JP2008118850A - マイクロアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のマイクロアクチュエータを改良して、その寸法及び変位角度に関して制限されることなく所望のように構成することができるようにする。
【解決手段】マイクロアクチュエータであって、軸（１０）と、少なくとも１つの第１の駆動手段（２１）を有している形式のものにおいて、
軸（１０）と第１の駆動手段（２１）とが第１のジョイント（３１）によって結合されている。
【選択図】図４．１

Description

本発明は、軸と少なくとも１つの第１の駆動手段とを備えたマイクロアクチュエータから出発している。

静電的な駆動装置及び容量性の検出機構とはマイクロマシン、特にマイクロマシニングセンサにより公知である。即ち例えば、くし歯型電極を介して容量的に評価する加速度センサが公知である。その他にマイクロミラーも公知である。このマイクロミラーの変位のためにはマイクロアクチュエータが公知であって、このアクチュエータは、静電的な駆動手段によってねじられる軸を有している。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７２８５９８号明細書には、平面状電極を有した静電的な駆動装置を有したマイクロアクチュエータが開示されている。ＵＳ６８９１６５０Ｂ２号特許明細書には、くし歯型電極を備えた静電的な駆動手段を有したマイクロアクチュエータが開示されている。

しかしながらしばしばこのようなアクチュエータには矛盾する要求が課せられる。一方では、エレメントを所望のようにほぼ静的に変位させることができるように、できるだけ高い力を生ぜしめるべきであり、他方では、エレメントの高い角度変位が求められる。しかしながら高い力のためには、電極のより大きな大きさが有利であるが、長さが長くなると最大の変位角度はそれだけ小さくなる。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７２８５９８号明細書 ＵＳ６８９１６５０Ｂ２号特許明細書

そこで本発明の課題は、冒頭で述べた形式のマイクロアクチュエータを改良して、その寸法及び変位角度に関して制限されることなく所望のように構成することができるようにすることにある。

この課題を解決するために本発明の構成では、マイクロアクチュエータであって、軸と、少なくとも１つの第１の駆動手段を有している形式のものにおいて、軸と第１の駆動手段とが第１のジョイントによって結合されているようにした。第１の駆動手段は最も簡単には、第１のジョイントによって直接、軸に、軸の回転軸線から所定の間隔をおいて結合されている。

しかしながら有利には第１のレバーが設けられており、第１のレバーの一方の端部は軸に結合されており、第１のレバーの他方の端部は第１のジョイントによって第１の駆動手段に結合されている。有利には駆動手段によって、所望の強さのトルクが軸に加えられる。

本発明によるマイクロアクチュエータの有利な構成では、第２の駆動手段が設けられていて、軸と第２の駆動手段とが第２のジョイントによって結合されている。さらに有利には、第１の駆動手段と第２の駆動手段とが第３のジョイントによって固定部に結合されている。特に有利な構成では、第２のレバーが設けられており、第１の駆動手段または第２の駆動手段も第３のジョイントによって第２のレバーの一方の端部に結合されており、固定部が第４のジョイントによって第２のレバーの他方の端部に結合されている。特に有利には、少なくとも第１の駆動手段または第２の駆動手段も、少なくとも１つの第１の電極および第２の電極を備えた静電的な駆動手段である。有利には、単数又は複数のジョイントにより、第１の駆動手段または第２の駆動手段も軸に関して並進的な運動ができるようになる。有利にはアクチュエータが基板の表面に配置されていて、固定部が基板に結合されている。

有利な発明では、静電的な駆動手段が設けられており、この駆動手段は電極の長さにおいても、マイクロマシニングエレメントの変位角度においても、先行技術における上述したような制限は受けない。電極がフレキシブルに懸吊されていることにより（面的であっても、くし歯型構成であっても）面による力は面積により、角度とは無関係に規定され、角度は、回転軸におけるレバーアームの長さにより、電極の寸法とは無関係に規定される。これにより、例えば、かけられる電圧による電極対の平行な引きつけと均一な力制御のような利点が得られる。有利には、回転軸線に対して垂直な電極の寸法も臨界的ではない。何故ならばこれにより、最大の変位角度の制限はないからである。本発明によるマイクロアクチュエータによりより大きな力が得られる。これにより、より広い使用範囲が得られる。有利には最大の変位角度（回転角度）は回転軸線のジオメトリにより設定可能である。本発明によるマイクロアクチュエータにより、簡単かつ安価な製造も可能である。ジョイントにより駆動手段と軸とを結合することにより例えば、駆動電極の簡単な配置を選択することもできる。何故ならば、電極の角度変位による電極の振動のための空間を設ける必要がないからである。従って有利にはアクチュエータは表面マイクロマシニング的により僅かな加工深さで基板に製造することができる。これにより、基板の片面加工が可能である。その結果さらに、プロセスを簡略にすることができ、これはコスト削減と改善された歩留まりにつながる。

