JP4102343B2 - 大面積ステージを備えた２軸アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は２軸アクチュエータに係り、さらに詳細には走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）技術を応用したデータ保存システムに用いられるＸ−Ｙステージマイクロ駆動用の２軸アクチュエータに関する。

ＳＰＭ技術を応用したデータ保存システムは、一般に、保存媒体であるメディアと、メディアをステージ上に装着してＸＹ方向に駆動する駆動器と、メディアに情報を記録したりあるいはメディアから情報を読み取る探針を有する少なくとも一つのプローブと、情報信号を処理する信号処理部とを備える。

多重プローブは同時に一つ以上の情報の保存／読み込みが可能であり、このために、各プローブの探針はメディアに接近させる必要がある。従って、プローブは駆動器および感知器を必要とする。前記駆動器は、プローブの探針をメディアに接近させるようにプローブをｚ方向に変形させる役割を有する。また、前記感知器は、メディアに沿って動くプローブの変形を感知してメディアに記録された情報を読み込む役割を有する。

Ｘ−Ｙ方向の２軸以上の駆動のためには、各軸に単方向駆動である場合には少なくとも３つ以上の電極が駆動部に必要になり、各軸に双方向に駆動をする場合には少なくとも５つの電極が駆動部に必要になる。そこで、特許文献１には、熱酸化を利用して選択領域を絶縁して、１つのシリコン構造物内に２軸駆動を可能にする複数の電極を有する駆動部を実現できることが開示されている。この特許文献１に開示されている方法によれば、２軸駆動に要する電極の問題を解決できるが、非常に複雑な工程が必要となる。

特許文献２には、前記の問題点を考慮して、１つの電極を使用して２軸駆動が可能なシングルステージマイクロ駆動器が開示されている。

しかし、前記特許文献２に開示されている駆動器は、メディアが配置されるステージが静電気力を発生させる駆動部と同じ平面に形成されるために、マイクロ駆動器全体におけるステージ領域の使用効率が悪いという問題があり、従ってメディアの面積が狭いことによって情報保存容量が小さくなる問題がある。
米国特許第５，５３６，９８８号明細書 米国特許第６，４４５，１０７号明細書

本発明の目的は、ステージを駆動部と分離して駆動部の上部に配することによってステージの領域を拡張して、情報保存容量を顕著に増加させることができる大面積ステージを備えた２軸アクチュエータを提供することである。

本発明の他の目的は、軸間カップリングのない大面積ステージを備えた２軸アクチュエータを提供することである。

前記目的を達成するために、本発明によれば、基板と、前記基板に固定されたほぼ矩形の第１方向辺と第２方向辺とそれぞれ１対有し、対面する１対の第１方向辺のそれぞれは複数の分離された部分を有するアンカ部と、前記第１方向辺に垂直の第２方向辺に隣接した各領域に形成され、それぞれ第１方向に駆動する第１駆動部と、前記基板から上方に所定距離離隔されて設けられ、前記第１駆動部の間で前記第２方向辺に隣接した各領域で第２方向に駆動する第２駆動部と、前記第２駆動部の上部に配置されて前記第２方向に駆動される四角形のステージと、前記ステージおよび前記アンカ部から所定距離離隔され、前記各第１駆動部の上部の対面する両側から互いに延びて一体に形成され、前記第１駆動部の前記第１方向への駆動によって前記ステージを前記第１方向に移動させるステージ移動補助部と、前記第１駆動部が前記アンカ部の内面に支持されて前記第１駆動部が前記第１方向への移動が可能なように形成された第１方向変形スプリング部と、前記第２駆動部が前記ステージ移動補助部の内面に支持されて前記第２駆動部が前記第２方向への移動が可能なように形成された第２方向変形スプリング部とを備える、大面積ステージを備えた２軸アクチュエータが提供される。

前記第１駆動部は、前記基板から所定距離上方に離隔され、その上部が前記ステージ移動補助部に連結され、前記アンカー部の第２方向辺に並んで配置された複数の第１駆動フレームと、前記基板上の前記空間で互いに対向する方向に延長され、前記第１駆動フレームと交互に並んで配置された複数の第１固定フレームと、前記第１駆動フレームから対応する駆動方向に向けて延びる複数の第１駆動櫛型電極と、前記第１固定フレームに前記駆動櫛型電極と交互に並んで配置された第１固定櫛型電極とを備えることが望ましい。

前記第１方向変形スプリング部は、前記第１駆動フレームの両端を前記アンカ部の前記第１方向辺に連結するスプリングであってもよい。

また、前記第１方向変形スプリング部は、前記アンカ部の第１方向辺と、前記辺に対応するステージ移動補助部の外側とを連結するスプリングであってもよい。

また、本発明の２軸アクチュエータは、前記第１駆動フレームの中央を連結する第１メインフレームをさらに備え、前記第１固定フレームは前記第１メインフレームの両側に配置される。

