JP3667357B2 - マイクロ・アクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体集積回路と同様の工程で製作されるマイクロ・アクチュエータに関し、特に付着力を利用したマイクロ・アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリレーとしては電磁石等を用いたメカニカル・リレーが主であり、図７はこのような従来のメカニカル・リレーの一例を示す構成図及び動作のタイミング図である。図７（Ａ）において１はＥ字形のコア、２はコイル、３は永久磁石、４ａ及び４ｂはヨーク、５ａ及び５ｂは絶縁体から構成されるガイド、６ａ及び６ｂ可動接点、１００及び１０１はコイル２の端子、１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，１０４ａ及び１０４ｂは可動接点６ａ及び６ｂ等の端子である。
【０００３】
コイル２は図示しないボビンに巻付けられて電磁石を構成し、コア１に取付けられる。一方、永久磁石３の両端にはヨーク４ａ及び４ｂの一端が固定され、ヨーク４ａ及び４ｂの他端はガイド５ａ及び５ｂに固定される。ガイド５ａ及び５ｂの一端は可動接点６ａ及び６ｂを駆動する。また、ヨーク４ａ及び４ｂの他端はコア１の”ロ”及び”ハ”の部分に接触する。
【０００４】
端子１００と端子１０１間に電圧を印加して電流を流すことにより、永久磁石３に引力及び反発力の両方の電磁力が働き、永久磁石３に固定されたヨーク４ａ及び４ｂ、ガイド５ａ及び５ｂが共に移動し、可動接点６ａ及び６ｂの接点の状態を切り換える。
【０００５】
例えば、図７（Ｂ）の動作のタイミング図に示すような電圧を印加する。即ち、図７（Ｂ）中”イ”に示すような電圧を印加すると電磁力により永久磁石３、ヨーク４ａ及び４ｂ、ガイド５ａ及び５ｂは上方に移動してヨーク４ａがコア１の”イ”の部分に接触し、ヨーク４ｂがコア１の”ロ”の部分に接触して停止する。
【０００６】
この時、端子１０２ａと端子１０４ａ及び端子１０２ｂと端子１０４ｂが閉状態になり、端子１０２ａと端子１０３ａ及び端子１０２ｂと端子１０３ｂが開状態になる。
【０００７】
ここで、一度コイル２に電圧を印加してヨーク４ａ及び４ｂをコア１に接触させれば、その後何ら電圧を印加しなくても接触しているコア１とヨーク４ａ及び４ｂとの間に永久磁石３による引力が生じて上記接点状態を保持する。
【０００８】
さらに、図７（Ｂ）中”ロ”に示すような電圧を印加すると電磁力により永久磁石３、ヨーク４ａ及び４ｂ、ガイド５ａ及び５ｂは下方に移動してヨーク４ａがコア１の”ロ”の部分に接触し、ヨーク４ｂがコア１の”ハ”の部分に接触して停止する。
【０００９】
この時、端子１０２ａと端子１０４ａ及び端子１０２ｂと端子１０４ｂが開状態になり、端子１０２ａと端子１０３ａ及び端子１０２ｂと端子１０３ｂが閉状態になる。
【００１０】
但し、図７に示すようなメカニカル・リレーは電磁石を用いているためコイル２が必要不可欠であり、そのためミクロン・サイズのリレーを製作するのが極めて困難になる。また、コイルと永久磁石を用いることにより製造コストが高くなる。
【００１１】
そこで、半導体プロセスを応用して製作したマイクロ・リレーが考えられている。図８はこのような従来のマイクロ・リレーの一例を示す断面図である。図８に示す従来例は「M.A.Gretillat, P.Thiebaud, N.F.de Rooij and C.Linder,"Electrostatic Polysilicon Microrelays Integrated with MOSFETs", Proc. IEEE MEMS'94 Workshop,1994,pp.97-101. 」に記載されたものである。
【００１２】
図８において７はｐタイプＳｉ基板、８はｎタイプ領域、９及び１２はＳｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2 等の絶縁膜、１０，１１及び１３は導電性多結晶シリコン層（以下、poly−Ｓｉ層と呼ぶ。）、１４ａ及び１４ｂはアルミニウム電極である。
【００１３】
ｐタイプＳｉ基板７上にｎタイプ領域８が形成され、その上に絶縁膜９が形成される。この上に絶縁膜１２とpoly−Ｓｉ層１３との２層から構成される梁を形成する。絶縁膜９の上で、前記梁の下には接点となるpoly−Ｓｉ層１０が形成され、また、前記梁の内側の絶縁膜１２の表面には接点となるpoly−Ｓｉ層１１が形成される。さらに、poly−Ｓｉ層１１及び１３にはアルミニウム電極１４ｂ及び１４ａがそれぞれ形成される。
【００１４】
ｎタイプ領域８とアルミニウム電極１４ａとの間に駆動電圧を印加すると、前記梁が下方に曲がって接点であるpoly−Ｓｉ層１０及び１１が接触して接点が閉じる。また、駆動電圧の印加を停止すると前記梁の復元力により前記梁が上方に戻って接点であるpoly−Ｓｉ層１０及び１１が離れて接点が開く。
【００１５】
図８に示すような従来例では図７に示した従来例と比較してコイル等が不要であるので小型化が可能になる。また、半導体プロセスを用いることによりミクロン・オーダの小型化が可能になり大量生産等が容易になる。
【００１６】
さらに、図７に示すような従来のメカニカル・リレーではＩＣ等との混在が不可能であったが、半導体プロセスを用いることによりリレー等を同一基板上に形成することが可能になる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図８に示すようにリレー等の構造体をミクロン・オーダまで小型化した場合、ファンデル・ワールス力等の分子間引力に起因する付着力が顕著に現れてしまい構造体同士が付着してしまうと言った問題点がある。例えば、図８における従来例では接点であるpoly−Ｓｉ層１０及び１１が互いに付着してしまう場合がある。
