JP4597963B2 - セルフ・アセンブリ・デバイス - Google Patents

Description

本発明は、電気機械マイクロシステム（ＭＥＭＳまたはマイクロ電気マイクロシステム）の領域に関し、より詳細には、半導体材料の基板内にディープ・エッチング（ｄｅｅｐ ｅｔｃｈｉｎｇ）することにより得られるマイクロモータおよびマイクロギアボックスに関する。

文献、米国特許第５６３１５１４号（１９９７年５月２０日公告）は、歯車を回転駆動することができるマイクロモータを記載している。このマイクロモータは、歯車と噛み合う歯の付いた出力要素と、出力要素に連結されたコネクティング・ロッドを形成する要素と、コネクティング・ロッドを形成する要素の動きを制御する、インターデジタル・コーム（櫛歯）型静電アクチュエータ（ｃｏｍｂ−ｔｙｐｅ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒｓ）（コーム・ドライブ（ｃｏｍｂ ｄｒｉｖｅ）としても知られる。）とを備える。アクチュエータの組み合わされた動きは、歯の付いた出力要素の回転を駆動する。

この文献に記載されたマイクロモータを構成する多様な要素は、基板の異なる平面内に延びる。その結果、マイクロモータの製造には、薄い層の積重ねから形成された基板をエッチングすること、およびいくつかの連続するエッチング・マスクを使用することが必要になる。多結晶シリコンの表面マイクロマシニングによってマイクロモータを製造することは、したがって、比較的複雑になる。

文献ＷＯ０１／０９５１９（２００１年２月８日公告）は、コーム・ドライブ型の静電アクチュエータによって回転駆動されるシャッタ要素（ｓｈｕｔｔｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）を備えるＭＥＭＳマイクロバルブを記載している。この静電アクチュエータは、シャッタ要素上で摩擦により作動する。

前記の文献に記載されたマイクロ機構は、制御される要素の位置決めまたは速度の精密な制御が不可能である。

さらに、文献、米国特許第５６３１５１４号およびＷＯ０１／０９５１９に記載されたデバイスは、４μｍより少ない厚さを有する薄いシリコン層上の表面マイクロエッチングにより得られる。それらの厚さが少ないことにより、こうしたデバイスを構成する要素は大きな変形に耐えることが不可能である。したがって、これらの文献に提示されたデバイス構造は、大きな駆動ピッチ（１０μｍ以上）を有する要素を駆動するのには適さず、そのため、こうした駆動デバイスを時計製造などの領域での従来の歯車列と連結させることは想定できない。

Ｒｉｃｈａｒｄ ＹＥＨ、Ｓｅｔｈ ＨＯＬＬＡＲ、Ｋｒｉｓｔｏｆｅｒ Ｓ．Ｊ．ＰＩＳＴＥＲの「Ｓｉｎｇｌｅ ｍａｓｋ，ｌａｒｇｅ ｆｏｒｃｅ，ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｌｉｎｅａｒ ｉｎｃｈｗｏｒｍ ｍｏｔｏｒｓ」という名称の文献（２００１年１月）は、歯の付いたラック・デバイスを直線運動で駆動できるマイクロモータを記載している。このマイクロモータは、１５μｍと５０μｍの間の厚さを有するシリコンの層をディープ・エッチングすることにより得られる。このマイクロモータは、直列に連結されたコーム・ドライブ型の２つの静電アクチュエータから形成される。アクチュエータの組み合わされた動きは、ラック・デバイスを直線運動に駆動する。

こうしたアクチュエータでは、動きは、インターデジタル（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ）・コームのフィンガ（ｆｉｎｇｅｒ）間に発生される垂直の静電気力によって得られる。ところで、この垂直の力は、フィンガの間の重なり合った面積、およびフィンガ間の距離にも依存する。発生される静電気力がかなり大きくなるように、フィンガ間の距離は、十分に小さくなければならない。その結果、こうしたアクチュエータは、必然的に限られたピッチ（約２μｍ）を有する。

前記の文献で提示されたアクチュエータの構造は、１０μｍ以上のピッチを有する歯の付いた要素を駆動するのに適していない。したがって、このアクチュエータもまた、駆動デバイスを従来の歯車列に連結することは想定できない。

本発明の１つの目的は、非常に小さい寸法であり、より早期の設計でのデバイスよりも大きなピッチを有する作動機構を提供することである。

この目的のために、本発明は、半導体材料のブロック内にエッチングすることによって形成されたセルフ・アセンブルされた（ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ）デバイスを提示し、エッチングは１０μｍより大きい厚さで行われ、デバイスは、以下の要素
歯の付いた被駆動要素と、
歯の付いた被駆動要素と順次に噛み合うことができる駆動要素と、
駆動要素が被駆動要素の連続する歯と噛み合うように、駆動要素をヒステリシス・タイプの動作で動かすことができるアクチュエータとを含み、
アクチュエータは、少なくとも１つの、固定コーム（ｆｉｘｅｄ ｃｏｍｂ）および可動コーム（ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｂ）をそれ自身が備える作動モジュールを備え、各コームは一連のフィンガを備え、可動コームは、固定コームのフィンガと可動コームのフィンガが互いに噛み合うように固定コームに対向して配置され、
可動コームは、駆動要素を対応する方向に動かすように、固定コームと可動コームの間に電位差を与える間、コームのフィンガに平行な方向に沿って固定コームに対して移動できることを特徴とする。