前記第２駆動部は、前記アンカー部の第１方向辺に並んだ方向に配置された複数の第２固定フレームと、前記アンカー部の第１方向辺に隣接する前記第２固定フレームの中央部を連結し、その一つの端部が対応する前記アンカー部の第１方向辺に向けて延長された第２メインフレームと、前記第２メインフレームの前記端部に連結され、その上部が前記ステージ移動補助部に連結される第１支持ビームと、前記第２固定フレームと交互に並べて前記第２メインフレームの両側に配置され、その上部が前記ステージに連結される複数の第２駆動フレームと、前記第２駆動フレームの外側端をそれぞれ連結する第３メインフレームと、前記第２駆動フレームに設けられ、前記対応する第１方向辺と反対方向に延長される複数の第２駆動櫛型電極と、前記第２固定フレームに設けられ、前記第２駆動櫛型電極と交互に並んで配置された複数の第２固定櫛型電極とを備えることが望ましい。

前記第２方向変形スプリング部は、前記第２方向の前記ステージの側面と前記ステージ移動補助部の内側面との間に形成されていてもよい。

一方、本発明の２軸アクチュエータにおいて、前記第３メインフレームの外側に所定距離離隔された位置でその上部が前記ステージ移動補助部に連結された第２支持ビームをさらに備え、前記第２方向変形スプリング部は前記第２支持ビームと前記第３メインフレームの間に形成される。

また、前記第１支持ビームと前記対応する第１方向辺の間に第１方向変形スプリングをさらに備えることが望ましい。

前記第１メインフレームの端部と対応する第３メインフレームの間に、それらを連結する第２方向変形スプリングをさらに備えることが望ましい。
前記ステージ移動補助部には多数の開口部が形成されていることが望ましい。

本発明の他の実施形態の２軸アクチュエータにおいて、前記第１駆動部は、前記アンカ部の第２方向辺と並んで配置された複数の第１固定フレームと、前記基板から所定距離上方に離隔され、その上部が前記ステージ移動補助部に連結され、前記第１駆動フレームと交互に並んで配置された複数の第１駆動フレームと、前記第１駆動フレームから対応する第１固定フレームに向けて延びた第１駆動櫛型電極と、前記第１固定フレームに前記第１駆動櫛型電極と交互に並んで配置された第１固定櫛型電極とを備えることが望ましい。

前記第１固定フレームの中央を連結する第１メインフレームをさらに備え、前記第１駆動フレームは前記第１メインフレームの両側に配置されていてもよい。

また前記第２駆動部は、前記第１方向辺に並んだ方向に配置された複数の第２固定フレームと、前記第２固定フレームの中央部を連結し、その一端が前記第１方向辺に向けて延長された第２メインフレームと、前記第２メインフレームの端部に連結され、その上部が前記ステージ移動補助部に連結される第１支持ビームと、その上部が前記ステージに連結され、前記第２メインフレームの両側に前記第２固定フレームと交互に並んで配置された複数の第２駆動フレームと、前記第２駆動フレームの外側端からそれぞれ所定距離離隔されて第２方向に配置され、その上部がステージ移動補助部に連結された第３メインフレームと、前記第２駆動フレームに設けられ、前記対応する第１方向辺に向かう方向と反対方向に延長される第２駆動櫛型電極と、前記第２固定フレームに設けられ、前記第２駆動櫛型電極と交互に並んで配置された第２固定櫛型電極とを備える。

さらに、前記ステージ移動補助部の下部で前記第２固定フレームの外側端に連結される第２支持ビームをさらに備えることが望ましい。

本発明による２軸アクチュエータは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を使用してシリコンウェーハ上に具現が可能であり、櫛型構造物における静電力を利用して駆動することができる。

本発明による２軸アクチュエータは、ステージを駆動部の上部に別途に形成することによって駆動装置面積に対してステージ面積（保存面積）を顕著に広くすることができ、また、Ｘ軸およびＹ軸の移動時の干渉による軸間カップリングがないデータ保存装置用Ｘ−Ｙステージマイクロ駆動器を構成することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明による２軸アクチュエータの望ましい実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による２軸アクチュエータの分解斜視図であり、駆動部およびステージ部の連結のための連結部の形状を共に図示し、図２は図１の透視平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図であって、連結部およびステージ部を示す図面である。

図１ないし図３に示すとおり、本発明による２軸アクチュエータは、基板１０と、基板１０上で第１方向（図２に示すＸ軸の方向）に駆動する第１駆動部および前記第１方向に垂直な方向の第２方向（図２に示すＹ軸の方向）に駆動する第２駆動部を含む駆動部１１と、前記駆動部１１に連結されて第１方向と第２方向に動くステージ部７０と、前記駆動部１１と前記ステージ部７０の間に配置され、前記駆動部１１と前記ステージ部７０を連結する連結部９０とを備える。前記駆動部１１および前記ステージ部７０は導電性材料で形成されることが望ましく、前記連結部９０は絶縁層で形成されることが望ましい。