従って本発明の目的は、低消費電力、高速動作、ミクロン・オーダの小型化、他のＩＣ等との混在、大量生産等が容易なマイクロ・アクチュエータを実現することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の第１では、
固定部と、
前記固定部に近接して配置され、前記固定部と接触した際に分子間引力の起因する付着力により前記固定部と付着する可動部と、
前記可動部を付着した前記固定部から分離させ、若しくは、前記固定部に接触させる駆動手段と
を備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
【作用】
固定部と可動部を近接して配置し、固定部と可動部が接触した際に生じる分子間引力の起因する付着力を状態の保持力として用いることにより、低消費電力、高速動作、ミクロン・オーダの小型化、他のＩＣ等との混在、大量生産等が容易になる。
【００２１】
【実施例】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第１の実施例を示す構成ブロック図である。図１において１５及び１６は固定部、１７は可動部、１８は駆動回路、１９はスイッチ回路である。また、１５〜１７は静電アクチュエータとして動作し、１８及び１９は駆動手段５０を構成する。
【００２２】
半導体プロセス等により固定部１５及び１６は平行に向かい合って形成され、固定部１５及び１６間には可動部１７が柔らかいバネ等により支えられる。可動部１７には駆動回路１８の一端が接続され、駆動回路１８の他端はスイッチ回路１９の第１の端子に接続される。
【００２３】
スイッチ回路１９の第２の端子は固定部１５に接続され、スイッチ回路１９の第３の端子は固定部１６に接続される。
【００２４】
但し、可動部１７と固定部１５及び１６との向かい合う部分は付着力が生じるのに十分な程度の平滑度でなければならない。
【００２５】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２を用いて説明する。図２は動作のタイミング図である。初期状態において可動部１７は付着力によって固定部１５に付着しているものとする。
【００２６】
スイッチ回路１９を操作して固定部１６と可動部１７との間に図２中”イ”に示すように駆動電圧を印加する。この結果、可動部１７には固定部１５に対する付着力よりも大きいクーロン力が固定部１６に向かって働く。
【００２７】
従って、可動部１７は固定部１６の方向に移動して固定部１６に付着する。この時点で、駆動電圧の印加を停止しても固定部１６と可動部１７との間に働く付着力によって固定部１６と可動部１７とは離れず可動部１７の状態が保持される。
【００２８】
さらに、スイッチ回路１９を操作して固定部１５と可動部１７との間に図２中”ロ”に示すように駆動電圧を印加する。この結果、可動部１７には固定部１６に対する付着力よりも大きいクーロン力が固定部１５に向かって働く。従って、前述と同様に可動部１７は固定部１５の方向に移動して固定部１５に付着する。また、駆動電圧の印加を停止しても前述と同様に可動部１７の状態が保持される。
【００２９】
この結果、分子間引力の起因する付着力を状態の保持力として利用することにより、駆動時以外に駆動電圧を印加する必要がないので低消費電力であるマイクロ・アクチュエータとなる。
【００３０】
また、ここで、図１に示す実施例の構造に対する印加する駆動電圧、状態が変化する遷移時間、消費エネルギーを見積もる。
【００３１】
今、可動部１７の大きさ等の諸条件をそれぞれ、長さを”ａ”、幅を”ｂ”、厚さを”ｈ”、シリコンの密度を”ρ”、可動部１７と付着していない固定部までの距離を”ｄ”、可動部１７と付着していない固定部間の誘電率を”ε”とした場合に以下に示すように仮定する。
ａ＝５０［μｍ］ (1)
ｂ＝１０［μｍ］ (2)
ｈ＝５００［ｎｍ］ (3)
ρ＝２．３３×１０3 ［ｋｇ／ｍ3 ］ (4)
ｄ＝１００［ｎｍ］ (5)
ε＝ε0＝８．８５４×１０-12 ［Ｆ／ｍ］ (6)
また、可動部１７を支持するバネは十分に柔らかいとしてバネ定数を”０”と仮定する。
【００３２】
第１に静電アクチュエータの発生する力”ＦS ”は、駆動電圧を”Ｖ”、電極面積を”Ｓ＝ａ×ｂ”とした場合、上記条件から、
ＦS＝1/2・ε(Ｖ／ｄ)2・Ｓ (7)
となる。
【００３３】
一方、付着力の大きさ”ＦA ”は、
ＦA／Ｓ＝５×１０4［Ｆ／ｍ2］ (8)
程度であることが実験から分かっているので、この付着力と前記静電アクチュエータの発生する力が等しくなる時の駆動電圧”Ｖ0 ”を求めると、
Ｖ0＝ｄ・{2・ＦA／ε・Ｓ}1/2 (9)
となる。
【００３４】
式（９）に式（１），（２），（５），（６）及び（８）を代入することにより、
Ｖ0＝１０．６［Ｖ］ (10)
となる。
【００３５】
第２に、状態が変化する遷移時間を求めるに際しては、付着力の引力は可動部１７が固定部１５若しくは固定部１６から離れた後は作用せず、また、可動部１７に作用する静電引力は可動部１７と付着していない固定部までの距離”ｄ”の時の値のままで一定であり、さらに、印加する駆動電圧は５［Ｖ］であるとそれぞれ仮定する。
【００３６】
上記仮定においては付着状態を分離するのに要する時間を無視しているが、こに対して静電引力が距離”ｄ”に基づいて変化することについても無視している。
【００３７】
可動部１７の質量”Ｍ”は、
Ｍ＝ａ・ｂ・ｈ・ρ (11)
であり、式（１）〜（４）を代入することによって、
Ｍ＝５．８×１０-13［ｋｇ］ (12)
となる。
【００３８】
従って、可動部１７が距離”ｄ”の間を移動する時間は”ｔ”は、
となる。
【００３９】
第３に、消費エネルギー”Ｗ”は可動部１７と固定部１５若しくは１６の間の付着エネルギー”ＷA ”と、可動部１７を移動させるのに必要なエネルギー”ＷB ”と、移動後に可動部１７と可動部１７が付着している固定部１５若しくは１６の間の容量に蓄えられるエネルギー”Ｗc ”との合計になる。
