JP2704950B2

JP2704950B2 - マイクロ静電リニアモータ

Info

Publication number: JP2704950B2
Application number: JP13652189A
Authority: JP
Inventors: 圭一別井; 理伊形
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1998-01-26
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JPH033683A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕マイクロ静電リニアモータに関し、ロータの変形がなく、機械的強度が大きい安定したマ
イクロ静電リニアモータを構成することを目的とし、１枚のシリコン基板から切り離されたシリコン分離基
板の上にロータ電極列が設けられたロータと、前記シリ
コン分離基板が切り離された両側のシリコン周囲基板間
が、前記ロータの移動が可能な如くに空隙を残して上下
絶縁膜で橋架連結され、該絶縁膜上に前記ロータ電極列
と対向して１列以上のステータ電極列が配置されたステ
ータとを少なくとも備え、前記ステータ電極列に多相パ
ルス電圧を印加して、前記ロータを静電的に駆動するよ
うにマイクロ静電リニアモータを構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明はマイクロ静電リニアモータの改良に関する。

近年、メカトロニクス技術の進歩発展にともない、各
種ロボットや制御機器の応用が益々盛んになってきてい
る。

とくに、最近は生体への応用や宇宙機器など超小形化
が要求される重要な分野が広がってきており、低消費電
力で比較的駆動力が大きく、かつ、超小形化が可能なマ
イクロ静電リニアモータが注目されるようになってき
た。

すでに、マイクロ静電リニアモータには幾つかの提案
がなされているが、機械的強度が大きく安定に動作する
マイクロ静電リニアモータの開発が強く求められてい
る。

〔従来の技術〕

超小形のマイクロ静電リニアモータとしては、たとえ
ば、シリコン基板の上にステータを形成し、ロータは薄
膜のポリシリコンで形成して全体を極めてコンパクトに
まとめる構成のものが提案されている（Sensors and Ac
tuators,vol−14,p269,1988）。

第５図は従来のマイクロ静電リニアモータの例を示す
図で、図中、50は単結晶シリコン基板、110は下部ステ
ータ電極、111は上部ステータ電極、150はポリシリコン
薄膜ロータ、201はロータ上部電極である。

この例の特徴は単結晶シリコン基板50の上に、下部ス
テータ，下部ステータ電極110,こゝには図示していない
ロータ下部電極，ポリシリコン薄膜ロータ150、ロータ
上部電極201,上部ステータ電極，上部ステータなどを必
要に応じて絶縁膜あるいは選択エッチング性中間層を介
して積層形成したあと、適当な方法，たとえば、選択エ
ッチングによってポリシリコン薄膜ロータ150の部分だ
けを、単結晶シリコン基板50の上に形成されているステ
ータ部分から切離して分離し、移動可能なように構成し
ていることである。すなわち、ICプロセス技術を応用す
ることによって小形化を図っていることである。

駆動方法は静電リニアモータの通常法に準じており、
ポリシリコン薄膜ロータ150の両端の上下にロータ電極
を設け、それを挟むように構成された上下ステータ電極
を３相給電配置とし、３相パルスをステータ電極に印加
してロータを静電駆動するようにしている。

第４図は静電リニアモータの基本構成を説明する図
で、駆動原理を理解するために最小限必要とする構成部
分のみを示したものである。

図中、100は下部ステータ、101は上部ステータ、200
a,200b,200cは下部ステータ電極、201a,201b,201cは上
部ステータ電極、300はロータ、400a,400bは下部ロータ
電極、401a,401bは上部ロータ電極、310、311は誘電体
膜である。

いま、たとえば、ロータ電極を接地電位としてステー
タ電極200,201に多相パルス電圧を印加すると、それに
近接したロータ電極には静電誘導により反対符号の電荷
が誘起され、その結果、たとえば、ロータ電極400a,401
aの部分がステータ電極200a,201aの下に引き込まれる。
すなわち、ロータ300は右側矢印の方向に移動すること
になる。

以下、同様の過程が繰り返されてロータ300は次々と
静電的に移動し、また、パルス電圧の位相を逆にするこ
とによって、ロータ300の移動方向を反転させるように
制御している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の従来例ではロータとして薄膜ポリシリ
コンを使用しているので、ポリシリコン薄膜を単結晶シ
リコン基板から分離したときに、薄膜中の残留応力によ
ってロータが反るなどの変形を生じ滑らかな移動を妨
げ、また、機械的強度が弱く長時間の使用に耐えがたい
などの問題があり、その解決が必要である。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、１枚のシリコン基板１から切り離され
たシリコン分離基板1bの上にロータ電極列４が設けられ
たロータ10と、前記シリコン分離基板1bが切り離された
両側のシリコン周囲基板1a,1c間が、前記ロータ10の移
動が可能な如くに空隙20を残して上下絶縁膜で橋架連結
され、該絶縁膜上に前記ロータ電極列４と対向して１列
以上のステータ電極列８が配置されたステータ11とを少
なくとも備え、前記ステータ電極列８に多相パルス電圧
を印加して、前記ロータ10を静電的に駆動するように構
成したマイクロ静電リニアモータにより解決することが
できる。

