JP4126308B2

JP4126308B2 - 静電駆動型アクチュエータ

Info

Publication number: JP4126308B2
Application number: JP2005083157A
Authority: JP
Inventors: 良文高橋
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: JP2006271053A

Description

本発明は、可動部と電極との間に電圧をかけて、可動部を駆動する静電駆動型アクチュエータにおいて、その構造を簡単化し、容易に且つ安価に製造できるようにするための技術に関する。

光学装置において例えば光の出射角を変化させる場合、光を反射する反射体の角度をアクチュエータによって変化させている場合が多い。

このような目的で使用されるアクチュエータとして小型で精密性が要求される場合、半導体製造に用いる基板に対するエッチング処理により精密に且つ小型に形成した、所謂ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造のものが用いられている。また、このＭＥＭＳ構造で電圧の印加により駆動する静電駆動型のアクチュエータを製造する場合、一般的に絶縁層（ＳｉＯ_２）の両面を導電層（Ｓｉ）で挟んで３層に形成された既成のＳＯＩ基板（Silicon
on Insulator）を主材料としている。

このＳＯＩ基板を用いた両面電極の静電駆動型のアクチュエータの構造および製造方法は、例えば、次の特許文献１（特に図１０）に開示されている。

特開２００４−１１９９３３号公報

上記特許文献１のアクチュエータは、一枚のＳＩＯ基板とその上に絶縁層を挟んで接着したシリコン基板に対するエッチング処理により、矩形枠状の固定部（基板３２）と、その内側に配置された可動部（可動板３５）と、固定部と可動部との間を連結するとともに捩れ変形し固定部に対して可動部を回動可能な状態に支持する連結部（３３、３４）と、可動部の両端に両面から静電的な力を与えるための電極（５１〜５４、５６〜５９）とを形成している。

しかしながら、上記アクチュエータでは、両面電極型にするために、一枚のＳＯＩ基板に別のシリコン基板を貼り付けてエッチング処理する必要があり、その分製造工程が増え、材料も増えるのでコスト高になるという問題があった。

本発明は、この問題を解決し、１枚のＳＯＩ基板に対するエッチング処理だけで低コストに製造できる両面電極の静電駆動型アクチュエータを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の静電駆動型アクチュエータは、
絶縁層（１０１）を第１導電層（１０２）と第２導電層（１０３）とで挟む３層構造の一枚のＳＯＩ基板（１００）に対するエッチング処理により一体的に形成され、
枠板状の固定部（２１）と、該固定部の枠内に配置された可動部（２２、２２′）と、前記可動部の一端側外縁から前記固定部の内縁まで直線的に延びて前記固定部と可動部との間を連結し、その長さ方向に捩れ変形自在な第１連結部（２３）と、該第１連結部と同軸で前記可動部の他端側外縁から前記固定部の内縁まで直線的に延びて前記固定部と可動部との間を連結し、その長さ方向に捩れ変形自在な第２連結部（２４）と、前記固定部の一面側に形成され、前記第１連結部と第２連結部を結ぶ線を中心に前記可動部を回動させる静電的な力を付与するための第１面電極（３０、３０′、３１、３１′）と、前記固定部の反対面側に形成され、前記第１連結部と第２連結部を結ぶ線を中心に前記可動部を回動させる静電的な力を付与するため第２面電極（３２、３２′、３３、３３′）とを有する静電駆動型アクチュエータであって、
前記固定部、前記可動部、第１連結部および第２連結部は、前記絶縁層を前記第１導電層と前記第２導電層とで挟む３層構造で連続した状態で形成され、
前記第１面電極は前記ＳＯＩ基板の第１導電層に対するエッチング処理で形成されたギャップ（４０、４１）により前記固定部の第１導電層部から絶縁されて形成され、前記第２面電極は前記ＳＯＩ基板の第２導電層部に対するエッチング処理で形成されたギャップ（４２、４３）により前記固定部の第２導電層部から絶縁されて形成されているとともに、
前記可動部の第１導電層部と第２導電層部とを導通させる導通手段（３５、３５′、１０５′）を設けたことを特徴としている。

また、本発明の請求項２の静電駆動型アクチュエータは、請求項１記載の静電駆動型アクチュエータにおいて、
前記導通手段は、前記可動部の第１導電層部から第２導電層部の間を貫通する導体（３５）によって形成されていることを特徴としている。