【００４０】
単位面積当たりの付着エネルギー”ＷA ”は約４４０［ｍＪ／ｍ2 ］であることが実験により求まっているので、
となる。
【００４１】
また、可動部１７を移動させるのに必要なエネルギー”ＷB ”は、
となる。
【００４２】
さらに、可動部１７と可動部１７が付着している固定部１５若しくは１６の間の容量に蓄えられるエネルギー”Ｗc ”は、可動部１７と可動部１７が付着している固定部１５若しくは１６の間の距離”ｄC ”を”３０［ｎｍ］”、印加される電圧”Ｖ”を”５［Ｖ］”、可動部１７と可動部１７が付着している固定部１５若しくは１６の間の絶縁層である”Ｓｉ０2 ”、”Ｓｉ3Ｎ4”の比誘電率”ε’”を”３．８”とすれば、
となる。
【００４３】
従って、消費エネルギー”Ｗ”は、
となり、消費エネルギー”Ｗ”の大半は付着エネルギー、言い換えれば付着状態を分離するのに必要なエネルギーとして消費されることになる。
【００４４】
この結果、図１に示す実施例の構造に対する印加する駆動電圧は約”１１［Ｖ］”、状態が変化する遷移時間は０．１５［μｓ］、消費エネルギーは約”２．３×１０-10 ［Ｊ］”である。
【００４５】
これに対して、図７に示す従来例などでは駆動電圧は”５［Ｖ］”、状態が変化する遷移時間は約１．５［ｍｓ］、消費エネルギーは”５×１０-4［Ｊ］”である。
【００４６】
ここで、図１に示す実施例では駆動電圧が従来例と比較して”１１［Ｖ］”と大きくなっているが可動部１７と固定部１５及び１６の付着面に、突起を作成したり表面粗さを粗くして、面同士の付着面積を小さくすることにより駆動電圧を低くすることが可能となる。例えば、付着面の状態を粗くして付着面積を”１／１０”にすれば駆動電圧は３．４［Ｖ］となる。
【００４７】
また、状態が変化する遷移時間は約”１／(３×１０4) ”になり、消費エネルギーに関しては”１／(２×１０6) ”にすることが可能になる。
【００４８】
即ち、一対の固定部を平行に向かい合わせて配置し、一対の固定部の間に可動部を設ける構造にし、固定部と可動部が接触した際に生じる付着力を状態の保持力として用いることにより、状態を変化させる時以外は駆動電圧が不要であるため低消費電力となる。駆動電圧も一般にＩＣで用いられる”５［Ｖ］”程度で良くなる。
【００４９】
また、付着力が顕著になる程度の微細構造にすることにより、高速動作が可能になり、半導体プロセスを用いて本願発明に係るマイクロ・アクチュエータを作成することにより、ミクロン・オーダの小型化、他のＩＣ等との混在、大量生産等が容易となる。
【００５０】
さらに、従来ミクロン・オーダの小型化に際して問題となっていたファンデル・ワールス力等の分子間引力に起因する付着力を逆に保持力として利用することにより、付着によって動作不可能になることを考慮することがなくなる。
【００５１】
また、図３は半導体プロセスを用いて作成したマイクロ・アクチュエータの具体例を示す平面図及び断面図である。図３において１５ａ及び１６ａは固定部、１７ａは可動部、２０ａ，２０ｂ及び２０ｃは電極、２１はＳｉ基板、２２はＳｉＯ2 膜、２３ａ，２３ｂ及び２３ｃはＳｉ3Ｎ4膜、２４ａ，２４ｂ及び２４ｃはpoly−Ｓｉ層である。
【００５２】
Ｓｉ基板２１上にＳｉＯ2 膜２２及びＳｉ3Ｎ4膜２３ａを形成し、Ｓｉ3Ｎ4膜２３ａ上に固定部１６ａとしてpoly−Ｓｉ層２４ａ及びＳｉ3Ｎ4膜２３ｂを形成する。また、可動部１７ａとしてpoly−Ｓｉ層２４ｂ及びＳｉ3Ｎ4膜２３ｃを形成し、固定部１５ａとしてpoly−Ｓｉ層２４ｃを形成する。
【００５３】
さらに、poly−Ｓｉ層２４ａ，２４ｂ及び２４ｃ上には電極２０ｃ，２０ｂ及び２０ａがそれぞれ形成される。ここで、Ｓｉ3Ｎ4膜２３ｂ及び２３ｃはpoly−Ｓｉ層２４ａ，２４ｂ及び２４ｃをそれぞれ絶縁するために形成されている。
【００５４】
図３においては固定部１５ａと可動部１７ａが付着しており、図１に示す実施例と同様に電極２０ｂと電極２０ｃとの間に駆動電圧を印加すれば可動部１７ａは下側に移動して固定部１６ａと付着する。
【００５５】
また、電極２０ａと電極２０ｂとの間に駆動電圧を印加すれば可動部１７ａは上側に移動して固定部１５ａと付着する。可動部１７ａが固定部１５ａ若しくは１６ａに一旦付着すれば駆動電圧の印加を停止しても可動部１７ａの状態は保持される。
【００５６】
また、図４は半導体プロセスを用いて作成したマイクロ・リレーの具体例を示す断面図である。図４において１５ｂ及び１６ｂは固定部、１７ｂは可動部、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ及び２５ｄはＳｉ3Ｎ4膜、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ及び２６ｅはpoly−Ｓｉ層である。但し、２１及び２２は図３と同一符号を付してある。
【００５７】
Ｓｉ基板２１上にＳｉＯ2 膜２２及びＳｉ3Ｎ4膜２５ａを形成し、固定部１６ｂとしてpoly−Ｓｉ層２６ａ及びＳｉ3Ｎ4膜２５ｂを、接点用としてpoly−Ｓｉ層２６ｂを、接点用及び可動部支持用としてpoly−Ｓｉ層２６ｃ及びＳｉ3Ｎ4膜２５ｃをそれぞれＳｉ3Ｎ4膜２５ａ上に形成する。
【００５８】
また、可動部１７ｂとしてpoly−Ｓｉ層２６ｄ及びＳｉ3Ｎ4膜２５ｄがＳｉ3Ｎ4膜２５ｃ上に形成され、固定部１５ｂとしてpoly−Ｓｉ層２６ｅが形成される。ここで、Ｓｉ3Ｎ4膜２５ｂ，２５ｃ及び２５ｄはpoly−Ｓｉ層２６ａ，２６ｃ，２６ｄ及び２６ｅをそれぞれ絶縁するために形成されている。
【００５９】
また、poly−Ｓｉ層２６ｃ及び２６ｄとＳｉ3Ｎ4膜２５ｃ及び２５ｄは梁を構成しており上下に可動する。また、poly−Ｓｉ層２６ｄ及び２６ｅの付着面には付着力を調整するためにその表面に複数の突起を設けている。
【００６０】
