JPH04109883A - アクチユエータ - 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】 産業上の利用分野 本発明は、アクチュエータに関する。

従来の技術 従来、マイクロマシンニングにおけるアクチュエータを
有する装置としては種々のものが発案されている。その
第一の従来例として、第８図に示すように、中央部に設
けられたロータ（回転子）１の回りにステータ電極（固
定子）２が取り囲むようにして配設されているものがあ
る。この場合、周囲のステータ電極２に順次電圧が印加
されることにより、その静電引力によりロータ１が回転
をし、これにより動力を発生するものである。

また、その第二の従来例として、第９図に示すように、
基板３上に短冊形状をした多数のステータ電極４が配設
され、絶縁膜５を介して、円筒状のロータ６が上部に置
かれている。

この場合、直線状に配列されたステータ電極４に順次電
圧を印加していくことにより、静電引力によりロータ６
がステータ電極４の表面上を転がり、これにより動力を
発生することができる。

さらに、その第三の従来例として、第１０図に示すよう
に、直線運動を直接取り出すために、インチウオーム（
尺取り虫）の形をしたアクチュエータがある。これは、
ガイドレール７上に置かれた移動可能な拡大機構８にピ
エゾ圧電素子９を取付けたものであり、これにより、そ
のピエゾ圧電素子９に適当に順次電圧を印加することに
より、拡大機構８に直線運動を発生させることができる
ものである。

発明が解決しようとする課題 第一の従来例の場合、ステータ電極ｌがロータ２の周囲
に配設されているため、これにより得られる駆動力は回
転運動である。従って、このような機構から直線方向の
力を取り畠すためには、その回転運動を一旦直線運動に
変換する必要があり、このためその変換する機構が必要
となり装置が複雑化する。

第二の従来例の場合、円筒状のロータ６が転がる構造と
なっているため、直接、直線運動を取り出すことは可能
となるが、しかし、実際にはそのロータ６の上部に「負
荷」を乗せる荷台が必要になり、また、そのような荷台
を設けるためには軸受が必要となり、これにより装置全
体の構成が複雑化する恐れがある。

第三の従来例の場合、拡大機構８を直線状に推進させる
ためにピエゾ圧電素子９に電圧を印加させるためのケー
ブルが必要となり、その分、部品点数が増えこのケーブ
ル自体がムダな負荷となる。

二の場合、マクロな大きさのアクチュエータならそのケ
ーブルもさほど問題とはならないが、μｍオーダーの大
きさを有するアクチュエータ（いわゆる、マイクロマシ
ン）では、電力供給のためのケーブルは荷重負荷が増加
するためほとんど実現不可能である。しかも、電力供給
用の架線、レール等を設けても、摩擦、摩耗、接触不良
などの点からほとんど実用に適していない。

課題を解決するための手段 請求項１記載の発明は、非直線な形状を有し熱により変
形する少なくとも２種類の熱膨張係数の異なる弾性体か
らなる移動子を設け、この移動子を挾む移動方向に沿っ
てステータ電極を少なくとも２本配設し、前記移動子と
前記ステータ電極との間に電圧を印加する電圧源を接続
した。

請求項２記載の発明は、非直線な形状を有し熱により変
形する少なくとも２種類の熱膨張係数の異なる弾性体か
らなる移動子を設け、この移動子を挾む移動方向に沿っ
てステータ電極を少なくとも２本配設し、前記移動子と
前記ステータ電極との間に電圧を印加する電圧源を接続
し、前記移動子の一端に脚部を形成し、この脚部が載置
されている基板表面との接触部の摩擦係数がその移動子
を移動させたい方向に小さくその反対方向に大きくなる
ように前記接触部に波状の溝を形成した。

作用 このように非直線な形状をもち２種類以上の異なる熱膨
張係数を有する弾性体からなることによりいわゆるバイ
メタルを構成できるため、電圧印加により生じるステー
タ電極と移動子との間の静電引力とステータ電極から移
動子に流れる電流によるジュール熱とによって、バイメ
タルにより生じる力の大きさが周期的に変化して移動子
が自励的に伸縮することができるため、これにより並進
振動する力を発生することができる。

また、移動子の脚部と基板との接触部における摩擦係数
を一方向に太きくなるようにしたことによって、移動子
を一方向に移動させる移動機構を実現することが可能と
なる。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図ないし第５図に基づいて
説明する。