基板１０上には、アンカ部２０が設けられる。アンカ部２０は、基板１０に固定されたほぼ矩形の辺を有し、第１方向の辺は複数の分離された部分を有する。

前記アンカ部２０は、２つの第２方向辺２１と、第１方向辺とを有する。前記第１方向辺は、２つの第２方向辺２１のそれぞれの両端に相互に対面して配置され、かつ第１方向に沿って所定距離延設された４つの第１部分２２（２２ａ，２２ａ，２２ｂ，２２ｂ）と、前記第１部分２２ａと第１部分２２ｂの間に第１方向に沿って配置された２つの第２部分２３，２３とを備える。これらのアンカ部２０は、連結部９０を介して前記ステージ部７０に連結されることが望ましい。前記第２方向辺２１または第１部分２２（２２ａ，２２ａ，２２ｂ，２２ｂ）には１つの駆動部電極パッド２７が設けられ、それぞれの第２部分２３には固定部電極パッド２８が設けられる。

前記アンカ部２０内には、第１駆動部および第２駆動部が配設される。第１駆動部は第２方向辺２１に隣接した領域にそれぞれ形成され、前記第２駆動部は前記第１駆動部の間に配置される。

前記第１駆動部は、前記第２方向辺２１と並んで配置された複数の第１駆動フレーム４０と、前記第１駆動フレーム４０と交互に並んで配置された複数の第１固定フレーム３０と、前記第１駆動フレーム４０から反対側の第２方向辺２１に向けて延びた第１駆動櫛型電極４３と、前記第１固定フレーム３０に前記第１駆動櫛型電極４３と交互に並んで配設された第１固定櫛型電極３３とを備える。

前記第１駆動フレーム４０は、基板１０から所定距離上方に離隔されており、第１駆動フレーム４０の上部は後述するステージ移動補助部（図４の７２）に連結される（図３参照）。前記第２方向辺２１に近接した第１駆動フレーム４０の両端は、前記第１部分２２ａ，２２ａ，２２ｂ，２２ｂのそれぞれに第１方向変形スプリング４５を介して連結される。一側の２つの第１駆動フレーム４０はそれらの中央を結ぶ第１駆動メインフレーム４１に連結され、前記第１駆動メインフレーム４１と後述する第２メインフレーム６１の間には第２方向変形スプリング４６が連結される。

前記第１部分２２と第２部分２３の間には、それらと電気的に分離された第１フレーム３１が配設され、この第１フレーム３１の両端に第１固定フレーム３０の端部が連結されて通電される。この第１固定フレーム３０および第１フレーム３１は、基板１０上に固定されているが、前記ステージ部７０からは所定距離離隔されている。前記第１フレーム３１のそれぞれには、固定部電極パッド３８が設けられる。

前記第２駆動部は、基板１０から上方に所定距離離隔されて設けられる。前記第２駆動部は、前記第２部分２３に隣接した各領域に前記第２部分２３に並んだ方向に配置された第２固定フレーム５０と、前記第２固定フレーム５０の中央部を連結し、その一端が対応する前記第２部分２３に向けて延長された第２メインフレーム５１と、前記第２メインフレーム５１の端部に連結され、その上部がステージ移動補助部７２に連結される第１支持ビーム５４と、前記第２メインフレーム５１の両側に前記第２固定フレーム５０と交互に並んで配置された第２駆動フレーム６０と、前記第２駆動フレーム６０の外側端をそれぞれ連結する第３メインフレーム６１とを備える。前記第２駆動フレーム６０には、対応する第２部分と反対の方向に前記第２駆動フレーム６０から延長される第２駆動櫛型電極６３が形成されており、前記第２固定フレーム５０には、前記第２駆動櫛型電極６３と交互に並んで配置された第２固定櫛型電極５３が形成されている。

前記第２固定フレーム５０および第２メインフレーム５１は、ステージ移動補助部７２に固定された第１支持ビーム５４によって支持される（図３参照）。前記第１支持ビーム５４と第２部分２３の間には、第１方向変形スプリング５５が配設される。

前記第２駆動フレーム６０は、連結部９０を介してステージ部７０のステージ７１（図４参照）に連結され、静電気力により第２方向に駆動される。前記第３メインフレーム６１の中央外側には、前述のように前記第２方向変形スプリング４６が連結され、その前記第３メインフレーム６１の両側には、第２方向変形スプリング６５によって第２支持ビーム６４が連結される。前記第２支持ビーム６４は、ステージ部７０のステージ移動補助部７２（図４参照）に連結される。

