JP4182417B2 - 機構デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機構デバイスに関し、特に、磁気駆動型の片持ち梁を有する機構デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁気駆動型の機構デバイスには、以下に示すようにして製作されるものがある。まず、銅箔が形成されたプリント基板上に半導体製造プロセス及びウェットエッチングを使用して銅箔からなる下部電極の下地をパターニングした後、接点材料とするためと下部電極の下地の酸化を防止するために、下部電極の下地を金メッキで覆い下部電極とする。次に、半導体製造プロセスを使用してパターニングした後、ニッケルメッキで犠牲層を形成する。ここで、犠牲層とは、下方に空隙を有する層（上層）を形成するために、一旦形成され、かつ、その上面に上層が形成された後、エッチング等により除去される層をいう。
【０００３】
次に、半導体製造プロセスを使用してパターニングした後、片持ち梁の柱部と、この柱部にその一端が接続され、上部電極となる梁部の基部とを金メッキで形成する。次に、梁部の基部の上面に磁気駆動材料としてのニッケルをメッキした後、酸化を防止するために、金メッキで上記ニッケルを覆い梁部とする。そして、ウエットエッチングを使用して、上記犠牲層と、プリント基板上に残っている不要な銅箔とを除去する。
【０００４】
上記工程で製作された機構デバイスでは、プリント基板の裏面側の下部電極直下に設けられた電磁石に印加された所定の電圧に基づいて発生する磁界により上部電極を構成する梁部のニッケル層と下部電極のニッケル層とが磁化してこれらのニッケル層間に磁気吸引力が生じる。これにより、梁部が下部電極側に引き寄せられ、梁部の先端が下部電極の上面に接触してオン状態となる。梁部は、上記したように磁気吸引力により上下に振動するので、その振動幅を大きくするために、梁部の柱部に接続された根本部の幅をそれ以外の部分の幅より狭くするとともに、根本部は金だけの一層構造としている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
有馬尚邦、他２名，「マイクロマシーニングによるマイクロリードスイッチの開発」，信学技報，社団法人電子情報通信学会，Ｖｏｌ．１０２，Ｎｏ．２６，２００２年４月１２日，ｐ．１７−２０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の磁気駆動型の機構デバイスでは、可動部である梁部の上下方向の振動幅を大きくするために、梁部の柱部に接続された根本部の幅をそれ以外の部分より狭くするとともに、根本部は金だけの一層構造としている。このため、オフ状態における梁部の撓みの程度はわずかである一方、梁部全体の重量が大きいため、オン状態とするためには、大きな磁力が必要であり、電磁石における消費電力が大きい。そのうえ、機構デバイスのオン・オフを何回も繰り返すと、梁部の根本部に繰り返し集中的に負荷が加わる結果、金属疲労により梁部が根本部から折れてしまうおそれがある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る機構デバイスは、基板上に形成された上部電極及び下部電極を備え、上部電極は、基板上に下部電極と所定距離離れて形成された柱部と、その一端が柱部の上部に接続されその他端が下部電極と所定距離離れて対向する梁部と、他端に形成された磁性体層とを有し、磁性体層の重量により、磁性層を含めた梁部の重心が下部電極側に偏り、磁性体層を形成しない場合と比較して、梁部が下部電極の上面側に撓む量が増加して、梁部の他端が、下部電極の上面に接触し、磁性体層が受ける磁界により生じる磁気反発力により、梁部の他端が、下部電極の上面から離れる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１である機構デバイス１の断面図、図２は、同機構デバイス１の斜視図である。
