JP2003136495A

JP2003136495A - 半導体マイクロアクチュエータ及びこれを用いたマイクロバルブ、マイクロリレー

Info

Publication number: JP2003136495A
Application number: JP2001335824A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kawada; 裕志河田; Shigeaki Tomonari; 恵昭友成; Hitoshi Yoshida; 仁吉田; Masaari Kamakura; 將有鎌倉; Kazuji Yoshida; 和司吉田; Kimiaki Saito; 公昭齊藤; Keiko Kawahito; 圭子川人
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】周囲温度に対する可動子の位置変化を低減し
て制御性能を向上させた半導体マイクロアクチュエータ
を提供すること。【解決手段】半導体基板により形成した枠状のフレー
ム１と、フレーム１より内方に突設して温度変化により
可撓する可撓部２と、可撓部２の一端に連設してフレー
ムの開口面と直交する方向に相対的に変位する可動子３
とを備えた半導体マイクロアクチュエータ。周囲温度に
よる可動子３の変位量を相殺する位置補正手段４を備え
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、温度変化による可
撓部の撓みを利用して可動子の変位を得る半導体マイク
ロアクチュエータ及びこれを用いたマイクロバルブ、マ
イクロリレーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の半導体マイクロアクチュエータ
として、バイメタルを利用して可動子の変位を行うもの
が存在する。このバイメタルは、熱膨張係数の異なる少
なくとも２つの材料を貼り合わせて、熱膨張係数の大き
い材料の伸長率と熱膨張係数の小さい材料の伸長率が異
なることを利用して、結果的に、熱膨張係数の大きい材
料が伸びて熱膨張係数の小さい材料が縮むように湾曲す
る駆動力を得るものである。

【０００３】その具体的なものとしては、図９に示す、
特願２００１−０１３６５６に提案されている構造のも
のが知られている。このものは、シリコン半導体基板よ
り形成された略四角形のフレーム１００に、熱絶縁部１
０３ａを介してフレーム１００から突設したバイメタル
構造をなす可撓部１０１と、可撓部１０１から熱絶縁部
１０３ｂを介してシリコン半導体基板により形成された
塊状の可動子１０２が連設されている。また、この可撓
部１０１は、加熱手段１０１ａを有してシリコンよりな
る薄肉状の梁１０１ｂと、梁１０１ｂ上に設けたシリコ
ンより熱膨張係数の大きい薄膜１０１ｃにより構成され
ている。さらに、加熱手段１０１ａは、フレーム１００
上に設けられた電極１０４及び配線１０５と接続されて
いる。

【０００４】上記構成の半導体マイクロアクチュエータ
によれば、電極１０４を通して加熱手段１０１ａに電力
を供給すると、加熱手段１０１ａが発熱して可撓部１０
１の温度が上昇する。このとき、薄膜１０１ｃは梁１０
１ｂより熱膨張係数が大きいため、相対的に梁１０１ｂ
より大きく伸長する。したがって、可撓部１０１は下方
向（図９の下側）に撓み、可動子１０２を下方向に変位
させることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
半導体マイクロアクチュエータにおいては、加熱手段１
０１ａを発熱させていない状態にも関わらず、周囲温度
が変化するとその温度差分だけ可撓部１０１が撓んでし
まい、結果的に、可動子１０２の初期位置（電力を供給
していない時における可動子１０２の位置）が変化して
しまう。例えば、可撓部１０１を構成する梁１０１ｂが
ケイ素（Ｓｉ）で薄膜１０１ｃがニッケル（Ｎｉ）の場
合、その熱膨張係数は、ケイ素が２．６×１０−６／
Ｋ、ニッケルが１３．４×１０−６／Ｋであるため、梁
１０１ｂと薄膜１０１ｃとの間には約５倍の膨張係数差
が生じる。このとき、例えば、可撓部１０１の長さを
２．５ｍｍとすると、周囲温度が１Ｋ変化した場合、可
動子１０２は約１μｍ下方向に変位してしまう。このよ
うに、可動子１０２の初期位置が変化すると、所定の作
用点に加わる力が変動することになり、例えば、これを
応用した半導体マイクロバルブにおいては、流体の制御
にばらつきが生じたり、最悪の場合は可撓部１０１が破
損したりする。

【０００６】本発明は、上記の点に鑑みてなしたもので
あり、その目的とするところは、周囲温度の変化に対す
る可動子の位置変化を低減して制御性能を向上させた半
導体マイクロアクチュエータを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明の半導体マイクロアクチュエー
タは、半導体基板により形成した枠状のフレームと、フ
レームより内方に突設して温度変化により撓む可撓部
と、可撓部の一端に連設してフレームの開口面と直交す
る方向に相対的に変位する可動子と、を備えた半導体マ
イクロアクチュエータであって、周囲温度の変化による
可動子の変位量を相殺する位置補正手段を備えたことを
特徴としている。

【０００８】請求項２に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１記載の構成において、前記位置
補正手段を、前記フレームの設置面との相対角度を変化
させる手段としている。

【０００９】請求項３に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１記載の構成において、前記位置
補正手段を、前記フレームの設置面との相対距離を変化
させる手段としている。

【００１０】請求項４に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至３のいずれかに記載の構成
において、前記位置補正手段をバイメタルよりなるもの
としている。

【００１１】請求項５に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至３のいずれかに記載の構成
において、前記位置補正手段を熱可塑性材料よりなるも
のとしている。

【００１２】請求項６に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至３記載の構成において、前
記位置補正手段は、形状記憶材料及び弾性体よりなるも
のとしている。