図４は図１のステージ部７０の平面図である。図４に示すとおり、前記ステージ部７０は、第２駆動部によって第２方向に駆動する四角形のステージ７１と、アンカ部２０の上部で四角形状の辺を有するフレーム部７３と、前記第２駆動部の第２駆動フレーム６０の上部にそれぞれ連結されて、前記ステージ７１とフレーム部７３の間に、対面する両側で互いに延びて１つの本体をなすステージ移動補助部７２とを備える。前記ステージ７１と前記ステージ移動補助部７２の間には第２方向変形スプリング７４が配置され、前記ステージ移動補助部７２と前記フレーム部７３の間には第１方向変形スプリング７５が配置される。前記ステージ７１は下部に設けられた第２駆動フレーム６０の移動により第２方向に移動し、ステージ移動補助部７２は第１駆動フレーム４０の移動により第１方向に移動する。従って、ステージ７１は、第１方向および第２方向に、すなわち、２軸の間の軸間カップリングが生じずに独立に２軸方向に移動が可能である。

図５は、図１の連結部９０の平面図である。前記駆動部１１とステージ部７０の間に配置される前記連結部９０は、前記駆動部１１の駆動力を前記ステージ部７０に伝達するとともに、駆動部１１とステージ部７０の間の絶縁体の役割を有する。図５に示す連結部９０の各部には、連結される駆動部１１とステージ部７０の各部に対して用いた符号と同じ番号を付した。

図５に示すとおり、アンカ部２０、第１駆動フレーム４０、第２駆動フレーム６０、第１支持ビーム５４および第２支持ビーム６４が、ステージ部７０に連結される。

前記ステージ７１を平面上のＸ−Ｙ方向に移動させるために、第１駆動櫛型電極４３とこれに対応する第１固定櫛型電極３３との間の電圧差、および第２駆動櫛型電極６３とこれに対応する第２固定櫛型電極５３との間の電圧差による静電気力を利用する。

静電気力は、各駆動方向に発生して前記ステージ７１を中心に図２の紙面右方向の正のＸ方向、紙面左方向の負のＸ方向、紙面上方向の正のＹ方向、紙面下方向の負のＹ方向の４方向に作用する。

図６は、本発明の第１実施形態による２軸アクチュエータの作動時に印加される印加電圧を示す平面図である。図６に示すとおり、第１駆動フレーム４０と、第２駆動フレーム６０と、アンカ部２０とは互いに電気的に接続されており、アンカ部の第２方向辺２１に、それらの第１駆動フレーム４０および第２駆動フレーム６０に電圧を印加する駆動部電極パッド２７が設けられている。そして、各第１フレーム３１には固定部電極パッド３８が形成されており、一側の２つの固定部電極パッド３８にＸ軸駆動電圧ＶａまたはＶｃを印加する。第２固定フレーム５０は隣接したアンカ部２０の第２部分２３と電気的に接続されており、アンカ部２０の第２部分２３には対応する第２固定フレーム５０に所定の駆動電圧を印加する固定部電極パッド２８が設けられる。

静電気力の大きさは、各方向に対して独立的に形成された固定部電極パッド２８，３８にそれぞれ印加される電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄと、１つの駆動部電極パッド２７に印加される電圧Ｖｅとの差によりそれぞれ調節され、この静電気力の大きさは前記ステージ７１の移動量を調節する。

図７は、本発明による２軸アクチュエータの作動原理を説明するための単純模型図であり、図８は、正のＸ軸方向にステージが駆動される原理を示す２軸アクチュエータの単純模型図である。

図７および図８に示すとおり、ステージ７１を正のＸ軸方向に駆動する場合、負のＸ軸方向に位置した固定櫛型電極３３ｃと駆動櫛型電極４３ｃとの間の電圧差により発生する静電気力８２によって、第１駆動フレーム４０ｃが正のＸ軸方向に移動する。この時、第１駆動フレーム４０、第１支持ビーム５４および第２支持ビーム６４に連結されたステージ移動補助部（図４の７２）が正のＸ軸方向に移動するので、第１方向変形スプリング４５ａ，４５ｃ，５５ｂ，５５ｄと、ステージ部７０の第１方向変形スプリング７５（図４参照）とがＸ軸方向（第１方向）に変形して、第１駆動フレーム４０およびステージ移動補助部７２を正のＸ軸方向に移動させる。第２方向変形スプリング６５ｂ，６５ｄ，４６と、ステージ部７０の第２方向変形スプリング７４とは、前記第１駆動フレーム４０およびステージ移動補助部７２の移動時にＸ軸方向と平行な方向に配列されているため、引っ張り力を受けて変形しないで正のＸ軸方向に移動する。従って、ステージ７１は、第１駆動フレーム４０の移動方向に移動する。ここで、図８の符号８０は正のＸ軸方向に駆動する場合における移動前の形状を示したものであり、符号８１は正のＸ軸方向に駆動して移動後の形状を図示したものである。

