JP2009529429A - 半導体材料のエッチングによって形成された作動部品を使用して駆動部品を移動させる方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、被駆動部品（１０）、被駆動部品（１０）と係合するための駆動部品（２５０）、及び、ステッピング運動に従って駆動部品（２５０）が被駆動部品（１０）を駆動するように駆動部品（２５０）を移動させるのに適した作動部品（２００）を備える装置であって、駆動部品（２５０）及び作動部品（２００）が半導体材料製の小プレート（２１）内のエッチングによって形成される装置において、駆動部品（２５０）を被駆動部品（１０）と接触させて保持するための弾性プレストレス手段（２１２）を備えることを特徴とする装置。

Description

本発明は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）分野に関するものである。

これらのマイクロエレクトロメカニカルシステムは、半導体材料製、一般的にはシリコン製のブロックまたは小プレート内のエッチングによって形成される。

仏国特許発明第２８５２１１１号明細書（２００４年９月１０日公開）には、歯車、歯車と順次噛み合うための駆動部品及びヒステリシス運動によって駆動部品を移動させ、それによって駆動部品が歯車の連続した歯に噛み合うようにするのに適した作動装置を備えるクロック装置が記載されている。そのような装置では、部品の全体（歯車、駆動部品、作動装置）は、半導体材料製の単一のブロック内のマイクロエッチングによって形成されている。従って、部品の相対的な位置決定の精度は、ブロックがエッチングされた精度によって決定される。

また、小プレート内のマイクロエッチングによって形成された駆動装置と他のいずれかの技術（時計技術、マイクロ鋳造、放電加工による加工など）によって作製された被駆動部品を組み合わせることが可能であることが望ましい。

このハイブリッド方法によって、標準的な駆動装置を使用し、それを特定の目的の用途に適した被駆動部品、例えば、腕時計または時計の還元機構のインデューサ、回転式ステッピングマイクロモータの円盤形状の歯車ロータ、またはリニアモータのラックに組み合わせることができるであろう。

これによって、また、半導体材料製の単一ブロック（ウエハ）内に同時に多数の駆動装置を作製することもできるであろう。

しかしながら、駆動装置と被駆動部品の組み合わせのとき、駆動装置と被駆動部品の相対的な位置決定は細心の注意を必要とする。実際、例えば、被駆動部品の製造精度及び機械的遊びを原因とする位置決定の不確実性は、駆動部品の運動の物理的振動の幅を上回る場合がある。その結果、駆動部品は被駆動部品と噛み合わないようになり、装置が作動しなくなる。
仏国特許発明第２８５２１１１号明細書

本発明の目的は、駆動装置に対する被駆動部品の相対的な位置決定の不確実性にもかかわらず、被駆動部品の駆動を可能にする装置を提案することにある。

この目的は、被駆動部品、被駆動部品と係合するための駆動部品、及び、ステッピング運動に従って駆動部品が被駆動部品を駆動するように、駆動部品を移動させるのに適した作動部品を備える装置であって、駆動部品及び作動部品が、半導体材料製の小プレート内のエッチングによって形成される装置において、駆動部品を被駆動部品と接触させて保持するための弾性プレストレス手段を備えることを特徴とする装置によって、本発明の範囲内で達成される。

弾性手段によって、駆動部品を被駆動部品と接触させて保持することができ、従って、被駆動部品に対する小プレートの相対的な位置決定の欠陥を補正することができる。

本発明の装置は、また、以下の特徴を示す。
弾性手段は、作動部品と駆動部品との間に延びており、
弾性手段は、駆動部品を作動部品と接続する可撓性の薄板を備え、
装置は、小プレートと被駆動部品が上に配置された支持板を備え、
装置は、支持板上に固定された位置決定スタッドを備え、それによって、支持板上での小プレートの位置決定を可能にし、
小プレートは、位置決定スタッドに支持されて配置され、
小プレートは、その小プレートの切断面に形成された少なくとも一つの切込を備え、その切込は小プレートを支持板で位置決定するための位置決定スタッドを収容するためのものであり、
作動部品は、第一の方向に沿って駆動部品を移動させて、被駆動部品を駆動するのに適した第１作動モジュール、及び、第二の方向に駆動部品を移動させて、駆動部品を被駆動部品から遠ざけるのに適した第２作動モジュールを備え、それらの作動モジュールは同時に制御されることによって駆動部品のヒステリシス結合運動を生じさせるのに適しており、
第２作動モジュールは電極と可撓性の軸棒を備え、電極は、駆動部品を被駆動部品から遠ざけるために、駆動部品を第二の方向に移動させるように可撓性の軸棒を変形させるために制御されるのに適しており、
電極は、可撓性の薄板の部分に対向して延びている、凸状の、好ましくは放物線状の側面を備え、
第２作動モジュールは、電極の側面に沿って配置された一連の止具を備え、止具は薄板と電極との接触を防ぐのに適している。

