JPH06178565A - マイクロポジショナ - Google Patents

マイクロポジショナ

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JPH06178565A
JPH06178565A JP4331533A JP33153392A JPH06178565A JP H06178565 A JPH06178565 A JP H06178565A JP 4331533 A JP4331533 A JP 4331533A JP 33153392 A JP33153392 A JP 33153392A JP H06178565 A JPH06178565 A JP H06178565A
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electrodes
arm portion
electrode
ring portion
ring
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松本  聡
Shigeto Shibaike
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウォブル駆動の持つ高トルクという特徴を活
かし、高精度な位置決めが可能なマイクロポジショナを
提供する。 【構成】 基板14上に円周状に配した電極16a〜16iに順
次静電気的に吸引され公転かつ自転するリンク゛部11と、ヒ゜
エソ゛ハ゛イモルフにより微細な駆動が可能なアーム部12とを一体的
に構成する。リンク゛部11は螺旋状の梁13a〜13cにより基板
14上に弾性支持される。アーム部12を含む移動板10全体の
位置決めをリンク゛部11の静電駆動により行ない、簡単な構
成で微細な位置決め機構を実現でき、駆動の安定性は高
い。また摩擦が極めて小さく長寿命化も図れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばエッチングやリ
ソグラフィなどのIC製造方法によって作製されるマイ
クロアクチュエータに関し、特にその応用展開の1つと
して考えられるマイクロポジショナに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来のマイクロアクチュエータとして
は、例えば Mehreganyらの論文("Operation of microf
abricated harmonic and ordinary side-drive motor
s",in Proceedings of the third IEEE Workshop on Mi
cro Electro MechanicalSystems, Napa Valley, Califo
rnia, USA, February 11-14, 1990, pp.1-8.)に示され
ている静電型マイクロウォブルモータが挙げられる。
【0003】図26はこの従来の静電型マイクロウォブ
ルモータの構成を模式的に示した平面図を示し、図27
に同静電型マイクロウォブルモータの断面図を示す。
【0004】図26および図27において1はベアリン
グ、2は外径100μm程度のロータ、また3a〜3h
がロータ2の周囲に円周状に設けられた8個の電極(論
文で紹介されているモータの写真には12個の電極が見
られる)である。これらの電極3a〜3hには、図は省
略するが電源よりそれぞれ配線がなされており、任意に
選択して電圧を印加することができる。
【0005】図に示すようにロータ2が円環形状をな
し、その内周とベアリング1との間にはクリアランスC
が設けられているので、通常のモータとは異なり、ロー
タ2がベアリング1に軸支されて回動するという動作に
はならない。すなわち、電極3a〜3hへの電圧の印加
にともない、ロータ2は励起された電極3a〜3hに順
次吸引されながら公転することになる。
【0006】しかし、同時にロータ2とベアリング1と
が接点2aの部分でころがり接触をしながら移動するた
め、ベアリング1の外周とロータ2の内周との差の分だ
けロータ2が自転する。この動作に関しては後に詳述す
る。
【0007】ロータ2はベアリング1のフランジ1aに
よって、ベアリング1から抜けないように支持されてい
る。また、電極3a〜3h(図は3a、3eのみ示して
いる)とロータ2とはほぼ同じ高さになっているが、ロ
ータ2の下面には環状ではなくポイント的に設けられた
複数の突起2bがあり、シールド層4上をスライドして
電気的な接触を得るように構成されている。
【0008】図28〜図32はそれぞれ、以下に説明す
るこの静電型マイクロウォブルモータの作製工程(a)
〜(e)を示す図であるが、作製にはエッチングやリソ
