JP6494742B2

JP6494742B2 - ピストンチューブ静電マイクロアクチュエータ

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Publication number: JP6494742B2
Application number: JP2017505244A
Authority: JP
Inventors: バ−ティス、ファイズ; ベン−ムラッド、リダ
Original assignee: バ−ティス、ファイズ; ベン−ムラッド、リダ
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2034-08-04
Also published as: CA2959799C; CA2959799A1; KR102325987B1; WO2016020716A1; EP3186189A4; KR20170056505A; CN106604887A; CN106604887B; EP3186189A1; JP2017526326A

Description

本発明は、高力、大きな面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）並進ストローク及び／又は二軸回転を提供するマイクロアクチュエータの分野に関する。

大きな面外並進および高出力のマイクロ・アクチュエーターは、適応光学およびマイクロ・ロボットにおいて広く適用される。適応光学において、オートフォーカス［非特許文献１］と小型カメラにおける光学画像安定化（ＯＩＳ：ＯｐｔｉｃａｌＩｍａｇｅＳｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ）［特許文献１］及び変形可能なマイクロミラー［非特許文献２］に使用されている。電話のカメラアプリケーションでのオートフォーカスにおいて、アクチュエーターは、質量３ｍｇのレンズを光軸に沿って８０μｍ並進させる必要がある［非特許文献３］。電話のカメラのＯＩＳは、画像と録画されたビデオに手ぶれの影響を取り除くために、質量４５ｍｇの鏡筒を二つの軸周りに１°回転させる必要がある。マイクロロボットでは、大きなストロークと高出力力のアクチュエーターがマイクロアセンブリ・システムとマイクログリッパに使用されている［非特許文献４］［非特許文献５］。

異なるマイクロ作動方法が使用されている。これらには、電磁マイクロアクチュエータ、圧電マイクロアクチュエータ、および静電マイクロアクチュエータが含まれる。電磁アクチュエーターは大きなストロークと高出力力を提供する。しかしながら、高消費電力および大きなサイズなどの多くの欠点を有することが知られている［非特許文献６］［非特許文献３］。圧電アクチュエーターは高出力力を提供するが、温度に敏感であり、製造が困難である［非特許文献１］［非特許文献７］。静電アクチュエータは、高速応答で、低消費電力および小さいサイズである［非特許文献８］［非特許文献６］［非特許文献３］。しかし、高出力力、及び大きな平面外ストロークを同時に提供しながら、低電圧を維持することができる静電アクチュエーターを設計することは困難である［非特許文献９］。

面外ストロークを提供する静電アクチュエーターは、平行板および垂直櫛歯型駆動（ＶＣＤ：ＶｅｒｔｉｃａｌＣｏｍｂ−Ｄｒｉｖｅ）アクチュエーターを含む。前者は、アクチュエーターの垂直ストロークを板間の初期ギャップの３分の１に制限する引き込み現象に悩まされている［非特許文献８］。後者は、「回転型ＶＣＤアクチュエーター」および「並進型（ピストン型）ＶＣＤアクチュエーター」の二つのタイプに分けることができる。

回転式櫛歯型駆動アクチュエーター（千鳥型および角型ＶＣＤアクチュエーターを含む）では、回転子のオリジナルの動きは回転であるので、回転面外ストロークを提供する。しかし、これらのアクチュエーターは、レバーなどの機械増幅機構を利用してストロークを拡大し、そしてストローク回転子のオリジナルの回転運動を負荷の並進移動に変換することができる。運動増幅および変換のために、負荷に作用するアクチュエーターの出力トルクは、一般に、生成されるものよりも低い。回転ＶＣＤアクチュエーターの異なる設計が開発されている。例えば、Ｖ．Ｍｉｌａｎｏｖｉｃらによって開発された回転ＶＣＤアクチュエーター［非特許文献１０］は、１５０Ｖで６０μｍの垂直偏向（２０°の回転角に対応）を達成した。これは、機械的増幅のためにカンチレバーを利用する。Ｌｉら［非特許文献１１］は、３５Ｖで１８０μｍの垂直偏向を達成した回転（千鳥型）ＶＣＤアクチュエーターを開発した。出力トルクを低減しながら大きな回転ストロークを達成するために、アクチュエーターのフリーコームに板を取り付けた。

特許文献２には、レンズを光軸（ｚ）に沿って並進させるために使用される回転櫛歯型駆動アクチュエーターが開示されている。回転子のオリジナルの動きは、（レンズを取り囲む類似的なアクチュエーターを利用して）複雑な変換機構を用いてレンズの垂直偏向に変換される面外回転である。運動の変換中に相当量の回転子トルクが散逸する。このアクチュエーターの回転子の構造の複雑さにより、レンズが多数の類似のアクチュエーターによって作動されるとき、レンズの並進運動中に望ましくない傾きが生じる。この傾きを除去するモーションコントローラが必要となる。

特許文献３には、大きなストローク回転櫛歯型駆動アクチュエーターが開示されている。反発力の原理に基づいて、アクチュエーターの回転子は、アクチュエーターの４つのエッジのそれぞれでの回転ストロークに基づいて、２００Ｖで８６μｍの垂直偏向を達成し、次いで片持梁を使用して増幅される。しかし、増幅機構の使用と、力を生成するために使用される指の小さな領域とのために、低出力トルクを提供する。