この実施の形態１の機構デバイス１は、プリント基板２と、上部電極３と、下部電極４とから構成されている。
【０００９】
プリント基板２は、例えば、ガラスエポキシ樹脂からなる絶縁基板５と、その表面に銅箔を形成し、不要な銅箔を除去して得られた下地銅箔６及び７とから構成されている。プリント基板２のサイズは、例えば、横２ｃｍ、縦１．５ｃｍ、厚さ９００μｍである。下地銅箔６は上部電極３の下地、下地銅箔７は下部電極４の下地である。
【００１０】
上部電極３は、上記下地銅箔６と、柱部８と、梁部９と、磁性体層１０と、被膜１１とから構成されている。柱部８は、金からなり、略直方体状であって、下地銅箔６上に形成されている。梁部９は、金からなり、略Ｔ字状であって、その略直方体状の基部９ａの一端が柱部８の上部端部の略中央に接続されるとともに、基部９ａが下部電極４に向かって延び、基部９ａの他端に略直方体状の先端部９ｂが接続されている。先端部９ｂは、図１中紙面に垂直な方向に延びるとともに、下部電極４の上方に臨んでいる。
【００１１】
柱部８と梁部９とは一体に形成されており、いわゆる片持ち梁状をしている。また、先端部９ｂの上面には、磁性体層１０及び被膜１１が形成されている。磁性体層１０は、梁部９を磁力により駆動するために形成され、例えば、ニッケルからなる。被膜１１は、磁性体層１０の剥離防止のために形成され、例えば、金からなる。
【００１２】
柱部８のサイズは、例えば、横１０００μｍ、縦８００μｍ、厚さ１μｍである。ここで、横とは、図１において左右方向をいい、縦とは、図１において紙面に垂直な方向をいう。以下に示す各部のサイズについても同様である。梁部９の基部９ａのサイズは、例えば、横７００μｍ、縦１００μｍ、厚さ１μｍであり、梁部９の先端部９ｂのサイズは、例えば、横２００μｍ、縦３００μｍ、厚さ１μｍである。磁性体層１０のサイズは、例えば、横１５０μｍ、縦２５０μｍ、厚さ１０μｍであり、被膜１１のサイズは、例えば、横２００μｍ、縦３００μｍ、厚さ２μｍである。梁部９は、図１及び図２に示すように、先端部９ｂが設けられているとともに、先端部９ｂに磁性体層１０及び被膜１１が形成されているので、これらの重量のために撓んでおり、先端部９ｂの下部と下部電極４の上部との距離は、先端部９ｂに磁性体層１０及び被膜１１を形成しない場合に比べて短くなっている。
【００１３】
下部電極４は、下地銅箔７の上面に、磁性体層１２及び被膜１３が順次形成されて構成されている。下地銅箔７は、下地銅箔６から、梁部９の先端部９ｂがその上方に臨む距離だけ離れて形成されている。磁性体層１２は、梁部９を磁力により駆動するために形成され、例えば、ニッケルからなる。被膜１３は、接点材料となるとともに、磁性体層１３の酸化防止のために形成されたものであり、例えば、ロジウム、イリジウム、あるいは金からなる。下部電極４のサイズは、例えば、横１３００μｍ、縦９００μｍ、厚さ１１μｍである。なお、図１並びに図２及び後述する各図面においては、各部の形状は、上記一例として示した各部のサイズからくる比率とは一致していない。
【００１４】
次に、上記構成の機構デバイス１の製造方法について、図３〜図７を参照して説明する。まず、絶縁基板５の表面に銅箔２１が形成されてなるプリント基板２の表面全面にフォトレジスト（図示略）を塗布する。次に、マスクアライナーでプリント基板２の表面全面に塗布されたフォトレジストを露光した後、現像液で現像するフォトリソグラフィ（photolithography）技術を使用して、図３（ａ）に示すように、銅箔２１のうち、その一部を下地銅箔６とすべき部分、その上面に後述する犠牲層２９を形成すべき部分、下地銅箔７とすべき部分をそれぞれ残すために、フォトレジストパターン２２〜２４を形成する。このフォトレジストパターン２２〜２４は、プリント基板２の表面に、例えば、８個の機構デバイス分だけ形成する。以下の製造過程におけるフォトレジストパターンの形成についても同様である。