本発明は、また、同一支持板上に、
被駆動部品、
半導体材料製の小プレートであって、その内部に、被駆動部品と係合するための駆動部品、及び、支持板に対するステッピング運動に従って駆動部品が被駆動部品を駆動するように駆動部品を移動させるのに適した作動部品がエッチングによって形成された小プレート、
を配置することからなる段階を備える装置の組立て方法において、
弾性手段を介して駆動部品を被駆動部品と接触させて保持することからなる段階を備えることを特徴とする方法を提案するものである。

本発明の方法は、下記の特徴を示すことができる。
装置は、支持板（３０）上に固定された位置決定スタッドを備え、該方法は位置決定スタッドに小プレートを支持させて配置することからなる段階を備え、
小プレートは、小プレートの切断面に形成された少なくとも一つの切込を備え、上記方法は支持板上に小プレートを配置するための切込内に位置決定スタッドを配置することからなる段階から成る。

その他の特徴及び利点は、添付図面を参照して行う下記の説明からより明らかになるであろうが、その説明は、例示的であり、本発明を何ら限定するものではない。
図１は、本発明の第１実施態様による装置の概略的な斜視図である。
図２は、本発明の第１実施態様による装置の概略的な平面図である。
図３は、本発明の第２実施態様による装置の、小プレートがまだ被駆動部品に対して位置決定されていないときの概略的な平面図である。
図４は、本発明の第２実施態様による装置の、小プレートが被駆動部品に対して位置決定された後の概略的な平面図である。
図５は、図３及び図４に示した装置で使用されるための電極の概略図である。

図１及び図２では、本発明の第１実施態様による装置は、被駆動部品１０、駆動装置２０及び支持板３０を備える。

支持板３０は、被駆動部品１０及び駆動装置２０が配置された、平坦な収容面３１を備える。

被駆動部品１０は、全体的に円柱形の歯車を備える。歯車は、非対称的な歯１、２、３、４、５から構成される歯形及びほぼ円柱形の軸１１を備える。

支持板３０は、軸１１を収容するための、全体的に円形の孔３４、３５を備える。孔３４、３５は、回転する軸１１を案内するのに適した軸受を形成する。

駆動装置２０は、シリコンなどの半導体材料製の小プレート２１を備える。駆動装置２０は、小プレート２１内にマイクロエッチングによって形成された作動部品２００、割出部品５０（図１には示されていない）及び駆動部品２５０を備える。

駆動部品２５０は、三角形の形状を示す歯として示されている。歯は、歯車に対して半径方向に、歯車１０の近傍に延びており、先端は歯車１０の方を向いている。従って、駆動部品２５０は、歯車１０の歯１、２、３、４、５と噛み合うのに適している。

作動部品２００は、主に、接線作動基本モジュール２０２及び割出モジュール５０によって構成される。

接線作動モジュール２０２は、櫛形構造体２２２（「コームドライブ」という英語の呼称で公知である）及び歯車１０に対して全体的に接線方向に延びた可撓性の薄板２１２を備える。駆動部品２５０は、接線方向の薄板２１２によって櫛形構造体２２２に接続されている。

接線作動モジュール２０２が交流信号によって制御されているとき、接線作動モジュール２０２は、接線方向（矢印Ｉ）に交番運動を発生させる。

割出モジュール５０は、歯車１０に対して接線方向に延びている可撓性の薄板５１１及び割出部品５５０を備える。可撓性の薄板５１１は基板から突出して延びており、歯車１０に対して半径方向に可撓性である。可撓性の薄板５１１は、その固定されていない端部の位置で割出部品５５０を支持する。割出部品５５０は、三角形の形状を示す歯の形をとる。歯は、歯車に対して半径方向に、歯車１０の近傍に延びており、その先端は歯車１０の方を向いている。従って、割出部品５５０は、歯車１０の歯１、２、３、４、５と接触するのに適している。