並進ＶＣＤでは、回転子のオリジナルの動きは並進運動であり、電極間に発生する全静電力は、ストローク増幅又は変換機構を使用せずに、回転子に取り付けられた負荷に直接印加される。多くの並進用ＶＣＤアクチュエーターが開発された。Ｖ．Ｍｉｌａｎｏｖｉｃらによって開発された並進ＶＣＤアクチュエーターは、１４０Ｖで１５μｍの並進ストロークを達成した。アクチュエーターは、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハーの直接反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ：ＤｉｒｅｃｔＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）を使用して製造されるので、大きな高度を有する電極の製造は可能になった。櫛歯型電極構成は全体的な電極容量の面積効率がよくないので、出力が小さい。これは、アクチュエーターの回転子が指の２つのアレイ（各アレイは回転子の片側に沿って形成されている）から構成されているからです。これらの２つのアレイにおける指の数は、一方向（すなわち櫛歯型指の横方向）に沿ってのみ増加することができる［非特許文献１０］。Ｅ．Ｃａｒｒらによって開発された自整合並進ＶＣＤアクチュエーター［非特許文献１２］は、ｚ軸（面外軸）に沿った支持ビームの高い剛性で、前の並進ＶＣＤアクチュエーターの場合のように非面積効率的な構成に起因するアクチュエーターによって生成され得る低い出力力のために、１．４μｍのストロークを達成することができた。

特許文献４には、変形可能ミラーを作動させるために使用される並進垂直櫛歯型駆動アクチュエーターが開示されている。アクチュエーターは、電極の広い領域を実現することを可能にするキャビティ歯構成を有し、１００Ｖで２０μｍの面外並進を提供する。しかしながら、アクチュエーターは、１自由度運動、すなわち垂直方向の並進のみを提供する。鏡面の下のＶＣＤアクチュエーターの並進における差は、鏡面の二軸回転をもたらす。言い換えれば、櫛歯型駆動アクチュエーターは、ｚ軸に沿った並進である１自由度運動のみを有するが、鏡面自体は３自由度運動、すなわち、ｚ軸に沿った並進と、面内軸（ｘおよびｙ）の周りの２軸回転を有する。このアクチュエーターの制限は、歯キャビティ構成がアクチュエーターの回転子と固定子を別々に製造することを必要とすることである。次に、製造された回転子及び固定子のウェハーは一体に接合され、これにより上部電極と下部電極との間のサブミクロンサイズのミスアライメントにつながる可能性がある。このミスアライメントはアクチュエーターのストロークを制限する。キャビティ歯構成は、アクチュエーターの運動中にガスが歯と対応するキャビティとの間に閉じ込められるので、櫛歯型電極間のガス減衰効果をもたらす。この閉じ込められたガスは、作動中にただ１つの出口（エグジット）を有し、その出口は可動指と固定指との間の隙間である。指の幅と比較して、このギャップは、一般的にサイズが非常に小さいである。

特許文献５には、光学面の剛性を高める垂直櫛歯型駆動アクチュエーター構成が開示されている。当該発明は、その反射率を高めるために光学表面上に金又はアルミニウムなどの反射性金属を堆積させることに起因する光学表面変形の問題を克服することを目的とする。当該発明は、反射面の下の櫛歯型電極を２つ以上の方向に補強することによってこの問題を解決する。アクチュエーターは、任意のストローク増幅機構を用いることなく、３自由度運動、すなわち、ｚ軸に沿った並進および面内軸（ｘ及びｙ）の周りの２軸回転を提供する。また、電極構成が二次元以上に拡張されるため、かなりの大きな出力が得られる。アクチュエーターは、層堆積プロセスの性質のために櫛歯型電極の高さが制限される表面マイクロマシニングプロセスを使用して製造される。これらの層は大きな高さ（厚さ）を有していないので、アクチュエーターの面外並進を制限する。さらに、当該櫛歯型電極は、特許文献４に関連して列挙された問題と同様に、かなりの減衰効果に寄与する歯キャビティ構成を有する。

特許文献６には、電話カメラにおいてオートフォーカスを達成するために３つ以上の並進垂直櫛歯型駆動アクチュエーターを利用する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）オートフォーカス機構を開示している。この発明は、携帯電話の落下試験中に生じる衝撃に対するＭＥＭＳオートフォーカス構造の抵抗を増加させることを目的とする。この作動機構には、以下のような欠点がある：レンズ周囲に配置された単一アレイの櫛歯型駆動アクチュエーターを使用することにより、より高い駆動電圧が必要になるので、電極レイアウトの面積において非効率的であることと、電極の最大高さ（厚さ）が２０ミクロンであるので、平面外の並進ストロークが制限されることと、支持ビームは、レンズを中心リングに装填する間に櫛の歯を引っ張らなければならず、櫛歯の間にオフセットを与えるため、低い共振周波数を有すること。