本発明の文脈では、「セルフ・アセンブルされた」という表現は製品の製造の際に組立操作および／または組立作業が不要であるシステムを指す。

本発明のデバイスのアクチュエータは、固定コームと可動コームのフィンガの間に加えられる接線方向の静電気力を生み出す。このようにして、インターデジタル・コームは、コームのフィンガに平行な方向に互いに対して移動される。このような解決方法によって、垂直の静電気力のみを使用するインターデジタル・コーム・アクチュエータで得られるよりも、駆動要素の動きの振幅がより大きくなる。

さらに、デバイスがそのような駆動要素の動きの振幅を支持できるように、用いられるエッチングはディープ・タイプ（エッチングの厚さが１０μｍより大きい）である。したがって、デバイスの様々な要素は、それが力を受けるとき寄生的な動き（座屈）が誘発されるのを回避するのに十分なだけの厚さを有する。

特に、１ミリメートル程度の側面寸法（様々な要素が動く平面上の寸法を意味する）を有する要素を作り出すには、要素の厚さ（エッチングの厚さに対応する）がいかなる座屈をも防止するのに十分であることが必要になる。

本発明のデバイスでは、被駆動要素の動きは、ヒステリシス・タイプの動作によって動かされる駆動要素によって発生される。その結果、被駆動要素は、１０ミクロンより大きい段差を用いたステッピング動作（ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）で動かされる。

被駆動要素上の歯の存在は、その位置の正確な照合を可能にする。

したがって、このデバイスは、クロック・デバイス（ｃｌｏｃｋ ｄｅｖｉｃｅ）として有利に使用できる。

このデバイスは、減速ギアまたはバーニア(vernier)・システムをまったく必要としない。したがって、駆動要素は、従来のデバイスよりも小さい。

デバイスのすべての要素は、半導体材料のブロック内にエッチングすることによるＭＥＭＳ技術を使用して形成される。したがって、デバイスは、機能がすべて単一のエッチング作業で作り出される統合された構成要素を形成する。

本発明の有利な実装形態では、デバイスは、また、
歯車と順次に噛み合うことができる照合要素と、
ホイールを定位置に保つために駆動要素がホイールの歯と噛み合わないとき、照合要素がホイールの歯と噛み合うように、駆動要素のヒステリシス動作と同期した動きを伴う照合要素を動かすことができるアクチュエータとを備える。

他の特徴および利点は、以下の説明から明らかになり、その説明は、純粋に例示的で限定されない性質のものであり、以下の添付図を参照することによって解釈されなければならない。

図１では、デバイスは、円形の歯車１０を備え、その歯車は、ホイールの周りに配分され、互いに１２０°の角度を形成する３つの駆動アクチュエータ２０、３０、４０によって回転駆動されることができる。

図１のデバイスは、統合されたデバイスであるという特有の特徴を有する。デバイスを構成する要素は、半導体材料の単一のブロック内でエッチングすることにより、同時に形成される。エッチングされたブロックの部分は、１０μｍより大きい厚みを有する。エッチングされていない、またすべての要素を支持するブロックの部分は、基板を構成する。

図２は、図１の駆動アクチュエータ２０のうちの１つをより詳細に示す。駆動アクチュエータ２０は、主に、基本径方向作動モジュール２０１と、基本接線方向作動モジュール２０２と、歯２５０の形の駆動要素から構成される。

駆動歯（ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｏｏｔｈ）２５０は、三角形である。駆動歯は、先端がホイールのところに向いて、ホイール１０に対して径方向に、接近して延びる。したがって、駆動歯２５０は、ホイール１０の歯と噛み合うことができる。

文書の残りの部分で、「径方向の」という表現は、ホイール１０に対して径方向に延びるいかなる要素を指し、「接線方向の」という表現は、ホイールに対して接線方向に延びる要素を指す。径方向および接線方向は、駆動歯が配置されるホイールの点で確立される。

「固定された」という表現は、基板内に埋め込まれた要素を指し、「可動の」という表現は、同じく基板内に埋め込まれた弾性の懸架手段により、基板の上、数ミクロンに保持された要素を指す。

駆動歯２５０は、径方向ロッド２１１によって径方向作動モジュールに連結され、接線方向ロッド２１２によって接線方向作動モジュールに連結されている。

径方向作動モジュール２０１および接線方向作動モジュール２０２は、コーム構造（「コーム・ドライブ」としても知られる）を有する静電モジュールである。このタイプの構造は、複数の組のインターデジタル・コームを備える。