移動子１０は、非直線な形状の弾性体としてのパンタグ
ラフ部１１と、このパンタグラフ部１１の対向する頂点
に設けられた電極部１２と、他の頂点に設けられた固定
脚部１３とにより構成されている。前記パンタグラフ部
１１は、熱膨張係数が比較的大きな導電体１１ａと、こ
の導電体１１ａより小さな熱膨張係数をもつ導電体１１
ｂとからなっている。また、前記移動子１０を挾む移動
方向Ｍに沿って直線状のステータ電極１４が２本配設さ
れている。さらに、前記ステータ電極１４に接続された
リード線１５と前記固定脚部１３に接続されたリード線
１６との間には、電圧源としての直流定電圧源１７が接
続されている。

前記移動子１ｏは、前記ステータ電極１４と前記電極部
１２との間の静電容量を高めその基板方向への剛性を大
きくするために、その移動子１０の高さ（膜厚）を２μ
ｍ以上に設定する。

このような構成において、まず、第２図に示すような移
動子１０の動作について説明する。２つの異なる熱膨張
係数の導電体１１ａ、ｌｌｂを有するバイメタル構造の
移動子１ｏは、ある種の方法によって熱せられると、両
者の膨張係数の差により、横方向（移動方向Ｍ）に伸び
、縦方向に縮むような動作をする。

次に、第３図（ａ）〜（Ｃ）に基づいて本装置の動作説
明を行う。

（ａ）では、直流定電圧源１７によりステータ電極１４
と移動子１０の固定脚部４との間に電圧を印加すると、
ステータ電極１４と移動子１０の電極部１２との間に静
電引力Ｆａが働き、これにより、移動子１０は縦方向に
伸び横方向に縮む形となり、その電極部１２はステータ
電極１４の方向に近づいていく。

（ｂ）では、その縦方向に伸びた電極部１２がステータ
電極１４に接触すると、ステータ電極Ｉ４と固定脚部１
３との間に電流■が流れる。この電流によりパンタグラ
フ部１１の導電体１１ａ。

１１ｂにはジュール熱が発生し、これにより、第２図で
説明したように２つの導電体１１ａ、１１ｂ間の熱膨張
係数の差により移動子１０は縦方向に縮み、横方向に伸
びることになる。

（Ｃ）では、その移動子１０の縦方向への縮みの動作に
よりステータ電極１４から電極部１２が離れ、ステータ
電極１４と固定脚部１３との間に電流が流れなくなり、
これにより移動子１０の２種の導電体１１ａ、ｌｌｂに
ジュール熱が発生しなくなる。この発熱の減少に伴い、
移動子１は次第に冷却されていき、導電体１１ａと導電
体１１ｂとの間の熱膨張係数の差により生じる縦方向に
縮もうとする力Ｆｂは弱まっていく。一方、この時、ス
テータ電極１４と電極部１２のと間の静電力Ｆａは存在
する。従って、力Ｆｂと静電力Ｆａとの間で、 Ｆａ）Ｆｂ の関係が成り立つと、移動子１０のパンタグラフ部１１
は再び縦方向に伸び始め、その電極部１２がステータ電
極１４に接触するように近づいていく。

以下、　（ａ）〜（Ｃ）の動作を繰り返して行うことに
よって移動子１ｏは左右に伸び縮みするので、そのパン
タグラフ部１１の一端Ｐから左右の移動方向Ｍに並進振
動する力を取り出すことが可能となる。

次に、本装置の作製工程を第４図（ａ）〜（ｈ）に基づ
いて説明する。

（ａ）では、単結晶Ｓｉの基板（Ｃ−３ｉ）１８上にＳ
　ｌ、Ｎ、　ｌ　９を成膜する。

第４図（ｂ）及び第５図（ａ）では、そのＳｊ、Ｎ、１
９上にｐｏｌｙ−ｓｉからなるステータ電極１４のリー
ドＭ１５及び移動子１ｏの固定脚部１３に接続されたリ
ード線１６とを作製する。

なお、第５図（ａ）はそのリード線部分の様子を示すも
のである。

第４図（ｃ）及び第５図（ｂ）では、移動子ＩＯを基板
１８と分離するための犠牲層となる５ｉ０２２０と、薄
い（ｌ　ｐｍ程度）ｐｏｌｙ−３ｉ２１とを成膜し、そ
の後、エツチングを行うことによりパンタグラフ部１１
の形状に形成する。そして、さらにそのパンタグラフ部
１１の表面に導電体１１ａとなる材料２２を積層する。

なお、第５図（ｂ）はそのパンタグラフ部１１の形状を
示すものである。

第４図（ｄ）及び第５図（ｃ）では、その導電体１１ａ
の材料２２をエツチングによりパターンニングして所定
の形状に形成する。なお、第５図（Ｃ）はそのパンタグ
ラフ部１１に導電体１１ａの形成された様子を示すもの
である。