従って、従来技術の並進（ピストン式運動）ＶＣＤアクチュエーターは、以下の理由の１つ以上により、大きな出力力と大きなストロークを同時に達成することができないため、性能が制限されている。
（１）櫛の歯がアレイ型構造を有する従来のＶＣＤアクチュエーターの非効率的な電極構成。この構造は、櫛の歯の横軸に沿った１つの次元においてのみ櫛の歯の数を増やすことを可能にする。したがって、出力が低くなる。換言すれば、櫛の歯は本質的に自由端カンチレバー（ｆｒｅｅ−ｅｎｄｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ）である。それゆえ、縦軸に沿って大きく伸長させて出力を増加させることはできない。したがって、櫛の歯の横軸に沿ってのみ櫛の歯を掛けることにより、出力を増加させることができる。
（２）バルク微細加工プロセスを使用してキャビティ歯構成を有する並進ＶＣＤアクチュエーターが製造される場合、回転子電極と固定子電極との間のボンディングのずれが生じる可能性がある。
（３）アクチュエーターの帯域幅を制限する多くの設計で使用される櫛歯型電極のキャビティ歯構成における顕著な減衰効果。
（４）表面マイクロマシニングされたＶＣＤアクチュエーターは、大きな並進（ピストン式）ストロークを提供することができる点で制限されている。この制限は、大きな高さ（厚さ）の層を堆積させるための表面マイクロマシニングプロセスが実施困難であることに起因する。

国際公開ＷＯ２０１３／０７６３５０号公報米国特許第８３５８９２５号米国特許第８２６９３９５号米国特許第６３８４９５２号米国特許第７５３８４７１号米国特許第８７１１４９５号

Ｒ．Ｃ．Ｇｕｔｉｅｒｒｅｚ，Ｅ．Ｒ．Ｆｏｓｓｕｍ，ａｎｄＴ．Ｋ．Ｔａｎｇ， "Ａｕｔｏ−ＦｏｃｕｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ" ｉｎｔｈｅ２００７ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｍａｇｅＳｅｎｓｏｒＷｏｒｋｓｈｏｐ，２００７．Ｄ．Ｊ．Ｄａｇｅｌ，Ｗ．Ｄ．Ｃｏｗａｎ，Ｓ．Ｍｅｍｂｅｒ，Ｏ．Ｂ．Ｓｐａｈｎ，Ｇ．Ｄ．Ｇｒｏｓｓｅｔｅｔｅ，Ａ．Ｊ．Ｇｒｉｎｅ，Ｍ．Ｊ．Ｓｈａｗ，Ｐ．Ｊ．Ｒｅｓｎｉｃｋ，ａｎｄＢ．Ｊｏｋｉｅｌ， "Ｌａｒｇｅ−ＳｔｒｏｋｅＭＥＭＳＤｅｆｏｒｍａｂｌｅＭｉｒｒｏｒｓｆｏｒＡｄａｐｔｉｖｅＯｐｔｉｃｓ，" ｖｏｌ．１５，ｎｏ．３，ｐｐ．５７２−５８３，２００６．ＤｉｇｉｔａｌＯｐｔｉｃｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， "ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＡｕｔｏｆｏｃｕｓＣａｍｅｒａＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｍａｄｅｐｏｓｓｉｂｌｅｂｙＭＥＭＳ，" ２０１２．Ｂ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｊ．Ｓ．Ｐａｒｋ，Ｃ．Ｍｏｏｎ，Ｇ．Ｍ．Ｊｅｏｎｇ，ａｎｄＨ．Ｓ．Ａｈｎ， "ＡｐｒｅｃｉｓｉｏｎｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｍｏｄｕｌａｒａｃｔｕａｔｏｒｓａｎｄＭＥＭＳｍｉｃｒｏｇｒｉｐｐｅｒｆｏｒｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍａｓｓｅｍｂｌｙ，" Ｊ．Ｍｅｃｈ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．２２，ｎｏ．１，ｐｐ．７０−７６，Ａｐｒ．２００８．Ａ．Ｐ．Ｌｅｅ，Ｄ．Ｒ．Ｃｉａｒｌｏ，Ｐ．Ａ．Ｋｒｕｌｅｖｉｔｃｈ，Ｓ．Ｌｅｈｅｗ，Ｊ．Ｔｒｅｖｉｎｏ，ａｎｄＭ．ａ．Ｎｏｒｔｈｒｕｐ， "ＡＰｒａｃｔｉｃａｌＭｉｃｒｏｇｒｉｐｐｅｒＢｙＦｉｎｅＡｌｉｇｎｍｅｎｔ，ＥｕｔｅｃｔｉｃＢｏｎｄｉｎｇＡｎｄＳｍａＡｃｔｕａｔｉｏｎ" Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔ．Ｓｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓＡｃｔｕａｔｏｒｓＣｏｎｆ．ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ '９５，ｖｏｌ．２，ｐｐ．３６８−３７１，１９９５．Ｄ．Ｊ．Ｂｅｌｌ，Ｔ．Ｊ．Ｌｕ，Ｎ．Ａ．Ｆｌｅｃｋ，ａｎｄＳ．Ｍ．Ｓｐｅａｒｉｎｇ， "ＭＥＭＳａｃｔｕａｔｏｒｓａｎｄｓｅｎｓｏｒｓ：ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｉｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒｐｕｒｐｏｓｅ，" Ｊ．ＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓＭｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｏｌ．１５，ｎｏ．７，ｐｐ．Ｓ１５３−Ｓ１６４，Ｊｕｌ．２００５．Ｄ．Ａ．Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ， "Ｍｉｃｒｏ−ＳｃａｌｅＳｍａｒｔＡｃｔｕａｔｏｒＭｏｄｕｌｅｓｆｏｒＩｍａｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ，" ｉｎＡＣＴＵＡＴＯＲ２０１２，Ｊｕｎｅ．Ｃ．Ｌｉｕ， "ＥｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃＡｃｔｕａｔｉｏｎ，" ｉｎＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｏｆＭＥＭＳ，Ｓｅｃｏｎｄ．，２００５，ｐｐ．１２７−１６８．Ｊ．Ｌｉ， "ＥｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃＺｉｐｐｉｎｇＡｃｔｕａｔｏｒｓａｎｄＴｈｅｉｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＭＥＭＳ，" Ｔｈｅｓｉｓ，２００４．Ｖ．Ｍｉｌａｎｏｖｉｃ，Ｇ．ａ．Ｍａｔｕｓ，ａｎｄＤ．Ｔ．ＭｃＣｏｒｍｉｃｋ， "Ｇｉｍｂａｌ−ＬｅｓｓＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＳｉｌｉｃｏｎＡｃｔｕａｔｏｒｓｆｏｒＴｉｐ−Ｔｉｌｔ−ＰｉｓｔｏｎＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，" ＩＥＥＥＪ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐ．ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．１０，ｎｏ．３，ｐｐ．４６２−４７１，Ｍａｙ２００４．Ｙ．Ｌｉ，Ｄ．Ｐｓｙｃｈｏｇｉｏｕ，Ｓ．Ｋｉｉｈｎｅ，Ｊ．Ｈｅｓｓｅｌｂａｒｔｈ，Ｃ．Ｈａｆｎｅｒ，ａｎｄＣ．Ｈｉｅｒｏｌｄ， "ＬａｒｇｅＳｔｒｏｋｅＳｔａｇｇｅｒｅｄＶｅｒｔｉｃａｌＣｏｍｂ−ＤｒｉｖｅＡｃｔｕａｔｏｒｆｏｒｔｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ＷａｖｅＴｕｎａｂｌｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔｅｒ，" Ｊ．ＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＳｙｓｔ．，ｖｏｌ．２２，ｎｏ．４，ｐｐ．９６２−９７５，２０１３．Ｅ．Ｃａｒｒ，Ｓ．Ｏｌｉｖｉｅｒ，ａｎｄＯ．Ｓｏｌｇａａｒｄ， "Ｌａｒｇｅ−ＳｔｒｏｋｅＳｅｌｆ− ＡｌｉｇｎｅｄＶｅｒｔｉｃａｌＣｏｍｂＤｒｉｖｅＡｃｔｕａｔｏｒｓｆｏｒＡｄａｐｔｉｖｅＯｐｔｉｃｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，" ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．６１１３，ｐ．６１１３０Ｔ−６１１３０Ｔ９，Ｊａｎ．２００６．