本発明の第１実施態様による装置は、また、支持板３０上に固定された二つの位置決定スタッド３２、３３を備える。位置決定スタッド３２、３３は、全体的に円柱形の形状を示し、支持板３０の収容面３１に垂直な方向に延びている。

小プレート２１は、小プレートの外側切断面２４に形成された二つの切込２２、２３を備える。切込２２、２３は、駆動部品２５０の両側に配置されている。切込２２は、第１位置決定スタッド３２を収容するためのものであり、切込２３は第２位置決定スタッド３３を収容するためのものであり、それによって小プレート２１を支持板３０上で位置決定することができる。位置決定スタッド３２、３３は、支持板３０の収容面３１上で小プレート２１の唯一の位置を決定する。

第１切込２２は、全体的にＶ字形の形状を示す。切込２２は二つの支持面を備え、その間に１２０°の角度を形成する。第１切込２２の各支持面は、スタッド３２の円柱形の表面で支持されるようになっている。

第２切込２３は、小プレート２１の切断面２４に平行な単一の支持面を備え、スタッド３３の円柱形の表面で支持されるようになっている。

位置決定スタッド３２、３３は、切込２２、２３と協働して、支持板３０の収容面３１上で小プレート２０の位置を決定する。このように、位置決定スタッド３２、３３は、収容面３１に平行に駆動装置を固定する機能を有する基準スタッドを形成する。

装置の組立ては、下記の段階を備える。

組立ての第一段階によると、歯車１０は、支持板３０上に回転式に取り付けられる。このため、軸１１は、軸１１に連結された歯車１０が収容面３１に垂直な回転軸を中心にして自由に回転することができるように軸受３４、３５に取り付けられる。

組立ての第二段階によると、小プレート２１は、第１スタッド３２及び第２スタッド３３に支持される。

スタッド３２、３３は、駆動部品２５０が歯車１０と接触するように、支持板３０上に配置されている。

駆動部品２５０は、接線方向の薄板２１２を介して歯車１０と接触して保持されている。薄板２１２は、櫛形構造体２２２から突出して延びており、歯車１０に対して半径方向に可撓性である。薄板２１２は弾力性があるので、駆動部品２５０は歯車１０と係合して保持されている。

可撓性の薄板２１２は、被駆動部品１０に対する小プレート２１の位置決定の欠陥を吸収する。

特に、図１に見られるように、歯車１０は軸受３４、３５によって案内される軸１１に取り付けられている。支持板３０に対する歯車の位置は、装置の部品全体の加工公差に関連する不確実性、特に、
歯車１０及び軸１１の幾何学的欠陥（歯車の円柱形性及び同心性の欠陥、軸１１の直線性の欠陥）、
軸１１の案内軸受３４、３５を収容する中繰りの位置決定の欠陥、
軸１１への歯車１０の取り付けの機械的遊び及び軸受３４、３５と軸１１との間に存在する案内遊び、
に影響されやすい。

また、歯車１０に対する小プレート２１の相対的な位置決定の不確実性も、同様に、支持板３０上の位置決定スタッド３２、３３の位置決定の欠陥に由来する。

装置は、下記のように動作する。

接線作動モジュール２０２は、交流信号によって制御される。

接線作動モジュール２０２によって発生した運動の第一の交番の間、駆動部品２５０は歯車１０と係合し、歯車１０を牽引する。割出部品５５０は、歯車１０の歯を一つ飛び越える。

接線作動モジュール２０２によって発生した反対方向の第二の交番の間、割出部品５５０は歯車１０を動かないようにし、駆動部品２５０は歯車１０を滑動する。

このように、歯車１０は、駆動部品２５０によるステッピング回転運動（矢印ＩＩＩ）によって駆動される。割出部品５０は、歯車１０が逆方向に回転することを防止する戻り防止歯止めを形成する。

図３及び図４は、本発明の第２実施態様による装置を示している。組立ては、作動部品２００が半径方向作動モジュール２０３を備えることを除いて、第１実施態様の組立てと同じである。

装置は、被駆動部品１０、駆動装置２０及び支持板３０を備える。

被駆動部品１０は、場合によっては歯のある、車を備える。

駆動装置２０は、シリコンなどの半導体材料製の小プレート２１を備える。駆動装置２０は、小プレート２１内にマイクロエッチングによって形成された作動部品２００及び駆動部品２５０を備える。