グラフィなどの一般的なIC製造方法が用いられてい
る。以下、工程図にしたがって簡単に作製方法を説明す
る。
【0009】(a)まず図28に示すように、シリコン
基板5の上に、熱成長させた1μm厚の酸化膜およびL
PCVDで堆積させた1μm厚の窒化シリコン層とを重
ねることによって絶縁層6を形成する。
【0010】この上に、リンを十分に拡散させた350
0Å厚のLPCVD多結晶シリコン薄膜を形成し、パタ
ーンニングを行なって電気的なシールド層4とする。
【0011】さらに第1の犠牲層となる2.2μm厚の
低温酸化(LTO)膜7を堆積させ、電極3a〜3hの
固定部7aとロータ2の突起2bを形成する凹部7bの
ためのパターニングを2段階に分けて行なう。
【0012】(b)次に図29に示すように、リンを十
分に拡散させた2.5μm厚のLPCVD多結晶シリコ
ン層を堆積させ、反応性イオンエッチング(RIE)を
用いて、図26および図27に示すロータ2、電極3a
〜3h(図示は3a、3eのみ)を形成する。電極3a
〜3hはシリコン基板5上に固定され、ロータ2には複
数の突起2bが形成される。
【0013】この多結晶シリコン層のRIE用のマスク
としてはパターンニングされた熱酸化膜を用いるため、
この段階でロータ2や電極3a〜3hの厚みは2.2μ
m程度になっている。
【0014】(c)図30に示すように、約0.3μm
厚の第2の犠牲層となるLTO膜8を堆積させ、ベアリ
ング1とロータ2のクリアランスCを確保するととも
に、ベアリング1の固定部8aをパターンニングする。
なお、このベアリング1の直径は約36μmであるが、
ここで用いているプロセス上の制約から26μmが最小
値とされている。
【0015】(d)図31に示すように、リンを十分に
拡散させた1μm厚のLPCVD多結晶シリコン層を堆
積させ、フランジ1aを備えたベアリング1を形成す
る。
【0016】(e)図32に示すように、第1および第
2の犠牲層であるLTO膜7および8を緩衝フッ酸(H
F)で溶解し、ロータ2を完全にリリースすることによ
り図27に示すような構成が完成する。
【0017】以上のように構成された従来の静電型マイ
クロウォブルモータにおいて、以下その動作について図
26を用いて説明を行なう。
【0018】前述のように、ロータ2はベアリング1に
軸支されて回動するのではなく、励起された電極3a〜
3hに順次吸引されながら公転し、同時に接点2aでこ
ろがり接触をしながらベアリング1の外周とロータ2の
内周との差の分だけ自転するのである。
【0019】すなわち、図のX方向に電極3a、次に電
極3b、電極3cというように順番に励起して行くもの
とすると、まず、図に示すようにロータ2は励起された
電極3aに吸引された状態になる。そして次には励起さ
れた電極3bに吸引され、その次には電極3cに吸引さ
れ、という具合に作動するため、ロータ2も図のX方向
に公転することになる。
【0020】ここで、ロータ2とベアリング1とのクリ
アランスCが、ロータ2と電極3a〜3hとのギャップ
Gより小さく設定されているので、ロータ2がベアリン
グ1と接触して接点2aが生じる。なお、ロータ2と電
極3a〜3hとのギャップは正しくは図のG+Eに相当
するが、このEはモータのトルクを生み出す実効ギャッ
プ長を意味しており、モータの構成から必然的にE=G
−C>0となる(電極3eを励起した状態を想定すれば
明白である)。この実効ギャップ長Eの値は可能な限り
小さく設定するため、便宜上ロータ2と電極3a〜3h
とのギャップとしてGで取り扱う。
【0021】さて、ロータ2のX方向への公転にともな
って接点2aも同様にX方向に移動するが、このときベ
アリング1が固定されているため、ロータ2が自転しな
ければ接点2aの部分でベアリング1の外周とロータ2
の内周との差の分滑りを生じることになる。しかし、ロ
ータ2にはベアリング1を押圧する方向に吸引力が働い
ており、実際には接点2aでの滑りがほとんど生じな
い。
【0022】従ってロータ2は、電極3a〜3hへの印
加電圧の回転方向(X方向)と同じ方向への公転にとも
ない、同じ方向(図のY方向)にベアリング1の外周と
ロータ2の内周の差に相当する分だけ自転することにな
る。もちろん接点2aはころがり接触をしながらX方向
に移動する。
【0023】この静電型マイクロウォブルモータの特徴
は、ロータ2の自転の回転周波数がベアリング1の外径
Bとロータ2の内径Rとによって決定され、通常のモー
タに比べて入力電圧の回転周波数F(この例で言えば電
極3a〜3hへ印加される電圧の物理的な回転周波数)
に対して、著しくロータ2の自転の回転周波数Sが小さ
くなることにある。
【0024】ロータ2の公転の回転周波数が入力電圧の