【００１３】請求項７に係る発明は、請求項１乃至６の
いずれかに記載の構成の半導体マイクロアクチュエータ
と、流体の流入口となる弁口を有して前記可動子の変位
方向に設けた弁座と、を備えた半導体マイクロバルブで
ある。

【００１４】請求項８に係る発明は、請求項７記載の構
成において、前記弁口を開閉する弁蓋を有して前記弁座
上に固着した中間弁体を少なくとも１つ以上設けたもの
である。

【００１５】請求項９に係る発明は、可動接点を前記可
動子に設けた請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体
マイクロアクチュエータと、可動接点と相対する位置に
固定電極を有して前記可動子の変位方向に設けた基体
と、を備えた半導体マイクロリレーである。

【００１６】請求項１０に係る発明は、請求項１乃至６
のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、
可動接点を設けた弁蓋を有して前記可動子の変位方向に
設けた中間弁体と、可動接点と相対する位置に固定電極
を有して中間弁体に固着した基体と、を備えた半導体マ
イクロリレーである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき説明する。

【００１８】［第１の実施形態］図１は、本実施形態に
係る半導体マイクロアクチュエータを中央で切断した断
面斜視図であり、図２は、その動作図である。

【００１９】この半導体マイクロアクチュエータは、フ
レーム１と、可撓部２と、可動子３と、位置補正手段４
とを主要構成要素としている。

【００２０】フレーム１は、例えば、シリコン等よりな
る半導体基板により形成しており、その形状は平面視に
おいて略四角形をなす枠体を構成している。また、その
断面形状は、枠の内壁が２つの面にて構成された略五角
形をなしている。また、フレーム１上には、例えば、ア
ルミニウム（Ａｌ）よりなる電極１２と配線１３が設け
られており、後述する加熱手段２４と電気的に接続して
いる。

【００２１】可撓部２は、例えば、シリコン等よりなる
薄肉状の梁２１と、梁２１に載設して梁２１より熱膨張
係数の大きい、例えば、ニッケル等よりなる薄膜２２に
より構成されている。そして、高剛性かつ低熱伝導な材
料、例えば、ポリイミド等よりなる熱絶縁部２３ａを介
してフレーム１の一方の短辺１１ａの中央付近から他方
の短辺１１ｂに向かって突設し、短辺１１ａに片持ち支
持されている。また、その他端には、同じくポリイミド
等よりなる熱絶縁部２３ｂを連設している。また、梁２
１の上面（図１の上方向）には、半導体加工技術等を利
用して形成した拡散抵抗による加熱手段２４を埋設して
いる。

【００２２】可動子３は、例えば、シリコン等よりなる
半導体基板により形成しており、その形状は断面視にお
いて逆台形をなす塊状体である。そして、熱絶縁部２３
ｂを介して可撓部２と連設し、フレーム１と同一平面の
中央付近に位置している。

【００２３】位置補正手段４は、例えば、シリコン薄片
４ａとニッケル薄片４ｂ等のようなそれぞれの熱膨張係
数が異なる部材を合わせて構成されたバイメタルにより
形成しており、その形状は略四角形の平板状をなしてい
る。また、その大きさは、幅（図１の奥行き方向）にお
いては短辺１１ａと同程度であり、高さ（図１の上下方
向）と厚さ（図１の左右方向）においては、バイメタル
特性（撓み特性）と可動子３の変位量との関係から設定
されている。そして、シリコン薄片４ａとニッケル薄片
４ｂは、筐体（図示せず）に対して垂直に位置するよう
に、例えば、エポキシ樹脂の接着剤等により筐体に固着
されている。一方、筐体に固着した側とは反対側の熱膨
張係数の大きい部材側（本実施形態においてはニッケル
薄片４ｂ側）周縁部における所定の位置には、短辺１１
ａの外縁側部を、例えば、シリコーン樹脂の接着剤等に
より固着しており、フレーム１を筐体に対して平行にな
るように支持している。

【００２４】さらに、図２を用いて位置補正手段４の詳
細を説明する。まず、基準温度における可動子３と作用
点Ａとの距離をＨとする（図２（ａ））。周囲温度が基
準温度から上昇すると、可撓部２を構成する部材の熱膨
張係数の差により、その上昇温度に応じて薄膜２２は梁
２１より伸長して可撓部２は筐体方向（図２の下方向）
に撓む。そして、結果的に、可動子３と作用点Ａとの距
離は縮まり、その距離はｈ（ｈ＜Ｈ）になる（図２
（ｂ））。しかし、フレーム１は、可動子３が周囲温度
の変化により筐体方向に変位するのと同時に、位置補正
手段４のバイメタル特性により位置補正手段４と筐体
（図示せず）との固着部Ｆを支点として揺動的に変位す
る。その結果、短辺１１ｂが短辺１１ａより上方に変位
し、その変位と連動して可動子３は筐体方向とは反対方
向に変位することにより、周囲温度が基準温度より上昇
したことによって変位した可動子３の変位量を相殺する
（図２（ｃ））。

【００２５】この位置補正手段４は、バイメタルを構成
する部材の材質や大きさ等を変化させることによりバイ
メタル特性による補正量を調整することができる。した
がって、温度変化による可動子３の変位量を予め計測し
ておき、その変位量と補正量が一致するように位置補正
手段４を設計することにより、可動子３と作用点Ａとの
距離を常に一定にすることが可能となるのである。