次に、アクチュエータ構造２０の径方向作動モジュール２０１および接線方向作動モジュール２０２がより詳細に説明される。

径方向作動モジュール２０１は、固定部分２２１および可動部分２３１から生成され、そこに径方向ロッド２１１が連結される。

固定部分２２１は、径方向電極２２３を備え、そこから固定された組の平行コーム２２５が接線方向に延びる。各コーム２２５は、メイン・ロッドと、ロッドに連結されロッドに対して直角に延びる一連の平行なフィンガあるいはシリア（ｃｉｌｉａ）とから形成される。

可動部分２３１は、全体的にＵ字型であり固定部分２２１の周囲に延びる可動フレーム２３３を備える。可動フレーム２３３は、弾性の懸架部を備えるエンベディング・リンク（ｅｎｂｅｄｄｉｎｇ ｌｉｎｋ）２３７、２３９によって、その各端部で基板に連結される。コーム２３５は、可動フレーム２３３から概して径方向に延びる。これらのコーム２３５は、メイン・ロッドと、ロッドに連結されメイン・ロッドに対して直角に延びる一連の平行なフィンガまたはシリアとから形成される。

固定部分２２１のコーム２２５、および可動部分２３１のコーム２３５は、互いに平行に配置され、互いに差し込まれる。さらに、各可動コーム２３５は、それらのコームのフィンガが互いに差し込まれるように固定コーム２２５に面して配置され、したがって、「インターデジットされた（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔｅｄ）」コームと表現される１対のコームを形成する。

接線方向作動モジュール２０２は、それが径方向作動モジュール２０１に直角に向いていることを除いて、径方向作動モジュール２０１と同様の構造を有する。接線方向作動モジュール２０２は、固定部分２２２と、接線方向ロッド２１１が連結された可動部分２３２とから形成される。

固定部分２２２は、接線方向電極２２４を備え、その電極から１組の平行な固定コーム２２６が径方向に延びる。

可動部分２３２は、弾性の懸架部を備えるエンベディング・リンク２３８、２４０によってその各端部で基板に連結された可動フレーム２３２を備える。コーム２３６は、可動フレーム２３２から概して接線方向に延びる。

固定部分２２２のコーム２２６、および可動部分２３２のコーム２３６は、互いに平行に配置され、互いに差し込まれる。さらに、各可動コーム２３６は、それらのコームのフィンガが互いに噛み合うように固定コーム２２６に面して配置され、したがって、１対のインターデジタル・コームを形成する。

次に、径方向モジュールおよび接線方向モジュールの動作が説明される。

インターデジタル・コームの差し込まれたフィンガは、扁平型キャパシタと同様であり、そのキャパシタのプレートの１つは、電極２２３、２２２に接続され、他方のプレートは、エンベディング・リンク２３７、２３９、または２３８、２４０を介してアースに接続されている。

電圧が径方向電極２２３に加えられたとき、この電圧は、作動モジュール２０１の固定部分２２１と可動部分２３１の間に電位差を生み出す。コーム２２５およびコーム２３５のフィンガによって形成される、キャパシタのプレート間に電界が確立される。この電界は、接線方向の静電気力を発生させ、その静電気力は、可動コーム２３５を固定コーム２２５に対してコームのフィンガに対して平行な方向に動かす傾向があり、駆動要素２５０を対応する方向に動かす。

コームのフィンガの間に働く接線方向の静電気力によって、フレーム２３３が変形することになり、その結果、ロッド２１１の働きによってホイール１０に対する径方向に駆動歯２５０が直線運動することになる。フレーム２３３は、可動コーム２３５がフィンガの方向だけに移動することを可能にする。

同様に、電圧が電極２２４に加えられたとき同じ現象が起こる。生み出された静電気力によって、ホイール１０に対する接線方向のロッド２１２の働きにより、フレーム２３２が変形し、駆動歯２５０が直線運動することになる。フレーム２３２は、可動コーム２３６がフィンガの方向だけに移動することを可能にする。

接線方向作動モジュール２０２は、可動部分２３２が固定部分２２２から離れるように保つために、可動フレームの動きの振幅を制限するために使用される制止要素２６０を備え、したがって、可動コーム２３６が固定コーム２２６と接触するようになるのを防止する。実際に、コームのいかなる接触によっても、コームの間に過大な垂直の静電気力を発生させることになり、デバイスが破壊されることになる可能性がある。

一方、径方向作動モジュール２０１のフレームの動きは、歯車１０の存在によって制限され、それが駆動歯２５０の径方向の動きを制限する。

各ロッドの側方向の可撓性によって、他のロッドの働きによるロッドの変形が可能になることに留意されたい。２つの、径方向の可撓性のロッド２１１および接線方向の可撓性のロッド２１２は、２つの作動モジュール２０１および２０２の機械的な分離を生じさせる。実際に、ロッドの可撓性によって、２つの基本的な自由度を有して、駆動歯が独立に動くこと、すなわち、径方向および接線方向の２つの方向の直線運動で動くことが可能になる。