回転周波数Fに等しい場合、ロータ2の自転の回転周波
数Sは S=F×(R−B)/R=F×C/R で表わされ、通常のモータに比べれば回転数がS/F、
すなわちC/Rになるため、逆にトルクはR/C倍に増
大する。しかも、クリアランスCを小さくすることによ
り、接点2aでの滑りをなくし、かつ公転によるロータ
2の揺動を抑えるのにも都合がよい、という利点も合わ
せ持っている。
【0025】この結果、特に減速手段などを用いずに低
速高トルクのモータが構成できることになり、マイクロ
マシンの駆動源などに利用できるのではないかという期
待が大きい。
【0026】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成では、ロータが電極の内部空間のみを移動す
るため、このロータの回転トルクを取り出したり、回転
動作を利用してマイクロポジショナへの展開を図ること
は困難である。またロータ下面の突起とシールド層もし
くはフランジとロータとの間にすべり摩擦が発生するた
め、トルクにロスが生じる。さらにロータ下面の突起が
シールド層上をすべりながら電気的な接触を得るため、
ロータとシールド層とが安定して同電位にならず、ロー
タに安定した力が働かないという課題を有していた。
【0027】本発明はかかる点に鑑み、量産性に優れた
IC製造方法により作製でき、高精度な位置決めが可能
で、長寿命かつ信頼性の高いマイクロポジショナを提供
することを目的とする。
【0028】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、リング部とアーム部とを一体的に備えた移動板を、
前記リング部の外周に配した複数の電極に順次静電気的
に吸着させることで転動させ、前記電極よりも外側に位
置する前記アーム部の先端の位置決めを行なうように構
成したマイクロポジショナである。
【0029】請求項2に記載の発明は、リング部とアー
ム部とを一体的に備えた移動板と、前記リング部の内側
に点対称に配され基板上に固定端を有する同一螺旋形状
の複数の梁と、前記リング部の外周の基板上に所定の範
囲にわたって円周状に配されかつその間隙から前記アー
ム部が外側に向かって突出するよう構成された複数の電
極と、前記電極に選択的に電圧を印加することにより前
記リング部を前記電極に静電気的に吸引して転動させア
ーム部先端の位置決めを制御する電圧印加手段とを備え
たマイクロポジショナである。
【0030】請求項6に記載の発明は、リング部とアー
ム部とを一体的に備えた移動板と、前記リング部の内側
に点対称に配され基板上に固定端を有する同一螺旋形状
の複数の梁と、前記リング部の外周の基板上に所定の範
囲にわたって円周状に配されかつその間隙から前記アー
ム部が外側に向かって突出するよう構成された複数の電
極と、前記電極に選択的に電圧を印加することにより前
記リング部を前記電極に静電気的に吸引して転動させア
ーム部先端の位置決めを制御する電圧印加手段と、前記
基板上に前記アーム部の少なくとも一部と対向するよう
構成された電極とを備えたマイクロポジショナである。
【0031】請求項7に記載の発明は、リング部とアー
ム部とを一体的に備えた移動板を、リング部の外周に配
した複数の電極に順次静電気的に吸着させることで転動
させ、さらにアーム部に積層化したピエゾ素子を駆動し
てアーム部を変形させることにより、アーム部の先端の
位置決めを行なうように構成したマイクロポジショナで
ある。
【0032】
【作用】請求項1に記載の発明は、移動板のリング部の
外周に配した複数の電極に選択的に電圧を印加し、この
リング部を順次静電気的に吸着させて転動させ、移動板
全体を駆動する。このときリング部と一体的に設けたア
ーム部もともに駆動され、その先端は先に示した電極よ
りも外側に位置するため、ほぼ直線状の軌跡を描く。し
たがって、リング部の転動運動がアーム部先端の略直線
運動に効率よく変換され、この動きを用いた高精度な位
置決め機構を実現できる。
【0033】請求項2に記載の発明は、移動板のリング
部が梁により基板上に支持され、その基板との導通が確
実に得られるため、信頼性の高い駆動特性が得られる。
また駆動中にリング部と電極とが転がり接触するため、
摩擦が極めて小さくなり長寿命化を図ることもできる。
さらに移動板が螺旋梁を弾性変形させながら運動を行な
うため、電極の励起を解除すれば梁の復元力により容易
に移動板が初期位置へ復帰する。したがって、高精度か
つ再現性の良い位置決め機構を実現できる。さらに各要
素を平面的に構成することができるため、IC製造方法
を用いて作製でき、小型軽量化や量産性に優れる。
【0034】請求項6に記載の発明は、移動板のアーム
部と対向する基板上に設けた電極を励起し、アーム部を