【００２６】次に、その製造方法について説明する。

【００２７】まず、後に可撓部２を構成する薄肉状の梁
２１となる部位の、半導体基板上面にホウ素（Ｂ＋）を
注入して不純物拡散抵抗からなる加熱手段２４を形成す
る。次いで、半導体基板下面の中央付近（後に可動子３
となる部位）及びフレーム１を除いた略四角環状の部位
にダイヤフラム部（後に梁２１となる部位のみを残して
消滅する）を形成する。次いで、半導体基板上面の、後
に梁２１となる部位とフレーム１との間及び梁２１と、
後に可動子３となる部位との間に異方性エッチングを施
して溝を形成する。次いで、フレーム１の半導体基板上
面にアルミニウム（Ａｌ）を堆積して電極１２と、電極
１２から溝を横断して加熱手段２４に至るまでの間に配
線１３を形成する。次いで、溝にポリイミドを堆積して
熱絶縁部２３ａ、２３ｂを形成した後、後に梁２１とな
る部位にニッケル（Ｎｉ）よりなる薄膜２２を堆積して
可撓部２を形成する。次いで、梁２１を除く残りのダイ
ヤフラム部をエッチングし、可動子３が可撓部２により
撓むようにフレーム１から分離させる。次いで、電解メ
ッキによりシリコン薄片４ａの片面にニッケル薄片４ｂ
を設けてバイメタルよりなる位置補正手段４を形成し、
ニッケル薄片４ｂ周縁部の所定の位置とフレーム１の短
辺１１ａの外縁側部とをシリコーン樹脂の接着剤により
固着して半導体マイクロアクチュエータを完成する。

【００２８】そして、フレーム１が筐体に対して平行に
なるように位置補正手段４をエポキシ樹脂の接着剤によ
り筐体に固着してバルブやリレー等に応用する。

【００２９】次に、その動作について説明する。

【００３０】周囲温度が基準温度から上昇すると、可撓
部２を構成する部材の熱膨張係数の差により、その上昇
温度に応じて薄膜２２は梁２１より伸長して可撓部２は
筐体方向に撓み、結果的に、可動子３と作用点Ａとの距
離は縮まる。しかし、フレーム１は、可動子３が周囲温
度の変化により筐体方向に変位するのと同時に、位置補
正手段４のバイメタル特性により位置補正手段４と筐体
（図示せず）との固着部Ｆを支点として揺動的に変位す
る。したがって、短辺１１ｂが短辺１１ａより上方に変
位し、その変位と連動して可動子３は筐体方向とは反対
方向に変位することにより周囲温度の変化による可動子
３の変位量を相殺する。そして、加熱手段２４にて可撓
部２の温度を変化させることにより、周囲温度に依存せ
ず常に一定の距離だけ可動子３を変位させることができ
る。

【００３１】以上説明した半導体マイクロアクチュエー
タによると、フレーム１を位置補正手段４で支持するこ
とにより、周囲温度の変動に左右されることなく可動子
３の初期位置と作用点Ａとの間の距離は一定に保持され
るので、周囲温度に対する可動子３の位置変化を低減し
て制御性能を向上することができる。また、位置補正手
段４をバイメタルとすることにより、位置補正手段４を
構成材料の材質や厚さ及び長さを変化させることにより
容易に設計することができるので、可動子３の位置変化
を高精度に補正することができる。

【００３２】なお、可撓部２を構成する薄膜２２は、ニ
ッケル以外に、例えば、アルミニウム等を使用しても同
様の効果が得られることは言うまでもなく、すなわち、
梁２１を構成する部材より熱膨張係数が大きい部材であ
ればよい。

【００３３】また、熱絶縁部２３ａ、２３ｂは、ポリイ
ミドに限定されるものではなく、例えば、フッ素化樹脂
等の熱伝導率の小さいものであればよい。

【００３４】また、位置補正手段４を形成するバイメタ
ルは、シリコンとニッケルに限定されるものではなく、
例えば、シリコンとアルミニウム等、互いに熱膨張係数
の違う部材で構成されていれば同様の効果が得られる。
また、その大きさも最低限フレーム１を支持できる大き
さであればよく、その際の固着位置は、可動子３の機能
を妨げない範囲であれば限定されるものではない。

【００３５】［第２の実施形態］図３は、本実施形態に
係る半導体マイクロアクチュエータを中央で切断した断
面斜視図である。

【００３６】この半導体マイクロアクチュエータは、位
置補正手段の構成とフレームを支持する支持体を追加し
たことが第１の実施形態と異なるもので、他の構成要素
は、第１の実施形態のものと実質的に同一であるので説
明を省略する。また、同一部材においては、第１の実施
形態と同一の番号を付す。

【００３７】位置補正手段４１は、例えば、フッ素樹脂
等の材料により形成しており、その形状は、断面が略四
角形の棒体をなしている。また、その大きさは、幅（図
３の奥行き方向）においてはフレーム１の短辺１１ｂと
同程度であり、高さ（図３の上下方向）においては、位
置補正手段４１の熱膨張係数と可動子３の変位量との関
係から設定されている。厚さ（図２の左右方向）は短辺
１１ｂと同程度である。そして、短辺１１ｂの下側に、
例えば、シリコーン樹脂の接着剤等により固着されてお
り、その他端は、例えば、エポキシ樹脂の接着剤等によ
り筐体（図示せず）と固着されている。

【００３８】この位置補正手段４１は、基本的に以下の
２点について異なる部分がある。その１点目は、フレー
ム１の揺動的な変位の支点となる部分が、第１の実施形
態では位置補正手段４と筐体との固着部であったが、本
実施形態ではフレーム１と支持体５との固着部が支点で
あること、２点目は、揺動的な変位を与える外力が、第
１の実施形態では位置補正手段４のバイメタル特性であ
ったが、本実施形態では位置補正手段４１の熱膨張特性
であるということである。その他の構成は、基本的に第
１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