本発明のさらに有利な構成は請求項２以下に記載されている。

次に図面につき本発明の実施例を説明する。

図１．１には先行技術によるマイクロミラーにおけるマイクロアクチュエータが休止位置で示されている。図示されたマイクロアクチュエータは、第１の駆動手段２１と第２の駆動手段２２に接続されている軸１０を有している。駆動手段２１，２２は静電的な駆動手段として形成されていて、この駆動手段はそれぞれ可動の電極６１と固定の電極６２のグループから成っている。第１の電極６１と第２の電極６２とはそれぞれ１つのくし歯型電極構造体を形成している。第１の電極または可動電極６１は軸１０に固定されている。第２の電極または固定電極６２は、上記構造体の下側に配置されているが図示されていない１つの基板上に固定されている。軸１０の一方の端部にはマイクロミラー１５が配置されている。この端部で軸が所定の角度だけ回転又は変位する際に、マイクロミラー１５もこの角度だけ回転もしくは変位する。軸１０は他方の端部で固定することができる。軸１０の回転は軸１０のねじれにより実行可能である。図１．１では、アクチュエータが休止位置に位置することができる。マイクロミラー１５も相応に変位されていない。

図１．２には先行技術によるマイクロミラーにおけるマイクロアクチュエータが変位されて示されている。エレメントの第１の電極６１と固定電極の一方の側の第２の電極６２との間に電圧Ｕがかけられている場合に静電的な引張力が生じる。電圧Ｕが負荷された電極６１，６２は互いに接近する。その結果、軸１０は所定の角度、回転する。軸１０に固定されたマイクロミラー１５は一緒に変位される。

図２．１、図２．２、図２．３には、先行技術によるマイクロアクチュエータが再度、横断面図で示されている。図２．１にはこの場合、くし歯型電極を有する先行技術によるマイクロアクチュエータが、休止位置の第１の運転状態で示されている。第１の駆動手段２１と第２の駆動手段２２の第１の電極６１と第２の電極６２との間にはこの場合、電圧Ｕがかかっていない。図２．２と図２．３とにはそれぞれ、くし歯型電極を有する先行技術によるマイクロアクチュエータの横断面図がそれぞれ、かけられた電圧に応じて異なるように変位された状態で示されている。図２．２では上方の図Ａで、図示したシンボル＋と−で示された電圧が、駆動手段２１の第１の電極６１と第２の電極６２との間にかけられている。引きつける静電的な力Ｆの作用により、第１のくし歯型電極６１は第２のくし歯型電極６２の間へと引っ張られ、軸は第１の方向で所定の回転角度だけ回転する。下方の図Ｂでは、電圧は、第２の駆動手段２２の第１の電極６１と第２の電極６２の間にかかっている。引きつける静電的な力Ｆの作用により、軸１０は、第１の方向とは逆の第２の方向へと所定の回転角度だけ回転される。図２．３には、軸１０が所定の回転角度よりもさらに変位された場合に何が起こるのかが示されている。即ち、下方に向かう電極面により、変位力Ｆに反作用し、従って最大可変変位を制限する戻し力Ｆ_Ｒが生じる。図示されたくし歯型電極の代わりに、互いに上下に配置された面状の電極を使用する場合には、変位は、始めからジオメトリにより制限されている。可動電極６１が固定電極６２に当接すると、変位は機械的に制限される。このような変位の機械的な制限は、くし歯型電極の場合も、可動電極６１が、構造体の下方に位置された基板に当接する場合に生じる。

図３には、先行技術によるマイクロアクチュエータの電極対の横断面におけるジオメトリ的条件が変位した状態で示されている。図３により、可動電極の長さｌの、回転角度または変位角度である角度αおよび厚さｄに対する関係が次のように示される。