基板方向に静電的に吸引することにより、アーム部の位
置を確実に保持し、信頼性の高い位置決めを行なう。
【0035】請求項7に記載の発明は、アーム部を含む
移動板全体の位置決めをまずリング部の静電駆動により
行ない、アーム部先端のさらに微細な位置決めと基板と
垂直な方向への位置決めをアーム部に積層化したピエゾ
素子を駆動することによりアーム部を変形させて行な
う。したがって、簡単な構成で微細な位置決め機構が実
現できる。
【0036】
【実施例】以下本発明の一実施例について図面を参照し
ながら説明する。図1は本発明の第1の実施例における
マイクロポジショナの構成を表わす平面図である。図2
は図1に示す切断線POQRSに関する同マイクロポジ
ショナの断面図である。また、図3は同マイクロポジシ
ョナの図1に示す切断線TUに関する断面図である。
【0037】図に示したように、移動板10は導電性を
有する薄い板状の部材であり、リング部11とアーム部
12とから構成される。後で詳述するが、移動板10は
その全体がリング部11において静電的に回転駆動され
るとともに、そのアーム部12がバイモルフにより圧電
駆動される。
【0038】まずリング部11周辺の構成を説明する。
リング部11の内周には幅が細く同一螺旋形状の3本の
梁13a〜13cが120度間隔で点対称に配置され、
これらは一端を基板14上に植立したアンカー15に固
定されている。つまり移動板10は梁13a〜13cに
よってアンカー15に弾性支持されることになる。
【0039】リング部11外周の基板14上には、リン
グ部11と僅かな間隙を開けて円周状に9個の電極16
a〜16i(図2では16eのみ呈示)が設けられてい
る。各電極の内周は16aを除いて全て同一の円弧形状
をしている。ただし各電極は一定のピッチ角では配置さ
れていない。直線OB〜OHは隣接する2つの電極の線
対称となる基準線を表わすが、そのピッチ角である∠A
OB、∠BOC、∠COD、∠DOE、∠EOF、∠F
OG、∠GOHは一定ではない。なお電極16a〜16
iには、従来例と同様に図は省略するが電圧印加手段よ
りそれぞれ配線がなされており、任意に選択して電圧を
印加することができる。
【0040】移動板10は電極16aと対向する部分に
凹状の位置規制部26を備えている。また電極16aも
この位置規制部26と係合し、移動板10を案内するよ
うな凸形状を有する案内部27を備えている。
【0041】さらに電極16a〜16iの内周には絶縁
膜24が設けられ、リング部11と直接電気的に接触し
ないようになっている。またアンカー15と基板14と
の間にはリング部11と略同一形状かつ導電性のシール
ド層21が設けられ、リング部11との間で常に電気的
な導通が得られるようになっている。
【0042】次にアーム部12周辺の構成を説明する。
図1および図3に示したように、アーム部12のほぼ全
面にはこれを上下から挟み込むように圧電層17および
18が設けられている。さらに圧電層17の上には電極
19a〜19cが、圧電層18の下には電極19aおよ
び19bとほぼ同一形状の電極20aおよび20bが設
けられている。また電極19c上には円錐状の金属電極
36が構成されている。
【0043】さらにアーム部12と対向して基板14上
に電極22が設けられている。この電極22上には絶縁
層25が形成され、アーム部12と電極22とが直接電
気的な接触をしないようにしている。また基板14の電
極20aおよび20bと対向した部分にはキャビティ2
3が設けられている。
【0044】なお電極19a〜19c、電極20a〜2
0b、電極22および電極36には、図は省略するが電
圧印加手段よりそれぞれ配線がなされており、任意に選
択して電圧を印加することができる。
【0045】図4〜図18は以下に説明するこのマイク
ロポジショナの作製工程(a)〜(o)を示す図であ
る。作製にはエッチングやリソグラフィなどの一般的な
IC製造方法が用いられる。以下、工程図にしたがって
簡単に作製方法を説明する。
【0046】(a)図4に示すように、シリコン基板1
4の上に、熱成長させた1μm厚の酸化シリコン膜およ
びプラズマCVDで堆積させた1μm厚の窒化シリコン
膜とを重ねることによって絶縁層30を形成する。
【0047】(b)図5に示すように、この上にリンを
十分に拡散させた0.35μm厚のLPCVD多結晶シ
リコン薄膜からなる導電層を形成し、パターンニングを
行なって電極22とする。
【0048】(c)さらに図6に示すように、0.1μ
m厚の酸化シリコン膜と、プラズマCVDで0.34μ
m厚の窒化シリコン膜とを堆積させ、パターンニングを
行なって電極22上に絶縁層25を形成する。
【0049】(d)図7に示すように、犠牲層となる
2.2μm厚の酸化シリコン膜32を堆積させる。