【００３９】支持体５は、例えば、ガラス等の、位置補
正手段４１より熱膨張係数の小さい材料により形成され
ており、その形状は、断面が略四角形の棒体をなしてい
る。また、その大きさは、幅はフレーム１の短辺１１ａ
と同程度であり、高さは、基準温度下で位置補正手段４
１と同程度であり、厚さは短辺１１ａと同程度としてい
る。そして、位置補正手段４１と同様、短辺１１ａの下
側に、例えば、シリコーン樹脂の接着剤等により固着さ
れており、その他端は、例えば、エポキシ樹脂の接着剤
等により筐体と固着されている。

【００４０】次に、その動作について説明する。

【００４１】周囲温度が基準温度から上昇すると、可撓
部２を構成する部材の熱膨張係数の差により、その上昇
温度に応じて薄膜２２は梁２１より伸長して可撓部２は
筐体方向に撓み、結果的に、可動子３と作用点との距離
は縮まる。フレーム１は、可動子３が周囲温度の変化に
より筐体方向に変位するのと同時に、位置補正手段４１
の熱膨張により位置補正手段４１と筐体（図示せず）と
の固着部Ｆを支点として揺動的に変位する。したがっ
て、短辺１１ｂが短辺１１ａより上方に変位し、その変
位と連動して可動子３は筐体方向とは反対方向に変位す
ることにより周囲温度の変化による可動子３の変位量を
相殺する。そして、加熱手段２４にて可撓部２の温度を
変化させることにより、周囲温度に依存せず常に一定の
距離だけ可動子３を変位させることができる。

【００４２】以上説明した半導体マイクロアクチュエー
タによると、フレーム１を位置補正手段４１で支持する
ことにより、周囲温度の変動に左右されることなく可動
子３の初期位置と作用点との間の距離は一定に保持され
るので、周囲温度に対する可動子３の位置変化を低減し
て制御性能を向上することができる。また、位置補正手
段４１を熱可塑性材料よりなるものとすることにより、
位置補正手段４１の変形量と温度変化とは線形的な関係
になるので、位置補正手段４１を構成材料の材質や長さ
を変化させることにより高精度に設計することが可能と
なり、可動子の位置変化を高精度に補正することができ
る。

【００４３】なお、位置補正手段４１を構成する熱可塑
性材料は、フッ素樹脂に限定されるものではなく、例え
ば、ポリアミド等、熱膨張係数が大きくて使用温度範囲
で耐熱性のある部材で構成されていればよい。また、そ
の大きさも最低限フレーム１を支持できる大きさであれ
ばよく、その際の固着位置は、可動子３の機能を妨げな
い範囲であれば限定されるものではない。

【００４４】［第３の実施形態］図４は、本実施形態に
係る半導体マイクロアクチュエータを中央で切断した断
面斜視図である。

【００４５】この実施形態の半導体マイクロアクチュエ
ータは、可動子を少なくとも２個の相対する可撓部によ
り両持ち支持していることと、支持体の代わりに位置補
正手段を用いてフレームを支持していることが第２の実
施形態と異なるもので、他の構成要素は、第２の実施形
態のものと実質的に同一であるので説明を省略する。ま
た、同一部材においては、第２の実施形態と同一の番号
を付す。

【００４６】可撓部２、２は第２の実施形態同様、シリ
コン等よりなる薄肉状の梁２１、２１と、ニッケル等よ
りなる薄膜２２、２２により構成しており、高剛性かつ
低熱伝導な材料、例えば、ポリイミド等よりなる熱絶縁
部２３ａ、２３ａを介してフレーム１の短辺１１ａ、１
１ｂからそれぞれ突設して片持ち支持されている。ま
た、可撓部２、２は、熱絶縁部２３ｂ、２３ｂを介して
フレーム１の中央に配設した可動子３を両持ち支持して
いる。また、梁２１、２１の上面（図４の上方向）に
は、拡散抵抗による加熱手段２４、２４を埋設してい
る。また、位置補正手段４１、４１は、フッ素樹脂等よ
りなる熱可塑性材料で形成されており、短辺１１ａ、１
１ｂにシリコーン樹脂の接着剤等で固着されており、そ
の他端はエポキシ樹脂の接着剤等で筐体（図示せず）に
固着されている。

【００４７】この実施形態の場合、位置補正の動作にお
いて第２の実施形態とは若干の違いが生じる。第２の実
施形態の場合には、周囲温度の変化による位置補正を行
うと、可動子３と作用点との作用角が変化してしまい、
例えば、半導体マイクロバルブや半導体マイクロリレー
等に応用すると、その作用角の変化のために高精度な制
御ができなくなるという恐れがある。しかし、本実施形
態の場合には、周囲温度が変化した際、フレーム１はそ
の変化に対して揺動的な変位をせずに、筐体に対して平
行を保ちながらその直交方向に変位する。これにより、
可動子３は作用点に対して常に同じ角度で作用すること
になる。

【００４８】したがって、本実施形態の半導体マイクロ
アクチュエータによると、位置補正に伴う可動子３と作
用点との作用角の変化は、第２の実施形態の作用角の変
化と比較して低減することができるので、第２の実施形
態の効果に加えてより高精度の制御を実現することがで
きる。

【００４９】［第４の実施形態］図５は、本実施形態に
係る半導体マイクロアクチュエータを中央で切断した断
面斜視図である。

【００５０】この半導体マイクロアクチュエータは、位
置補正手段が第２の実施形態と異なるもので、他の構成
要素は、第２の実施形態のものと実質的に同一であるの
で説明を省略する。また、同一部材においては、第２の
実施形態と同一の番号を付す。

