JPH04369009A

JPH04369009A - 微小位置決め装置

Info

Publication number: JPH04369009A
Application number: JP3165259A
Authority: JP
Inventors: Tomotake Furuhata; 古畑　智武; Toshiki Hirano; 敏樹平野
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1991-06-11
Publication date: 1992-12-21

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ローラのような部材を
Ｘ、Ｙの各方向に微小な位置決めをすることができる微
小位置決め装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】既存の機械システムを小さくしようとす
る試みは、かなり長い歴史を有している。しかし、近年
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　　Ｅｌｅｃｔｒｏ　　Ｍｅｃｈ
ａｎｉｃａｌ　　Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれるＩＣ製造
技術を利用して、複数の構成要素、例えばセンサ、アク
チュエータ、電子回路からなる、数μｍ〜数百μｍの大
きさの機械システムを一体として作り上げる技術が注目
されている。このＭＥＭＳの分野でセンサの領域は、振
動子を利用した加速度センサとして、論文「Ｈ．Ｓｅｕ
ｄｅｋ，　　ｅｔ　　ａｌ，“Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　
　ＳｉｌｉｃｏｎＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ　　ｗｉ
ｔｈ　　Ｈｉｇｈｌｙ　　Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　　
Ｄｅｓｉｇｎ，”Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’８９　　講
演番号Ｂ１０．４，Ｊｕｎｅ　　１９８９．」、圧力セ
ンサとして、論文「Ｋ．Ｉｋｅｄａ，ｅｔ　　ａｌ，“
Ｓｉｌｉｃｏｎ　　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　　Ｓｅｎｓｏｒ
　　ＩｎｔｅｇｒａｔｅｓＲｅｓｏｎａｎｔ　　Ｓｔｒ
ａｉｎ　　Ｇａｇｅ　　Ｏｎ　　Ｄｉａｐｈｒａｇｍ，
”Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　　’８９　　講演番号Ｂ４
．３、Ｊｕｎｅ　　１９８９．」等に記載されているよ
うに実用のレベルに届きつつある。しかしながら、微小
アクチュエータの分野は研究は始まったばかりである。このような微小アクチュエータの例として、ピエゾ素子
を使用した超音波モータの研究が、現在活発に行われて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】将来、光記録システム
あるいは磁気記録システムにおけるディテクタの位置決
め精度はサブミクロンのオーダになるものと考えられる
。このようなシステムに使用される位置決め装置は、Ｘ
，Ｙのそれぞれの方向に数百μｍの動作範囲を有し、外
形が数ｍｍを越えなくて、高速応答が可能であること等
の要求が求められる。

【０００４】従来のマイクロ超音波モータを用いて位置
決めを行なう場合、上述の要求を満たす位置決めを行う
ことができないという問題点があった。

【０００５】本発明の目的は、上述の問題点を解決をす
ることにより微小位置決めを行うことができる微小位置
決め装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の微小位置決め装
置は、半導体製造技術によってμｍオーダの微小アクチ
ュエータを同一平面上に多数並べ、これらのアクチュエ
ータ群を駆動源により平面駆動することによりＸ−Ｙの
各方向に１００μｍオーダの微小位置決めを行うもので
ある。

【０００７】

【実施例】本発明の微小位置決め装置は、後述するよう
に、基板と、この基板上に整列された複数の微小アクチ
ュエータと、この微小アクチュエータ上に配置された稼
働部材から構成される。また、各微小アクチュエータは
、基板上で垂直方向の運動を励起させるように駆動力を
印加する駆動部と、前記垂直方向の運動を水平方向に変
位する回転運動に変換させる機構からなる。なお、本発
明の基本的構成要素である微小アクチュエータの構造は
、図１、図２、及び図３にそれぞれ示されるように駆動
力の種類により異なっている。次に、図１、図２及び図
３について述べる。

【０００８】図１は、駆動力として振動力を用いた場合
の微小アクチュエータの構造を示す。図において、基板
１、例えばシリコンウェハ１上にピエゾ素子（ＰＺＴ）
２が接着又は積層され、このＰＺＴ２上にアルミ電極３
ａ、３ｂが蒸着され、次にアルミ電極３ａ，３ｂの両側
にまたがるように接続ピン４が形成される。なお、接続
ピン４は、構造上、ピンの縦横比を大きくする必要があ
るため、この実施例の場合、ポリイミドが用いられてい
るが、ポリイミドと同様にピンの縦横比を大きくとるこ
とができるレジストを用いてもよい。