図４においては固定部１５ｂと可動部１７ｂが付着しており、図１に示す実施例と同様にpoly−Ｓｉ層２６ａとpoly−Ｓｉ層２６ｄとの間に駆動電圧を印加すれば可動部１７ｂは下側に移動して固定部１６ｂと付着する。
【００６１】
この時、poly−Ｓｉ層２６ｂ及び２６ｃが接触し、マイクロ・リレーの接点である図４中”イ”の部分が閉状態になる。
【００６２】
また、poly−Ｓｉ層２６ｄとpoly−Ｓｉ層２６ｅとの間に駆動電圧を印加すれば可動部１７ｂは上側に移動して固定部１５ｂと付着する。この時、poly−Ｓｉ層２６ｂ及び２６ｃが離れ、マイクロ・リレーの接点である図４中”イ”の部分が開状態になる。
【００６３】
可動部１７ｂが固定部１５ｂ若しくは１６ｂに一旦付着すれば駆動電圧の印加を停止しても可動部１７ｂの状態は保持される。即ち、マイクロ・リレーの接点である図４中”イ”の状態が保持される。
【００６４】
なお、図１，図３及び図４においては１対の固定部を平行に配置し、固定部の間に可動部を設けているが、必ずしも１対の固定部を平行に配置する必要はない。
【００６５】
図５は本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第２の実施例を示す構成ブロック図であり、図５において１５ｃ及び１６ｃは固定部、１７ｃは可動部である。
図５中”イ”を中心にして扇形に固定部１５ｃ及び１６ｃを配置し、固定部１５ｃ及び１６ｃの間に可動部１７ｃを配置しても良い。
【００６６】
また、固定部は１対である必要はなく図６に示すような構成であっても良い。図６は本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第３の実施例を示す構成ブロック図であり、図６において１５ｄは固定部、１７ｄは可動部である。
【００６７】
固定部１５は基板等の上に配置され、可動部１７ｄは固定部１５の上に梁として構成される。図６（Ａ）は固定部１５ｄと可動部１７ｄとが離れた状態を示し、図６（Ｂ）は固定部１５ｄと可動部１７ｄとが付着した状態を示している。
【００６８】
可動部１７ｄは構造体の剛性で図６（Ａ）の状態を保持しており、図示しない駆動手段により、固定部１５ｄと可動部１７ｄとを付着させ、若しくは、分離させることが可能になる。
【００６９】
図１，図３及び図４においては電極間に駆動電圧を印加することにより生じるクーロン力を用いる駆動回路を設け、静電アクチュエータとして構成しているが、バイメタル等のアクチュエータを用いることも可能である。また、熱的歪、光学的歪、電気的歪、電磁力等を用いた駆動手段を用いても良い。
【００７０】
また、図１，図３及び図４においては可動部が基板に対して上下方向に移動するが、基板に対して水平方向に移動させることも可能である。
【００７１】
また、図３及び図４において、接点の構造体の材料として導電性多結晶シリコンを用いているが他の導電性材料を用いても良い。
【００７２】
また、図３及び図４において、梁の構造体の材料として導電性多結晶シリコンを用いているが、導電性多結晶シリコンに限るわけではなく、接点部からの引出しリード線を設ければ絶縁体であっても良い。
【００７３】
また、図３及び図４において、絶縁体として”Ｓｉ3Ｎ4”を用いているがその他の絶縁物を用いても良い。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
固定部と可動部を近接して配置し、固定部と可動部が接触した際に生じる分子間引力の起因する付着力を状態の保持力として用いることにより、低消費電力、高速動作、ミクロン・オーダの小型化、他のＩＣ等との混在、大量生産等が容易なマイクロ・アクチュエータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第１の実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】動作のタイミング図である。
【図３】半導体プロセスを用いて作成したマイクロ・アクチュエータの具体例を示す平面図及び断面図である。
【図４】半導体プロセスを用いて作成したマイクロ・リレーの具体例を示す断面図である。
【図５】本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第２の実施例を示す構成ブロック図である。
【図６】本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第３の実施例を示す構成ブロック図である。
【図７】従来のメカニカル・リレーの一例を示す構成図及び動作のタイミング図である。
【図８】従来のマイクロ・リレーの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ コア
２ コイル
３ 永久磁石
４ａ，４ｂ ヨーク
５ａ，５ｂ 可動接点
６ａ，６ｂ ガイド
７ ｐタイプＳｉ基板
８ ｎタイプ領域
９，１２ 絶縁膜
１０，１１，１３，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ 導電性多結晶シリコン層
１４ａ，１４ｂ アルミニウム電極
１５，１５ａ，１５ｂ，１６，１６ａ，１６ｂ 固定部
１７，１７ａ，１７ｂ 可動部
１８ 駆動回路
１９ スイッチ回路
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 電極
２１ Ｓｉ基板
２２ ＳｉＯ2 膜
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ Ｓｉ3Ｎ4膜
５０ 駆動手段
１００，１０１ 端子
１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，１０４ａ，１０４ｂ 接点