【0050】(e)図8に示すように、Alを0.5μ
m厚だけ電子ビーム蒸着し、パターンニングを行なっ
て、アーム部12駆動用の電極20aおよび20bを形
成する。
【0051】(f)この上に、図9に示すように、プラ
ズマCVDにより0.2μm厚の窒化シリコン膜と、反
応性スパッタリングにより3μm厚の酸化亜鉛膜と、再
び同様に0.2μm厚の窒化シリコン膜とを重ねること
によって、圧電層18を形成する。そして、窒化シリコ
ン膜にはプラズマエッチングを、酸化亜鉛膜にはウェッ
トエッチングをそれぞれ用いてパターンニングを行な
う。
【0052】(g)図10に示すように、犠牲層である
酸化シリコン膜32に対して、電極固定部33とアンカ
ー固定部34のパターニングを行なう。
【0053】(h)図11に示すように、リンを十分に
拡散させた2.5μm厚のLPCVD多結晶シリコン層
35を堆積させる。
【0054】(i)この上に、図12に示すように、再
びプラズマCVDあるいは反応性スパッタリングによ
り、0.2μm厚の窒化シリコン膜と3μm厚の酸化亜
鉛膜と0.2μm厚の窒化シリコン膜とを重ねて圧電層
17を形成する。そして、同様にプラズマエッチングあ
るいはウェットエッチングを用いてパターンニングを行
なう。
【0055】(j)図13に示すように、0.5μm厚
のAl膜を形成し、パターンニングを行なって、アーム
部12駆動用の電極19aおよび19b(図示せず)
と、電極36設置用の電極19c(図示せず)とを形成
する。
【0056】(k)図14に示すように、電極19cの
先端に、リフトオフ法によって円錐状の電極36を形成
する。
【0057】(l)図15に示すように、反応性イオン
エッチング(RIE)を用いて、図1および図2に示す
移動板10、梁13a〜13c、アンカー15と電極1
6a〜16i(図示は16eのみ)を形成する。このと
き、アンカー15および電極16a〜16iはシリコン
基板14上に固定される。この多結晶シリコン層のRI
E用のマスクとしてはパターンニングされた熱酸化膜を
用いるため、この段階で移動板10や梁13a〜13
c、および電極16a〜16iの厚みは2.2μm程度
になっている。また電極16a〜16iの内径は、後の
工程で形成される絶縁膜24の分だけ大きく設定されて
いる。
【0058】(m)図16に示すように、0.1μmの
高温酸化膜とその上に0.34μm厚の窒化シリコン層
を堆積させ、電極16a〜16iの内周に絶縁膜24を
形成するように、RIEによりパターンニングする。こ
の段階で移動板10のリング部11の外径と電極16a
〜16iとのクリアランスが得られる。
【0059】(n)図17に示すように、犠牲層である
酸化シリコン膜32を緩衝フッ酸(HF)で溶解し、移
動板10と梁13a〜13cとを基板14からリリース
する。このとき、ここでは特に詳述しないが、圧電層1
7および18と絶縁膜24の周辺をあらかじめ被覆して
おき、緩衝フッ酸による溶解を未然に防止する。
【0060】(o)最後に、ここでは特に詳述しない
が、図18に示すようにアーム部12直下のシリコン基
板14にエッチングによりキャビティ23を形成するこ
とにより、図2に示すような構成が完成する。
【0061】次に、以上のように構成された本実施例の
マイクロポジショナの動作を図19〜図22を用いて説
明する。
【0062】まず電極16aおよび16bに同電圧を印
加し励起すると、移動板10のリング部11はこれらの
電極に静電気的に吸引され、図19に示すようにOA方
向に絶縁膜24と接触するまで移動する。このとき移動
板10の位置規制部26が電極16aの案内部27と当
接し、またリング部11外周が電極16aおよび16b
と密着することにより、移動板10は所定の位置に案内
され確実に初期化される。同時にアーム部12先端に設
けた電極36は、図に示した37aの位置に案内され
る。
【0063】次に電極16aの励起を解除し電極16b
および16cに電圧を印加すると、図20に示すよう
に、リング部11は新たに励起された2つの電極に静電
気的に吸引され、直線OBに関して対称な位置に転がり
ながら移動する。このときアーム部12先端に設けた電
極36は、図に示した37bの位置に案内される。
【0064】このように励起する電極の組を1電極分だ
け順にずらしていくと、リング部11は励起された2つ
の電極に順次吸引されながら矢印X方向に公転する。そ
して、最終的に電極16hおよび16iに電圧を印加す
ると、図21に示したように、リング部11は直線OH
に関して対称な位置まで移動する。このときアーム部1
2先端に設けた電極36は、図21に示した37hの位
置まで案内される。
【0065】なおリング部11は電極16a〜16iに