作動モジュール２０１および２０２の分離によって、これらが並列の構成に移行することが可能になる。２つの作動モジュール２０１および２０２の（直列の構成とは反対の）並列した構成は、電源接続部を取り付けるための電極２２３および２２４へのアクセスを向上させる。

図３Ａから３Ｄは、駆動歯２５０の周期的なヒステリシス動作を発生させるのに使用されるアクチュエータ２０の連続的な動作段階を示す。

図３Ａでは、基本径方向作動モジュール２０１と基本接線方向作動モジュール２０２は、停止している。この段階では、駆動歯２５０は、歯車１０の歯１２および１３の間に配置されている。

図３Ｂでは、接線方向作動モジュール２０２は、接線方向のロッド２１２によって駆動歯２５０上に接線方向の力を働かせるように制御される。次いで、歯２５０は、（矢印で示されるように）時計周りの方向にホイール１０に対して接線方向に動かされる。ロッド２１１は、変形される。この段階では、駆動歯２５０は、ホイール１０の歯１３と噛み合い、ホイール１０を回転駆動する。

図３Ｃでは、径方向作動モジュール２０１は、径方向ロッド２１１によって駆動歯上に径方向の力を働かせるように制御される。この段階では、駆動歯２５０は、それが、これ以上ホイール１０と噛み合わないように（矢印で示されるように）ホイール１０から距離を置いている。次いで、歯２５０は係脱される。

図３Ｄでは、接線方向作動モジュール２０２は停止している。次いで、歯２５０は、ホイール１０に対して接線方向に動かされ、歯１１および１２に対向して、（矢印よって示されるように）反時計回りの方向に配置される。

その後、図３Ａに示される段階が再度行われる。径方向作動モジュール２０１および接線方向作動モジュール２０２は、再び停止する。次いで、駆動歯２５０は、ホイールに向かって動かされ、ホイールの歯１１および１２の間に配置される。

駆動歯２５０のヒステリシス動作は、駆動相（ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｈａｓｅ）（図３Ａおよび３Ｂ）と、係脱相（ｄｉｓｅｎｇａｇｉｎｇ ｐｈａｓｅ）（図３Ｃおよび３Ｄ）との間で交互に行う。この動作は、駆動歯２５０がホイール１０の連続する歯と噛み合い、それによって、ホイール１０を時計回り方向にステップ回転運動で駆動することを可能にする。ホイール１０は、回転駆動され、（１マイクロメートル程度の）駆動要素の小振幅の偏移運動によりこれを行う。

図４は、歯２５０がサイクル中にホイールに対して受けるヒステリシス動作を表す。

図５Ａから５Ｄは、ホイールの歯に対して駆動歯２５０によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを示す。この図は、歯２５０の動作の１サイクルによって発生されたホイール１０の基本アドバンス（ａｄｖａｎｃｅ）Δも示す。

図６Ａから６Ｄは、接線方向作動モジュール２０２の電極２２４と径方向作動モジュール２０１の電極２２３とに加えられたアドレッシング信号を示す。これらは、電極２２３の制御信号が電極２２４の制御信号に対して１周期の４分の１だけ移相された、周期的なパルス型信号（ｐｕｌｓｅ−ｔｙｐｅ ｓｉｇｎａｌｓ）である。

アドレッシング信号の周波数は、歯車１０のピッチΔおよびその直径に依存する。例として、ホイール１０が秒針に連結されることを検討した場合、作動モジュールのアドレッシング周波数は、１０Ｈｚ程度である。アドレッシング周波数は、長針および短針に対してそれぞれ６０および７２０で割ることができる。

作動モジュール２０１および２０２は、厳密に０と半周期の間の差で互いに対して移相されている、その他のタイプの周期的な信号によって制御できる。

次にＳＯＩ技術（絶縁体上シリコン）を用いたクロック・デバイスを製造するための工程の段階が説明される。

図７Ａに示される製造の第１段階では、３６０ミクロン程度の厚さを有するシリコン基板層１上に、約２ミクロンの厚さを有するシリコン酸化層２、そして５０から１００ミクロン程度の厚みを有するシリコン層３を堆積させることによってブロックが形成される。

図７Ｂに示される第２段階では、クロック・デバイスの様々な要素の境界を定めるパターンで樹脂の層４がこのブロック上に堆積される。この樹脂層４は、ブロックのある部分を保護することを意図したマスクを形成する。この樹脂は、従来的にフォトリソグラフィ技術によって堆積され、その技術は、１ミクロメートル程度の正確さを有するスプレーを行うことによって平らな幾何学的形状を画成するのに使用される。

図７Ｃに示された第３段階では、マスクによって保護されていないブロックの部分は、阻止層を構成するシリコン酸化層２まで下にエッチングされる。この目的のために、様々なエッチング技術が存在する。例えば、ブロックは、シリコン層を溶解するイオン衝撃（ｉｏｎｉｃ ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ）（反応性イオンエッチング）に曝すこともできる。

