JPH033683A - マイクロ静電リニアモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 マイクロ静電リニアモータに関し、 ロータの変形がなく、機械的強度が大きい安定したマイ
クロ静電リニアモータを構成することを目的とし、 １枚のシリコン基板から切り離されたシリコン分離基板
の上にロータ電極列が設けられたロータと、前記シリコ
ン分離基板が切り離された両側のシリコン周囲基板間が
、前記ロータの移動が可能な如くに空隙を残して上下絶
縁膜で橋架連結され、該絶縁膜上に前記ロータ電極列と
対向して１列以上のステータ電極列が配置されたステー
タとを少なくとも備え、前記ステータ電極列に多相パル
ス電圧を印加して、前記ロータを静電的に駆動するよう
にマイクロ静電リニアモータを構成する。

〔産業上の利用分野］ 本発明はマイクロ静電リニアモータの改良に関する。

近年、メカトロニクス技術の進歩発展にともない、各種
ロボットや制御機器の応用が益々盛んになってきている
。

と（に、最近は生体への応用や宇宙機器など超小形化が
要求される重要な分野が広がってきており、低消費電力
で比較的駆動力が大きく、かつ、超小形化が可能なマイ
クロ静電リニアモータが注目されるようになってきた。

すでに、マイクロ静電リニアモータには幾つかの提案が
なされているが、機械的強度が大きく安定に動作するマ
イクロ静電リニアモータの開発が強く求められている。

〔従来の技術〕

超小形のマイクロ静電リニアモータとしては、たとえば
、シリコン基板の上にステータを形成し、ロータは薄膜
のポリシリコンで形成して全体を極めてコンパクトにま
とめる構成のものが提案されている（Ｓｅｎｓｏｒｓ　
ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、　ｖｏｌ−１４，ｐ２６
９．１９８８）。

第５図は従来のマイクロ静電リニアモータの例を示す図
で、図中、５０は単結晶シリコン基板、１１０は下部ス
テータ電極、１１１は上部ステータ電極、１５０はポリ
シリコン薄膜ロータ、２０１　はロータ上部電極である
。

この例の特徴は単結晶シリコン基板５０の上に、下部ス
テータ、下部ステータ電極１１０．こ＼には図示してな
いロータ下部電極、ポリシリコン薄膜ロータ１５０、ロ
ータ上部電極２０１．上部ステータ電極。

上部ステータなどを必要に応じて絶縁膜あるいは選択エ
ツチング性中間層を介して積層形成したあと、適当な方
法、たとえば、選択エツチングによってポリシリコン薄
膜ロータ１５０の部分だけを、単結晶シリコン基板５０
の上に形成されているステータ部分から切離して分離し
、移動可能なように構成していることである。すなわち
、ＩＣプロセス技術を応用することによって小形化を図
っていることである。

駆動方法は静電リニアモータの通常法に準じており、ポ
リシリコン薄膜ロータ１５０の両端の上下にロータ電極
を設け、それを挟むように構成された上下ステータ電極
を３相給電配置とし、３相パルスをステータ、電極に印
加してロータを静電駆動するようにしている。

第４図は静電リニアモータの基本構成を説明する図で、
駆動原理を理解するために最小限必要とする構成部分の
みを示したものである。

図中、ｌＯＯは下部ステータ、１０１は上部ステータ、
２００ａ　、　２００ｂ　、　２００ｃは下部ステータ
電極、２０１ａ。

２０１ｂ、２０１ｃは上部ステータ電極、３００はロー
タ、４００ａ　、　４００ｂは下部ロータ電極、４０１
ａ、４０１ｂは上部ロータ電極、３１０．３１１は誘電
体膜である。

いま、たとえば、ロータ電極を接地電位としてステータ
電極２００．２０１に多相パルス電圧を印加すると、そ
れに近接したロータ電極には静電誘導により反対符号の
電荷が誘起され、その結果、たとえば、ロータ電極４０
０ａ、４０１ａの部分がステータ電極２００ａ、２０１
ａの下に引き込まれる。すなわち、ロータ３００は右側
矢印の方向に移動することになる。