ＶＣＤアクチュエーターに関連する前述の問題点を克服するために、ピストンチューブ型構成を利用する新規な静電アクチュエーターが開発されている。アクチュエーターは、固定された構造部分と移動する構造部分の２つの構造からなる。固定構造部分は、ピストンチューブ型システムにおいてピストンとして作用する複数の電極を含む。ピストン又は歯は、正方形、円形、又は他の任意の形状に配置することができる。これらのピストンは、基部（すなわち、ピストンが位置する基部表面はｘｙ平面を規定する）に取り付けられ、それに対して垂直方向に（すなわち、ｚ軸に沿って）突出し、アクチュエータの固定子を形成する。移動構造部分は、ピストンの断面に類似した断面を有する複数のチューブ（貫通穴）を含む。可動チューブは、アクチュエーター板を囲み、加えられた電圧がないときにアクチュエーター板をその初期位置に戻すために使用される３つ以上の支持バネによって懸架される。ピストンは、面内軸（ｘおよびｙ）の周りに二軸回転を提供するように、互いに電気的に分離された３つ以上のグループに分割することができる。

回転子とすべての固定子との間に電圧が印加されると、静電力が隣接するピストンとチューブとの間で垂直方向に発生する。この静電気力は、ｚ軸に沿って純粋な並進（ピストン式）運動で回転子（自由移動構造）を静止位置から固定子（固定構造）に向かって動かす。電圧が低下すると、回転子は支持バネの復元力により平衡位置に戻される。アクチュエーターの回転子をｘ軸および／又はｙ軸の周りに回転させるために、回転子と１つ以上の固定子との間に電圧が印加される。