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体集積回路と同様の工程で製作されるマイクロ・アクチュエータに関し、特に付着力を利用したマイクロ・アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリレーとしては電磁石等を用いたメカニカル・リレーが主であり、図７はこのような従来のメカニカル・リレーの一例を示す構成図及び動作のタイミング図である。図７（Ａ）において１はＥ字形のコア、２はコイル、３は永久磁石、４ａ及び４ｂはヨーク、５ａ及び５ｂは絶縁体から構成されるガイド、６ａ及び６ｂ可動接点、１００及び１０１はコイル２の端子、１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，１０４ａ及び１０４ｂは可動接点６ａ及び６ｂ等の端子である。
【０００３】
コイル２は図示しないボビンに巻付けられて電磁石を構成し、コア１に取付けられる。一方、永久磁石３の両端にはヨーク４ａ及び４ｂの一端が固定され、ヨーク４ａ及び４ｂの他端はガイド５ａ及び５ｂに固定される。ガイド５ａ及び５ｂの一端は可動接点６ａ及び６ｂを駆動する。また、ヨーク４ａ及び４ｂの他端はコア１の”ロ”及び”ハ”の部分に接触する。
【０００４】
端子１００と端子１０１間に電圧を印加して電流を流すことにより、永久磁石３に引力及び反発力の両方の電磁力が働き、永久磁石３に固定されたヨーク４ａ及び４ｂ、ガイド５ａ及び５ｂが共に移動し、可動接点６ａ及び６ｂの接点の状態を切り換える。
【０００５】
例えば、図７（Ｂ）の動作のタイミング図に示すような電圧を印加する。即ち、図７（Ｂ）中”イ”に示すような電圧を印加すると電磁力により永久磁石３、ヨーク４ａ及び４ｂ、ガイド５ａ及び５ｂは上方に移動してヨーク４ａがコア１の”イ”の部分に接触し、ヨーク４ｂがコア１の”ロ”の部分に接触して停止する。
【０００６】
この時、端子１０２ａと端子１０４ａ及び端子１０２ｂと端子１０４ｂが閉状態になり、端子１０２ａと端子１０３ａ及び端子１０２ｂと端子１０３ｂが開状態になる。
【０００７】
ここで、一度コイル２に電圧を印加してヨーク４ａ及び４ｂをコア１に接触させれば、その後何ら電圧を印加しなくても接触しているコア１とヨーク４ａ及び４ｂとの間に永久磁石３による引力が生じて上記接点状態を保持する。
【０００８】
さらに、図７（Ｂ）中”ロ”に示すような電圧を印加すると電磁力により永久磁石３、ヨーク４ａ及び４ｂ、ガイド５ａ及び５ｂは下方に移動してヨーク４ａがコア１の”ロ”の部分に接触し、ヨーク４ｂがコア１の”ハ”の部分に接触して停止する。
【０００９】
この時、端子１０２ａと端子１０４ａ及び端子１０２ｂと端子１０４ｂが開状態になり、端子１０２ａと端子１０３ａ及び端子１０２ｂと端子１０３ｂが閉状態になる。
【００１０】
但し、図７に示すようなメカニカル・リレーは電磁石を用いているためコイル２が必要不可欠であり、そのためミクロン・サイズのリレーを製作するのが極めて困難になる。また、コイルと永久磁石を用いることにより製造コストが高くなる。
【００１１】
そこで、半導体プロセスを応用して製作したマイクロ・リレーが考えられている。図８はこのような従来のマイクロ・リレーの一例を示す断面図である。図８に示す従来例は「M.A.Gretillat, P.Thiebaud, N.F.de Rooij and C.Linder,"Electrostatic Polysilicon Microrelays Integrated with MOSFETs", Proc. IEEE MEMS'94 Workshop,1994,pp.97-101. 」に記載されたものである。
【００１２】
図８において７はｐタイプＳｉ基板、８はｎタイプ領域、９及び１２はＳｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2 等の絶縁膜、１０，１１及び１３は導電性多結晶シリコン層（以下、poly−Ｓｉ層と呼ぶ。）、１４ａ及び１４ｂはアルミニウム電極である。
【００１３】
ｐタイプＳｉ基板７上にｎタイプ領域８が形成され、その上に絶縁膜９が形成される。この上に絶縁膜１２とpoly−Ｓｉ層１３との２層から構成される梁を形成する。絶縁膜９の上で、前記梁の下には接点となるpoly−Ｓｉ層１０が形成され、また、前記梁の内側の絶縁膜１２の表面には接点となるpoly−Ｓｉ層１１が形成される。さらに、poly−Ｓｉ層１１及び１３にはアルミニウム電極１４ｂ及び１４ａがそれぞれ形成される。
【００１４】
ｎタイプ領域８とアルミニウム電極１４ａとの間に駆動電圧を印加すると、前記梁が下方に曲がって接点であるpoly−Ｓｉ層１０及び１１が接触して接点が閉じる。また、駆動電圧の印加を停止すると前記梁の復元力により前記梁が上方に戻って接点であるpoly−Ｓｉ層１０及び１１が離れて接点が開く。
【００１５】
図８に示すような従来例では図７に示した従来例と比較してコイル等が不要であるので小型化が可能になる。また、半導体プロセスを用いることによりミクロン・オーダの小型化が可能になり大量生産等が容易になる。
【００１６】
さらに、図７に示すような従来のメカニカル・リレーではＩＣ等との混在が不可能であったが、半導体プロセスを用いることによりリレー等を同一基板上に形成することが可能になる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図８に示すようにリレー等の構造体をミクロン・オーダまで小型化した場合、ファンデル・ワールス力等の分子間引力に起因する付着力が顕著に現れてしまい構造体同士が付着してしまうと言った問題点がある。例えば、図８における従来例では接点であるpoly−Ｓｉ層１０及び１１が互いに付着してしまう場合がある。