対して転がり接触しながら移動するため、その外周と電
極16a〜16iの内周との長さの差の分だけ自転する
ことになる。そしてその自転方向は公転方向とは逆の矢
印Y方向となる。
【0066】ここで電極16b〜16iが同一円弧形状
であるため、隣接する電極に同じ大きさの電圧を印加す
れば、リング部11はこの2つの電極のほぼ中心に静電
吸引されることになる。したがって、励起する電極の組
を1電極分だけずらすことにより、リング部11をステ
ップ状に回転駆動することができる。さらに隣接する電
極のピッチ角を変化させ、リング部11の回転角を適宜
変化させることで、アーム部12先端を等ピッチで送る
ことも可能となる。このようにして、アーム部12先端
の電極36を図21に示す37aから37hに至る位置
に等ピッチで案内する高精度かつ確実な位置決め機構を
実現することができる。
【0067】なおリング部11は梁13a〜13cによ
りアンカー15に支持されているが、梁13a〜13c
が弾性変形することで、所定角度分だけ自転することが
できる。図に示したように、梁13a〜13cの幅を細
くして剛性を下げ、形状を螺旋状としてある程度の長さ
を確保してやれば、これらの弾性変形は可能となる。
【0068】またリング部11を所定の角度だけ回転さ
せた状態で、基板14上の電極22に電圧を印加する
と、図22に示したように、アーム部12は基板14方
向に静電的に吸引されこの電極22に吸着する。そうす
れば電極16a〜16iの励起を解除しても、アーム部
12の位置は保持され、確実な位置決めを行なうことが
できる。
【0069】このようにリング部11を所定の角度だけ
回転駆動して移動板10全体の位置決めを行なった後、
こんどはピエゾバイモルフを用いてアーム部12先端の
微細な位置決めを行なう。以下に図3および図22を用
いてその動作を説明する。
【0070】まず電極19aと20aとの間、電極19
bと20bとの間で圧電層17および18に与えられる
電界がそれぞれ反対方向となるようにそれぞれの電極に
電圧を印加する。圧電層は電界の方向に応じて伸長ある
いは収縮する性質を持つため、この場合アーム部12の
左右で圧電層の伸縮状態が異なることになる。したがっ
て、片持ち梁であるアーム部12は与えた電界の向きと
大きさに応じて左右に変形する。すなわち、図3に示し
たように、アーム部12を基板14と平行な矢印Vある
いはW方向に対して圧電的に駆動し、その先端の電極3
6をさらに微細に位置決めすることができる。
【0071】また圧電層17上面の電極19aおよび1
9bと、圧電層18下面の電極20aおよび20bとに
それぞれ同極性の電圧を印加し、圧電層17と18にそ
れぞれ反対方向の電界を与える。この場合はアーム部1
2の上下で圧電層の伸縮状態が異なることになる。した
がって、アーム部12は与えた電界の向きと大きさに応
じて上下に変形する。すなわち、図22に示したよう
に、アーム部12先端に設けた電極36を基板14と垂
直な方向に対して圧電的に駆動し、高精度な位置決めを
行なうことができる。
【0072】さらに電極19a、19b、20a、20
bに同極性の電圧を印加し、圧電層17と18に同じ方
向の電界を与えると、圧電層全体の伸縮状態が同じにな
り、アーム部12はその長手方向に伸縮することにな
る。すなわち、図22に示したように、アーム部12先
端に設けた電極36を基板14と平行な矢印LおよびM
方向に対して圧電的に駆動し、高精度な位置決めを行な
うこともできる。
【0073】最後に、電極16a〜16iおよび電極2
2の励起を一斉に解除すれば、弾性変形した梁13a〜
13cの復元力により、リング部11は図1に示した初
期位置へ容易に復帰する。
【0074】以上に説明した本実施例のマイクロポジシ
ョナの特徴を以下に列記する。まずリング部11の転動
運動がアーム部12先端の略直線運動に効率よく変換か
つ拡大されるため、この動きを用いた高精度な位置決め
機構を実現できる。
【0075】またリング部11が電極16a〜16iと
転がり接触しながら回転駆動されるため、従来例に比べ
て摩擦の影響が極めて小さくなり、摩耗に伴う特性劣化
も少なく長寿命化が図れる。
【0076】移動板10と基板14上のシールド層14
との導通が梁13a〜13cを通じて確実に得られるた
め、移動板10とシールド層14とが常時同電位に保た
れ、信頼性の高い駆動特性が得られる。
【0077】移動板10の駆動開始時に、その位置規制
部26と電極16aの案内部27とを静電気的に係合か
つ密着させることで、移動板10の確実な初期化が行え
る。
【0078】電極を同一円弧形状とし、隣接する電極を
同電圧で励起し1電極分ずつずらしながら駆動すること
で、リング部11をステップ状に回転駆動することがで