【００１５】
次に、ウエットエッチング技術を使用して、例えば、塩化第二鉄により銅箔２１のうち不要な部分を除去し、図３（ｂ）に示すように、下地銅箔２５、２６及び７を形成した後、図３（ｃ）に示すように、フォトレジストパターン２２〜２４を除去する。次に、プリント基板２の表面全面にフォトレジスト（図示略）を塗布した後、上記したフォトリソグラフィ技術を使用して、図３（ｄ）に示すように、図１に示す磁性体層１２及び被膜１３を形成するための開口部２７ａを有するフォトレジストパターン２７を形成する。
【００１６】
次に、上記したフォトレジストパターン２７を用いて、磁性体層１２を形成するために、電解メッキ装置によりニッケルメッキ処理を行った後、同じく上記したフォトレジストパターン２７を用いて、図４（ａ）に示すように、後述するニッケルからなる犠牲層２９（（図４（ｄ）参照））をエッチングで除去する際の耐エッチング層であり、接点材料となる、ロジウム、イリジウム、あるいは金からなる被膜１３を形成するために、電解メッキ装置によりロジウム、イリジウム、あるいは金のメッキ処理を行う。そして、図４（ｂ）に示すように、フォトレジストパターン２７を除去する。
【００１７】
次に、プリント基板２の表面全面にフォトレジスト（図示略）を塗布した後、上記したフォトリソグラフィ技術を使用して、図４（ｃ）に示すように、図１に示す柱部８及び梁部８を形成するために必要なニッケルからなる犠牲層２９（（図４（ｄ）参照））を形成するための開口部２８ａを有するフォトレジストパターン２８を形成する。
【００１８】
次に、上記したフォトレジストパターン２８を用いて、図４（ｄ）に示すように、ニッケルからなる犠牲層２９を形成するために、電解メッキ装置によりニッケルメッキ処理を行った後、図５（ａ）に示すように、フォトレジストパターン２８を除去する。犠牲層２９のサイズは、例えば、横１５００μｍ、縦２５０μｍ、厚さ３μｍである。
【００１９】
次に、プリント基板２の表面全面にフォトレジスト（図示略）を塗布した後、上記したフォトリソグラフィ技術を使用して、図５（ｂ）に示すように、図１に示す柱部８及び梁部９を形成するための開口部３０ａを有するフォトレジストパターン３０を形成する。このフォトレジストパターン３０は、図１及び図２に示す、略Ｔ字状であって、基部９ａと先端部９ｂとからなる梁部９を形成するために必要な形状をしている。次に、上記したフォトレジストパターン３０を用いて、図５（ｃ）に示すように、柱部８及び梁部９を形成するために、電解メッキ装置により金メッキ処理を行った後、図５（ｄ）に示すように、フォトレジストパターン３０を除去する。
【００２０】
次に、プリント基板２の表面全面にフォトレジスト（図示略）を塗布した後、上記したフォトリソグラフィ技術を使用して、図６（ａ）に示すように、図１に示す磁性体層１０を形成するための開口部３１ａを有するフォトレジストパターン３１を形成する。次に、上記したフォトレジストパターン３１を用いて、図６（ｂ）に示すように、磁性体層１０を形成するために、電解メッキ装置によりニッケルメッキ処理を行った後、図６（ｃ）に示すように、フォトレジストパターン３１を除去する。
【００２１】
次に、プリント基板２の表面全面にフォトレジスト（図示略）を塗布した後、上記したフォトリソグラフィ技術を使用して、図６（ｄ）に示すように、磁性体層１０の剥離を防止するための被膜１１（図１参照）を形成するための開口部３２ａを有するフォトレジストパターン３２を形成する。次に、上記したフォトレジストパターン３２を用いて、図７（ａ）に示すように、被膜１１を形成するために、電解メッキ装置により金メッキ処理を行った後、図７（ｂ）に示すように、フォトレジストパターン３１を除去する。次に、ウエットエッチング技術を使用して、例えば、塩化第二鉄及び塩酸により、犠牲層２９と、下地銅箔２６と、下地銅箔２５のうちの不要な部分とを除去することにより、下地銅箔６を形成して、図１に示す機構デバイス１を製作する。