以下、同様の過程が繰り返されてロータ３００は次々と
静電的に移動し、また、パルス電圧の位相を逆にするこ
とによって、ロータ３００の移動方向を反転させるよう
に制御している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の従来例ではロータとして薄膜ポリシリコ
ンを使用しているので、ポリシリコン薄膜を単結晶シリ
コン基板から分離したときに、薄膜中の残留応力よって
ロータが反るなどの変形を生じ滑らかな移動を妨げ、ま
た、機械的強度が弱く長時間の使用に耐えがたいなどの
問題があり、その解決が必要である。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、１枚のシリコン基板１から切り離された
シリコン分離基板１ｂの上にロータ電極列４が設けられ
たロータｌＯと、前記シリコン分離基、板１ｂが切り離
された両側のシリコン周囲基板１ａ。

１０間が、前記ロータ１０の移動が可能な如くに空隙２
０を残して上下絶縁膜で橋架連結され、該絶縁膜上に前
記ロータ電極列４と対向して１列以上のステータ電極列
８が配置されたステータ１１とを少なくとも備え、前記
ステータ電極列８に多相パルス電圧を印加して、前記ロ
ータｌＯを静電的に駆動するように構成したマイクロ静
電リニアモータにより解決することができる。

〔作用〕

本発明によれば、ロータ１０はステータ１１と同一のシ
リコン基板１から、異方性エツチングにより化学的に分
離された単結晶シリコン板であり、側面は極めて平滑で
、しかも、残留応力による変形がなく機械的にも堅牢な
ので、長期間にわたり安定に動作することが可能となる
。

（実施例〕 第１図は本発明の実施例装置の斜視図である。

図中、１０はロータ、１１はステータ、４はロータ電極
列、８はステータ電極列、２は絶縁膜である。

こ＼で、ロータ１０とステータ１１は同一の単結晶シリ
コン基板から切り離されて分離したものである。ロータ
１０の上面には複数の孤立した金属膜からなるロータ電
極列４が長さ方向、すなわち、ロータの移動方向に直列
に配設されている。

ロータ１０の両側のステータ１１の上下面には絶縁膜２
がロータ１０の上下面を跨ぎ、かつ、ロータ１０が移動
可能なように空隙２０を残して橋架連結している。そし
て、上側の絶縁膜にはロータ電極列４に対向して、複数
の孤立した金属膜からなるステータ電極列８が長さ方向
、すなわち、ロータの移動方向に直列に、かつ、２列に
配設されている。

一方、下側の絶縁膜には後で説明するように、ロータ部
をステータ部から分離する異方性エツチングと選択エツ
チングのためのエツチング液侵入口である穴５が設けら
れている。

なお、図には示してないがステータ電極列８には駆動用
の多相（たとえば、３相）パルス電圧印加端子が、また
、ロータ４には外部に駆動力を伝達するための駆動力伝
達部が設けられている。