第４図（ｅ）及び第５図（ｄ）では、パンタグラフ部１
１の導電体１１ａの形成されていない領域にもう一つの
導電体１１ｂとなる材料２３を積層（厚さは２μｍ以上
）する。なお、第５図（ｄ）はそのパンタグラフ部１１
に導電体１１ｂの形成された様子を示すものである。

第４図（ｆ）及び第５図（ｅ）では、その導電体１１ｂ
の材料２３をエツチングによりパターンニングして所定
の形状に形成する。なお、第５図（ｅ）はパンタグラフ
部１１にその導電体１１ｂの形成された様子を示すもの
である。

第４図（ｇ）では、パンタグラフ部１１の表面にｐｏｌ
ｙ−３ｉ２４を薄く　（約０．３ｐｍ以下）積層する。

この場合、回り込みの良いＣＶＤ等により成膜を行うこ
とにより、導電体１１ａ、１１ｂの壁面にもそのｐＯＩ
Ｙ−Ｓｉ２４が堆積されるようにする。

第４図（ｈ）及び第５図（ｆ）では、ステータ＠Ｆ７１
１４、電極部１２となるｐｏｌｙ−３ｊ２５を導電体１
１ａ、ｌｌｂと同じ厚みになるように積層し、それらス
テータ電極１４、電極部１２の形状、どなるようにフォ
トリソ、エツチングを行う。

なお、第５図（ｆ）はステータ電極１４、電極部１２の
形成された様子を示すものである。

最後に、バッフアートフッ酸（ＢＨＦ）により、Ｓｉｎ
、２０を除去し第１図（ｂ）に示すような形状にする。

これにより、移動子ｌｏは基板１８から分離され自由に
動くことができるようになる。

この場合、導電体１１ａ、ｌｌｂがＢＨＦに対して浸食
されるような材料であっても、それら導電体１１ａ、ｌ
ｌｂはｐｏｌｙ−３ｉ２４によりその回りを囲まれて（
コートされて）いるため浸食されるようなことがない。

このため、もし、導電体１１ａ、ｌｌｂがＢＨＦに侵さ
れない材質のものであれば、ｐｏｌｙ−３ｉ２１，２４
は不要となる。

次に１本発明の第二の実施例を第６図及び第７図に基づ
いて説明する。ここでは、前述した第一の実施例の構成
に加え、移動子１０の基板１８との接触部の構成を変え
たものである。

移動子１０のパンタグラフ部１１の互いに対向する頂点
には脚部２６が設けられている。この脚部２６の基板１
８と接する接触部としての面及び基板１８の表面には、
波状（鋸歯状）の溝２７が形成されている。この溝２７
を形成したことにより、脚部２６が載置されている基板
１８の表面との摩擦係数は、その移動子１ｏを移動させ
たい方向Ａに小さくその反対方向Ｂに大きくなるように
設定されることになる。

このような構成において、移動子１ｏは第一の実施例と
同様な動作原理により駆動され、移動方向Ａに伸縮を繰
り返して行うことにより、脚部２６は左方向Ｂにのみ摩
擦係数か大きいため、移動子１０は右方向Ａに進んでい
くことになり、これにより移動機構を実現することがで
きる。

次に、基板１８と脚部２６との接触部における摩擦係数
が一方向Ｂのみに大きくなるような溝２７を作製する方
法を第７図に基づいて説明する。

（ａ）では、基板１８には（１００）面から＜０１１＞
軸を中心に角度がずれた面をもつ単結晶Ｓｉの基板１８
を用いる。そのずれの角度は、鋸歯の傾斜角を決定する
ので、これを最適化した角度とすればよい（通常の場合
、１０〜８０°の範囲）。次に、基板１８の表面を酸化
させ、その酸化膜８１０２２８を所望の鋸歯のピッチの
ストライプ状のパターンにエツチングする。このストラ
イプは＜０１１＞方向に形成する。なお、そのストライ
プは酸化膜たけでなく、Ｓｉ、Ｎ、、炭素膜、その他の
Ｓｉ異異性性エツチングエッチャントに耐えられるもの
であればよい。

そして、そのストライプをエツチングマスクとして、Ｋ
ＯＨ水溶液、ヒドラジン、ＥＤＰ　（エチレンジアミン
−パイロカテコール−水）等の８１結晶軸異方性エツチ
ングのエッチャントにより単結晶Ｓｉをエツチングする
と、その結晶面により鋸歯状の断面形状を得ることがで
きる。