従来技術と比較した本発明の利点は以下の通りである：
（Ａ１）ピストンチューブ構造は、電極のための広い領域の使用を可能にする。したがって、並進モードでの高い出力（又は回転モードでは高トルク）を生成することができる。
（Ａ２）ピストンチューブ構成は、アクチュエーター電極間のガス減衰効果を著しく減少させる。これは、先に列挙したキャビティ歯構成アクチュエーターに固有の問題である。これは、チューブが貫通孔であるため、運動中に係合するピストンとチューブとの間にガスが閉じ込められないためである。このアクチュエーターの一実施形態では、スクイーズフィルムダンピング（Ｓｑｕｅｅｚｅｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｄａｍｐｉｎｇ）効果が依然として存在するが、固定構造（基部）をバックエッチングして、アクチュエーター板の真下に中心貫通孔を形成することによって排除することができる。
（Ａ３）この設計は、高精度のアライメントを実現するアクチュエーター電極の製造を可能にする。これは、両面アライメントを使用して回転子層（移動構造）をエッチングされた固定子層（固定構造）に接合した後、回転子チューブがパターン化され、エッチングされるためである。この技術は、隣接するピストンとチューブとの間の高精度のアライメントを実現する。
（Ａ４）二重固定子の実施形態（２つの固定子が基部に平行な２つの側面から回転子に結合されている形態）を有するピストンチューブ構成は、ｚ軸に沿った回転子の双方向への並進を可能にし、アクチュエータのストロークが倍増する。
（Ａ５）ピストンチューブアクチュエータは、３自由度の運動、すなわち、ｚ軸に沿った並進、およびｘ軸及びｙ軸周りの２軸回転を提供する。
これらの利点は、以下のセクションで提示される情報によってさらに説明することができる。

３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態１の固定構造（ピストン）を示す。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態１の移動構造（チューブ）を示す。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態１の最終構造を示す斜視図である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態１の最終構造の上面図、詳細図、および断面図を示す。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態２の固定構造（ピストン）を示す斜視図である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態２の移動構造（チューブ）を示す斜視図である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態２の最終構造を示す斜視図である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態２の最終構造（すなわち、チューブ内の黒い構造はピストンを表す）の詳細図を示す。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態３の固定構造（ピストン）を示す斜視図である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態３の移動構造（チューブ）を示す斜視図である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態３の最終構造を示す斜視図である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態４（ダブルステータ型）の分解図であり、ピストンを含む下部固定基部、チューブを含む回転子、およびピストンを含む上部固定基部を示す。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態４（ダブルロータ型）の斜視図であり、３つの構造の結合後のアクチュエーターの最終形態を示す。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態４の最終構造を示す上面図である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態４の最終構造を示す断面図である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態１の作製されたプロトタイプの上面図を示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態１の作製されたプロトタイプにおける回転子と固定子の平面図を示すＳＥＭ顕微鏡写真である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態１の作製されたプロトタイプにおける回転子と固定子とバネの一部の拡大平面図を示すＳＥＭ顕微鏡写真である。３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態１の作製されたプロトタイプのアライメント精度を示すＳＥＭ顕微鏡写真である。出力試験中に１ｍｇの質量を負荷した３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態１のプロトタイプアクチュエータのスナップショットを示す。作製されたプロトタイプアクチュエータの印加電圧に対する並進ストロークを示す。

ＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータにおいて、上面と厚さを有する第１の基板と、基板の上面の中心部に形成され、アクチュエーター板を受け入れるようにサイズが設定されるキャビティと、前記基板の厚さにおいて形成される離間した歯状電極のアレイと、を備え、前記歯状電極のアレイは前記キャビティを取り囲み、前記キャビティは閉じたキャビティ又は開いたキャビティであり、各前記歯状電極は、形状、長さ、高さ、及び厚さを有し、前記歯状電極の配列であるアレイは、前記歯状電極の１つ又は複数の部分配列であるサブアレイに分けられ、前記歯状電極の各サブアレイは１つ又は複数の歯を含み、前記歯状電極の各サブアレイ内の歯は、互いに電気的に接続されて前記歯状電極の他のサブアレイから電気的に絶縁され、前記歯状電極の各サブアレイは、電気的にアドレス指定可能であり、これにより前記歯状電極の各サブアレイは前記アクチュエーターの固定子を形成する；ＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータにおいて、前記基板に取り付けられ、前記基板に取り付けられるようにサイズが設定される構造を有する第２の板を備え、前記第２の板は、固定周辺構造および移動中心構造を有し、固定構造は、基板に接続され、移動中心構造は、アクチュエーター板を保持する；ＭＥＭＳ静電マイクロ・アクチュエーターにおいて、前記第２の板の厚さにおいて形成される離間した開口のアレイ構造を備え、前記開口のアレイ構造は、前記歯状電極のアレイを受け入れて互いにかみ合う（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅ）ようにサイズが設定され且つ設計され、前記開口の各々は、長さ、幅、及び高さを有し、前記開口のアレイ構造は、１つ又は複数の開口をそれぞれ含む１つ又は複数の開口のサブアレイに分けられ、各開口のサブアレイは、互いに電気的に接続されて他の開口のサブアレイから電気的に絶縁され、各前記開口のサブアレイは、前記歯状電極のアレイに対してそれらを位置あわせしながら保持するために第２の板の固定周辺構造から延びる１つ又は複数の支持ビームによって支持されることにより、各前記開口のサブアレイは前記アクチュエーターの回転子を形成する；ＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータにおいて、各前記回転子を前記周辺構造に接続されると共に駆動電圧がない場合に回転子をその初期位置に戻すように、前記第２の板の周辺構造に沿って延びる複数のバネ手段を備え、各前記バネは、長さ、厚さ、および高さを有し、前記固定子と前記回転子との間に印加される駆動電圧からの静電気力に応じて、作動中に前記固定子の歯が前記回転子の開口に突き込み、歯のサブアレイ（固定子）および開口のサブアレイ（回転子）の各サブアレイを選択的に充電することによって３自由度の作動が達成される。