次に、樹脂層４は、溶媒を加えることによって除去される。

７Ｄに示される第４段階では、シリコン酸化層２は、フッ化水素酸の溶液によって溶解される。次に、溶解された領域は、機構の可動部分（ホイール、可動コーム、ロッド）をリリース（ｒｅｌｅａｓｅ）する。ホイール１０は、完全に基板層１から自由になる。ホイール１０は、その回転軸を構成する固定された中央車軸１１によってそのハウジング内に保持される。

クロック・デバイスは、ＨＡＲＰＳＳ技術（高アスペクト比多結晶および単結晶複合シリコン）を用いても製造できる。

図８Ａに示された製造の第１段階では、シリコン層またはウェハ１から構成されるブロックが、これからクロック・デバイスになる様々な要素の内部構造の形状を決定するパターンで樹脂層４によって覆われている。

図８Ｂに示された第２段階では、ブロックの保護されていない部分がエッチングされる。ＨＡＲＰＳＳ技術を用いる際の制約は、ウェハの表面全体にわたって一定のエッチング深さ（約５０から１００ミクロン）を保障するために、パターンがどこでも等しい幅を有していなければならないことである。

次いで、樹脂層４は、溶媒を加えることによって除去される。

図８Ｃに示された第３段階では、ウェハは、厚さが約１ミクロンのシリコン酸化層２で覆われている。シリコン酸化層は、エッチングされたパターンの垂直の壁を覆い、阻止層を構成する。

図８Ｄに示された第４段階では、これからクロック・デバイスの要素になるものを基板および互いからも分離するように意図された、０．５ミクロンの厚さを有する窒化物層５がシリコン酸化層２の上に堆積される。

図８Ｅに示された第５段階では、ポリシリコンの第１堆積物６は、窒化物層５の上に置かれ、この第１堆積物は、エッチングされたパターンの垂直の壁を覆うように意図されている。

図８Ｆに示された第６段階では、ポリシリコンの第２堆積物６は、エッチングされたパターンによって形成された空間内を満たし、垂直の構造を仕上げるために置かれる。

２つの段階でのポリシリコンの堆積は、エッチングされたパターンの全高さの上にポリシリコン層を確かに完全にドープできるようにする。

図８Ｇに示された第７段階では、ウェハは、クロック・デバイスの様々な要素の境界を定めるパターンで樹脂層７によって覆われている。

図８Ｈに示された第８段階では、樹脂マスク７によって保護されていないブロックの部分がエッチングされる。垂直のシリコン酸化層２は、エッチング作用を制限する阻止壁を構成する。このシリコン酸化層は、垂直構造の下のウェハが機構の可動部分（ホイール、可動コーム、ロッド）を切り離すようにエッチングされることも可能にする。

本発明は、例えばクロノメータのモータなどの、多くの用途を見つけることができる。

本発明は、高周波でアクチュエータを動かすこともできる。その結果、１分間に数千回転の回転数で回転できるようになる。

本発明は、集積回路技術から引き出される集合的な過程により前述したようなデバイスを作り出すのに特に適切であり、それは、数百個のクロックが単一の半導体材料のブロック内に同時にエッチングされることを意味する。

本発明は、旧来の歯車列またはバーニヤが、駆動すべき指針（針）に取り付けられる単一の歯車１０に取って代わることによって、従来の駆動歯車列がかなり簡単化されるのを可能にする。

提示された作動デバイス２０は、可逆である利点を有する。被駆動要素の時計回り方向では、インターデジタル・コームの歯の間で働く接線方向の静電気力がドライバ（ｄｒｉｖｅｒ）である。反時計回り方向では、特に可動フレーム上で作用する弾性復帰力（ｅｌａｓｔｉｃ ｒｅｔｕｒｎ ｆｏｒｃｅ）がドライバである。

提示された作動デバイスは、被駆動要素に直接連結され、低エネルギー消費でもある。

図９は、駆動アクチュエータと組み合わせて使用できる照合アクチュエータ５０を表す。照合アクチュエータ５０は、単一の径方向作動モジュール５０１、および歯５５０の形の駆動要素から構成される。径方向作動モジュール５０１は、駆動アクチュエータ２０の径方向作動モジュール２０１と同様である。

径方向作動モジュール５０１は、固定部分５２１、および径方向ロッド５１１が連結された可動部分５３１から形成される。

固定部分５２１は、径方向電極５２３を備え、径方向電極５２３から接線方向に１組の平行な固定コーム５２５が延びる。各コーム５２５は、メイン・ロッドと、ロッドに連結されロッドに対して直角に延びる一連の平行なフィンガまたはシリアとから形成される。