また、本発明の請求項３の静電駆動型アクチュエータは、請求項１記載の静電駆動型アクチュエータにおいて、
前記導通手段は、前記固定部の第１導電層部から第２導電層部の間を貫通する導体（３５′）によって形成されていることを特徴としている。

また、本発明の請求項４の静電駆動型アクチュエータは、請求項１記載の静電駆動型アクチュエータにおいて、
前記導通手段は、前記固定部の外周面に蒸着されて、第１導電層部と第２導電層部の間を電気的に接続する金属膜（１０５′）によって形成されていることを特徴としている。

このように本発明の静電駆動型アクチュエータは、固定部、前記可動部、第１連結部および第２連結部は、一枚のＳＯＩ基板に対するエッチング処理により、絶縁層を第１導電層と第２導電層とで挟む３層構造で連続した状態で形成され、第１面電極はＳＯＩ基板の第１導電層に対するエッチング処理で形成されたギャップにより固定部の第１導電層部から絶縁されて形成され、第２面電極はＳＯＩ基板の第２導電層部に対するエッチング処理で形成されたギャップにより固定部の第２導電層部から絶縁されて形成されているとともに、可動部の第１導電層部と第２導電層部とを導通させる導通手段を設けているので、両面電極型でありながら、別の基板材料を用いることなく、少ない工程で低コストに製造できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１および図２は、本発明を適用した両面電極の静電駆動型アクチュエータ２０の構造を示している。

これらの図に示しているように静電駆動型アクチュエータ２０は、例えばＳｉＯ_２の絶縁層１０１を厚さが等しいシリコン（Ｓｉ）の第１導電層１０２と第２導電層１０３とで挟む３層構造のＳＯＩ基板１００に対するエッチング処理により一体的に形成されており、固定部２１、可動部２２、第１連結部２３、第２連結部２４、第１面左電極３０、第１面右電極３１、第２面左電極３２、第２面右電極３３とを有している。なお、第１導電層１０２と第２導電層１０３は高い導電率を有しているものとする。

固定部２１は、上板２１ａ、下板２１ｂ、側板２１ｃ、２１ｄにより矩形枠板状に形成されており、その枠内の中心に矩形板状の可動部２２が配置されている。

可動部２２の左右両端には、上記各電極３０〜３３に対して非接触で上下方向に重なる突起２２ａ、２２ｂが左右対称に形成されている。

第１連結部２３は、可動部２２の上端側外縁の中央部から固定部２１の内縁まで直線的に延びて固定部２１と可動部２２との間を連結している。

また、第２連結部２４は、第１連結部２３と同軸で可動部２２の下端側外縁の中央部から固定部２１の内縁まで直線的に延びて固定部２１と可動部２２との間を連結している。可動部２２を挟んで一直線上に並んだ第１連結部２３と第２連結部２４は、その長さ方向に捩れ変形できるように細く形成されている。

第１面左電極３０は、固定部２１の側板２１ｃの一面側に形成され、第１連結部２３と第２連結部２４を結ぶ線を中心に可動部２２を所定方向に回動させる静電的な引力を付与するためのものであり、ＳＯＩ基板１００の第１導電層１０２で形成され、エッチング処理により形成されたギャップ４０により固定部２１の第１導電層部分と絶縁されている。第１面左電極３０の先端には、可動部２２の一端側（図１の（ａ）で左端側）の突起２２ａの第１導電層部分と非接触で上下方向に重なり合う突起３０ａが設けられている。

第１面右電極３１は、固定部２１の側板２１ｄの一面側に形成され、第１連結部２３と第２連結部２４を結ぶ線を中心に可動部２２を前記所定方向と逆方向に回動させる静電的な引力を付与するためのものであり、ＳＯＩ基板の第１導電層１０２で形成され、エッチング処理により形成されたギャップ４１により固定部２１の第１導電層部分と絶縁されている。第１面右電極３１の先端には、可動部２２の他端側（図１の（ａ）で右端側）の突起２２ｂの第１導電層部分と非接触で上下方向に重なり合う突起３１ａが設けられている。