【００２２】
次に、上記構成の機構デバイス１の動作について、図８を参照して説明する。図８では、プリント基板２の裏面側の下部電極４直下に電磁石３３が設けられている。また、梁部９は、先端部９ｂが設けられているとともに、先端部９ｂに磁性体層１０及び被膜１１が形成されているので、これらの重量のために撓んでおり、先端部９ｂの下部と下部電極４の上部との距離は、先端部９ｂに磁性体層１０及び被膜１１を形成しない場合に比べて短くなっている。
【００２３】
このような状態において、電磁石３３に所定の電圧を印加すると、電磁石３３に図８に矢印で示す向きの磁界３４が発生し、この磁界３４により、上部電極３を構成する梁部９の先端部９ｂ上に形成されているニッケルからなる磁性体層１０と、下部電極４を構成するニッケルからなる磁性体層１２とが磁化して磁性体層１０と磁性体層１２との間に磁気吸引力が生じる。これにより、梁部９の先端部９ｂが下部電極４側に引き寄せられて撓み、先端部９ｂが下部電極４の上面に接触し、機構デバイス１はオン状態となる。
【００２４】
このようなオン状態において、電磁石３３への上記所定の電圧の印加を停止すると、磁界３４が消滅し、ニッケルの残留磁化率が低いことから、磁界３４の消滅により磁性体層１０と磁性体層１２との間に生じていた磁気吸引力も消滅する。これにより、梁部９はその弾性力により元の状態に戻ろうとしてその撓みの一部を解消させるため、下部電極４の上面と接触していた先端部９ｂが下部電極４の上面から離れて持ち上がり、機構デバイス１はオフ状態となる。
【００２５】
このように、この実施の形態１によれば、フォトリソグラフィ技術及びウエットエッチング技術を使用して、その表面に銅箔が形成されたガラスエポキシ樹脂からなるプリント基板２の表面に、下部電極４と、下部電極４と所定距離離れた領域に形成された柱部８と、その略直方体状の基部９ａの一端が柱部８の上部端部の略中央に接続されるとともに、基部９ａが下部電極４に向かって延び、下部電極４と所定距離離れて対向する略直方体状の先端部９ｂが基部９ａの他端に接続された梁部９と、先端部９ｂの上面に形成された磁性体層１０とを有する片持ち梁状の上部電極３とを形成することにより、機構デバイス１を製作している。
【００２６】
これにより、オフ状態における梁部９の撓みの程度は従来よりも大きいとともに、梁部９の先端部９ｂの上面のみに磁性体層１０及び被膜１１が形成されているだけであるので、梁部９全体の重量は従来に比べて少ない。したがって、この実施の形態１における機構デバイス１をオン状態とするために必要な磁力は従来に比べて少なくて良いので、電磁石３３における消費電力を削減することができる。また、梁部９を構成する基部９ｂは、全体が略直方体状であるとともに、梁部９の先端部９ｂの上面のみに磁性体層１０及び被膜１１が形成されているだけであるので、基部９ｂの柱部８との接続部分にかかる負荷は従来より小さい。したがって、機構デバイス１の耐久性は、従来に比べて向上する。
【００２７】
また、この実施の形態１における機構デバイス１は、特殊な加工装置を用いていないので、簡単に製作できるとともに、製作時間が長いスパッタリング法や真空蒸着法を使用しないために、製作時間を短縮することができる。また、ガラスウェハやシリコンウェハに比べて安価なプリント基板２を用いているため、機能デバイスの価格を低減することができる。
【００２８】
なお、上記した機能デバイス１のサイズは、試作段階のため大きくなっているが、フォトリソグラフィ技術を使用していることから、機能デバイス１のサイズを数ミクロン単位まで小さくすることは容易であり、１個のプリント基板２上に複数個の機構デバイス１を製作することができる。これにより、機能デバイス１を大量生産することができ、機能デバイスの価格をより一層低減することができる。
【００２９】