可動部分５３１は、全体的にＵ字型で固定部分５２１の周囲に延びる可動フレーム５３３を備える。可動フレーム５３３は、弾性の懸架部から構成されるエンベディング・リンク５３７、５３９によってその各端部で基板に連結されている。コーム５３５は、可動フレーム５３３から概して径方向に延びる。これらのコーム５３５は、メイン・ロッドと、ロッドに連結されロッドに対して直角に延びる一連の平行なフィンガまたはシリアとから形成される。

固定部分５２１のコーム５２５、および可動部分５３１のコーム５３５は、互いに平行に配置され、互いに差し込まれる。さらに、各可動コーム５３５は、それらのコームのフィンガが互いに噛み合うように固定コーム５２５に面して配置され、したがって、「インターデジットされた」と呼ばれるタイプの１対のコームを形成する。

駆動歯５５０は、三角形である。駆動歯は、先端がホイール１０の方向に向き、ホイール１０に対して径方向に、接近して延びる。したがって、駆動歯５５０は、ホイール１０の歯と噛み合うことができる。

照合アクチュエータ５０は、制止要素５６０も備え、その制止要素は、可動コーム５３５が固定コーム５２５と接触するようになるのを防止するために固定部分５２１からある距離に可動部分５３１を保つために使用される。

図１０は、デバイスが作動する際に駆動歯２５０および照合歯５５０によって取られる位置を概略的に表す。

照合アクチュエータ５０の照合モジュール５０１は、駆動アクチュエータの基本径方向作動モジュール２０１および基本接線方向作動モジュール２０２と同期して制御される。照合アクチュエータの機能は、駆動アクチュエータの歯２５０が係脱した（ＣおよびＤの位置にある）とき、ホイール１０を定位置に保つことである。駆動アクチュエータおよび照合アクチュエータの連係は、ホイール１０の位置の精密な制御をもたらす。

図１１Ａから１１Ｆは、駆動歯２５０の１サイクル中に歯車１０の歯に対して駆動歯２５０によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに照合歯５５０によって取られる位置ＥおよびＦを示す。この図は、歯２５０の１サイクルの動きによって発生される、ホイール１０の基本アドバンスΔも示す。

照合アクチュエータ５０は、ホイール１０に対して交互の径方向に歯５５０を移動させるように制御される。歯５５０の動きは、歯２５０の動きと同期される。駆動歯２５０がホイール１０と噛み合い、ホイール１０を回転駆動するとき（図１１Ａおよび１１Ｂ）、照合歯５５０は係脱される（Ｆの位置で）。駆動歯２５０が係脱されるとき（図１０Ｃから１０Ｆ）、照合歯５５０は、ホイールをその定位置に保つようにホイール１０の歯の間に（Ｅの位置で）挿入される。

図１２Ａから１２Ｆは、駆動アクチュエータ２０の接線方向作動モジュール２０２の電極２２４および径方向作動モジュール２０１の電極２２３、ならびに照合モジュール５０１の電極５２３に加えられるアドレッシング信号を示す。これらは、周期的なパルス型信号である。電極２２３の制御信号は、電極２２４の制御信号に対して１周期の４分の１だけ移相されている。

図６Ａおよび１２Ｆでわかるように、駆動アクチュエータ２０の駆動歯２５０は、信号が電極２２４および２２３にまったく加えられないとき、噛み合い位置（位置Ａ）にある。このことは、デバイスがエネルギーを供給されないとき、ホイールの照合は、歯２５０によってもたらされ、また、エネルギーの消費がより少なくなることを意味する。

アクチュエータ２０が停止しているとき歯２５０が噛み合い位置（位置Ａ）にあることによる特徴は、セルフ・アセンブリ・デバイスの製造過程に直接関連している。実際には、半導体材料のブロックに加えられたエッチングパターンは、ホイール１０の２つの歯の間の噛み合い位置にある歯２５０を含む。

ＭＥＭＳデバイスを作り出すための現在の技術、特に、前述のＳＯＩおよびＨＡＲＰＳＳ技術を用いると、エッチングされた要素の間に、ある量の圧縮できない遊びが現れる。図１３に示されるように、例えば、こうした遊びｊが、歯車１０とその軸の間に存在する。この遊びは、４μｍ程度である。ホイール１０の歯のピッチＰが十分でない場合、その後、遊びｊによって、ホイールの配置に関して確実さがないことにつながるおそれがある。この理由によって、こうした不確実さを防止するようにホイールのピッチが選択される。ピッチＰは、好ましくは１０μｍより大である。同様に、デバイスの信頼できる動作を確かにするために、接線方向（噛み合い距離）ｘおよび径方向（係脱距離）の動きの振幅は十分大きくなるように選択される。噛み合い距離ｘおよび係脱距離ｙは１０μｍより大である。

アクチュエータのインターデジタル・コームのフィンガの間に発生された接線方向の静電気力を使用することにより、また１０μｍより大きいエッチングの厚さにより、等しい大きさの距離が可能になる。