【０００９】図２は、駆動力としてクーロン力を用いた
場合の微小アクチュエータの構造を示す。また、この場
合の微小アクチュエータの駆動部（図２において、接続
ピン４を除いた部分）の製造工程は、図４に示すように
なる。図４において、始めにシリコンウエハ１上にシリ
コン窒化膜５を蒸着し、所望のパターンのシリコンウエ
ハ１及びシリコン窒化膜５をエッチングする（工程（ａ
））。次に、工程（ａ）で生成されたシリコンウエハ１
に水蒸気を通し、エッチングされた部分８を酸化する（
工程（ｂ））。工程（ｂ）に続いて、またシリコンウエ
ハ１上にシリコン窒化膜５を蒸着し、このシリコン窒化
膜５上にポリシリコン膜６を蒸着し、さらにポリシリコ
ン膜６上にシリコン窒化膜５を蒸着し、生成されたシリ
コン窒化膜５−ポリシリコン膜６−窒化膜５からなる層
の中央部を所定の大きさにエッチングする（工程（ｃ）
）。工程（ｃ）のエッチング後、上述の層の中央部から
工程（ｂ）で生成された酸化物が形成された部分８をエ
ッチングし、空間８を形成する（工程（ｄ））。工程（ｄ）の完了後、シリコンウエハ１を酸化すると、
図に示すように酸化膜７が形成される（工程（ｅ））。このようにして製造された駆動部に上述の接続ピン４を
形成することにより図２に示すような構造の微小アクチ
ュエータが得られる。

【００１０】図３は、駆動力として空気等の流体圧力を
用いた場合の微小アクチュエータの構造を示す。この場
合の微小アクチュエータの駆動部（図３において、接続
ピン４を除いた部分）は、図５に示すような工程をとる
。図５において、第１のシリコンウエハ１上の両側にシ
リコン窒化膜１１を蒸着し、所望のパターンをリソグラ
フィ技術で形成し、エッチングする。また、一方、第２
のシリコン１上の両側にシリコン窒化膜１１を蒸着し、
第１のシリコンウエハ１の場合と同様に所望のパターン
をリソグラフィ技術で形成し、エッチングする（工程（
ａ））。次に工程（ａ）で生成された第１のシリコンウ
エハ１を異方性エッチングして、空気チャネル９を形成
する。一方、第２のシリコンウエハ１を第１のシリコン
ウエハ１の場合と同様に異方性エッチングして、第２の
シリコンウエハ１の中央部に空気等の流体に対する弁と
して働くくさび形のパターンを形成する（工程（ｂ））
。さらに、工程（ｂ）で生成された第１及び第２のシリ
コンウエハ１上に蒸着されたシリコン窒化膜１１を除去
する（工程（ｃ））。最後に、第１及び第２のシリコン
ウエハ１を熱ボンデングすると、所望の駆動部が得られ
る（工程（ｄ））。なお、破線の円１０は、空気を送り
こむ際の弁として動作する部分である。このようにして
得られた駆動部上に接続ピン４を形成すると図３に示す
ような構造の微小アクチュエータが得られる。

【００１１】次に、本発明の動作原理を図６及び図７を
用いて説明する。なお、図６は、駆動力としてクーロン
力を用いた場合の動作原理を説明するための図、図７は
駆動力として空気圧を用いた場合の動作原理を説明する
ための図をそれぞれ示している。

【００１２】最初に、図６を参照して本説明の動作原理
を説明する。始めに、電源（図示せず）から供給された
電圧が、シリコンウエハ１とシリコン窒化膜５ａ、５ｂ
間に印加されない場合、接続ピン４は初期位置の静止状
態にある（図６ａ）。次に、前記電圧をシリコンウエハ
１とシリコン窒化膜５ａ間に印加すると、クーロン力に
よりシリコン窒化膜５ａが矢印の方向に下げられる。こ
の結果、シリコン窒化膜５ａ、５ｂの間に高さの差が生
じる。したがって、シリコン窒化膜５ａ、５ｂの間に配
置されている接続ピン４は右側に傾くので、接続ピンの
先端は矢印の方向に運動する（図６ｂ）。続いて、シリ
コン窒化膜５ａ、５ｂの両方に対して前記電圧が印加さ
れると、このシリコン窒化膜５ａ、５ｂは矢印の方向に
下げられ、シリコン窒化膜５ａ、５ｂ間の高さの差がな
くなるため、接続ピン４は直立位置へと戻る（ただし、
シリコン窒化膜５ａ、５ｂは初期位置よりも沈んでいる
）。このため、接続ピン４の先端は矢印方向に運動する
（図６ｃ）。図６ｃに示す状態で、シリコン窒化膜５ａ
に印加されていた前記電圧が取り除かれると、このシリ
コン窒化膜５ａは構造として有しているバネ力によって
矢印方向に戻ろうとする。このため接続ピン４は、図６
ｂと鏡像関係になるような位置へと動く。したがって、
この接続ピンの先端は矢印方向に運動する（図６ｄ）。図６ｄに示す状態で、シリコン窒化膜５ｂに印加されて
いた電圧が取り除かれると、このシリコン窒化膜５ｂは
構造として有しているバネ力によって矢印方向に戻ろう
とする。このため接続ピン４の先端は矢印方向に運動す
る（図６ｅ）。