この第２実施態様では、作動部品２００は、主に、接線作動基本モジュール２０２と半径方向作動基本モジュール２０３とによって構成されている。

別の変形実施例（図示せず）では、また、小プレート２１内に割出部品を形成することも考えられる。

接線作動モジュール２０２は、櫛形構造体２２２及び歯車１０に対して全体的に接線方向に延びた可撓性の薄板２１２を備える。駆動部品２５０は、接線方向の薄板２１２によって、櫛形構造体２２２に接続されている。

接線作動モジュール２０２が交流信号によって制御されるとき、接線作動モジュール２０２は接線方向（矢印Ｉ）に交番運動を発生させる。

半径方向作動モジュール２０３は、電極２２３、可撓性の薄板２１０及び止具２４３を備える。

可撓性の薄板２１０は、全体的にＬ字形の形状を示し、第１枝部２１３及び第２枝部２１４を備える。

第１枝部２１３は、歯車１０に対して接線方向に延びている。第１枝部２１３は、基板から突出して延びており、歯車１０に対して半径方向に可撓性である。

第２枝部２１４は、歯車に対して全体的に半径方向に延びており、第１枝部２１３の固定されていない端部を駆動部品２５０に接続する。

電極２２３を図５により詳細に示した。電極２２３は、全体的に凸形状、好ましくは、放物線の形状の側面２３３を備える。止具２４３は、側面２３３に沿って規則的な間隔で配置されている。止具２４３は、小プレート２１内にエッチングされたスタッドによって形成されている。スタッドは、電極２２３から電気的に絶縁されている。

電極２２３に電圧を印加したとき、この電圧は電極２２３と薄板２１０との間に電位差を生じさせる。電極２２３と薄板２１０との間に電界が形成される。この電界は、枝部２１３を電極２２３の側面２３３に接近させようとする静電気力を発生させる。この静電気力は枝部２１３の変形を引き起こし、従って、駆動歯２５０を歯車１０に対して半径方向に並進させる。

止具２４３は、薄板２１０の運動の幅を制限することができ、薄板２１０を電極２２３から離して保持し、第１枝部２１３が電極２２３の側面２３３と接触することを防止することができる。実際、異なる電圧で給電された薄板２１０と電極２２３との接触は、短絡の原因となり、装置の故障を引き起こすことがある。

電極の側面２３３の凸形状によって、歯車１０に対する駆動歯２５０の位置決定による枝部２１３の初期変形に関係なく、軸棒２１０の運動を制御することができる。

このように、薄板２１０の枝部２１３は、歯車１０に対する小プレートの位置決定の不確実性を吸収する。

接線作動モジュール２０２が交流信号によって制御されるとき、接線作動モジュール２０２は、歯車１０に対する接線方向（矢印Ｉ）に交番運動を発生させる。

半径方向作動モジュール２０３の電極２２３が交流信号によって制御されるとき、半径方向作動モジュール２０３は、歯車１０に対する半径方向（矢印ＩＩ）に交番運動を発生させる。

装置は、以下のように動作する。

接線作動モジュール２０２及び半径方向作動モジュール２０３は、交流信号によって制御される。交流信号は、位相をずらされ、従って、駆動部品２５０は、ヒステリシス運動によって移動される。
駆動歯２５０のヒステリシス運動は、駆動位相（矢印Ｉ）と作動位相（矢印ＩＩ）を交互にする。
駆動部品２５０は、歯車１０の連続した歯と噛み合い、その歯車をステッピング回転運動によって駆動する。

薄板２１２、２１０の各々の側面の可撓性によって、薄板をもう片方の薄板の作用下で変形させることができることが注目される。半径方向及び接線方向の二つの可撓性の薄板２１２、２１４によって、モジュール２０２、２０３の機械的な分離を確実にすることができる。実際、薄板の可撓性によって、二つの基本自由度に応じて、すなわち、半径方向と接線方向の二つの並進方向に沿って別々に駆動部品２５０の移動を可能にする。

本発明の第１実施態様による装置の概略的な斜視図である。 本発明の第１実施態様による装置の概略的な平面図である。 本発明の第２実施態様による装置の、小プレートがまだ被駆動部品に対して位置決定されていないときの概略的な平面図である。 本発明の第２実施態様による装置の、小プレートが被駆動部品に対して位置決定された後の概略的な平面図である。 図３及び４に示した装置で使用されるための電極の概略図である。