実施形態１
本発明の第１の実施形態（３自由度ＭＥＭＳ静電アクチュエータ）を図１Ａ〜図１Ｄに示す。図１Ａに示す本実施形態の固定構造部分は、複数の同心弧状の歯（ピストン）１０２，１０３，１０４を含み、移動構造部分は、アクチュエーター板を受け入れるようにサイズが設定される複数の同心弧状のスロット又は開口（チューブ）１２２を含む。

歯又はピストンは、１２０度の位相間隔で配置された３つの固定子１０２，１０３，１０４に分割される。各固定子は、作動中にかみ合わされるように回転子の円弧状のチューブ（開口）１２２と垂直に位置あわせた複数の円弧状のピストンを備える。３つの固定子１０２，１０３，１０４は、ＳＯＩウェーハの埋込み酸化物（ＢＯＸ）層１０７を利用することによって、互いに電気的に絶縁されている。しかし、各固定子の電極は、ＢＯＸ層の上に小さな厚さ（高さ）層１０６を介して電気的に接続されている。ピストンを取り囲む３つの円形島１０５は電気パッドである。

回転子は、別のシリコンウェハーのデバイス層に製造され、アクチュエーター板１２１を取り囲む複数の円弧状のチューブ１２２を備える。チューブは、３つの支持ビーム１２３によって基板に接続されている。アクチュエーターの最終接合構造を図１Ｃに示す。図１Ｄは、アクチュエーターの上面図と、ピストン（黒）とチューブ（白）が互いに対して配置されている方式の詳細図と、を示す。

アクチュエーターの本実施形態は、３自由度運動を提供するが、大きな回転角を達成するという点で制限される。この制限は、回転角度が大きくなるにつれてピストンとチューブとの間の水平ギャップ（ｇ）１２６が変化することに起因して、これにより、この設計は、大きな回転角度を提供するために不適切なものだが、大きな並進ストロークを提供するための良い設計である。

この実施形態の別の制限は、空気ボリューム１２５がアクチュエーター板の真下および最も内側のピストン（アクチュエーター板の中心に対する最も近いピストン）の内側にトラップされるピストンの円形形状に起因する。この空気量は、回転子の運動中のアクチュエーター板（アクチュエータ電極ではない）と基部との間の押圧減衰効果をもたらす。しかし、基部ＳＯＩウエハのハンドル層の裏面エッチング（ｂａｃｋｓｉｄｅｅｔｃｈｉｎｇ）ステップを追加することによってこの減衰効果を除去することができる。

この実施形態は、ＳＯＩウェハーの直接反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）バルク微細加工プロセスを使用して製造された。表面微細加工プロセスと異なり、バルクシリコンのＤＲＩＥは、アクチュエーターが大きなストロークを提供することを可能にする大きな厚さ（高さ）の電極を製造できる。ＳＯＩウェハーのＢＯＸ層は、アクチュエーターの固定子間の電気的分離を提供することにより、二軸回転を可能にする。

実施形態２
３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態２の構成を図２Ａ〜図２Ｄに示す。実施形態１の二軸回転の制限を避けるために、回転中のギャップ１２６の変化を低減するように固定子及び回転子の電極を配置することができる。図２Ａに示すように、本実施形態のピストン２０４，２０５，２０６，２０７は、アクチュエーターの内側から外周部へ半径方向に延在している。ピストンとチューブの側部間の平行平板キャパシタンスは、アクチュエーターの円板の半径方向に延在している。したがって、回転軸に垂直またはほぼ垂直な配置状態で充電されたピストンチューブ対に対して、アクチュエーターの回転中に水平ギャップ（ｇ）１２６の変化についての予想される変化量は無視できる程度である。そして、これらの充電されたピストンチューブ対は電圧に対してほぼ線形的なトルクを発生する。これは、特に、固定子層が多数の固定子に分割されている場合（図２Ｄを参照して、４つの固定子アクチュエーターを示しているが、ステータ層はより多くの固定子に分割することができる）に当てはまる。これにより、アクチュエーターの本実施形態は、実施形態１と比較して、引張り不安定性（ｐｕｌｌ−ｉｎｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）を発生する前に大きな回転角を達成することが可能になる。この実施形態の別の利点として、ピストンおよびチューブによって形成される平行板コンデンサは、バネの長手方向に対して垂直であり、その長手方向はバネ２２３の最も高い剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）の方向（バネの長手方向はアクチュエーター板の接線方向になる）である。したがって、大きな平面外並進ストロークを達成することができる。この実施形態の別の態様は、バネが回転子の周縁に沿って延びる回転子に対するバネの構成である（図２Ｂ及び図１Ｂ参照）。スプリングの当該構成には４つの利点がある。まず、バネが大幅に長くすることができる（これにより、ビームの長手方向の剛性が長さに反比例し、横方向の剛性が長さの立方に反比例するので、長手方向の剛性と横方向の剛性との比率が高いことになる）。この比率の高い値は横方向の不安定限界をさらに拡大するので、大きなストロークを達成することができる。第２の利点は、バネが半径方向内側に延びて回転子の領域の収縮に至る実施形態１のバネ構成（図１Ａ〜図１Ｄ参照）とは対照的に、電極が増倍される広い空間を提供することです。第３に、バネは回転子（チューブ）層と同じ厚さを有することができ、バネを軟化させるように回転子層をエッチングするために必要な製造工程を省くことができ、これにより製造工程を簡素化する。第４に、電極の高さに近似する大きな高さ（厚さ）を有するバネは、レンズなどの質量を負荷したときに、ＭＥＭＳ静電作動が引き起こす衝撃に対する耐性を向上させる。