従って本発明の目的は、低消費電力、高速動作、ミクロン・オーダの小型化、他のＩＣ等との混在、大量生産等が容易なマイクロ・アクチュエータを実現することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の第１では、
固定部と、
前記固定部に近接して配置され、前記固定部と接触した際に分子間引力の起因する付着力により前記固定部と付着する可動部と、
前記可動部を付着した前記固定部から分離させ、若しくは、前記固定部に接触させる駆動手段と
を備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
【作用】
固定部と可動部を近接して配置し、固定部と可動部が接触した際に生じる分子間引力の起因する付着力を状態の保持力として用いることにより、低消費電力、高速動作、ミクロン・オーダの小型化、他のＩＣ等との混在、大量生産等が容易になる。
【００２１】
【実施例】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第１の実施例を示す構成ブロック図である。図１において１５及び１６は固定部、１７は可動部、１８は駆動回路、１９はスイッチ回路である。また、１５〜１７は静電アクチュエータとして動作し、１８及び１９は駆動手段５０を構成する。
【００２２】
半導体プロセス等により固定部１５及び１６は平行に向かい合って形成され、固定部１５及び１６間には可動部１７が柔らかいバネ等により支えられる。可動部１７には駆動回路１８の一端が接続され、駆動回路１８の他端はスイッチ回路１９の第１の端子に接続される。
【００２３】
スイッチ回路１９の第２の端子は固定部１５に接続され、スイッチ回路１９の第３の端子は固定部１６に接続される。
【００２４】
但し、可動部１７と固定部１５及び１６との向かい合う部分は付着力が生じるのに十分な程度の平滑度でなければならない。
【００２５】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２を用いて説明する。図２は動作のタイミング図である。初期状態において可動部１７は付着力によって固定部１５に付着しているものとする。
【００２６】
スイッチ回路１９を操作して固定部１６と可動部１７との間に図２中”イ”に示すように駆動電圧を印加する。この結果、可動部１７には固定部１５に対する付着力よりも大きいクーロン力が固定部１６に向かって働く。
【００２７】
従って、可動部１７は固定部１６の方向に移動して固定部１６に付着する。この時点で、駆動電圧の印加を停止しても固定部１６と可動部１７との間に働く付着力によって固定部１６と可動部１７とは離れず可動部１７の状態が保持される。
【００２８】
さらに、スイッチ回路１９を操作して固定部１５と可動部１７との間に図２中”ロ”に示すように駆動電圧を印加する。この結果、可動部１７には固定部１６に対する付着力よりも大きいクーロン力が固定部１５に向かって働く。従って、前述と同様に可動部１７は固定部１５の方向に移動して固定部１５に付着する。また、駆動電圧の印加を停止しても前述と同様に可動部１７の状態が保持される。
【００２９】
この結果、分子間引力の起因する付着力を状態の保持力として利用することにより、駆動時以外に駆動電圧を印加する必要がないので低消費電力であるマイクロ・アクチュエータとなる。
【００３０】
また、ここで、図１に示す実施例の構造に対する印加する駆動電圧、状態が変化する遷移時間、消費エネルギーを見積もる。
【００３１】
今、可動部１７の大きさ等の諸条件をそれぞれ、長さを”ａ”、幅を”ｂ”、厚さを”ｈ”、シリコンの密度を”ρ”、可動部１７と付着していない固定部までの距離を”ｄ”、可動部１７と付着していない固定部間の誘電率を”ε”とした場合に以下に示すように仮定する。
ａ＝５０［μｍ］ (1)
ｂ＝１０［μｍ］ (2)
ｈ＝５００［ｎｍ］ (3)
ρ＝２．３３×１０3 ［ｋｇ／ｍ3 ］ (4)
ｄ＝１００［ｎｍ］ (5)
ε＝ε0＝８．８５４×１０-12 ［Ｆ／ｍ］ (6)
また、可動部１７を支持するバネは十分に柔らかいとしてバネ定数を”０”と仮定する。
【００３２】
第１に静電アクチュエータの発生する力”ＦS ”は、駆動電圧を”Ｖ”、電極面積を”Ｓ＝ａ×ｂ”とした場合、上記条件から、
ＦS＝1/2・ε(Ｖ／ｄ)2・Ｓ (7)
となる。
【００３３】
一方、付着力の大きさ”ＦA ”は、
ＦA／Ｓ＝５×１０4［Ｆ／ｍ2］ (8)
程度であることが実験から分かっているので、この付着力と前記静電アクチュエータの発生する力が等しくなる時の駆動電圧”Ｖ0 ”を求めると、
Ｖ0＝ｄ・{2・ＦA／ε・Ｓ}1/2 (9)
となる。
【００３４】
式（９）に式（１），（２），（５），（６）及び（８）を代入することにより、
Ｖ0＝１０．６［Ｖ］ (10)
となる。
【００３５】
第２に、状態が変化する遷移時間を求めるに際しては、付着力の引力は可動部１７が固定部１５若しくは固定部１６から離れた後は作用せず、また、可動部１７に作用する静電引力は可動部１７と付着していない固定部までの距離”ｄ”の時の値のままで一定であり、さらに、印加する駆動電圧は５［Ｖ］であるとそれぞれ仮定する。
【００３６】
上記仮定においては付着状態を分離するのに要する時間を無視しているが、こに対して静電引力が距離”ｄ”に基づいて変化することについても無視している。
【００３７】
可動部１７の質量”Ｍ”は、
Ｍ＝ａ・ｂ・ｈ・ρ (11)
であり、式（１）〜（４）を代入することによって、
Ｍ＝５．８×１０-13［ｋｇ］ (12)
となる。
【００３８】
従って、可動部１７が距離”ｄ”の間を移動する時間は”ｔ”は、
【００３９】
第３に、消費エネルギー”Ｗ”は可動部１７と固定部１５若しくは１６の間の付着エネルギー”ＷA ”と、可動部１７を移動させるのに必要なエネルギー”ＷB ”と、移動後に可動部１７と可動部１７が付着している固定部１５若しくは１６の間の容量に蓄えられるエネルギー”Ｗc ”との合計になる。
【００４０】