【００５１】位置補正手段４２は、例えば、チタン（Ｔ
ｉ）とニッケルとを合成して構成した形状記憶材料４２
ａと、例えば、鋼板により形成した弾性体４２ｂとを接
合して形成されており、その形状は、形状記憶材料４２
ａが外周を構成する半円弧状のＵ字型をした板バネ形状
である。また、その大きさは、幅（図５の奥行き方向）
はフレーム１の短辺１１ｂと同程度であり、高さ（図５
の上下方向）においては位置補正手段４２の形状記憶と
可動子３の変位量との関係から設定されている。また、
厚さ（図５の左右方向）は短辺１１ｂと同程度である。
そして、短辺１１ｂの下側に、例えば、シリコーン樹脂
の接着剤等を用いて固着されており、その他端は、例え
ば、エポキシ樹脂の接着剤等により筐体（図示せず）と
固着されている。また、形状記憶材料４２ａの記憶形状
は、変態温度にて弾性体４２ｂの曲率より大きくなるよ
うに設定している。

【００５２】この位置補正手段４２の機能は、基準温度
が変態温度近傍にあり、且つ、変態温度より低い温度に
あるとしたとき、周囲温度が基準温度より上昇すると、
可動子３は可撓部２のバイメタル特性により変位して作
用点との距離を縮める。しかし、周囲温度は変態温度に
近づくため、形状記憶材料４２ａは記憶した形状に変態
しようとし、位置補正手段４２の曲率を大きくする方向
に変位する。その結果、短辺１１ｂが短辺１１ａより上
方に変位し、可動子３と作用点との距離を基準温度にお
ける距離に復元することができる。逆に、周囲温度が変
態温度から降下するときは、形状記憶材料４２ａの変態
する力が弱まるのと同時に弾性体４２ｂの復元力が勝る
ようになり、位置補正手段４２の曲率を小さくする方向
に変位して可動子３と作用点との距離を一定に保つ。

【００５３】次に、その動作について説明する。

【００５４】基準温度が変態温度近傍にあり、且つ変態
温度より低い温度にあるとする。周囲温度が基準温度か
ら上昇すると、可動子３は可撓部２のバイメタル特性に
より変位して作用点との距離を縮める。しかし、周囲温
度は変態温度に近づくため、形状記憶材料４２ａは記憶
した形状に変態しようとする。その結果、短辺１１ｂが
短辺１１ａより上方に変位し、その変位と連動して可動
子３は筐体方向とは反対方向に変位することにより周囲
温度の変化による可動子３の変位量を相殺する。

【００５５】以上説明した半導体マイクロアクチュエー
タによると、フレーム１を位置補正手段４２で支持する
ことにより、周囲温度の変動に左右されることなく可動
子３の初期位置と作用点との間の距離は一定に保持され
るので、周囲温度に対する可動子３の位置変化を低減し
て制御性能を向上することができる。また、位置補正手
段４２を形状記憶材料及び弾性体よりなるものとするこ
とにより、形状の記憶方法に応じて自由度の高い変形形
状を得ることが可能となり、バイメタルや熱可塑性材料
と比較して温度変化に対する変形量を大きくすることが
できる。

【００５６】ところで、本実施形態の位置補正手段４２
は、周囲温度が変態温度以下である場合に適用されるも
のである。逆に、周囲温度が変態温度以上である場合に
は、形状記憶材料４２ａが内周を構成する半円弧状をし
たＵ字型の板バネ形状にし、その記憶形状を、変態温度
にて弾性体４２ｂの曲率より小さくなるように設定すれ
ばよい。

【００５７】なお、形状記憶材料４２ａは、チタンとニ
ッケルで構成したものに限定されるものではなく、例え
ば、銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）とアルミニウムで構成さ
れたものでもよい。また、形状においてもＵ字型の板バ
ネ状以外に、例えば、皿バネ状等にしても同様の効果が
得られる。さらに、その大きさも最低限フレーム１を支
持できる大きさであればよく、その際の固着位置におい
ても、可動子３としての機能を妨げない範囲であれば限
定されるものではない。

【００５８】また、弾性体４２ｂは、鋼板に限定される
ものではなく、半導体マイクロアクチュエータの使用温
度範囲内で塑性変形しない材料であればよい。

【００５９】［第５の実施形態］図６は、本実施形態に
係る半導体マイクロアクチュエータを中央で切断した断
面斜視図である。

【００６０】この半導体マイクロアクチュエータは、位
置補正手段が第３の実施形態と異なるもので、他の構成
要素は、第３の実施形態のものと実質的に同一であるの
で説明を省略する。また、同一部材においては、第３の
実施形態と同一の番号を付す。

【００６１】位置補正手段４２、４２は、第４の実施形
態同様、チタンとニッケルを合成して構成した形状記憶
材料４２ａと、鋼板により形成した弾性体４２ｂとを接
合して形成した半円弧状なすＵ字型の板バネ形状であ
り、フレーム１の短辺１１ａ、１１ｂにシリコーン樹脂
の接着剤等でそれぞれ固着されている。また、その他端
はエポキシ樹脂の接着剤等で筐体（図示せず）に固着さ
れている。

【００６２】本実施形態の動作は、第３の実施形態と同
様であり、周囲温度が変化した際、フレーム１はその変
化に対して揺動的な変位をせずに、筐体に対して平行を
保ちながらその直交方向に変位する。こうすることによ
り、可動子３と作用点は常に同じ角度で接触する。