実施形態３
３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態３の構成を図３Ａ〜図３Ｃに示す。アクチュエーターの別の実施形態を図３Ａ〜図３Ｃに示す。この実施形態のピストン３０４，３０５，３０７は、矩形の断面を有し、回転子に向かって垂直に突出し、２つの面内軸（ｘ及びｙ）に沿って水平に延びている。対向する各固定子は、２つの面内軸（ｘ及びｙ）に沿って水平に延びる複数の矩形のピストンを含む。回転子のチューブ３１０は矩形の貫通孔であり、作動中にピストンがチューブに沿って貫通するようにピストンに面している。この設計は、円形回転子の幾何形状のためにアクチュエーターの角が利用されていない実施形態２よりも、全体の電極静電容量の面において面積効率（ａｒｅａ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が良い。これにも実施形態２で使用されたものと同様の効率的なバネ構成を利用する。しかしながら、この実施形態の回転角度は、特にアクチュエーター板がアクチュエーターの角に向かって回転されるときに、隣接するピストンとチューブとの間の水平ギャップの変化によって制限される。

実施形態４
３自由度ピストンチューブ静電アクチュエーターの実施形態４の構成を図４Ａ〜図４Ｄに示す。図４Ａ〜図４Ｄに示すこの実施形態は、実施形態３で説明したアクチュエーターの並進ストロークを２倍にすることを目的とする。中心開口を有するとともに実施形態３のアクチュエーターの下部基部３０１と同じ特徴を有する基部４０２は、アクチュエーター回転子４０１の上面に接合される。この基部４０２の接合は、アクチュエーター回転子４０１がｚ軸に沿って並進することを可能にする。したがって、アクチュエーターが双方向の並進を提供するので、アクチュエーターのストロークは２倍になる。アクチュエーターの回転モードでは、回転子エッジに作用された力を生成するためにより多くのピストンチューブ対が使用されると、回転子と下部固定子及び上部固定子との間に生じるトルクが増加する。従って、回転子を回転させるためにはより低い入力電圧が必要である。しかし、両方の構造（上部基部と回転子）の特徴をエッチングした後に接合が行われるため、上部基部４０２ピストンと回転子４０１チューブとの間では接合ずれ（ｂｏｎｄｉｎｇｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔｓ）が現れることが予想される。回転子４０１は、裏面アライメント（ｂａｃｋｓｉｄｅａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を用いて下部基部３０１に接着した後に取り付けられる。

図５Ａ〜図５Ｄはアクチュエーターの実施形態１の上側からの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）スナップショットを示し、アクチュエーターの電極間のアライメント精度もＳＥＭを用いて調査した。図５Ｄは、ミスアライメントが電極間の水平ギャップ１２６の０．００５％未満であるので、隣接するピストンとチューブとの間において高いアライメント精度が達成されたことを示している。

アクチュエーターの実施形態１のプロトタイプについて、１ｍｇの質量を負荷したときの静的性能を評価することによって、出力試験を行った。荷重は、ピンセットを使用してアクチュエーター板上に置かれ、次いで、針を用いて板の中心に再配置される。図６は、出力試験中の１ｍｇ質量を負荷したときのアクチュエーターのスナップショットである。図７は、負荷されたアクチュエーター対印加電圧の測定された変位を示す。アクチュエーターは、質量負荷（１ｍｇ）を２４μｍで垂直に並進させることができた。

上記は、本発明の原理の例示にすぎないと考えられる。さらに、多くの修正および変更が当業者には容易に起こるであろうから、本発明を図示および説明した詳しい構成および動作に限定することは望ましくなく、従って、すべての適切な修正および均等物が本発明の範囲内に含まれる。

上記の説明に関して、大きさ、形状、形態、材料、機能および操作方法、組み立ておよび使用方法に関する本発明の部品の最適な関係は、当業者には容易に明らかであり明らかであると理解されるべきであり、そして図面に示され明細書に記載されたものと同等の関係はすべて本発明に包含されるものとする。