さて、上記の本発明実施例を実現するための製造工程を
以下工程順に具体的に説明する。

第２図（その１〜その３）は本発明の実施例装置の製造
工程を説明する断面図（その１〜その３）である。

工程（１）：直径１００ｍｍφ、厚さ０．５　ｍｍ、面
方位（１１０）の表面処理を完了した単結晶シリコン基
板ｌを準備する。

工程（２）：前記処理基板の両面に約５００ｎｍの熱酸
化ＳｉＯ□膜２ａ、２ｂを形成する。

工程（３）；前記熱酸化ＳｉＯ□膜２ａ上に厚さ約３０
０ｎｍのＡｕまたはＡｊ２からなるロータ電極膜３を真
空蒸着法などにより被着する。

工程（４）：あとで述べるような配置のロータ電極列４
パターンを通常のホトエツチング法で巾０．２５ｍｍで
形成する。

工程（５）：前記処理基板の上面にロータ電極列４を覆
って厚さ約１μｍのＳｉＱ、膜２ＣをスパッタまたはＣ
ＶＤ法で被着する。

工程（６）；前記処理基板の上面のロータ電極列４の両
側の５ｉＯｚ膜２ａ、２ｃと、それと対応する位置で裏
面側のＳｉＯ□膜２ｂに３００　μｍのスペースをあけ
て、巾約５μｍの溝状の穴５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄをフ
ッ酸による化学エツチングあるいはイオンエツチングで
形成する。

工程（７）：前記処理基板の両面に厚さ約２μｍのポリ
シリコン膜６ａ、６ｂをＣＶＤ法で被着形成する。

工程（８）：前記処理基板の両面のポリシリコン膜６ａ
。

６ｂをホトエツチング法により両側部分だけを除去し、
前記穴５ａ、　５ｂ、　５ｃ、　５ｄの外側までを覆う
ようなポリシリコンパターン６０ａ、６０ｂに形成する
。

工程９）：前記処理基板の両面に絶縁膜として厚さ約３
μｍのＳｉＯ□膜２６，２ｅをスパッタまたはＣＶＤ法
で被着する。

工程（１０ｉ前記処理基板の上面の５ｉｎ２膜２ｄ上に
、厚さ約３００ｎｍのＡｕまたはＡ２からなるロータ電
極膜３を真空蒸着法などにより被着する。

工１１）：あとで述べるような配置のステータ電極列８
パターンを通常のホトエツチング法で約５μｍのギャッ
プをあけて２列に形成する。

工程（１２）：前記処理基板の上面にパンシベーシゴン
膜として厚さ５μｍの５ｉＯｚ膜２ｆを蒸着法で形成す
る。

工程ａ３）：前記処理基板の裏面のＳｉｎｇ膜２ｅに異
方性エツチング液を侵入させるための約１０μｍ角の穴
５ｅを５０μｍ間隔で複数個ロータ１０の長さ方向に沿
ってフッ酸による化学エツチングあるいはイオンエツチ
ングで形成する。

工程（１４）：前記処理基板を８０°Ｃに加熱した１５
χＫＯＨ溶液の中でエツチングすると、前記穴５ｅを通
してエツチング液が侵入して、先ず下面のポリシリコン
パターン６Ｑｂが選択的に溶解し、下部の空隙２０が形
成される。なお、この時５ｉＯｚ膜はこのエツチング液
には殆ど侵されないので外形的な変化は生じない。　ポ
リシリコン膜６０ｂが溶解されると、５ｉｎｔ膜２ｂに
あけられた穴５ｃ、５ｄの部分で単結晶シリコン基板１
がエツチング液に曝されることになり、異方性エツチン
グが進行することになる。このエツチング液はＳｉの（
１１１）面のエツチング速度が（１１０）面のエツチン
グ速度の１７４０以下で、この場合、基板面に垂直方向
にはエツチングが進行するが、基板面に平行方向には殆
どエツチングが進行しない、いわゆる、異方性エツチン
グによって側面の空隙２０がシャープに形成され、それ
によってロータ部のシリコン基板は元のシリコン基板か
ら切り離される。

その結果、基板１の上面の５ｉＯｚ膜２ａ、２ｃにあけ
られた穴５ａ、５ｂの部分でポリシリコンパターン６０
ａがエツチング液と接触することになり、ポリシリコン
が選択エツチングを受けて溶出し上側の空隙２０を形成
する。