図９は、正のＹ軸方向にステージを駆動する原理を示す２軸アクチュエータの単純模型図である。図７および図９に示すとおり、負のＹ軸方向に位置した駆動櫛型電極６３ｂと固定櫛型電極５３ｂとの間の電圧差により発生する静電気力８７によって、第２駆動フレーム６０ｂが正のＹ軸方向に移動する。この時、第２駆動フレーム６０ｂに連結されたステージ７１が正のＹ軸方向に移動するので、第２方向変形スプリング６５ｂ，６５ｄ，４６とステージ部７０の第２方向変形スプリング７４とがＹ軸方向（第２方向）に変形して、第２駆動フレーム６０ｂおよびステージ７１が正のＹ軸方向に移動する。第１方向変形スプリング４５ａ，４５ｃ，５５ｂ，５５ｄと、ステージ部７０の第１方向変形スプリング７５とは、前記第２駆動フレーム６０およびステージ７１の移動とは関係なく変形および移動しない。図９の符号８５は正のＹ軸方向に駆動する場合における移動前の形状を示したものであり、符号８６は正のＹ軸方向に移動した後の形状を図示したものである。

前記Ｘ軸方向駆動のための静電気力８２とＹ軸方向駆動のための静電気力８７が同時に作用する場合、ステージ７１は、それ自体がＹ軸方向に移動しつつ、ステージ移動補助部７２のＸ軸方向の移動によりＸ軸方向に位置が移動する。従って、ステージ７１は２軸駆動される。この２軸駆動の作動原理は実質的にＸ軸方向移動とＹ軸方向移動とを単純結合したものであるので詳細な説明は省略する。

図１０は本発明の第２実施形態による２軸アクチュエータの平面図であり、連結部およびステージ部を除外した駆動部の平面図であり、図１１は図１０のステージ部の平面図である。

図１０および図１１に示すとおり、本発明の第２実施形態による２軸アクチュエータは、基板１１０と、前記基板１１０上で第１方向に駆動する第１駆動部および前記第１方向に垂直な方向の第２方向に駆動する第２駆動部を含む駆動部と、前記駆動部に連結されて２軸運動するステージ部１７０と、前記駆動部とステージ部１７０との間に配置され、それらの駆動部とステージ部１７０とを連結する連結部（図示せず）とを備える。前記駆動部およびステージ部１７０は導電体で形成され、前記連結部は絶縁層で形成されることが望ましい。連結部は、図１および図５に示す連結部と同様のものであるので、詳細な図示および説明は省略する。

基板１１０上には、固定されたほぼ四角形状の辺を有するアンカ部１２０が配設される。アンカ部１２０は、一対の第１方向辺と、一対の第２方向辺１２１とを有する。アンカ部１２０の第１方向辺は、第２方向辺と分離する、第１部分１２２と、第２部分１２３と、第３部分１２４とを備え、隣接する部分は、所定距離離隔して配置される。前記アンカ部１２０は、連結部を介して前記ステージ部１７０に連結されることが望ましい。

前記アンカ部１２０の内側には、第１駆動部および第２駆動部が配設される。第１駆動部は第２方向辺１２１に隣接した領域に形成され、前記第２駆動部は前記第１駆動部の間の前記第１方向辺に隣接した領域にそれぞれ配設される。

前記第１駆動部は、前記第２方向辺１２１と並んで配置された複数の第１駆動フレーム１４０と、前記第１駆動フレーム１４０と交互に並んで配置された複数の第１固定フレーム１３０と、前記第１駆動フレーム１４０から反対側の第２方向辺１２１に向けて延びた第１駆動櫛型電極１４３と、前記第１固定フレーム１３０から前記駆動櫛型電極１４３と交互に並んで配置された第１固定櫛型電極１３３とを備える。

前記第１固定フレーム１３０は、基板１１０に固定され、その上方に配置されるステージ部１７０から離隔される。前記各一側の第１固定フレーム１３０は、それらの第１固定フレーム１３０の中央を結ぶ第１メインフレーム１３４によって対応する第２方向辺１２１に連結され、前記第１駆動フレーム１４０は前記第１メインフレーム１３４の両側に配設される。

前記第１駆動フレーム１４０は、基板１１０から所定距離上方に離隔されており、その第１駆動フレーム１４０の上部は後述するステージ移動補助部１７２（図１１参照）に連結部を介して連結される。前記第１駆動フレーム１４０の外側端は、隣接した第１方向辺の第１部分１２２に第１方向変形スプリング１４５によって連結される。