単位面積当たりの付着エネルギー”ＷA ”は約４４０［ｍＪ／ｍ2 ］であることが実験により求まっているので、
【００４１】
また、可動部１７を移動させるのに必要なエネルギー”ＷB ”は、
【００４２】
さらに、可動部１７と可動部１７が付着している固定部１５若しくは１６の間の容量に蓄えられるエネルギー”Ｗc ”は、可動部１７と可動部１７が付着している固定部１５若しくは１６の間の距離”ｄC ”を”３０［ｎｍ］”、印加される電圧”Ｖ”を”５［Ｖ］”、可動部１７と可動部１７が付着している固定部１５若しくは１６の間の絶縁層である”Ｓｉ０2 ”、”Ｓｉ3Ｎ4”の比誘電率”ε’”を”３．８”とすれば、
【００４３】
従って、消費エネルギー”Ｗ”は、
【００４４】
この結果、図１に示す実施例の構造に対する印加する駆動電圧は約”１１［Ｖ］”、状態が変化する遷移時間は０．１５［μｓ］、消費エネルギーは約”２．３×１０-10 ［Ｊ］”である。
【００４５】
これに対して、図７に示す従来例などでは駆動電圧は”５［Ｖ］”、状態が変化する遷移時間は約１．５［ｍｓ］、消費エネルギーは”５×１０-4［Ｊ］”である。
【００４６】
ここで、図１に示す実施例では駆動電圧が従来例と比較して”１１［Ｖ］”と大きくなっているが可動部１７と固定部１５及び１６の付着面に、突起を作成したり表面粗さを粗くして、面同士の付着面積を小さくすることにより駆動電圧を低くすることが可能となる。例えば、付着面の状態を粗くして付着面積を”１／１０”にすれば駆動電圧は３．４［Ｖ］となる。
【００４７】
また、状態が変化する遷移時間は約”１／(３×１０4) ”になり、消費エネルギーに関しては”１／(２×１０6) ”にすることが可能になる。
【００４８】
即ち、一対の固定部を平行に向かい合わせて配置し、一対の固定部の間に可動部を設ける構造にし、固定部と可動部が接触した際に生じる付着力を状態の保持力として用いることにより、状態を変化させる時以外は駆動電圧が不要であるため低消費電力となる。駆動電圧も一般にＩＣで用いられる”５［Ｖ］”程度で良くなる。
【００４９】
また、付着力が顕著になる程度の微細構造にすることにより、高速動作が可能になり、半導体プロセスを用いて本願発明に係るマイクロ・アクチュエータを作成することにより、ミクロン・オーダの小型化、他のＩＣ等との混在、大量生産等が容易となる。
【００５０】
さらに、従来ミクロン・オーダの小型化に際して問題となっていたファンデル・ワールス力等の分子間引力に起因する付着力を逆に保持力として利用することにより、付着によって動作不可能になることを考慮することがなくなる。
【００５１】
また、図３は半導体プロセスを用いて作成したマイクロ・アクチュエータの具体例を示す平面図及び断面図である。図３において１５ａ及び１６ａは固定部、１７ａは可動部、２０ａ，２０ｂ及び２０ｃは電極、２１はＳｉ基板、２２はＳｉＯ2 膜、２３ａ，２３ｂ及び２３ｃはＳｉ3Ｎ4膜、２４ａ，２４ｂ及び２４ｃはpoly−Ｓｉ層である。
【００５２】
Ｓｉ基板２１上にＳｉＯ2 膜２２及びＳｉ3Ｎ4膜２３ａを形成し、Ｓｉ3Ｎ4膜２３ａ上に固定部１６ａとしてpoly−Ｓｉ層２４ａ及びＳｉ3Ｎ4膜２３ｂを形成する。また、可動部１７ａとしてpoly−Ｓｉ層２４ｂ及びＳｉ3Ｎ4膜２３ｃを形成し、固定部１５ａとしてpoly−Ｓｉ層２４ｃを形成する。
【００５３】
さらに、poly−Ｓｉ層２４ａ，２４ｂ及び２４ｃ上には電極２０ｃ，２０ｂ及び２０ａがそれぞれ形成される。ここで、Ｓｉ3Ｎ4膜２３ｂ及び２３ｃはpoly−Ｓｉ層２４ａ，２４ｂ及び２４ｃをそれぞれ絶縁するために形成されている。
【００５４】
図３においては固定部１５ａと可動部１７ａが付着しており、図１に示す実施例と同様に電極２０ｂと電極２０ｃとの間に駆動電圧を印加すれば可動部１７ａは下側に移動して固定部１６ａと付着する。
【００５５】
また、電極２０ａと電極２０ｂとの間に駆動電圧を印加すれば可動部１７ａは上側に移動して固定部１５ａと付着する。可動部１７ａが固定部１５ａ若しくは１６ａに一旦付着すれば駆動電圧の印加を停止しても可動部１７ａの状態は保持される。
【００５６】
また、図４は半導体プロセスを用いて作成したマイクロ・リレーの具体例を示す断面図である。図４において１５ｂ及び１６ｂは固定部、１７ｂは可動部、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ及び２５ｄはＳｉ3Ｎ4膜、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ及び２６ｅはpoly−Ｓｉ層である。但し、２１及び２２は図３と同一符号を付してある。
【００５７】
Ｓｉ基板２１上にＳｉＯ2 膜２２及びＳｉ3Ｎ4膜２５ａを形成し、固定部１６ｂとしてpoly−Ｓｉ層２６ａ及びＳｉ3Ｎ4膜２５ｂを、接点用としてpoly−Ｓｉ層２６ｂを、接点用及び可動部支持用としてpoly−Ｓｉ層２６ｃ及びＳｉ3Ｎ4膜２５ｃをそれぞれＳｉ3Ｎ4膜２５ａ上に形成する。
【００５８】
また、可動部１７ｂとしてpoly−Ｓｉ層２６ｄ及びＳｉ3Ｎ4膜２５ｄがＳｉ3Ｎ4膜２５ｃ上に形成され、固定部１５ｂとしてpoly−Ｓｉ層２６ｅが形成される。ここで、Ｓｉ3Ｎ4膜２５ｂ，２５ｃ及び２５ｄはpoly−Ｓｉ層２６ａ，２６ｃ，２６ｄ及び２６ｅをそれぞれ絶縁するために形成されている。
【００５９】
また、poly−Ｓｉ層２６ｃ及び２６ｄとＳｉ3Ｎ4膜２５ｃ及び２５ｄは梁を構成しており上下に可動する。また、poly−Ｓｉ層２６ｄ及び２６ｅの付着面には付着力を調整するためにその表面に複数の突起を設けている。
【００６０】
図４においては固定部１５ｂと可動部１７ｂが付着しており、図１に示す実施例と同様にpoly−Ｓｉ層２６ａとpoly−Ｓｉ層２６ｄとの間に駆動電圧を印加すれば可動部１７ｂは下側に移動して固定部１６ｂと付着する。
【００６１】
