
る原理を、図7に示す単純化したモデルを用いて説明す
る。図7に示されるシングルステージ41をX軸の正方
向に駆動させる場合、櫛形固定電極22xと22x’と
の間の電位差を低下させる、さらに、ステージ41に対
してY軸方向の線上に配列された駆動フレーム33x
(図7)、33x’(図7)と噛み合うように形成され
ている櫛形駆動電極32x(図7)と32x’(図7)
との間の電位差を低下させることにより、図8に示すよ
うな静電気力61が生起される。このようにして生起さ
れた静電気力61によって、ステージ41がX軸の正方
向に移動するようになる(51)。その際、駆動フレー
ム部33x、33x’に連結された第2スプリング部3
5x、35x’が、駆動方向に伸縮することによって駆
動フレーム部33x、33x’が駆動方向に動作可能に
構成される(図7参照)。
x、33x’に連結されている第1スプリング部31
x、31x’は、スプリングが変形することなく、駆動
フレーム部33x、33x’に沿ってX軸の正方向に動
きながら、他の一方に連結されているステージ11を駆
動方向、すなわちX軸の正方向に移動させる。
するときに動作する駆動フレーム部33y及び33y’
との間に連結された第1スプリング部31y、32y’
は、駆動フレーム部33y、33y’に支持され、ステ
ージ41はX軸方向に伸縮するようになる。一方、ステ
ージ41がY軸方向に駆動する場合には、駆動フレーム
部33y、33y’がX軸方向に駆動するときと同じ原
理によって駆動される。2軸駆動を実行するために、図
8、図9に各々示すような静電気力61(X軸の正方
向)、静電気力62(Y軸の負方向)が作用した場合の
ステージ41の変位の状態52は、図8と図9に破線と
実線とで示されるステージ41の変位と同一である(X
軸の正方向(図8に示される実線で示されるステージ4
1)、Y軸の負方向(図9に示される実線で示されるス
テージ41))。
ッドスプリングを用いた多軸駆動シングルステージマイ
クロアクチュエータの動作機構は、X−Y軸方向で生じ
る駆動が、互いに重畳された結果として発生すると見な
すことができる。すなわち、第1スプリング部31x、
31x’、31y、31y’は、それぞれの駆動方向に
対して駆動フレーム33x、33x’、33y、33
y’が駆動するとき、ステージ41を前記駆動フレーム
部の駆動方向に移動させる役割を果たすと同時に、ステ
ージ41が前記駆動フレームの駆動方向と直交した方向
に移動する場合は、ステージ41を移動可能に変形させ
る役割を同時に果たす。その際、スプリングの構造は、
マルチフォールデッド状となって、カップリングの影響
は充分に抑えられる。
グである第2スプリング部35(図4参照)の変形前の
状態を示す。図11及び図12は、前記駆動フレーム部
が、駆動(81、82の矢印方向に駆動)される場合、
マルチフォールデッドスプリングである第2スプリング
部35(図4参照)が実際に変形する様子を示す図であ
る。図10は、第2スプリング部35が伸びた状態を示
す図であり、図11は、第2スプリング部35が縮んだ
状態を示す図である。第1スプリング部31において
も、このような第2スプリング部35と同様の変形を呈
する。
憶装置に好適に使われるものであって、駆動部に1つの
電極を使用して多軸駆動を行い、絶縁工程が不要なので
製造工程を単純化することが可能となる。そして、一定
の大きさを有する記憶媒体のメディアを載置するステー
ジを装着してもX−Y軸方向の面内運動以外の他の運動
が相対的に発生しにくいスプリング支持構造を有する。
2軸駆動時にスプリングによって発生するカップリング
現象は、マルチフォールデッドスプリング構造により生
じることなく、特に駆動装置の全面積においてステージ
面積(記憶面積)が最大となるように効率的にステージ
の面積を使用できる構造を有する。
一実施形態に基づいて説明されたが、この実施形態は例
示的なものに過ぎず、当業者であれば、この実施形態か
ら各種の多様な変形、及び均等な他の実施形態が可能で
あることを容易に理解し得る。したがって、本発明の真
の保護範囲は特許請求の範囲によってのみ決まるべきで
ある。
よれば、駆動部に1つの電極を使用して多軸駆動を行
い、絶縁工程が不要なので製造工程の単純化を図ること
ができ、マルチフォールデッドスプリング構造によって
相異なる方向のカップリング運動が排除されるマルチフ
ォールデッドスプリングを用いた多軸駆動のためのシン
グルステージマイクロアクチュエータを提供することが
できる。
を用いた多軸駆動のためのシングルステージマイクロア
クチュエータの一実施形態を示す平面図である。
を用いた多軸駆動のためのシングルステージマイクロア
クチュエータに適用される櫛形駆動電極と櫛形固定電極
の構造を模式的に示す主要部の抜粋斜視図である。
を用いた多軸駆動のためのシングルステージマイクロア
クチュエータに適用されるスプリング部の概略的な構造