〔作用〕

本発明によれば、ロータ10はステータ11と同一のシリ
コン基板１から、異方性エッチングにより化学的に分離
された単結晶シリコン板であり、側面は極めて平滑で、
しかも、残留応力による変形がなく機械的にも堅牢なの
で、長時間にわたり安定に動作することが可能となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例装置の斜視図である。図中、
10はロータ、11はステータ、４はロータ電極列、８はス
テータ電極列、２は絶縁膜である。

こゝで、ロータ10とステータ11は同一の単結晶シリコ
ン基板から切り離されて分離したものである。ロータ10
の上面には複数の孤立した金属膜からなるロータ電極列
４が長さ方向，すなわち、ロータの移動方向に直列に配
設されている。

ロータ10の両側のステータ11の上下面には絶縁膜２が
ロータ10の上下面を跨ぎ、かつ、ロータ10が移動可能な
ように空隙20を残して橋架連結している。そして、上側
の絶縁膜にはロータ電極列４に対向して、複数の孤立し
た金属膜からなるステータ電極列８が長さ方向，すなわ
ち、ロータの移動方向に直列に、かつ、２列に配設され
ている。

一方、下側の絶縁膜には後で説明するように、ロータ
部をステータ部から分離する異方性エッチングと選択エ
ッチングのためのエッチング液侵入口である穴５が設け
られている。

なお、図には示していないがステータ電極列８には駆
動用の多相（たとえば、３相）パルス電圧印加端子が、
また、ロータ４には外部に駆動力を伝達するための駆動
力伝達部が設けられている。

され、上記の本発明実施例を実現するための製造工程
を以下工程順に具体的に説明する。

第２図（その１〜その３）は本発明の実施例装置の製
造工程を説明する断面図（その１〜その３）である。

工程（１）：直径100mmφ，厚さ0.5mm,面方位（110）
の表面処理を完了した単結晶シリコン基板１を準備す
る。

工程（２）：前記処理基板の両面に約500nmの熱酸化S
iO₂膜2a,2bを形成する。

工程（３）：前記熱酸化SiO₂膜2a上に厚さ約300nmのA
uまたはAlからなるロータ電極膜３を真空蒸着法などに
より被着する。

工程（４）：あとで述べるような配置のロータ電極列
４パターンを通常のホトエッチング法で巾0.25mmで形成
する。

工程（５）：前記処理基板の上面にロータ電極列４を
覆って厚さ約１μｍのSiO₂膜2cをスパッタまたはCVD法
で被着する。

工程（６）：前記処理基板の上面のロータ電極列４の
両側のSiO₂膜2a,2cと、それと対応する位置で裏面側のS
iO₂膜2bに300μｍのスペースをあけて、巾約５μｍの溝
状の穴5a,5b,5c,5dをフッ酸による化学エッチングある
いはイオンエッチングで形成する。

工程（７）：前記処理基板の両面に厚さ約２μｍのポ
リシリコン膜6a,6bをCVD法で被着形成する。

工程（８）：前記処理基板の両面のポリシリコン膜6
a,6bをホトエッチング法により両側部分だけを除去し、
前記穴5a,5b,5c,5dの外側までを覆うようなポリシリコ
ンパターン60a,60bに形成する。

工程（９）：前記処理基板の両面に絶縁膜として厚さ
約３μｍのSiO₂膜2d,2eをスパッタまたはCVD法で被着す
る。

工程（10）：前記処理基板の上面のSiO₂膜2d上に、厚
さ約300nmのAuまたはAlからなるロータ電極膜３を真空
蒸着法などにより被着する。

工程（11）：あとで述べるような配置のステータ電極
列８パターンを通常のホトエッチング法で約５μｍのギ
ャップをあけて２列に形成する。

工程（12）：前記処理基板の上面にパッシベーション
膜として厚さ５μｍのSiO₂膜2fを蒸着法で形成する。

工程（13）：前記処理基板の裏面のSiO₂膜2eに異方性
エッチング液を侵入させるための約10μｍ角の穴5eを50
μｍ間隔で複数個ロータ10の長さ方向に沿ってフッ酸に
よる化学エッチングあるいはイオンエッチングで形成す
る。