限定されない例として、本発明に従ったクロック用デバイスの主な特徴的な大きさの程度は以下の通りである。

歯車１０の２ｍｍ程度の直径（しかし、この直径は数百ミクロンまで縮小できる）。

歯車１０のピッチ：１５ミクロン。

基本シリア２２６の幅：３ミクロン。

エア・ギャップの幅（２つのフィンガまたはシリアの間のエア・ギャップ）：２ミクロン。

コームの長さ：典型的には数百ミクロン。

アクチュエータ・モジュール（径方向または接線方向）の表面積：約０．２５ｍｍ^２。

クロックの厚さ（または高さ）（ＳＯＩ層）：５０ミクロン。

基板の厚さ：約３６０ミクロン。

本発明によるデバイスの例を構成する要素を概略的に示し、このデバイスがこの例においてクロック・デバイスを構成する図である。 図１のデバイスを駆動するアクチュエータをより詳細に示す図である。 駆動アクチュエータの連続する動作段階を概略的に示す図である。 駆動アクチュエータの連続する動作段階を概略的に示す図である。 駆動アクチュエータの連続する動作段階を概略的に示す図である。 駆動アクチュエータの連続する動作段階を概略的に示す図である。 １サイクルの間、ホイールに関連する駆動要素に与えられるヒステリシス動作を表す図である。 ホイールの歯に関連する駆動要素によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに駆動要素の１動作サイクルによって生み出された基本のアドバンスＡを示す図である。 ホイールの歯に関連する駆動要素によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに駆動要素の１動作サイクルによって生み出された基本のアドバンスＡを示す図である。 ホイールの歯に関連する駆動要素によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに駆動要素の１動作サイクルによって生み出された基本のアドバンスＡを示す図である。 ホイールの歯に関連する駆動要素によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに駆動要素の１動作サイクルによって生み出された基本のアドバンスＡを示す図である。 アクチュエータの基本モジュールに与えられたアドレッシング信号を示す図である。 アクチュエータの基本モジュールに与えられたアドレッシング信号を示す図である。 アクチュエータの基本モジュールに与えられたアドレッシング信号を示す図である。 アクチュエータの基本モジュールに与えられたアドレッシング信号を示す図である。 ＳＯＩ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 ＳＯＩ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 ＳＯＩ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 ＳＯＩ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 ＨＡＲＰＳＳ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 ＨＡＲＰＳＳ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 ＨＡＲＰＳＳ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 ＨＡＲＰＳＳ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 ＨＡＲＰＳＳ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 ＨＡＲＰＳＳ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 ＨＡＲＰＳＳ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 ＨＡＲＰＳＳ技術を使用したクロック・デバイスの製造工程の段階を示す図である。 本発明の別の実装形態で使用できる照合アクチュエータを表す図である。 照合アクチュエータと関連する、図２のものと同様の駆動アクチュエータの使用を概略的に示す図である。 ホイールの歯に関連して、駆動要素によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに照合要素によって取られる位置ＥおよびＦを示す図である。 ホイールの歯に関連して、駆動要素によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに照合要素によって取られる位置ＥおよびＦを示す図である。 ホイールの歯に関連して、駆動要素によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに照合要素によって取られる位置ＥおよびＦを示す図である。 ホイールの歯に関連して、駆動要素によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに照合要素によって取られる位置ＥおよびＦを示す図である。 ホイールの歯に関連して、駆動要素によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに照合要素によって取られる位置ＥおよびＦを示す図である。 ホイールの歯に関連して、駆動要素によって取られる位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに照合要素によって取られる位置ＥおよびＦを示す図である。 駆動アクチュエータの基本モジュールと、照合アクチュエータに与えられるアドレッシング信号とを示す図である。 駆動アクチュエータの基本モジュールと、照合アクチュエータに与えられるアドレッシング信号とを示す図である。 駆動アクチュエータの基本モジュールと、照合アクチュエータに与えられるアドレッシング信号とを示す図である。 駆動アクチュエータの基本モジュールと、照合アクチュエータに与えられるアドレッシング信号とを示す図である。 駆動アクチュエータの基本モジュールと、照合アクチュエータに与えられるアドレッシング信号とを示す図である。 駆動アクチュエータの基本モジュールと、照合アクチュエータに与えられるアドレッシング信号とを示す図である。 既知の製造技術を使用したデバイスの要素の間に現れる可能性のある遊びｊを表す図である。

符号の説明

１ シリコン基板層
２ シリコン酸化層
３ シリコン層
４、７ 樹脂層
５ 窒化物層
６ 第１堆積物
１０ 歯車
２０、３０、４０ 駆動アクチュエータ
５０ 照合アクチュエータ
２０１ 基本径方向作動モジュール
２０２ 基本接線方向作動モジュール
２５０、５５０ 駆動歯
５０１ 径方向作動モジュール

Claims (14)