Claims

第１の基板と第２の基板を備える微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）静電マイクロアクチュエータであって、
（ａ）前記第１の基板は、ｘｙ平面を規定するｘ軸およびｙ軸と、前記ｘｙ平面と垂直なｚ方向とを有し、
前記第１の基板は、上面と厚さを有し、
前記第１の基板は、前記第１の基板を取り囲む固定子支持フレームと、前記第１の基板の前記上面から上向きに延びるピストンが離間して配置されたピストンアレイとを有し、
前記ピストンは、垂直なピストン壁およびピストン高さを有し、
前記ピストンアレイは複数のピストンサブアレイを備え、
前記複数のピストンサブアレイの各々に含まれる前記ピストンは、互いに電気的に接続され、他のピストンサブアレイに含まれるピストンから電気的に絶縁され、
前記複数のピストンサブアレイの各々は、電気的にアドレス指定可能であり、
（ｂ）前記第２の基板は、
前記第２の基板を取り囲む、非可動の固定周辺構造と、
前記第２の基板内に形成される、離間して設けられる貫通開口を有したチューブの配列であるチューブアレイと、
前記チューブアレイを前記固定周辺構造に接続させる複数のバネであって、前記第２の基板が、作動中に１又は複数のピストンサブアレイと第２の基板との間に印加される駆動電圧からの静電気力に応じて、前記ｚ方向に沿って並進し、前記ｘ軸および前記ｙ軸の２つの軸の周りに回転する、バネと、
前記第２の基板上に位置し、前記チューブによって取り囲まれるアクチュエータ板と、
を有し、
前記固定周辺構造は、前記固定子支持フレーム上に配置されて前記固定子支持フレームに接合され、
前記チューブは、垂直なチューブ壁とチューブ高さを有し、
前記チューブは、前記ピストンに垂直に配置され、
前記チューブの各々は、前記ピストンの各々を受け入れて互いにかみ合うようにサイズが設定され且つ設計されるチューブ開口を有し、
前記チューブは互いに電気的に接続され、
前記アクチュエータ板は、前記チューブとともに１つの剛性体を形成し、
前記アクチュエータは、選択的に前記ピストンサブアレイを作動させることによって並進および２つの回転動作を含む３自由度の動作を提供する、
ＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記ピストンサブアレイの各々は、前記第１の基板の厚さ内の絶縁層を利用することによって他のサブアレイから電気的に絶縁される、請求項１に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記ピストンの各々および前記チューブの各々の前記ｘ軸および前記ｙ軸によって規定される前記平面に沿った断面は、実質的に矩形、円形、三角形、台形、五角形または六角形であり、前記チューブの各々は、前記ピストンの各々を前記チューブ壁に接触することなく前記チューブ開口に入れるように、サイズが設定される、請求項１に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記ピストンアレイと前記チューブアレイは、前記ｘ軸および前記ｙ軸に沿って直線的に配列されたピストンおよびチューブからなる複数の直線状の列を備える請求項１に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記ピストンアレイまたは前記ピストンサブアレイおよび前記チューブアレイは、半径方向および円周方向の両方に配列されたピストンおよびチューブからなる複数の同心円弧状の列を備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記ピストンアレイまたは前記ピストンサブアレイおよび前記チューブアレイは、複数のセクターに配置され、前記ピストンおよびチューブは、前記複数のセクターの各々において半径方向および円周方向の両方に配列する、請求項１に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記第２の基板上に物体がさらに配置され、前記物体は、前記ピストンサブアレイおよび前記チューブアレイを選択的に作動させることによって、前記ｚ方向に沿って移動し、前記ｘ軸および前記ｙ軸周りに回転することができる、請求項１に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記第２の基板は、回転子開口を有し、前記第１の基板は固定子キャビティを有し、
それによって物体が前記回転子開口内に配置され、前記固定子キャビティ内に垂直方向に並進して回転され得る、請求項１に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記固定子キャビティは、前記アクチュエータを通じて光が透過するように構成される開口キャビティであって、
前記アクチュエータは小型カメラに一体化されており、
前記アクチュエータは前記カメラのオートフォーカスおよび光学画像安定化のために使用される、請求項８に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記固定子キャビティは、前記アクチュエータを通じて光が透過するように構成される開口キャビティであって、前記物体は１つの光学レンズ又は複数のレンズである、請求項８に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記複数のバネは、前記固定周辺構造に沿って長手方向に配列される、請求項１に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
少なくとも２つのピストンサブアレイは、前記ｘ軸周りの回転のために前記ｘ軸の両側に対称的に形成され、少なくとも２つのピストンサブアレイは、前記ｙ軸周りの回転のために前記ｙ軸の両側に対称的に形成される請求項１に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記ピストンの各々は、長辺と短辺とを有する矩形の断面を有し、前記ピストンサブアレイに含まれる前記ピストンの前記長辺は、前記ｘ軸周りに回転する場合に前記ｙ軸に平行であり、前記ピストンサブアレイに含まれる前記ピストンの前記長辺は、前記ｙ軸周りに回転する場合に前記ｘ軸に平行であり、これによって前記ピストン壁が前記チューブ壁に接触することなく、大きな回転ストローク動作を提供する、請求項１２に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。
前記第１の基板が、直接反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）バルク微細加工プロセスを用いてＳＯＩウェハーに形成される、請求項１に記載のＭＥＭＳ静電マイクロアクチュエータ。