【００１３】以上のように微小アクチュエータは、図６
ｂ〜図６ｄに示されるような動作シーケンスで動作され
るので、接続ピン４の先端は時計回りの方向に回転運動
をする。

【００１４】次に、図７を参照して本発明の動作原理を
説明する。始めに、シリコンウエハ１ｂに電圧を印加し
て、くさび形の空気弁Ｖをクーロン力により下側のシリ
コンウエハ１ｂに固着することにより空気弁Ｖを閉じる
。空気弁Ｖを閉じた後、空気ポンプ（図示せず）から空
気を空気チャネル部に送り込むと、空気弁Ｖは閉じられ
ているため、右側の空気チャネル部Ａ２には空気は送り
込まれなく、左側の空気チャネル部Ａ１にのみ送り込ま
れる。この結果、上側のシリコンウエハ１ａは、空気チ
ャネル部Ａ１の空気圧により矢印の方向に上る。よって
、シリコンウエハ１ａ、１ｂ間に高さの差が生じ、接続
ピン４の先端は矢印の方向に運動する（図７ａ）。次に
、シリコンウエハ１ｂに印加されていた電圧を切り、閉
じられていた空気弁Ｖを開き、矢印の方向から空気を送
り込むと、空気チャネル部Ａ１、Ａ２の両方に空気が送
り込まれる。この結果、空気チャネル部Ａ１、Ａ２のそ
れぞれの空気圧によってシリコンウエハ１ａ、１ｂは矢
印の方向に動く。よって、シリコンウエハ１ａ、１ｂ間
に高さの差が生じないので、接続ピン４は直立位置（た
だし、ここでの高さは初期位置の高さと違う）に戻る。このため、接続ピン４の先端は矢印の方向に運動する（
図７ｂ）。続いて、シリコンウエハ１ｂに電圧を印加し
、前述のくさび形の空気弁Ｖを閉じて、左側の空気チャ
ネル部Ａ１に送り込まれていた空気を抜くとシリコンウ
エハ１ａは矢印の方向に下る。この結果、シリコンウエ
ハ１ａ、１ｂ間に高さの差が生じるため、接続ピン４は
傾くことにより接続ピン４の先端は矢印の方向に運動す
る（図７ｃ）。最後に、図７ｃに示すステップで閉じら
れた空気弁Ｖを開くと、右側の空気チャネル部Ａ２に送
り込まれていた空気も抜け、シリコンウエハ１ｂも矢印
の方向に下るため、シリコンウエハ１ａ、１ｂ間に高さ
の差がなくなるため、接続ピン４は初期位置に戻る。こ
のため、接続ピン４の先端は矢印の方向に運動する（図
７ｄ）。

【００１５】以上のように駆動力として空気圧を用いた
場合も、微小アクチュエータは、前述の図６で説明した
のと同様な動作シーケンスを取り、接続ピン４の先端は
時計回りの方向に回転運動する。

【００１６】以上、駆動力としてクーロン力及び空気圧
を用いたタイプの微小アクチュエータの動作原理につい
て説明したが、振動力を用いたタイプの微小アクチュエ
ータの動作原理もクーロン力及び空気圧のタイプの場合
と同様である。

【００１７】前述の微小アクチュエータを同一平面上に
アレイ状に配置し、この微小アクチュエータアレイの上
面に稼働部材を配置することにより微小位置決め装置を
構成することができる。図８は、本発明の一実施例によ
る微小位置決め装置のＸ軸方向概略構造図である。この
実施例の場合、駆動力として振動力を用いている。