結局、ロータ部の上下左右に空隙２０が形成された結果
、ステータ１１の内部空間に移動可能な状態で閉じ込め
られたロータ１０を形成することができる。

なお、ロータ１０の長さは１ｍｍとし、マイクロ静電リ
ニアモータとしての外形寸法は高さ約０．６ｍｍ、巾約
４　ｍｍ、長さ約５ｍｍである。

第３図は本発明の実施例の電極配置を説明する図で、実
施例装置の上方から見た拡大配置を示したものである。

図中、１１はステータ部分を示し、実線で示した電極は
ステータ電極列８で、中央部に約５μｍのギャップをあ
けて２列に形成した。

左右の電極列は対象に配置し、ともに、クロスオーバを
介してＲ，Ｓ、Ｔ端子に接続する３相配線パターンを形
成しである。

一方、中央部分の２つの点線枠のうち、外側のものはロ
ータｌＯが移動するエリアを示しており、内側の点線は
ロータ１０の輪郭を示している。点線斜線で示した長方
形の部分は、工程（４）で述べたように長辺が０．２５
ｍｍで形成されたロータ電極列４で、そのピッチはステ
ータ電極列８の１．５倍にしである。

同図の電極配置を前記第４図のそれと比較すると、第４
図のステータ電極２００と２０１を一定の間隔をあけて
一平面上に展開し、ロータをステータ電極列間の中央下
部に配置し、一方のロータ電極列を省略した構成になっ
ている。したがって、本実施例装置の駆動メカニズムは
第４図で説明したものと同様であり、ステータ電極列８
に３相パルス電圧を印加することによってロータｌＯを
駆動することができる。

本実施例において、Ｉ　ＫＨｚ、　１０ｖの３相パルス
電圧印加によって約２０ｍｇの駆動力が得られ、しかも
、ロータ１０の変形が生じることなく、長時間にわたっ
て極めて安定に動作することがわかった。

本実施例では、ロータ電極列、ステータ電極列ともに片
側に設けたが、上下両面に設けてより駆動力を高めるよ
うにすることもできる。

また、本実施例の製造方法は一例であり、本発明のマイ
クロ静電リニアモータを構成するために、適宜能の製造
法を組み合わせて使用できることは言うまでもない 〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、ロータ１０はス
テータ１１と同一のシリコン基板１から、異方性エツチ
ングにより化学的に分離された単結晶シリコン板であり
、側面は極めて平滑で、しかも、残留応力による変形が
なく機械的にも堅牢で、長期間にわたり安定に動作でき
るので、マイクロ静電リニアモータの性能、品質および
歩留りの向上に寄与するところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例装置の斜視図、第２図（その１
〜その３）は本発明の実施例装置の製造工程を説明する
断面図（その１〜その３）、第３図は本発明の実施例の
電極配置を説明する図、 第４図は静電リニアモータの基本構成を説明する図、 第５図は従来のマイクロ静電リニアモータの例を示す図
である。 図において、 １は単結晶シリコン基板、 ２　（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ）はＳｉ０ｇ膜（
Ｑ＊ＲＬ）、３はロータ電極膜、 ４はロータ電極列、 ５　（５ａ、　５ｂ、　５ｃ、　５ｄ、　５ｅ）は穴、
６ａ、６ｂはポリシリコン膜、 はステータ電極膜。 はステータ電極列、 ０はロータ、 １はステータ、 ０は空隙である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １枚のシリコン基板（１）から切り離されたシリコン分
   離基板（１ｂ）の上にロータ電極列（４）が設けられた
   ロータ（１０）と、 前記シリコン分離基板（１ｂ）が切り離された両側のシ
   リコン周囲基板（１ａ、１ｃ）間が、前記ロータ（１０
   ）の移動が可能な如くに空隙（２０）を残して上下絶縁
   膜で橋架連結され、該絶縁膜上に前記ロータ電極列（４
   ）と対向して１列以上のステータ電極列（８）が配置さ
   れたステータ（１１）とを少なくとも備え、前記ステー
   タ電極列（８）に多相パルス電圧を印加して、前記ロー
   タ（１０）を静電的に駆動することを特徴としたマイク
   ロ静電リニアモータ。