第２面左電極３２は、固定部２１の側板２１ｄの反対面に形成され、第１連結部２３と第２連結部２４を結ぶ線を中心に可動部２２を所定方向に回動させる静電的な引力を付与するためのものであり、ＳＯＩ基板の第２導電層１０３で形成され、エッチング処理により形成されたギャップ４２により固定部２１の第２導電層１０３部分と絶縁されている。第２面左電極３２の先端には、可動部２２の他端側の突起２２ｂの第２導電層部分と非接触で上下方向に重なり合う突起３２ａが設けられている。

第２面右電極３３は、固定部２１の側板２１ｃの反対面側に形成され、第１連結部２３と第２連結部２４を結ぶ線を中心に可動部２２を前記所定方向と逆方向に回動させる静電的な引力を付与するためのものであり、ＳＯＩ基板の第２導電層１０３で形成され、エッチング処理により形成されたギャップ４３により固定部２１の第２導電層部分と絶縁されている。第２面右電極３３の先端には、可動部２２の一端側の突起２２ａの第２導電層部分と非接触で上下方向に重なり合う突起３３ａが設けられている。

この実施例では、各可動部２２の左右の突起がそれぞれ２つ、各電極の突起が３つの場合で左右上下方向に対称性を持って形成されているが、この左右上下の対称性を持っていれば、互いの突起数はより多くしてもよく、最小例として、どちらか一方側の突起を１つ、他方側の突起を２つにしてもよい。

また、双方の突起を１つにすることも可能ではあるが、その場合、上下方向に非対称となり、突起間に働く静電的な引力が、可動部２２を回動させるだけでなく上方あるいは下方へ移動させる方向に働いて、第１連結部２３、第２連結部２４の捩れ変形動作に差を生じさせるという点で不利である。上下方向に対称性を有している方が好ましい。

前記した固定部２１、可動部２２、第１連結部２３および第２連結部２４は、絶縁層１０１を第１導電層１０２と第２導電層１０３で挟んだ３層構造で連続した状態に形成されている。そして、図２に示しているように、可動部２２には、その一面側から反対面側に貫通する導体３５が設けられている。この導体３５は例えばスルーホールメッキで構成されている。

この導体３５により可動部２２の第１導電層部と第２導電層部とが電気的に接続されて常に同電位となり、固定部２１のいずれか一方の面に基準電位（０とする）を与えると可動部２２の表面側（第１導電層部）と裏面側（第２導電層部）の電位も基準電位となる。

なお、ここでは、可動部２２の第１導電層部と第２導電層部とを電気的に接続するために、可動部２２自体に導体３５を設けていたが、前記したように、可動部２２と固定部２１とは絶縁層を第１導電層と第２導電層で挟む３層構造で連続した状態に形成されているので、図２の点線で示しているように、導体３５の代わりに固定部２１を貫通する導体３５′を設けてその第１導電層部と第２導電層部とを電気的に接続することで、可動部２２の第１導電層部と第２導電層部とを電気的に接続することができ、接続を確実にするために両方の導体３５、３５′を併用してもよい。

また、図３の（ａ）に示すように、第１面左電極３０と第２面左電極３２に基準電位と異なる所定電圧Ｖを与えると、第１面左電極３０の突起３０ａと可動部２２の突起２２ａとの間および第２面左電極３２の突起３２ａと可動部２２の突起２２ｂとの間に静電的な吸引力が生じて、可動部２２は第１連結部２３、第２連結部２４を結ぶ線を中心に反時計回り（図３において）に回動する。このとき、可動部２２は、最大で、その厚さ方向の中心線が第１面左電極３０と第２面左電極３２の突起３０ａ、３２ａの厚さ方向の中心にほぼ一致した状態まで回動する。また、印加する電圧Ｖを下げて各電極３０、３２と可動部２２との間に生じる静電的な吸引力を小さくすれば、その吸引力と第１連結部２３、第２連結部２４の捩れ変形の復帰力とが釣り合う角度で停止する。