この時、poly−Ｓｉ層２６ｂ及び２６ｃが接触し、マイクロ・リレーの接点である図４中”イ”の部分が閉状態になる。
【００６２】
また、poly−Ｓｉ層２６ｄとpoly−Ｓｉ層２６ｅとの間に駆動電圧を印加すれば可動部１７ｂは上側に移動して固定部１５ｂと付着する。この時、poly−Ｓｉ層２６ｂ及び２６ｃが離れ、マイクロ・リレーの接点である図４中”イ”の部分が開状態になる。
【００６３】
可動部１７ｂが固定部１５ｂ若しくは１６ｂに一旦付着すれば駆動電圧の印加を停止しても可動部１７ｂの状態は保持される。即ち、マイクロ・リレーの接点である図４中”イ”の状態が保持される。
【００６４】
なお、図１，図３及び図４においては１対の固定部を平行に配置し、固定部の間に可動部を設けているが、必ずしも１対の固定部を平行に配置する必要はない。
【００６５】
図５は本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第２の実施例を示す構成ブロック図であり、図５において１５ｃ及び１６ｃは固定部、１７ｃは可動部である。
図５中”イ”を中心にして扇形に固定部１５ｃ及び１６ｃを配置し、固定部１５ｃ及び１６ｃの間に可動部１７ｃを配置しても良い。
【００６６】
また、固定部は１対である必要はなく図６に示すような構成であっても良い。図６は本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第３の実施例を示す構成ブロック図であり、図６において１５ｄは固定部、１７ｄは可動部である。
【００６７】
固定部１５は基板等の上に配置され、可動部１７ｄは固定部１５の上に梁として構成される。図６（Ａ）は固定部１５ｄと可動部１７ｄとが離れた状態を示し、図６（Ｂ）は固定部１５ｄと可動部１７ｄとが付着した状態を示している。
【００６８】
可動部１７ｄは構造体の剛性で図６（Ａ）の状態を保持しており、図示しない駆動手段により、固定部１５ｄと可動部１７ｄとを付着させ、若しくは、分離させることが可能になる。
【００６９】
図１，図３及び図４においては電極間に駆動電圧を印加することにより生じるクーロン力を用いる駆動回路を設け、静電アクチュエータとして構成しているが、バイメタル等のアクチュエータを用いることも可能である。また、熱的歪、光学的歪、電気的歪、電磁力等を用いた駆動手段を用いても良い。
【００７０】
また、図１，図３及び図４においては可動部が基板に対して上下方向に移動するが、基板に対して水平方向に移動させることも可能である。
【００７１】
また、図３及び図４において、接点の構造体の材料として導電性多結晶シリコンを用いているが他の導電性材料を用いても良い。
【００７２】
また、図３及び図４において、梁の構造体の材料として導電性多結晶シリコンを用いているが、導電性多結晶シリコンに限るわけではなく、接点部からの引出しリード線を設ければ絶縁体であっても良い。
【００７３】
また、図３及び図４において、絶縁体として”Ｓｉ3Ｎ4”を用いているがその他の絶縁物を用いても良い。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
固定部と可動部を近接して配置し、固定部と可動部が接触した際に生じる分子間引力の起因する付着力を状態の保持力として用いることにより、低消費電力、高速動作、ミクロン・オーダの小型化、他のＩＣ等との混在、大量生産等が容易なマイクロ・アクチュエータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第１の実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】動作のタイミング図である。
【図３】半導体プロセスを用いて作成したマイクロ・アクチュエータの具体例を示す平面図及び断面図である。
【図４】半導体プロセスを用いて作成したマイクロ・リレーの具体例を示す断面図である。
【図５】本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第２の実施例を示す構成ブロック図である。
【図６】本発明に係るマイクロ・アクチュエータの第３の実施例を示す構成ブロック図である。
【図７】従来のメカニカル・リレーの一例を示す構成図及び動作のタイミング図である。
【図８】従来のマイクロ・リレーの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ コア
２ コイル
３ 永久磁石
４ａ，４ｂ ヨーク
５ａ，５ｂ 可動接点
６ａ，６ｂ ガイド
７ ｐタイプＳｉ基板
８ ｎタイプ領域
９，１２ 絶縁膜
１０，１１，１３，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ 導電性多結晶シリコン層
１４ａ，１４ｂ アルミニウム電極
１５，１５ａ，１５ｂ，１６，１６ａ，１６ｂ 固定部
１７，１７ａ，１７ｂ 可動部
１８ 駆動回路
１９ スイッチ回路
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 電極
２１ Ｓｉ基板
２２ ＳｉＯ2 膜
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ Ｓｉ3Ｎ4膜
５０ 駆動手段
１００，１０１ 端子
１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，１０４ａ，１０４ｂ 接点
Claims (1)
- 固定部と、
前記固定部に近接して配置され、前記固定部と接触した際に分子間引力の起因する付着力により前記固定部と付着する可動部と、
前記可動部を付着した前記固定部から分離させ、若しくは、前記固定部に接触させる駆動手段と
を備えたことを特徴とするマイクロ・アクチュエータ。
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