ｌ＝ｄ／ｔａｎα
α＝１０°の所望の角度およびｄ＝２０μｍの電極の所望の厚さの場合には、例えば電極の最大長さはほぼｌ＝１１３μｍである。得られる最大の力Ｆは、回転軸線の延長または複数の電極もしくは駆動手段を相応に並列接続することによって高めることができるが、これは基板上での構造体の所要底面積を高める。

図４．１〜図４．８には、本発明によるマイクロアクチュエータの種々様々な実施例が休止位置および変位された状態で示されている。

図４．１には本発明によるマイクロアクチュエータの第１実施例が休止位置で示されている。このマイクロアクチュエータは、基板１００を有しており、該基板１００上には固定の電極６２が配置されている。基板１００の上方には軸１０と可動の電極６１が配置されている。可動の電極６１と固定の電極６２とは一緒に第１の駆動手段２１を形成している。第１の駆動手段２１の一部としての可動の電極６１は軸１０に第１のジョイント３１によって結合されている。このジョイント３１は例えばフレキシブルなばねとして形成されていて良い。第１のジョイント３１はこの場合、第１のレバー４１に結合されていて、この第１のレバー４１は軸１０に固定に結合されている。選択的に、第１のジョイント３１は軸１０に直接、軸１０の回転軸線から所定の間隔をおいて結合されていても良い。可動の電極６１と固定の電極６２とはくし歯型電極として形成されている。ジョイント３１は、フレキシブルな、少なくとも部分的に導電的に形成された結合部として形成されている。少なくとも部分的に導電的に形成された結合部はこの場合、可動の電極６１と軸１０との間の導電的な結合を保証する。ここでは、マイクロアクチュエータの第１の運転状態が、即ち休止位置が示されている。

図４．２には、本発明によるマイクロアクチュエータの第１実施例が変位された状態で示されている。変位された状態はマイクロアクチュエータの第２の運転状態である。この状態では軸１０は第１の回転方向で回転されている。この場合、かけられる電圧により、既に先行技術に関して上述したように、くし歯型電極として形成された、第１の駆動手段２１の第１の電極６１と第２の電極６２が、静電的な力により互いに引きつけられる。しかしながら、本発明によるジョイント３１により、先行技術とは異なり、可動の電極６１はゼロではない角度をなすのではなく、固定の電極６２と基板１００とに対して平行に、固定の電極６２へと引き付けられる、もしくは固定の電極６２内に引き付けられる。

図４．３及び図４．４には、本発明によるマイクロアクチュエータの第２実施例が休止位置と変位された状態とで示されている。第１実施例とは異なりこの場合、固定部５０が設けられていて、この固定部５０は基板１００上に固定されている。さらに、第２のレバー４２が設けられている。第１の駆動手段２１は第３のジョイント３３によって第２のレバー４２の一方の端部に結合されている。固定部５０は第４のジョイント３４によって第２のレバー４２の他方の端部に結合されている。

図４．５及び図４．６には、本発明によるマイクロアクチュエータの第３実施例が休止位置と変位された状態とで示されている。上記の実施例とは異なり、まず、第１の駆動手段２１の反対側で軸１０には同様の第２の駆動手段２２が設けられていて、この駆動手段２２は逆の回転方向での変位のために働く。第２の駆動手段２２は第２のジョイント３２によって、第１の駆動手段２１と同様に軸１０に接続されている。第２の駆動手段２２を有したアクチュエータの領域は部分的にしか示されていない。しかしながら第１の駆動手段２１に関する図面が、第２の駆動手段２２にも当てはまる。第１の駆動手段２１のために図示されたように、第１の駆動手段２１と第２の駆動手段２２とは第３のジョイント３３によって直接に固定部５０に結合されている。

しかしながら第２の駆動手段２２は、第１の回転方向での変位も助成することができる。この場合、第２の駆動手段２２の第１の電極６１と第２の電極６２とは同様の電荷により負荷される。

別の運転状態において、第１の駆動手段２１および第２の駆動手段２２に同様に、電圧Ｕをかけることもでき、これにより基板１００に関して軸１０の並進的な変位が回転することなしに行われる。並進的な変位および回転的な変位を、別の運転状態でも組み合わせることができる。