きる。さらに、隣接電極のピッチ角を適当に変化させる
ことで、アーム部12先端を等ピッチで送ることが可能
となり、さらに高精度な位置決め機構を実現できる。
【0079】移動板10の駆動停止時に、基板14上に
設けた電極22を励起しアーム部12を静電吸引するこ
とにより、アーム部12の確実な位置保持が行なえ、位
置決めの信頼性が向上する。
【0080】移動板10のアーム部12にピエゾバイモ
ルフを構成することで、さらに微細にかつ基板14と垂
直な方向についてもアーム部12を位置決めすることが
できる。したがって、簡単な構成で微細な位置決め機構
を実現することができる。
【0081】移動板10の駆動終了時に、電極16a〜
16iおよび電極22の励起を解除するだけで、梁13
a〜13cの復元力により容易に移動板10を初期位置
へ復帰させることができる。よって、移動板10を再現
性良く制御することができる。
【0082】さらに従来例に示したウォブル駆動が本来
持つ高トルクという特徴を活かすこともできる。また、
各要素が平面的に構成され、IC製造方法を用いて作製
できるので、小型軽量化や量産性に優れる。
【0083】なお、アーム部を軸に回動自在に支持し、
その先端に対向して円周状の電極を設け、これらの電極
を順次励起して、アーム部の回動を制御し位置決めを行
なう構成も考えられる。しかし、このような構成にする
と、ウォブル駆動による減速効果が得られず、アーム部
を駆動するトルクが小さくなってしまうという問題点が
発生する。
【0084】また、リング部および電極の径を大きく
し、その外周よりも内側にアーム部およびその先端を配
置するような構成も考えられる。この構成を用いれば高
トルクにはなるが、コンパクト化は難しくなる。本実施
例のように転動による変位を略直線状の変位に変換かつ
拡大する構成の方が、コンパクト化には望ましい。
【0085】以下、本発明の第2の実施例であるマイク
ロポジショナの構成について図を用いて簡単に説明す
る。第1の実施例と異なるのは、リング部11の外周お
よび電極16a〜16iの内周がともに凹凸形状をして
いるところである。
【0086】図23に、同マイクロポジショナの平面図
を示す。リング部11の外周および電極16a〜16i
の内周がともに、各基準円に対して同一の波長と振幅を
有する正弦波状となっている。なお電極16a〜16i
の内周には第1の実施例と同様に絶縁膜が設けられてい
るが、図が煩雑となるためここでは省略する。
【0087】例えば、リング部11外周および電極16
a〜16i内周の基準円直径がそれぞれ272μm、2
80μmである場合を考える。このときギャップ長は4
μmとなるから、振幅1.5μmの正弦波状とすれば互
いに干渉することなく作成できる。また基準円の円周を
それぞれ34分割および35分割することにより、同一
波長(25.1μm)の正弦波状とすることができる。
【0088】なお、本マイクロポジショナの作製工程は
第1の実施例とほぼ同じである。ただ、図15に示した
(l)の工程において、反応性イオンエッチング(RI
E)によるパターンニングに用いるマスクの形状を変更
すればよい。
【0089】次に、本実施例のマイクロポジショナの動
作を図24および図25を用いて説明する。
【0090】まず電極16aおよび16bに同電圧を印
加すると、リング部11はこれらに静電吸引され、図2
4に示すOA方向に電極表面の絶縁膜(図示せず)と接
触するまで移動する。このとき移動板10の位置規制部
26が電極16aの案内部27と当接し、またリング部
11外周が電極16bと密着することで、移動板10は
所定の位置に案内され初期化される。同時にアーム部1
2先端の電極36は図示した37aの位置に案内され
る。
【0091】以下、第1の実施例と同様に励起する電極
の組を1電極分だけ順にずらしていくと、リング部11
は励起された2つの電極に順次吸引されながら矢印X方
向に公転する。そして、最終的に電極16hおよび16
iに電圧を印加すると、図25に示すようにアーム部1
2先端に設けた電極36は、図示した37hの位置まで
案内される。
【0092】リング部11が回転駆動されるに従って梁
13a〜13cの変形量は大きくなり、リング部11を
押し戻そうとするエネルギーが蓄えられる。よってリン
グ部11と電極16a〜16iとの当接部で滑りが発生
しやすくなる。
【0093】本実施例のマイクロポジショナによれば、
移動板10はそのリング部11外周において電極内周の
凹凸部分と噛み合いながら移動する。したがって、リン
グ部11と電極16a〜16iとの当接部で滑りを発生
させることなく、移動板10を確実に駆動することがで
きる。
【0094】また、駆動力として用いる静電気力は表面
積に比例する力である。電極内周を凹凸形状とすること