逆に、図３の（ｂ）に示すように、第１面右電極３１と第２面右電極３３に基準電位と異なる所定電圧Ｖを与えると、第１面右電極３１の突起３１ａと可動部２２の突起２２ｂとの間および第２面右電極３３の突起３３ａと可動部２２の突起２２ａとの間に静電的な吸引力が生じて、可動部２２は第１連結部２３、第２連結部２４を結ぶ線を中心に時計回り（図３において）に回動する。このとき、可動部２２は、最大で、その厚さ方向の中心線が第１面右電極３１と第２面右電極３３の突起３１ａ、３３ａの厚さ方向の中心にほぼ一致した状態まで回動する。また、印加する電圧Ｖを下げて各電極３１、３３と可動部２２との間に生じる静電的な吸引力を小さくすれば、その吸引力と第１連結部２３、第２連結部２４の捩れ変形の復帰力とが釣り合う角度で停止する。

また上記のような静的な駆動の他に、図３の（ａ）の電圧印加状態と（ｂ）の電圧印加状態を交互に所定周期で切り換えることにより、可動部２２を連続的に往復回動することができる。この場合、電圧の切換速度を連結部２３、２４のバネ定数や可動部２２の形状、重さ等で決まる可動部２２の固有振動数に合わせれば、低い印加電圧で往復回動させることができ、その回動の慣性により図３の（ａ）、（ｂ）の状態より大きな振幅が得られる。

また、光学装置でアクチュエータを光に対する反射角を可変する回動ミラーとして使用する場合には、この可動部２２の表面を鏡面仕上げにすればよい。また、この可動部２２の表面に回折用の溝を形成すれば、回動型の回折格子として使用できる。

次に、上記構造の静電駆動型アクチュエータ２０の製造方法について説明する。
始めに、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置によるエッチング処理ができるように、図４の（ａ）のように、ＳＯＩ基板１００の第１導電層１０２の表面のうち、アクチュエータ２０の固定部２１、可動部２２、各連結部２３、３４、各第１面電極３０、３１の形成部分にマスク２０１をフォトリソグラフィ技術を用いて形成する。

次に、図４の（ｂ）のように、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置でマスク２０１に覆われていない第１導電層部分をエッチングして、固定部２１、可動部２２、各連結部２３、３４の第１導電層部分（表面側）と、ギャップ４０、４１および第１面電極３０、３１を形成する。

そして、第１導電層１０２側のマスク２０１を除去して、図４の（ｃ）のように、ＳＯＩ基板１００の裏面側、即ち、第２導電層１０３の表面に前記同様のマスク２０２を形成し、図４の（ｄ）のように、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置でマスク２０２に覆われていない第２導電層部分をエッチングして、固定部２１、可動部２２、各連結部２３、３４の第２導電層部分（裏面側）と、ギャップ４２、４３および第２面電極３２、３３を形成する。

次に、フッ酸（ＦＨ）を用いて図４の（ｅ）のように、絶縁層１０１のうち、ギャップ４０〜４３の部分を除いて表面に露出している不要部分を除去する。これによりアクチュエータ２０の固定部２１、可動部２２、各連結部２３、３４が形成される。

最後に、図４の（ｆ）のように、可動部２２の第１導電層部と第２導電層部を接続するための導体３５をスルーホールメッキ処理などで設けることで、前記構成のアクチュエータ２０が完成する。

なお、上記工程では、ＳＯＩ基板１００の表面および裏面に対してそれぞれ一回ずつエッチング処理することでアクチュエータ２０を形成していたが、ギャップ４０〜４３を形成するためのエッチング処理を絶縁層除去工程の後に行ってもよい。

以上のように、実施形態のアクチュエータ２０は、一枚の既成のＳＯＩ基板１００に対する簡単なエッチング処理により構成することができ、少ない工程および材料で低コストに製造できる。

なお、第１導電層１０２および第２導電層１０３の導電率が低いＳＯＩ基板１００を用いる場合には、図５の（ａ）のように、第１導電層表面と第２導電層表面に金属膜１０５を蒸着すればよい。

また、上記のように金属膜１０５を蒸着する場合、図５の（ｂ）に示すように、固定部２１の外周面にも金属膜１０５′を蒸着することで、固定部２１の第１導電層部と第２導電層部との間を電気的に接続することができ、これと連続した３層構造の可動部２２の第１導電層部と第２導電層部との間も電気的に接続できる。したがってこの場合にはスルーホール加工による導体３５、３５′は不要で、金属膜１０５′が導電手段となる。