工程（14）：前記処理基板を80℃に加熱した15％KOH
溶液の中でエッチングすると、前記穴5eを通してエッチ
ング液が侵入して、先ず下面のポリシリコンパターン60
bが選択的に溶解し、下部の空隙20が形成される。な
お、この時SiO₂膜はこのエッチング液には殆ど侵されな
いので外形的な変化は生じない。ポリシリコン膜60bが
溶解されると、SiO₂膜2bにあけられた穴5c,5dの部分で
単結晶シリコン基板１がエッチング液に曝されることに
なり、異方性エッチングが進行することになる。このエ
ッチング液はSiの（111）面のエッチング速度が（110）
面のエッチング速度の1/40以下で、この場合、基板面に
垂直方向にはエッチングが進行するが、基板面に平行方
向には殆どエッチングが進行しない，いわゆる、異方性
エッチングによって側面の空隙29がシャープに形成さ
れ、それによってロータ部のシリコン基板は元のシリコ
ン基板から切り離される。

その結果、基板１の上面のSiO₂膜2a,2cにあけられた
穴5a,5bの部分でポリシリコンパターン60aがエッチング
液と接触することになり、ポリシリコンが選択エッチン
グを受けて溶出し上側の空隙20を形成する。

結局、ロータ部の上下左右の空隙20が形成された結
果、ステータ11の内部空間に移動可能な状態で閉じ込め
られたロータ10を形成することができる。

なお、ロータ10の長さは1mmとし、マイクロ静電リニ
アモータとしての外形寸法は高さ約0.6mm,巾約4mm,長さ
約5mmである。

第３図は本発明の実施例の電極配置を説明する図で、
実施例装置の上方から見た拡大配置を示したものであ
る。図中、11はステータ部分を示し、実線で示した電極
はステータ電極列８で、中央部に約５μｍのギャップを
あけて２列に形成した。左右の電極列は対象に配置し、
ともに、クロスオーバを介してR,S,T端子に接続する３
相配線パターンを形成してある。

一方、中央部分の２つの点線枠のうち、外側のものは
ロータ10が移動するエリアを示しており、内側の点線は
ロータ10の輪郭を示している。点線斜線で示した長方形
の部分は、工程（４）で述べたように長辺が0.25mmで形
成されたロータ電極列４で、そのピッチはステータ電極
列８の1.5倍にしてある。

同図の電極配置を前記第４図のそれと比較すると、第
４図のステータ電極200と201を一定の間隔をあけて一平
面上に展開し、ロータをステータ電極列間の中央下部に
配置し、一方のロータ電極列を省略した構成になってい
る。したがって、本実施例装置の駆動メカニズムは第４
図で説明したものと同様であり、ステータ電極列８に３
相パルス電圧を印加することによってロータ10を駆動す
ることができる。

本実施例において、1KHz,10vの３相パルス電圧印加に
よって約20mgの駆動力が得られ、しかも、ロータ10の変
形が生じることなく、長時間にわたって極めて安定に動
作することがわかった。

本実施例では、ロータ電極列，ステータ電極列ともに
片側に設けたが、上下両面に設けてより駆動力を高める
ようにすることもできる。

また、本実施例の製造方法は一例であり、本発明のマ
イクロ静電リニアモータを構成するために、適宜他の製
造法を組み合わせて使用できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ロータ10はス
テータ11と同一のシリコン基板１から、異方性エッチン
グにより化学的に分離された単結晶シリコン板であり、
側面は極めて平滑で、しかも、残留応力による変形がな
く機械的にも堅牢で、長期間にわたり安定に動作できる
ので、マイクロ静電リニアモータの性能、品質および歩
留りの向上に寄与するところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例装置の斜視図、第２図（その１〜その３）は本発明の実施例装置の製造
工程を説明する断面図（その１〜その３）、第３図は本発明の実施例の電極配置を説明する図、第４図は静電リニアモータの基本構成を説明する図、第５図は従来のマイクロ静電リニアモータの例を示す図
である。図において、１は単結晶シリコン基板、２（2a,2b,2c,2d,2e）はSiO₂膜（絶縁膜）、３はロータ電極膜、４はロータ電極列、５（5a,5b,5c,5d,5e）は穴、 6a,6bはポリシリコン膜、７はステータ電極膜，８はステータ電極列、 10はロータ、 11はステータ、 20は空隙である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】１枚のシリコン基板（１）から切り離され
たシリコン分離基板（1b）の上にロータ電極列（４）が
設けられたロータ（10）と、前記シリコン分離基板（1b）が切り離された両側のシリ
コン周囲基板（1a,1c）間が、前記ロータ（10）の移動
が可能な如くに空隙（20）を残して上下絶縁膜で橋架連
結され、該絶縁膜上に前記ロータ電極列（４）と対向し
て１列以上のステータ電極列（８）が配置されたステー
タ（11）とを少なくとも備え、前記ステータ電極列（８）に多相パルス電圧を印加し
て、前記ロータ（10）を静電的に駆動することを特徴と
したマイクロ静電リニアモータ。