を、模式的に示す抜粋斜視図である。
駆動シングルステージマイクロアクチュエータの作動時
に電力を供給する電源の配置図である。
を用いた多軸駆動のためのシングルステージマイクロア
クチュエータの作動原理を説明するための単純化した模
型図である。
を用いた多軸駆動シングルステージマイクロアクチュエ
ータの一方向の駆動を説明するための単純化した模型図
である。
を用いた多軸駆動シングルステージマイクロアクチュエ
ータの二方向の駆動を説明するための単純化した模型図
である。
グを用いた多軸駆動シングルステージマイクロアクチュ
エータにおいて、変形前のマルチフォールデッドスプリ
ングを模式的に示す図面である。
グを用いた多軸駆動シングルステージマイクロアクチュ
エータにおいてマルチフォールデッドスプリングが伸び
たときのスプリングの変形形状を模式的に示す図面であ
る。
グを用いた多軸駆動シングルステージマイクロアクチュ
エータにおいてマルチフォールデッドスプリングが縮ん
だときのスプリングの変形形状を模式的に示す図面であ
る。
Claims (6)
- 【請求項1】 基板と、 前記基板の中央部に形成された固定板電極と、 前記固定板電極の上方に配置され、互いに直交した第1
の側部と第2の側部とを有する長方形ステージと、 前記長方形ステージの第1の側部と第2の側部の近傍部
に備えられ、各々互いに平行、かつ長方形ステージの側
部と直交する方向に配列された複数の駆動フレームを備
える複数の駆動フレーム部と、 前記長方形ステージの第1の側部、第2の側部、及びこ
れらに対応する各駆動フレーム部にそれぞれ連結され、
前記長方形ステージの第1の側部と第2の側部に平行に
延びる複数のスプリング部材と、これらのスプリング部
材を支持するためのスプリング支持部材とを備える第1
スプリング部と、 前記長方形ステージの第1の側部と第2の側部にそれぞ
れ配列されると共に、前記駆動フレーム部の駆動フレー
ムに交互に並んで配列された複数の平行固定フレームを
備える固定フレーム部と、 前記各駆動フレーム部の駆動フレームから、前記長方形
ステージの第1の側部または第2の側部に、互いに平行
に延びる方向に配置された櫛形駆動電極と、 前記櫛形駆動電極と組み合わされ、前記固定フレーム部
の各固定フレームから互いに平行に延びる方向に配置さ
れた櫛形固定電極と、 前記基板における駆動フレーム部を支持すると共に、弾
性バイアスにより櫛形駆動電極の延びる方向で駆動フレ
ーム部を動作させ、駆動フレーム部の駆動フレームに平
行に延びる複数のスプリング部材と、これらのスプリン
グ部材を支持するための複数のスプリング支持部材とを
備える第2スプリング部と、を具備することを特徴とす
るマルチフォールデッドスプリングを用いた多軸駆動の
ためのシングルステージマイクロアクチュエータ。 - 【請求項2】 前記各駆動フレーム部の駆動フレーム
は、補助駆動フレームによって直角に連結され、格子状
長方形に形成されることを特徴とする請求項1に記載の
マルチフォールデッドスプリングを用いた多軸駆動のた
めのシングルステージマイクロアクチュエータ。 - 【請求項3】 前記各固定フレーム部の固定フレーム
は、各々前記基板に固定され、各固定フレーム部を分離
して電気的に結合されて構成されることを特徴とする請
求項1または2に記載のマルチフォールデッドスプリン
グを用いた多軸駆動のためのシングルステージマイクロ
アクチュエータ。 - 【請求項4】 前記固定フレーム部の各固定フレーム
は、前記駆動フレームと補助駆動フレームとによって形
成された1つの単位フレームに配置され、 前記固定フレームは、各固定フレーム部に電気的に結合
されることを特徴とする請求項2に記載のマルチフォー
ルデッドスプリングを用いた多軸駆動のためのシングル
ステージマイクロアクチュエータ。 - 【請求項5】 前記第1スプリング部及び第2スプリン
グ部のスプリング支持部材の端部は、スプリング連結エ
レメントによって形成され、 前記各スプリング支持部材は、互いに連結するように隣
接したスプリング支持部材の間に配置される共に、前記
スプリング部材より短い長さを有し、 前記第2スプリング部の一側は、基板に固定されたスプ
リング支持体に連結されて構成されることを特徴とする
請求項1から4のいずれか1項に記載のマルチフォール
デッドスプリングを用いた多軸駆動のためのシングルス
テージマイクロアクチュエータ。 - 【請求項6】 前記第1スプリング部と第2スプリング
部のスプリング支持部材は、スプリング部材に対して所
定角度でジグザグパターンに配列された複数の連結板を
備え、隣接したスプリング部材を連結することを特徴と
する請求項1から5のいずれか1項に記載のマルチフォ
ールデッドスプリングを用いた多軸駆動のためのシング
ルステージマイクロアクチュエータ。
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