【００１８】図８において、第１のアルミ電極３ａに第
１の電圧を、第２のアルミ電極３ｂに第２の電圧をそれ
ぞれ印加する。なお、第１及び第２の電圧は所定の位相
差を有する。したがって、シリコンウエハ１上に接着さ
れたＰＺＴ２は、所定の位相差で、垂直方向、すなわち
矢印の方向に上下運動をする。この上下運動により第１
及び第２のアルミ電極３ａ、３ｂ間に高さの差が生じた
り、生じなかったりする。この高さの差が生じたり、生
じなかったりすることにより、接続ピン４の先端は、矢
印のように回転運動をする。よって、複数の接続ピン４
の上部に配置された稼働部材１５、例えばローラは、接
続ピン４の運動により、左右に移動する。任意のアクチ
ュエータを駆動して、接続ピン４の先端を左側に運動さ
せると、アクチュエータの左側のアクチュエータを駆動
して、接続ピン４の先端を右側に運動させることにより
、アクチュエータはローラ１５を右側向きに押すことで
、ローラ１５はあるバランス点に位置決めすることがで
きる。

【００１９】なお、上記実施例では、Ｘ軸方向の位置決
めの場合について説明したが、Ｙ軸方向の位置決めの場
合も、上記実施例と同様である。

【００２０】また、上記実施例では、駆動力として振動
力を用いた場合について説明したが、他のタイプの駆動
力を用いた場合でも、本発明の微小位置決め装置の構造
は異なるものの、位置決め動作は前述の実施例の場合と
同様である。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の微小アクチ
ュエータは、複数のアクチュエータによる直接駆動であ
るため、オープンループ制御でも高い位置精度を実現可
能である利点がある。また、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞ
れ数十〜数百μｍの動作範囲の位置決めを行うことが可
能で、外形も小さく、かつ軽量にできる超小型の微小位
置決め装置を得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の微小アクチュエータの構造の一実施例
を示す図である。

【図２】本発明の微小アクチュエータの構造の他の実施
例を示す図である。

【図３】本発明の微小アクチュエータの構造の他の実施
例を示す図である。

【図４】図２の微小アクチュエータの製造工程を示す図
である。

【図５】図３の微小アクチュエータの製造工程を示す図
である。

【図６】本発明の動作原理を説明するための図である。

【図７】本発明の動作原理を説明するための図である。

【図８】本発明の一実施例による微小位置決め装置の概
略構造図である。

【符号の説明】

１　　シリコンウエハ２　　ＰＺＴ３　　アルミ電極４　　接続ピン５　　シリコン窒化膜６　　ポリシリコン膜７　　酸化膜８　　空間９　　空気チャネル１５　　ローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、この基板上にアレイ状に配列され
た複数の微小アクチュエータと、前記微小アクチュエー
タの上部に配置された稼働部材とを備え、前記微小アク
チュエータを駆動することにより、前記微小アクチュエ
ータの先端を回転運動させることによって前記稼働部材
を摩擦駆動させて所定の方向に微小位置決めを行うよう
にしたことを特徴とする微小位置決め装置。
【請求項２】前記微小アクチュエータは、前記基板上で
垂直方向の運動を励起するように駆動力を印加する駆動
部と、この駆動部からの駆動力によって前記垂直方向の
運動を水平方向に変位する回転運動に変換させる機構と
からなることを特徴とする請求項１記載の微小位置決め
装置。
【請求項３】前記基板は、シリコンウエハからなること
を特徴とする請求項１記載の微小位置決め装置。
【請求項４】前記稼働部材はロータからなることを特徴
とする請求項１記載の微小位置決め装置。
【請求項５】前記所定の方向は、水平方向、垂直方向及
び回転方向であることを特徴とする請求項１記載の微小
位置決め装置。
【請求項６】前記駆動部は、半導体製造技術によって形
成されることを特徴とする請求項２記載の微小位置決め
装置。
【請求項７】前記駆動力は、振動力によって発生される
ことを特徴とする請求項２記載の微小位置決め装置。
【請求項８】前記振動力は、ピエゾ素子によって発生さ
れることを特徴とする請求項７記載の微小位置決め装置
。
【請求項９】前記駆動力は、クーロン力によって発生さ
れることを特徴とする請求項２記載の微小位置決め装置
。
【請求項１０】前記駆動力は、流体圧力によって発生さ
れることを特徴とする請求項２記載の微小位置決め装置
。
【請求項１１】前記流体圧力は空気圧であることを特徴
とする請求項１０記載の微小位置決め装置。
【請求項１２】前記回転運動に変換させる機構は、前記
駆動部上に形成された接続ピンからなることを特徴とす
る請求項２記載の微小位置決め装置。
【請求項１３】前記接続ピンは、ポリイミドからなるこ
とを特徴とする請求項１２記載の微小位置決め装置。
【請求項１４】前記接続ピンは、レジストからなること
を特徴とする請求項１２記載の微小位置決め装置。