前記第２駆動部は、基板１１０から上方に所定距離離隔されて設けられる。前記第２駆動部は、前記第１方向辺の前記第３部分１２４に隣接した各領域で前記第３部分１２４に並んで配置された第２固定フレーム１５０と、前記第２固定フレーム１５０の中央部を連結し、その一端が対応する前記第３部分１２４に向けて延長された第２メインフレーム１５１と、前記第２メインフレーム１５１の端部に連結され、その上部がステージ移動補助部１７２（図１１参照）に連結される第１支持ビーム１５４と、前記第２メインフレーム１５１の両側に前記第２固定フレーム１５０と交互に並んで配置された第２駆動フレーム１６０と、前記第２駆動フレーム１６０の外側端に第２方向変形スプリング１６５を介して連結する第３メインフレーム１６１とを備える。前記第２駆動フレーム１６０には、対応する第１方向辺の第３部分１２４に向かう方向と反対の方向に延長される第２駆動櫛型電極１６３が形成されており、前記第２固定フレーム１５０には、前記第２駆動櫛型電極１６３と交互に並んで配置された第２固定櫛型電極１５３が形成されている。

前記第２固定フレーム１５０の両端には第２支持ビーム１６４が設けられ、この第２支持ビーム１６４はステージ移動補助部１７２に連結されて支持される。

前記第３メインフレーム１６１は、その上部がステージ移動補助部１７２に連結されて第１方向に駆動される第２駆動フレーム１６０を支持する。前記第３メインフレーム１６１の端部は、第１方向辺の第２部分１２３に第１方向変形スプリング１５６によって連結される。

前記第２固定フレーム１５０および第２メインフレーム１５１は、ステージ移動補助部１７２に固定された第１支持ビーム１５４および第２支持ビーム１６４によって支持される。前記第１支持ビーム１５４と第３部分１２４の間には、第１方向変形スプリング１５５が配設される。
前記第１部分１２２、第２部分１２３および第３部分１２４は、第１方向辺を構成し、互いに隣接した他の部分と分離されるように形成されることが望ましい。

前記第２駆動フレーム１６０は、連結部１９０を介してステージ部１７０のステージ１７１に連結されて静電気力により第２方向に移動する。

図１１に示すとおり、前記ステージ部１７０は、第２駆動部によって第２方向に駆動される四角形のステージ１７１と、アンカ部１２０の上部で四角形状の辺を有するフレーム部１７３と、前記ステージ１７１とフレーム部１７３の間で前記第２駆動部の第２駆動フレーム１６０の上部にそれぞれ連結され、対面する両側で互いに延びて一体に形成されたステージ移動補助部１７２とを備える。前記ステージ１７１と前記ステージ移動補助部１７２の間には、前記ステージ１７１と前記ステージ移動補助部１７２を連結する第２方向変形スプリング１７４が配設され、前記ステージ移動補助部１７２と前記フレーム部１７３の間には、前記ステージ移動補助部１７２と前記フレーム部１７３を連結する第１方向変形スプリング１７５が配設される。前記ステージ１７１は、その下部に設けられた第２駆動フレーム１６０の移動により第２方向に移動し、ステージ移動補助部１７２は、第１駆動フレーム１４０の移動により第１方向に移動する。従って、ステージ１７１は、第１方向および第２方向に、互いに２軸間の軸間カップリングが生じずに２軸方向に移動が可能である。

前記変形スプリングは、Ｓ字状スプリングまたは折り畳み型スプリング（folded spring）で形成されることが望ましい。

前記ステージ移動補助部１７２に多数の開口部１７６を形成することによって、ステージ部１７０の重量を軽減することができ、これによって、固有周波数を大きくすることができる。また、折り畳み型スプリング（folded spring）を採用することによって、ステージ１７１を線形的に駆動することができる。

前記ステージ１７１を平面上のＸ−Ｙ方向に動かすために、駆動櫛型電極１４３とこれに対応する固定櫛型電極１３３との間の電圧差、および駆動櫛型電極１６３とこれに対応する固定櫛型電極１５３との間の電圧差によって発生する静電気力を利用する。このステージ１７１を駆動する動作原理は、第１実施形態で説明したところと実質的に同一なので詳細な説明を省略する。

以上の説明のとおり、本発明によるマイクロ駆動用の２軸アクチュエータにおいて、プローブは常にメディア上の同一位置に接近する。プローブがメディアから新しい情報を読み込んだりメディアに情報を書き込むためには、メディアとプローブとの間の相対的位置を変えなければならず、これはメディアを装着したステージのマイクロ駆動器によって具現される。すなわち、データの入出力はプローブにより、データの保存位置はステージのマイクロ駆動器により決定される。ステージを有するマイクロ駆動器は、同一平面上でメディアを２自由度で動かすことができる。