（ｂ）では、Ｓｉｎ、２８をＢＨＦ等により除去した後
、Ｓｉ３Ｎ、２９、ＳｉＯ２３０を積層する。そのＳｉ
Ｏ，３，０は脚部２６と基板１８とを分離する犠牲層と
なる。

その後の工程は、第４図（ａ）〜（ｈ）と同様に行うこ
とにより、本装置を作製することができる。

上述したように、移動子１０のパンタグラフ部１１が２
種類以上の熱膨張係数からなる導電体を有するいわゆる
バイメタルを構成していることから、単にステータ電極
１４と移動子ＩＯとの間に直流の電圧を印加するだけで
、ステータ電極１４と移動子１０との間の静電引力とス
テータ電極１４から移動子１０に流れる電流によるジュ
ール熱とによりバイメタルにより生じる力の大きさが周
期的に変化して移動子１０が自励的に伸縮することがで
き、これにより並進振動する力を発生することが可能と
なる。従って、このようなことから本装置は、多数個の
ステータ電極が不要となり、これに伴い、ステータ電極
に印加する複雑な回路が不要となり、さらに、ステータ
電極に周期的な電圧（交流電圧）を印加する必要もなく
なるため、これしこより非常に簡単な構成の直進移動機
構を実現することが可能となる。

発明の効果 請求項１記載の発明は、非直線な形状を有し熱により変
形する少なくとも２種類の熱膨張係数の異なる弾性体か
らなる移動子を設け、この移動子を挾む移動方向に沿っ
てステータ電極を少なくとも２本配設し、前記移動子と
前記ステータ電極との間に電圧を印加する電圧源を接続
したので、このように非直線な形状をもち２種類以上の
異なる熱膨張係数を有する弾性体からなることによりい
わゆるバイメタルを構成できるため、電圧印加により生
じるステータ電極と移動子との間の静電リカとステータ
電柵から移動子に流れる電流によるジュール熱とによっ
て、バイメタルにより生じる力の大きさが周期的に変化
して移動子が自励的に伸縮することができ、これにより
並進振動する力を発生することができるものである。

請求項２記載の発明は、非直線な形状を有し熱により変
形する少なくとも２種類の熱膨張係数の異なる弾性体か
らなる移動子を設け、この移動子を挾む移動方向に沿っ
てステータ電極を少なくとも２本配設し、前記移動子と
前記ステータ電極との間に電圧を印加する電圧源を接続
し、前記移動子の一端に脚部を形成し、この脚部が載置
されている基板表面との接触部の摩擦係数がその移動子
を移動させたい方向に小さくその反対方向に太きくなる
ように前記接触部に波状の溝を形成したので、このよう
に移動子の脚部と基板との接触部における摩擦係数を一
方向に大きくなるように溝を形成したことによって、移
動子を一方向に移動させる移動機構を実現することが可
能となるものである。

第１０図は第 の従来例を示す構成図である。

１０・・・移動子、１ １・・・弾性体、１４・・・ステータ 電極、 １７・・電圧源、 ］８・・・基板、２６・・・脚部、 ２７・・溝 株式会社

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す構成図、第２図は
その移動子の動作状態を示す説明図、第３図はアクチュ
エータの動作原理を示す説明図、第４図及び第５図はア
クチュエータの作製プロセスを示す工程図、第６図は本
発明の第二の実施例を示す構成図、第７図は基板の表面
に溝を形成するプロセスを示す説明図、第８図は第一の
従来例を示す構成図、第９図は第二の従来例を示す構成
」 図 ｒ（ Ｃｒ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非直線な形状を有し熱により変形する少なくとも２
   種類の熱膨張係数の異なる弾性体からなる移動子を設け
   、この移動子を挾む移動方向に沿ってステータ電極を少
   なくとも２本配設し、前記移動子と前記ステータ電極と
   の間に電圧を印加する電圧源を接続したことを特徴とす
   るアクチュエータ。 ２、非直線な形状を有し熱により変形する少なくとも２
   種類の熱膨張係数の異なる弾性体からなる移動子を設け
   、この移動子を挾む移動方向に沿ってステータ電極を少
   なくとも２本配設し、前記移動子と前記ステータ電極と
   の間に電圧を印加する電圧源を接続し、前記移動子の一
   端に脚部を形成し、この脚部が載置されている基板表面
   との接触部の摩擦係数がその移動子を移動させたい方向
   に小さくその反対方向に大きくなるように前記接触部に
   波状の溝を形成したことを特徴とするアクチュエータ。