【００６３】したがって、本実施形態で説明した半導体
マイクロアクチュエータによれば、位置補正に伴う可動
子と作用点との作用角の変化を、第４の実施形態と比較
して低減することができ、より高精度の制御を実現する
ことができる。

【００６４】［第６の実施形態］図７は、本実施形態に
係る半導体マイクロバルブを中央で切断した断面斜視図
である。

【００６５】この半導体マイクロバルブは、第１の実施
形態の半導体マイクロアクチュエータ（以下、実施の形
態の説明中においてはアクチュエータと称する）と、中
間弁体７と、弁座６とを主要構成要素としている。ここ
で、アクチュエータについては前述の通りであるので説
明を省略する。また、同一部材においては第１の実施形
態と同一の番号を付す。

【００６６】弁座６は、例えば、シリコン等よりなる半
導体基板にて形成しており、略四角形の平板状をなして
いる。その大きさは、アクチュエータと同等若しくはよ
り小さく、位置補正手段４の動作を阻害しない範囲でア
クチュエータ下の筐体（図示せず）に載設されている。
また、後述する弁蓋７１と相対する位置には、半導体基
板を貫通し下面（図７の下方向）に向かって拡開する弁
口６１を形成している。その開口形状は、半導体基板の
上下面において略四角形状である。さらに、半導体基板
上面（図７の上側）の弁口６１の周囲には、断面形状が
台形をなした略四角平板状の弁シート６２を設けてい
る。

【００６７】中間弁体７は、例えば、シリコン等よりな
る半導体基板にて形成しており、弁座６と平面視におい
て同様の大きさで略四角形の平板状をなし、弁座６に載
設している。また、可動子３と相対する位置には、可動
子３により中間弁体７が押圧されたときに、弁シート６
２に密接して弁口６１を閉塞する断面形状が台形をなし
た弁蓋７１が、枠部７２からそれぞれ内方に突設した複
数の薄肉状の連結片７３により支持されている。これに
より、枠部７２と連結片７３との間には開口部７４が形
成される。また、弁蓋７１と弁シート６２との間には弁
蓋７１が中間弁体７の厚み方向に変位するための隙間７
５が形成されている。

【００６８】次に、弁座６及び中間弁体７の製造方法に
ついて説明する。

【００６９】まず、半導体基板上面の中央付近（後に弁
口６１となる部位）及び周縁部を除いた略四角環状の部
位に異方性エッチングを施して弁シート６２を形成す
る。次いで、半導体基板下面の中央付近に異方性エッチ
ングを施して半導体基板の厚み方向に貫通した弁口６１
を形成し、弁座６を完成する。

【００７０】次いで、半導体基板下面の中央付近（後に
弁蓋７１となる部位）及び枠部７２を除いた略四角環状
の部位に異方性エッチングを施すことによりダイヤフラ
ム（後に消滅）と弁蓋７１を形成する。そして、後に連
結片７３となる位置のダイヤフラムを除いた部位にさら
に異方性エッチングを施して連結片７３を形成し、中間
弁体７を完成する。

【００７１】この半導体マイクロバルブによると、制御
する流体は、弁口６１から流入して隙間７５を経由して
開口部７４を通過し、最終的にアクチュエータから排出
される。したがって、アクチュエータの加熱手段２４に
より温度を上昇させて可撓部２を撓ませ、それに応じて
可動子３を弁座６方向に変位させて弁蓋７１を押圧する
ことにより、弁蓋７１と弁シート６２との隙間７５を変
化させることが可能となり流量の制御を行うことが可能
になる。

【００７２】ところで、実際には制御する流体の温度や
周囲温度の変化によって可動子３の初期位置が変動す
る。これにより可動子３と弁蓋７１との距離が変化して
弁蓋７１の押圧力が変動し、流量の制御性能が低下する
場合が考えられる。しかし、この変動を先に説明した位
置補正手段４により補正することで常に可動子３と弁蓋
７１との距離を一定に保って押圧力を均一にすることが
でき、また、弁蓋７１は弁シート６２に対して垂直に変
位するので接触角（作用角）は常に一定となり、流体の
温度や周囲温度の変化によらず高精度な流量制御を行う
ことができる。

【００７３】なお、本実施形態では、アクチュエータ、
中間弁体７、弁座６の３層構造のものについて説明した
が、例えば、中間弁体７を取り除き、アクチュエータと
弁座６だけの２層構造のものについても応用可能である
ことは言うまでもない。この２層構造の半導体マイクロ
バルブにおいては、可動子３と弁シート６２との距離
（隙間７５）を一定に保つことができるので、周囲温度
の変化等によらず精度のよい流量制御を行うことができ
る。

【００７４】また、アクチュエータは、第１の実施形態
に示したものに限定されるものではなく、例えば、第２
乃至５の実施形態に示したアクチュエータを使用できる
ことは言うまでもない。

【００７５】［第７の実施形態］図８は、本実施形態に
係る半導体マイクロリレーを中央で切断した断面斜視図
である。

【００７６】この半導体マイクロリレーは、アクチュエ
ータと、中間弁体と、基体とを主要構成要素としてい
る。ここで、アクチュエータ及び中間弁体の弁蓋以外の
部位については実質的に第６の実施形態と同様であるの
で説明を省略する。また、同一部材においては第６の実
施形態と同一の番号を付す。

【００７７】弁蓋７１は、基本的に第６の実施形態と同
様であるが、その下部（図８の下方向）に可動電極７６
が形成されているところが相違している。この可動電極
７６は、例えば、金（Ａｕ）等をメッキすることにより
形成されている。