本発明は添付図面に図示された実施形態に基づいて説明されたが、この実施形態は例示的なものに過ぎず、当該技術分野の当業者であれば、多様な変形および均等な他の実施形態の想到が可能であるということが理解されるであろう。よって、本発明の真の保護範囲は特許請求の範囲によってのみ決定されるものである。

本発明の大面積ステージを備えた２軸アクチュエータは、例えば、データ保存システムに効果的に適用可能である。

発明の第１実施形態による２軸アクチュエータの分解斜視図である。 図１の透視平面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図であり、連結部およびステージ部を示す図である。 図１のステージ部の平面図である。 図１の連結部の平面図である。 本発明の第１実施形態による２軸アクチュエータの作動時に印加される電圧を示す平面図である。 本発明による２軸アクチュエータの作動原理を説明するための単純模型図である。 本発明の第１実施形態による２軸アクチュエータにおいて、正のＸ軸方向にステージが駆動される原理を説明する単純模型図である。 本発明の第１実施形態による２軸アクチュエータにおいて、正のＹ軸方向にステージが駆動される原理を説明する単純模型図である。 本発明の第２実施形態による２軸アクチュエータの平面図である。 図１０のステージ部の平面図である。

符号の説明

１０ 基板
２０ アンカ部
２１ 第２方向辺
２２ 第１部分
２３ 第２部分
２７ 駆動部電極
２８ 電極パッド
３０ 第１固定フレーム
３１ 第１フレーム
３３ 第１固定櫛型電極
３８ 固定部電極パッド
４０ 第１駆動フレーム
４１ 第１駆動メインフレーム
４３ 第１駆動櫛型電極
５０ 第２固定フレーム
５１ 第２メインフレーム
５３ 第２固定櫛型電極
５４ 第１支持ビーム
５５ 第１方向変形スプリング
６０ 第２駆動フレーム
６１ 第３メインフレーム
６３ 第２駆動櫛型電極
６４ 第２支持ビーム
６５ 第２方向変形スプリング

Claims (21)