本発明の別の実施例、特に、本発明によるジョイントとその配置の別の組み合わせも考えられる。

記載したレバー４１またはレバー４２の形状と長さは、基板１００への固定部５０とも同様に所望の使用例に適合させることができる。特にこれにより、トルクと回転角度を適合させることができる。例えば、第３のジョイント３３を、別の構成のより長いばねとして設けることも考えられる。このばねは、必要に応じてさらに、基板１００に対する電気的絶縁を保証し、または固有の固定部５０なしでも直接的に基板１００に固定されている。選択的には本発明を、くし歯型電極ではなく面状の電極のために使用することもできる。この場合、固定の対応電極６２は基板１００上で構造化されていて、電圧Ｕをかけることにより、両電極間の間隔だけが減じられる。最大の変位は、電極６１と電極６２とが機械的に接触している状態で生じる。さらに、単数又は複数の本発明によるジョイント３１，３２，３３，３４は、弾性的に、または別の形式でフレキシブルに形成することもでき、この場合、長さが可変であって、従って、第１の駆動手段２１または第２の駆動手段２２の並進的な可動性、特に、軸１０に関する可動の電極６１の並進的な可動性が得られる。

図１．１は、先行技術によるマイクロミラーにおけるマイクロアクチュエータを休止位置で示した図であり、図１．２は変位された状態で示した図である。 図２．１は、先行技術によるくし歯型電極を備えたマイクロアクチュエータを休止位置で示した横断面図であり、図２．２および図２．３は、かけられた電圧に応じてそれぞれ異なる変位された状態で示した横断面図である。 先行技術によるマイクロアクチュエータの電極対の横断面におけるジオメトリ条件を示した図である。 本発明によるマイクロアクチュエータの第１実施例を休止位置で示した図である。 本発明によるマイクロアクチュエータの第１実施例を変位位置で示した図である。 本発明によるマイクロアクチュエータの第２実施例を休止位置で示した図である。 本発明によるマイクロアクチュエータの第２実施例を変位位置で示した図である。 本発明によるマイクロアクチュエータの第３実施例を休止位置で示した図である。 本発明によるマイクロアクチュエータの第３実施例を変位位置で示した図である。

符号の説明

１０ 軸、 １５ マイクロミラー、 ２１ 第１の駆動手段、 ２２ 第２の駆動手段、 ３１ 第１のジョイント、 ３２ 第２のジョイント、 ３３ 第３のジョイント、 ３４ 第４のジョイント、 ４１ 第１のレバー、 ４２ 第２のレバー、 ５０ 固定部、 ６１ 第１の電極、 ６２ 第２の電極、 １００ 基板

Claims (8)

1. マイクロアクチュエータであって、軸（１０）と、少なくとも１つの第１の駆動手段（２１）を有している形式のものにおいて、
   軸（１０）と第１の駆動手段（２１）とが第１のジョイント（３１）によって結合されていることを特徴とする、マイクロアクチュエータ。
2. 第１のレバー（４１）が設けられており、
   第１のレバー（４１）の一方の端部が軸（１０）に結合されていて、
   第１のレバー（４１）の他方の端部が第１のジョイント（３１）によって第１の駆動手段（２１）に結合されている、請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
3. 第２の駆動手段（２２）が設けられており、軸（１０）と第２の駆動手段（２２）とが第２のジョイント（３２）によって結合されている、請求項１又は２記載のマイクロアクチュエータ。
4. 第１の駆動手段（２１）及び／又は第２の駆動手段（２２）が第３のジョイント（３３）によって固定部（５０）に結合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロアクチュエータ。
5. 第２のレバー（４２）が設けられており、
   第１の駆動手段（２１）及び／又は第２の駆動手段（２２）が第３のジョイント（３３）によって、第２のレバー（４２）の一方の端部に結合されていて、
   固定部（５０）が第４のジョイント（３４）によって第２のレバー（４２）の他方の端部に結合されている、請求項４記載のマイクロアクチュエータ。
6. 少なくとも第１の駆動手段（２１）及び／又は第２の駆動手段（２２）が、少なくとも１つの第１の電極（６１）及び第２の電極（６２）備えた静電的な駆動手段である、請求項１から５までのいずれか１項記載のマイクロアクチュエータ。
7. ジョイント（３１，３２，３３，３４）により、第１の駆動手段（２１）及び／又は第２の駆動手段（２２）が軸（１０）に関して並進的に運動可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載のマイクロアクチュエータ。
8. 基板（１００）の表面にアクチュエータが配置されていて、固定部（５０）が基板（１００）に結合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のマイクロアクチュエータ。

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