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２である機構デバイス４１の断面図である。図９において、図１の各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を省略する。図９に示す機構デバイス４１においては、図１に示す上部電極３に換えて、上部電極４２が新たに設けられている。
【００３０】
上部電極４２は、下地銅箔６と、柱部８と、梁部９と、磁性体層４３と、被膜１１とから構成されている。梁部９を構成する先端部９ｂは、図１中紙面に垂直な方向に延びるとともに、その下面が下部電極４の上面に接触している。すなわち、この実施の形態２である機構デバイス４１は、磁界を発生させない状態においてオン状態である、いわゆるノーマリー・オン型である。
【００３１】
柱部８と梁部９とは一体に形成されており、いわゆる片持ち梁状をしている。また、先端部９ｂの上面には、磁性体層４３及び被膜１１が形成されている。磁性体層４３は、梁部９を磁力により駆動するために形成され、例えば、ニッケルからなるが、そのサイズは、上記した実施の形態１における磁性体層１０のサイズより大きく、そのために、図９に示すように、先端部９ｂの下面が下部電極４の上面に接触している。
【００３２】
上記構成の機構デバイス４１の製造方法は、磁性体層４３を形成するためのフォトレジストパターンの開口部が、磁性体層１０を形成するためのフォトレジストパターン３１の開口部３１ａ（図６（ａ）参照）と異なる以外は、図３〜図７を参照して説明した機構デバイス１の製造方法と同様である。したがって、機構デバイス４１の製造方法については特に説明しない。
【００３３】
次に、上記構成の機構デバイス４１の動作について、図１０を参照して説明する。図１０では、プリント基板２の裏面側の下部電極４直下に電磁石４４が設けられている。また、梁部９は、先端部９ｂが設けられているとともに、先端部９ｂに磁性体層４３及び被膜１１が形成されているので、これらの重量のために撓んでおり、先端部９ｂの下部が下部電極４の上面に接触している。すなわち、機構デバイス４１はオン状態である。
【００３４】
このような状態において、電磁石４４に所定の電圧を印加すると、電磁石４４に図１０に矢印で示す向きの磁界４５が発生し、この磁界４５により、上部電極４２を構成する梁部９の先端部９ｂ上に形成されているニッケルからなる磁性体層４３と、下部電極４を構成するニッケルからなる磁性体層１２とが磁化して磁性体層４３と磁性体層１２との間に磁気反発力が生じる。これにより、上記磁気反発力と梁部９自体の弾性力との相乗効果により、梁部９の撓みの一部を解消され、下部電極４の上面と接触していた先端部９ｂが下部電極４の上面から離れて持ち上がり、機構デバイス１はオフ状態となる。
【００３５】
このようなオフ状態において、電磁石４４への上記所定の電圧の印加を停止すると、磁界４５が消滅し、ニッケルの残留磁化率が低いことから、磁界４５の消滅により磁性体層４３と磁性体層１２との間に生じていた磁気反発力も消滅する。これにより、梁部９は、その先端部９ｂ及び磁性体層４３、被膜１１の重量により撓み、先端部９ｂの下部が下部電極４の上面に再び接触して、機構デバイス４１はオン状態となる。
【００３６】
このように、この実施の形態２によれば、先端部９ｂの下面が下部電極４の上面に接触するように磁性体層４３のサイズを大きくしている。したがって、この実施の形態２である機構デバイス４１を、通常時はオン状態であり、必要に応じてオフ状態とされる切換手段として用いる装置に適用した場合には、オフ状態とする場合だけ電磁石４４に所定の電圧を印加すれば良いので、上記した実施の形態１の場合に比べて消費電力を削減することできる。
【００３７】