1. 半導体材料のブロックをエッチングすることによって形成され、前記エッチングが１０μｍより大きい厚さで行われるセルフ・アセンブリ・デバイスであって、
   歯の付いた被駆動要素（１０）と、
   前記歯の付いた被駆動要素（１０）と順次に噛み合うことができる駆動要素（２５０）と、
   前記駆動要素（２５０）が前記歯の付いた被駆動要素（１０）の連続する歯（１１、１２、１３）と噛み合うように、前記駆動要素（２５０）を周期的運動で動かすことができる駆動アクチュエータ（２０）とを備え、
   前記駆動アクチュエータ（２０）が、少なくとも１つの固定コームおよび可動コーム（２３５、２３６）をそれ自身が備える作動モジュール（２０１、２０２）を備え、各コームが一連のフィンガを備え、前記可動コーム（２３５、２３６）が、前記固定コーム（２２５、２２６）のフィンガおよび前記可動コーム（２３５、２３６）のフィンガが互いに噛み合うように前記固定コーム（２２５、２２６）に対向して配置され、
   前記可動コーム（２３５、２３６）が、前記駆動要素（２５０）を対応する方向に動かすために前記固定コーム（２２５、２２６）と前記可動コームの間に電位差を与える間、前記コームの前記フィンガに平行な方向に前記固定コームに対して移動されることができ、
   前記セルフ・アセンブリ・デバイスは、
   前記歯の付いた被駆動要素（１０）を定位置に保つために、前記駆動要素（２５０）が前記歯の付いた被駆動要素（１０）の歯と噛み合っていないとき、照合要素（５５０）が前記歯の付いた被駆動要素（１０）の歯と噛み合うように、
   前記歯の付いた被駆動要素（１０）と順次に噛み合うことができる前記照合要素（５５０）と、
   前記駆動要素（２５０）の周期的動作と同期された運動で前記照合要素（５５０）を動かすことができる照合アクチュエータ（５０）とをさらに備えることを特徴とするセルフ・アセンブリ・デバイス。
2. 前記駆動アクチュエータ（２０）が、前記駆動要素（２５０）を第１の方向に動かすことができる第１の作動モジュール（２０１）と、前記駆動要素（２５０）を第２の方向に動かすことができる第２の作動モジュール（２０２）とを備え、前記作動モジュール（２０１、２０２）が、前記駆動要素（２５０）の組み合わされた周期的動作を発生させるために、同時に制御されることができる、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１の作動モジュール（２０１）が、前記駆動要素（２５０）を前記歯の付いた被駆動要素（１０）に対して径方向に動かすことができ、前記第２の作動モジュール（２０２）が、前記駆動要素（２５０）を前記歯の付いた被駆動要素（１０）に対して接線方向に動かすことができる、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記駆動要素（２５０）が、径方向の可撓性ロッド（２１１）によって前記第１の作動モジュール（２０１）に連結され、接線方向の可撓性ロッド（２１２）によって前記第２の作動モジュール（２０２）に連結され、前記可撓性のロッド（２１１，２１２）が、前記作動モジュール（２５０）のうちのどちらかの作用の下で前記駆動要素（２０１、２０２）を独立に動くことができるようにする、請求項２または３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記第１及び第２のモジュール（２０１、２０２）が、０と半周期の間で相対的に移相されている周期的な信号によって制御されている、請求項２から４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記周期的な信号が互いに対して１周期の４分の１だけ移相されている、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記駆動アクチュエータ（２０）に信号がまったく与えられていないとき、前記駆動要素（２５０）が前記歯の付いた被駆動要素（１０）と噛み合った位置にあるように、前記デバイスがエッチングされる、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のデバイス。
8. 前記照合アクチュエータ（５０）が、それ自身が少なくとも１つの固定コーム（５２５）および１つの可動コーム（５３５）を備える照合モジュール（５０１）を備え、各コームが一連のフィンガを備え、前記固定コーム（５３５）の前記フィンガおよび前記可動コーム（５３５）の前記フィンガが互いに噛み合うように、前記可動コーム（５３５）が前記固定コーム（５３５）に対向して配置され、前記可動コームが、前記照合要素（５５０）を対応する方向に動かすように、前記固定コームと前記可動コームの間に電位差を与える間、前記コームの前記フィンガに平行な方向に前記固定コームに対して移動されることができる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のデバイス。
9. 前記照合モジュール（５０１）が、前記駆動アクチュエータ（２０）の前記制御信号と同期されている周期的な信号によって制御されている、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記デバイスがＳＯＩエッチング技術によって得られる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のデバイス。
11. 前記デバイスがＨＡＲＰＳＳエッチング技術によって得られる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のデバイス。
12. 前記デバイスが、半導体材料のブロック内で多数の基本クロック・デバイスを同時にエッチングすることからなる集合的な過程によって得られる、前記請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のデバイス。
13. 前記歯の付いた被駆動要素（１０）が歯車である、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のデバイス。
14. 前記歯の付いた被駆動要素（１０）が、駆動されるべき針に直接取り付けられている、請求項１３に記載のデバイス。

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