符号の説明

１ 歯
２ 歯
３ 歯
４ 歯
５ 歯
１０ 被駆動部品
１１ 軸
２０ 駆動装置
２１ 小プレート
２２ 第１切込
２３ 第２切込
２４ 切断面
３０ 支持板
３１ 収容面
３２ 第１位置決定スタッド
３３ 第２位置決定スタッド
３４ 孔
３５ 孔
５０ 割出モジュール
２００ 作動部品
２０２ 第１作動モジュール
２０３ 第２作動モジュール
２２２ 櫛形構造体
２２３ 電極
２３３ 側面
２４３ 止具
２５０ 駆動部品

Claims (14)

1. 被駆動部品（１０）、被駆動部品（１０）と係合するための駆動部品（２５０）、及び、ステッピング運動に従って駆動部品（２５０）が被駆動部品（１０）を駆動するように駆動部品（２５０）を移動させるのに適した作動部品（２００）を備える装置であって、駆動部品（２５０）及び作動部品（２００）が半導体材料製の小プレート（２１）内のエッチングによって形成される装置において、駆動部品（２５０）を被駆動部品（１０）と接触させて保持するための弾性プレストレス手段を備えることを特徴とする装置。
2. 弾性手段（２１２）は、作動部品（２００）と駆動部品（２５０）との間に延びていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 弾性手段（２１２）は、駆動部品（２５０）を作動部品（２００）と接続する可撓性の薄板（２１２）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 小プレート（２１）と被駆動部品（１０）が上に配置された支持板（３０）を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の装置。
5. 支持板（３０）に固定された位置決定スタッド（３２、３３）を備え、それによって、支持板（３０）上でのプレート（２１）の位置決定を可能にすることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 小プレート（２１）は、位置決定スタッド（３２、３３）に支持されて配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 小プレート（２１）は、小プレート（２１）の切断面（２４）に形成された少なくとも一つの切込（２２、２３）を備え、切込（２２、２３）は、プレート（２１）を支持板（３０）上で位置決定するための位置決定スタッド（３２、３３）を収容するためのものであることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 作動部品（２００）は、被駆動部品（１０）を駆動するために第一の方向に沿って駆動部品（２５０）を移動させるのに適した第１作動モジュール（２０２）、及び、駆動部品（２５０）を被駆動部品（１０）から遠ざけるために第二の方向に駆動部品（２５０）を移動させるのに適した第２作動モジュール（２０３）を備え、それらの作動モジュール（２０２、２０３）は同時に制御されて、駆動部品（２５０）のヒステリシス結合運動を生じさせるのに適していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の装置。
9. 第２作動モジュール（２０３）は、電極（２２３）と可撓性の軸棒（２１０）を備え、電極は、駆動部品（２５０）を被駆動部品（１０）から遠ざけるために、駆動部品（２５０）を第二の方向に移動させることによって可撓性の軸棒（２１０）を変形させるように制御されるのに適していることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 電極は、可撓性の薄板（２１０）の部分（２１３）に対向して延びている、凸状の、好ましくは放物線状の側面（２３３）を備えることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 第２作動モジュール（２０３）は、電極（２２３）の側面（２３３）に沿って配置された一連の止具（２４３）を備え、止具（２４３）は薄板（２１０）と電極（２２３）との接触を防ぐのに適していることを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
12. 同一支持板（３０）上に、
    被駆動部品（１０）、
    半導体材料製の小プレート（２１）であって、その内部に被駆動部品（１０）と係合するための駆動部品（２５０）、及び、支持板（３０）に対するステッピング運動に従って駆動部品（２５０）が被駆動部品（１０）を駆動するように駆動部品（２５０）を移動させるのに適した作動部品（２００）がエッチングによって形成された小プレート（２１）、
    を配置することからなる段階を備える装置の組立て方法において、
    弾性手段（２１０、２１２）を介して駆動部品（２５０）を被駆動部品（１０）と接触させて保持することからなる段階から成ることを特徴とする方法。
13. 装置が支持板（３０）上に固定された位置決定スタッド（３２、３３）を備える方法において、該方法は、
    位置決定スタッド（３２、３３）に小プレート（２１）を支持させて配置することからなる段階、
    から成ることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 小プレート（２１）は、小プレート（２１）の切断面（２４）に形成された少なくとも一つの切込（２２、２３）を備える方法において、該方法は、
    支持板（３０）上に小プレート（２１）を配置するために、切込（２２、２３）内に位置決定スタッド（３２、３３）を配置することからなる段階、
    から成ることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。

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