以上、この実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、上述の各実施の形態においては、梁部９の形状を図１において水平方向（紙面に垂直な方向）に略Ｔ字状とする例を示したが、これに限定されず、磁性体層１０及び被膜１１を含めた梁部９の形状は、これら全体の重心が柱部８側よりも下部電極４側に偏っているために、梁部９の先端部９ｂが下部電極４の上面側に大きく撓むようになるのであればどのようなものでも良い。例えば、先端部９ｂの幅は、基部９ａと同じままで、その上部又は下部のいずれか一方又は両方に、先端部９ｂの重量を増すべく、任意形状の錘部を形成する、すなわち、図１において垂直方向（上下方向）に略Ｌ字状又は略Ｔ字状としても良い。また、梁部９の形状は角柱状とし、その先端部に上記錘部として磁性体層及び被膜を形成しても良い。
【００３８】
また、上述の実施の形態２においては、磁性体層４３のサイズのみを磁性体層１０のサイズより大きくする例を示したが、これに限定されず、先端部９ｂの形状を大きくしたり、被膜１１の厚さを厚くしたりしても良い。
また、上述の各実施の形態においては、磁界３４や磁界４５を発生するのに電磁石３３や電極磁石４４を用いる例を示したが、これに限定されず、永久磁石を用いても良い。この場合、機構デバイス１及び４１をオフ状態とするには、永久磁石の磁界を何らかの方法で遮断する必要がある。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように、基板上に形成された上部電極及び下部電極を備え、上部電極は、基板上に下部電極と所定距離離れて形成された柱部と、その一端が柱部の上部に接続されその他端が下部電極と所定距離離れて対向する梁部と、他端に形成された磁性体層とを有し、磁性体層の重量により、磁性層を含めた梁部の重心が下部電極側に偏り、磁性体層を形成しない場合と比較して、梁部が下部電極の上面側に撓む量が増加して、梁部の他端が、下部電極の上面に接触し、磁性体層が受ける磁界により生じる磁気反発力により、梁部の他端が、下部電極の上面から離れる。したがって、耐久性に優れ、低消費電力の機構デバイスを短時間で安価かつ容易に製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１である機構デバイスの断面図である。
【図２】 同機構デバイスの斜視図である。
【図３】 同機構デバイスの製造工程を示す図（その１）である。
【図４】 同機構デバイスの製造工程を示す図（その２）である。
【図５】 同機構デバイスの製造工程を示す図（その３）である。
【図６】 同機構デバイスの製造工程を示す図（その４）である。
【図７】 同機構デバイスの製造工程を示す図（その５）である。
【図８】 同機構デバイスの動作説明図である。
【図９】 本発明の実施の形態２である機構デバイスの断面図である。
【図１０】 同機構デバイスの動作説明図である。
【符号の説明】
１，４１ 機構デバイス、２ プリント基板（基板）、３，４２ 上部電極、４ 下部電極、５ 絶縁基板、６，７，２５，２６ 下地銅箔、８ 柱部、９ 梁部、９ａ 基部、９ｂ 先端部、１０，１２，４３ 磁性体層、１１，１３ 被膜、２１ 銅箔、２２〜２４，２７，２８，３０〜３２ フォトレジストパターン、２７ａ，２８ａ，３０ａ，３１ａ，３２ａ 開口部、２９ 犠牲層、３３，４４ 電磁石、３４，４５ 磁界。

Claims (1)

1. 基板上に形成された上部電極及び下部電極を備え、
   前記上部電極は、前記基板上に前記下部電極と所定距離離れて形成された柱部と、その一端が前記柱部の上部に接続されその他端が前記下部電極と所定距離離れて対向する梁部と、前記他端に形成された磁性体層とを有し、
   前記磁性体層の重量により、前記磁性層を含めた前記梁部の重心が前記下部電極側に偏り、
   前記磁性体層を形成しない場合と比較して、前記梁部が前記下部電極の上面側に撓む量が増加して、前記梁部の前記他端が、前記下部電極の上面に接触し、
   前記磁性体層が受ける磁界により生じる磁気反発力により、前記梁部の前記他端が、前記下部電極の上面から離れることを特徴とする機構デバイス。

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