【００７８】基体８は、例えば、ガラス基板により形成
しており、略四角形の平板状をなしている。その大きさ
は、アクチュエータと同等若しくはより小さく、位置補
正手段４の動作を阻害しない範囲でアクチュエータ下の
筐体（図示せず）に載設されている。また、その上面
（図８の上方向）の可動電極７６と相対する位置には、
ニッケルと銀（Ａｇ）を蒸着することにより形成し、さ
らに表面を金によりメッキすることにより形成した固定
電極８１ａ、８１ｂが基体８の外縁方向に向かって併設
されている。この固定電極８１ａ、８１ｂは、電極パッ
ド８３を通じて外部と接続されている。

【００７９】この半導体マイクロリレーによると、制御
する電流は、可動電極７６が可動子３の変位により固定
電極８１ａ、８１ｂに当接したとき、一方の電極パッド
８３から入力して固定電極８１ａを流れ、可動電極７６
を経由し、他方の固定電極８１ｂに出力される。したが
って、加熱手段２４により温度を上昇して可撓部２を撓
ませ、それに応じて可動子３を基体８方向に変位させて
弁蓋７１を押圧することにより、可動電極７６を固定電
極８１ａ、８１ｂに当接させて電路の開閉を行うことが
できる。

【００８０】ところで、実際には周囲温度の変化によっ
て、可動子３の初期位置が変動する。これにより可動電
極７６と固定電極８１ａ、８１ｂとの距離が変化して弁
蓋７１の押圧力が変動し、接点圧が低下する場合が考え
られる。しかし、この変動を先に説明した位置補正手段
４により補正することで常に可動子３と弁蓋７１との距
離を一定に保って押圧力を均一にすることができ、ま
た、可動電極７６は固定電極８１ａ、８１ｂに対して垂
直に変位するので接触角は常に一定となり、周囲温度の
変化によらない開閉特性の優れたリレーが実現できる。

【００８１】なお、本実施形態では、アクチュエータ、
中間弁体７、基体８の３層構造のものについて説明した
が、例えば、中間弁体７を取り除き、可動子３の下面に
可動電極７６を設けたアクチュエータと基体８だけの２
層構造のものについても応用可能であることは言うまで
もない。

【００８２】また、アクチュエータは、第１の実施形態
に示したものに限定されるものではなく、例えば、第２
乃至５の実施形態に示したアクチュエータを使用できる
ことは言うまでもない。

【００８３】以上、本発明の複数の実施形態について説
明してきたが、位置補正手段の変位手段として、外部手
段（例えば、温度センサ等）により温度変化を検知し、
位置補正手段に新たに設けた加熱手段をその検知信号に
応じて加熱し、意図的に位置補正手段を変位させてもよ
い。

【００８４】また、位置補正手段とフレームを固着する
接着剤は、シリコーン樹脂の接着剤に限定されるもので
はない。さらに、位置補正手段と筐体を固着する接着剤
においても、エポキシ樹脂の接着剤に限定されるもので
もない。

【００８５】

【発明の効果】請求項１に係る発明の半導体マイクロア
クチュエータは、周囲温度の変化による可動子の変位量
を相殺する位置補正手段を備えることにより、温度変化
による可撓部の撓みと連動した可動子の変位量を相殺で
きるので、可動子の位置と作用点との間の距離を周囲温
度に関係なく一定に保持でき、周囲温度に対する可動子
の位置変化を低減して制御性能を向上させることができ
る。

【００８６】請求項２に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１の効果に加えて、前記位置補正
手段を、前記フレームの設置面との相対角度を変化させ
る手段とすることにより、フレームを揺動的に変位させ
て温度変化による可撓部の撓みと連動した可動子の変位
量を相殺できるので、容易に制御性能を向上させること
ができる。

【００８７】請求項３に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１の効果に加えて、前記位置補正
手段を、前記フレームの設置面との相対距離を変化させ
る手段とすることにより、フレームを作用点に対して直
交するように変位させ、温度変化による可撓部の撓みと
連動した可動子の変位量を相殺できるので、可動子が作
用点と当接する角度を一定に保持することが可能とな
り、可動子の動作方向や動作角度が重要となる半導体マ
イクロアクチュエータを応用した装置においては、より
高精度な動作を実現することができる。

【００８８】請求項４に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至３記載のいずれかの効果に
加えて、前記位置補正手段をバイメタルよりなるものと
することにより、周囲温度の変化に対する位置補正手段
の変形量を構成材料の材質や厚さ及び長さから容易に設
計することができるので、可動子の位置変化を高精度に
補正して制御性能をさらに向上させることができる。

【００８９】請求項５に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至３記載のいずれかの効果に
加えて、前記位置補正手段を熱可塑性材料よりなるもの
とすることにより、位置補正手段の変形量と温度変化と
は線形的な関係にあるので、位置補正手段を構成材料の
材質や長さを変化させることにより高精度に設計するこ
とが可能となり、可動子の位置変化や制御性能をさらに
向上させることができる。

【００９０】請求項６に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至３記載のいずれかの効果に
加えて、前記位置補正手段は、形状記憶材料及び弾性体
よりなるものとすることにより、位置補正手段をバイメ
タルや熱可塑性材料としたものと比較して温度変化に対
する変形量を大きく取ることができ、また、形状の記憶
方法に応じて自由度の高い変形形状を得ることができる
ので、半導体マイクロアクチュエータを応用した装置の
小型化を実現することができる。