1. 基板と、
   前記基板に固定されたほぼ矩形の第１方向辺と第２方向辺とそれぞれ１対有し、対面する１対の第１方向辺のそれぞれは複数の分離された部分を有するアンカ部と、
   前記第１方向辺に垂直の第２方向辺に隣接した各領域に形成され、それぞれ第１方向に駆動する第１駆動部と、
   前記基板から上方に所定距離離隔されて設けられ、前記各第１駆動部の間で前記第２方向辺に隣接した各領域で第２方向に駆動する第２駆動部と、
   前記第２駆動部の上部に配置されて前記第２方向に駆動される四角形のステージと、
   前記ステージおよび前記アンカ部から所定距離離隔され、前記各第１駆動部の上部の対面する両側から互いに延びて一体に形成され、前記第１駆動部の前記第１方向への駆動によって前記ステージを前記第１方向に移動させるステージ移動補助部と、
   前記第１駆動部が前記アンカ部の内面に支持されて前記第１駆動部が前記第１方向への移動が可能なように形成された第１方向変形スプリング部と、
   前記ステージ移動補助部の下部を支持する第２支持ビームと、前記第２駆動部とを連結し、前記第２駆動部が前記第２方向への移動が可能なように形成される第２方向変形スプリング部と、
   を備えることを特徴とする２軸アクチュエータ。
2. 前記第１駆動部は、
   前記基板から所定距離上方に離隔され、その上部が前記ステージ移動補助部に連結され、前記アンカー部の第２方向辺に並んで配置された複数の第１駆動フレームと、
   前記第１駆動フレームと交互に並んで配置された複数の第１固定フレームと、
   前記第１駆動フレームから対応する駆動方向に向けて延びる複数の第１駆動櫛型電極と、
   前記第１固定フレームに前記駆動櫛型電極と交互に並んで配置された第１固定櫛型電極とを備えることを特徴とする請求項１に記載の２軸アクチュエータ。
3. 前記第１方向変形スプリング部は、
   前記第１駆動フレームの両端を前記アンカ部の前記第１方向辺に連結することを特徴とする請求項２に記載の２軸アクチュエータ。
4. 前記第１方向変形スプリング部は、
   前記アンカ部の第１方向辺と、前記第１方向辺に対応するステージ移動補助部の外側とを連結することを特徴とする請求項２に記載の２軸アクチュエータ。
5. 複数の前記第１駆動フレームの中央を連結する第１メインフレームをさらに備え、
   前記第１固定フレームは前記第１メインフレームの両側に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の２軸アクチュエータ。
6. 前記第２駆動部は、
   前記アンカー部の前記第１方向辺に並んだ方向に配置された複数の第２固定フレームと、
   前記アンカー部の前記第１方向辺に隣接する前記第２固定フレームの中央部を連結し、その一つの端部が対応する前記アンカー部の前記第１方向辺に向けて延長された第２メインフレームと、
   前記第２メインフレームの前記端部に連結され、その上部が前記ステージ移動補助部に連結される第１支持ビームと、
   前記第２固定フレームと交互に並べて前記第２メインフレームの両側に配置され、その上部が前記ステージに連結される複数の第２駆動フレームと、
   前記第２駆動フレームの外側端をそれぞれ連結する第３メインフレームと、
   前記第２駆動フレームに設けられ、前記対応する第１方向辺と反対方向に延長される複数の第２駆動櫛型電極と、
   複数の前記第２固定フレームに設けられ、前記第２駆動櫛型電極と交互に並んで配置された複数の第２固定櫛型電極とを備えることを特徴とする請求項５に記載の２軸アクチュエータ。
7. 前記第２方向変形スプリング部は、
   前記第２方向の前記ステージの側面と前記ステージ移動補助部の内側面との間に形成されたことを特徴とする請求項６に記載の２軸アクチュエータ。
8. 前記第２支持ビームは、前記第３メインフレームの外側に所定距離離隔された位置でその上部が前記ステージ移動補助部に連結され、
   前記第２方向変形スプリング部は前記第２支持ビームと前記第３メインフレームの間に形成されたことを特徴とする請求項６に記載の２軸アクチュエータ。
9. 前記第１支持ビームと対応する前記第１方向辺の間に第１方向変形スプリングをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の２軸アクチュエータ。
10. 前記第１メインフレームの端部と対応する第３メインフレームの間に、それらを連結する第２方向変形スプリングをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の２軸アクチュエータ。
11. 前記ステージ移動補助部に多数の開口部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の２軸アクチュエータ。
12. 前記第１駆動部は、
    前記アンカ部の前記第２方向辺と並んで配置された複数の第１固定フレームと、
    前記基板から所定距離上方に離隔され、その上部が前記ステージ移動補助部に連結され、前記第１固定フレームと交互に並んで配置された複数の第１駆動フレームと、
    前記第１駆動フレームから対応する第１固定フレームに向けて延びた第１駆動櫛型電極と、
    前記第１固定フレームに前記第１駆動櫛型電極と交互に並んで配置された第１固定櫛型電極とを備えることを特徴とする請求項１に記載の２軸アクチュエータ。
13. 前記第１方向変形スプリング部は、
    前記第１駆動フレームの端部を前記アンカ部の前記第１方向辺に連結することを特徴とする請求項１２に記載の２軸アクチュエータ。
14. 前記第１方向変形スプリング部は、
    前記アンカ部の前記第１方向辺と、前記第１方向辺に対応するステージ移動補助部の外側とを連結することを特徴とする請求項１２に記載の２軸アクチュエータ。
15. 前記第１方向辺に隣接する複数の前記第１固定フレームの中央を連結する第１メインフレームをさらに備え、
    前記第１駆動フレームは前記第１メインフレームの両側に配置されたことを特徴とする請求項１２に記載の２軸アクチュエータ。
16. 前記第２駆動部は、
    前記第１方向辺に並んだ方向に配置された複数の第２固定フレームと、
    複数の前記第２固定フレームの中央部を連結し、その一端が前記第１方向辺に向けて延長された第２メインフレームと、
    前記第２メインフレームの端部に連結され、その上部が前記ステージ移動補助部に連結される第１支持ビームと、
    その上部が前記ステージに連結され、前記第２メインフレームの両側に前記第２固定フレームと交互に並んで配置された複数の第２駆動フレームと、
    前記第２駆動フレームの外側端からそれぞれ所定距離離隔されて第２方向に配置され、その上部が前記ステージ移動補助部に連結された第３メインフレームと、
    前記第２駆動フレームに設けられ、対応する前記第１方向辺に向かう方向と反対方向に延長される第２駆動櫛型電極と、
    前記第２固定フレームに設けられ、前記第２駆動櫛型電極と交互に並んで配置された第２固定櫛型電極とを備えることを特徴とする請求項１５に記載の２軸アクチュエータ。
17. 前記第２支持ビームは、前記ステージ移動補助部の下部で前記第２固定フレームの外側端に連結されることを特徴とする請求項１６に記載の２軸アクチュエータ。
18. 前記第２方向変形スプリング部は、
    前記第２方向の前記ステージの側面と前記ステージ移動補助部の内側面との間に形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の２軸アクチュエータ。
19. 前記第２方向変形スプリング部は、
    前記第２方向辺に対向する複数の第２駆動フレームの各端部を対応する前記第３メインフレームの側面に連結することを特徴とする請求項１６に記載の２軸アクチュエータ。
20. 前記第３メインフレームの端部と対応する前記第１方向辺の間に第１方向変形スプリングをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の２軸アクチュエータ。
21. 前記ステージ移動補助部に多数の開口部が形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の２軸アクチュエータ。

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