また、第１導電層１０２および第２導電層１０３の導電率が高く、両面に金属膜１０５を蒸着しない場合においても、導体３５、３５′の代わりに固定部２１の外周面に金属膜１０５′を蒸着することで、可動部２２の第１導電層部と第２導電層部との間を電気的に接続することができる。

また、前記実施形態では、可動部２２の左右両端に複数の突起２２ａ、２２ｂをそれぞれ設け、各電極３０〜３３にも複数の突起３０ａ〜３３ａをそれぞれ設けて、互いの対向面積を増して静電的な引力が強く生じるようにしているが、これは本発明を限定するものではなく、図６に示す静電駆動型アクチュエータ２０′のように、これらの突起を省略して、矩形の各電極３０′〜３３′の先端面と、可動部２２′の左右の端面との間に静電的な引力を生じさせて、可動部２２′の角度を変化させてもよい。

さらに、前記実施形態では、各面に２個ずつ計４つの電極３０〜３３（３０′〜３３′）を有していたが、第１面左電極３０（３０′）と第２面左電極３２（３２′）だけ、あるいは第１面右電極３１（３１′）と第２面右電極３３（３３′）だけで構成してもよい。

また、これらの電極の位置は、可動部２２、２２′に対して静電的な引力を与えて回動させることができる位置であれば任意の位置に設けることができる。例えば可動部２２、２２′の上辺部と下辺部に設けてもよい。

本発明の実施形態の斜視図図１のＡ−Ａ線概略断面図実施形態の動作説明図実施形態の製造方法を示す図実施形態の変形例を示す図本発明の他の実施形態の斜視図

符号の説明

２０、２０′……静電駆動型アクチュエータ、２１……固定部、２２、２２′……可動部、２３……第１連結部、２４……第２連結部、３０、３０′……第１面左電極、３１、３１′……第１面右電極、３２、３２′……第２面左電極、３３、３３′……第２面右電極、３５、３５′……導体、４０〜４３……ギャップ、１０５′……金属膜

Claims

絶縁層（１０１）を第１導電層（１０２）と第２導電層（１０３）とで挟む３層構造の一枚のＳＯＩ基板（１００）に対するエッチング処理により一体的に形成され、
枠板状の固定部（２１）と、該固定部の枠内に配置された可動部（２２、２２′）と、前記可動部の一端側外縁から前記固定部の内縁まで直線的に延びて前記固定部と可動部との間を連結し、その長さ方向に捩れ変形自在な第１連結部（２３）と、該第１連結部と同軸で前記可動部の他端側外縁から前記固定部の内縁まで直線的に延びて前記固定部と可動部との間を連結し、その長さ方向に捩れ変形自在な第２連結部（２４）と、前記固定部の一面側に形成され、前記第１連結部と第２連結部を結ぶ線を中心に前記可動部を回動させる静電的な力を付与するための第１面電極（３０、３０′、３１、３１′）と、前記固定部の反対面側に形成され、前記第１連結部と第２連結部を結ぶ線を中心に前記可動部を回動させる静電的な力を付与するため第２面電極（３２、３２′、３３、３３′）とを有する静電駆動型アクチュエータであって、
前記固定部、前記可動部、第１連結部および第２連結部は、前記絶縁層を前記第１導電層と前記第２導電層とで挟む３層構造で連続した状態で形成され、
前記第１面電極は前記ＳＯＩ基板の第１導電層に対するエッチング処理で形成されたギャップ（４０、４１）により前記固定部の第１導電層部から絶縁されて形成され、前記第２面電極は前記ＳＯＩ基板の第２導電層部に対するエッチング処理で形成されたギャップ（４２、４３）により前記固定部の第２導電層部から絶縁されて形成されているとともに、
前記可動部の第１導電層部と第２導電層部とを導通させる導通手段（３５、３５′、１０５′）を設けたことを特徴とする静電駆動型アクチュエータ。
前記導通手段は、前記可動部の第１導電層部から第２導電層部の間を貫通する導体（３５）によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の静電駆動型アクチュエータ。
前記導通手段は、前記固定部の第１導電層部から第２導電層部の間を貫通する導体（３５′）によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の静電駆動型アクチュエータ。
前記導通手段は、前記固定部の外周面に蒸着されて、第１導電層部と第２導電層部の間を電気的に接続する金属膜（１０５′）によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の静電駆動型アクチュエータ。