【００９１】請求項７に係る発明の半導体マイクロバル
ブは、請求項１乃至６のいずれかに記載の構成の半導体
マイクロアクチュエータと、流体の流入口となる弁口を
有して前記可動子の変位方向に設けた弁座とを備えるこ
とにより、周囲温度の変化に対して可動子と弁口との距
離が変動しなくなり、温度変化による流体の流量特性の
変化が少なく、閉塞性能に優れた半導体マイクロバルブ
を実現することができる。

【００９２】請求項８に係る発明の半導体マイクロバル
ブは、請求項７の効果に加えて、前記弁口を開閉する弁
蓋を有して前記弁座上に固着した中間弁体を少なくとも
１つ以上設けることにより、周囲温度の変化に対して可
動子と弁蓋との距離が変動しなくなり、また、弁蓋は弁
口の開口面に対して直交するように変位するので、温度
変化による流体の流量特性の変化が少なく、閉塞性能の
さらに優れた半導体マイクロバルブを実現することがで
きる。

【００９３】請求項９に係る発明の半導体マイクロリレ
ーは、可動接点を前記可動子に設けた請求項１乃至６の
いずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、可
動接点と相対する位置に固定電極を有して前記可動子の
変位方向に設けた基体とを備えることにより、周囲温度
の変化に対して可動接点と固定接点との距離が変動しな
くなり、温度変化による開閉特性のばらつきが少ない半
導体マイクロリレーを実現することができる。

【００９４】請求項１０に係る発明の半導体マイクロリ
レーは、請求項９の効果に加えて、請求項１乃至６のい
ずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、可動
接点を設けた弁蓋を有して前記可動子の変位方向に設け
た中間弁体と、可動接点と相対する位置に固定電極を有
して中間弁体に固着した基体とを備えることにより、可
動子と弁蓋との距離が変動しなくなるので、温度変化に
よる開閉特性のばらつきが少なくなり、また、可動接点
は固定電極の形成面に対して直交するように変位するの
で、接点部分の接触面積が大きくなり、接触抵抗の小さ
い半導体マイクロリレーを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体マイク
ロアクチュエータを中央で切断したときの断面斜視図で
ある。

【図２】同上の半導体マイクロアクチュエータの動作
図である。

【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体マイク
ロアクチュエータを中央で切断したときの断面斜視図で
ある。

【図４】本発明の第３の実施形態に係る半導体マイク
ロアクチュエータを中央で切断したときの断面斜視図で
ある。

【図５】本発明の第４の実施形態に係る半導体マイク
ロアクチュエータを中央で切断したときの断面斜視図で
ある。

【図６】本発明の第５の実施形態に係る半導体マイク
ロアクチュエータを中央で切断したときの断面斜視図で
ある。

【図７】本発明の第６の実施形態に係る半導体マイク
ロバルブを中央で切断したときの断面斜視図である。

【図８】本発明の第７の実施形態に係る半導体マイク
ロリレーを中央で切断したときの断面斜視図である。

【図９】従来の半導体マイクロアクチュエータを中央
で切断したときの断面斜視図である。

【符号の説明】

１フレーム２可撓部３可動子４位置補正手段４ａシリコン薄片４ｂニッケル薄片４１位置補正手段４２位置補正手段４２ａ形状記憶材料４２ｂ弾性体６弁座６１弁口７中間弁体７１弁蓋７６可動電極８基体８１ａ固定電極８１ｂ固定電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ１６Ｋ 31/70 Ｆ１６Ｋ 31/70 Ａ (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 (72)発明者齊藤公昭大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者川人圭子大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 3H057 AA05 BB06 BB09 DD12 FA17 FA26 FB15 FC02 FC08 3H062 AA04 AA14 BB08 BB14 BB30 BB31 CC04 FF21 FF39 GG04 HH01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板により形成した枠状のフレー
ムと、フレームより内方に突設して温度変化により撓む
可撓部と、可撓部の一端に連設してフレームの開口面と
直交する方向に相対的に変位する可動子と、を備えた半
導体マイクロアクチュエータにおいて、周囲温度の変化による可動子の変位量を相殺する位置補
正手段を備えたことを特徴とする半導体マイクロアクチ
ュエータ。
【請求項２】前記位置補正手段は、前記フレームの設
置面との相対角度を変化させる手段である請求項１記載
の半導体マイクロアクチュエータ。
【請求項３】前記位置補正手段は、前記フレームの設
置面との相対距離を変化させる手段である請求項１記載
の半導体マイクロアクチュエータ。
【請求項４】前記位置補正手段は、バイメタルよりな
る請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体マイクロア
クチュエータ。
【請求項５】前記位置補正手段は、熱可塑性材料より
なる請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体マイクロ
アクチュエータ。
【請求項６】前記位置補正手段は、形状記憶材料及び
弾性体よりなる請求項１乃至３のいずれかに記載の半導
体マイクロアクチュエータ。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれかに記載の半導
体マイクロアクチュエータと、流体の流入口となる弁口
を有して前記可動子の変位方向に設けた弁座と、を備え
た半導体マイクロバルブ。
【請求項８】前記弁口を開閉する弁蓋を有して前記弁
座上に固着した中間弁体を少なくとも１つ以上設けた請
求項７記載の半導体マイクロバルブ。
【請求項９】可動接点を前記可動子に設けた請求項１
乃至６のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエー
タと、可動接点と相対する位置に固定電極を有して前記
可動子の変位方向に設けた基体と、を備えた半導体マイ
クロリレー。
【請求項１０】請求項１乃至６のいずれかに記載の半
導体マイクロアクチュエータと、可動接点を設けた弁蓋
を有して前記可動子の変位方向に設けた中間弁体と、可
動接点と相対する位置に固定電極を有して中間弁体に固
着した基体と、を備えた半導体マイクロリレー。