により表面積が増大し、同様に移動板10の確実な駆動
が行える。
【0095】したがって、本実施例によれば、第1の実
施例による特徴に加えて、さらに信頼性の高いマイクロ
ポジショナが得られる。
【0096】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、リング
部とアーム部とを一体的に備えた移動板を、前記リング
部の外周に配した複数の電極に順次静電気的に吸着させ
ることで転動させ、前記電極よりも外側に位置する前記
アーム部の先端の位置決めを行なうように構成したマイ
クロポジショナであるため、量産性に優れたIC製造方
法で作製が可能であり、長寿命かつ信頼性が高く、高精
度で再現性の高い位置決めが可能なマイクロポジショナ
を提供することができ、その工業的価値は極めて大き
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のマイクロポジショナの第1の実施例の
構成を示す平面図
【図2】同実施例における断面図
【図3】同実施例における断面図
【図4】同実施例の作製工程図
【図5】同実施例の作製工程図
【図6】同実施例の作製工程図
【図7】同実施例の作製工程図
【図8】同実施例の作製工程図
【図9】同実施例の作製工程図
【図10】同実施例の作製工程図
【図11】同実施例の作製工程図
【図12】同実施例の作製工程図
【図13】同実施例の作製工程図
【図14】同実施例の作製工程図
【図15】同実施例の作製工程図
【図16】同実施例の作製工程図
【図17】同実施例の作製工程図
【図18】同実施例の作製工程図
【図19】同実施例の動作説明図
【図20】同実施例の動作説明図
【図21】同実施例の動作説明図
【図22】同実施例の動作説明図
【図23】本発明のマイクロポジショナの第2の実施例
の構成を示す平面図
【図24】同実施例の動作説明図
【図25】同実施例の動作説明図
【図26】従来の静電型マイクロウォブルモータの構成
を模式的に示す平面図
【図27】同従来例における断面図
【図28】同従来例の作製工程図
【図29】同従来例の作製工程図
【図30】同従来例の作製工程図
【図31】同従来例の作製工程図
【図32】同従来例の作製工程図
【符号の説明】
10 移動板 11 リング部 12 アーム部 13a〜13c 梁 14 基板 15 アンカー 16a〜16i 電極 17、18 圧電層 19a〜19c、20a〜20b 電極 22 電極

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リング部とアーム部とを一体的に備えた移
    動板を、前記リング部の外周に配した複数の電極に順次
    静電気的に吸着させることで転動させ、前記電極よりも
    外側に位置する前記アーム部の先端の位置決めを行なう
    ように構成したことを特徴とするマイクロポジショナ。
  2. 【請求項2】リング部とアーム部とを一体的に備えた移
    動板と、前記リング部の内側に点対称に配され基板上に
    固定端を有する同一螺旋形状の複数の梁と、前記リング
    部の外周の基板上に所定の範囲にわたって円周状に配さ
    れかつその間隙から前記アーム部が外側に向かって突出
    するよう構成された複数の電極と、前記電極に選択的に
    電圧を印加することにより前記リング部を前記電極に静
    電気的に吸引して転動させアーム部先端の位置決めを制
    御する電圧印加手段とを備えたことを特徴とするマイク
    ロポジショナ。
  3. 【請求項3】複数の電極を同一円弧形状としかつ異なる
    ピッチ角で配したことを特徴とする請求項2記載のマイ
    クロポジショナ。
  4. 【請求項4】移動板および電極の一部に、互いに係合す
    る案内部を設けたことを特徴とする請求項2記載のマイ
    クロポジショナ。
  5. 【請求項5】移動板のリング部外周および電極の内周に
    それぞれ凹凸部を設け、前記リング部がその外周におい
    て前記電極の内周と噛み合いながら移動するように構成
    したことを特徴とする請求項2記載のマイクロポジショ
    ナ。
  6. 【請求項6】リング部とアーム部とを一体的に備えた移
    動板と、前記リング部の内側に点対称に配され基板上に
    固定端を有する同一螺旋形状の複数の梁と、前記リング
    部の外周の基板上に所定の範囲にわたって円周状に配さ
    れかつその間隙から前記アーム部が外側に向かって突出
    するよう構成された複数の電極と、前記電極に選択的に
    電圧を印加することにより前記リング部を前記電極に静
    電気的に吸引して転動させアーム部先端の位置決めを制
    御する電圧印加手段と、前記基板上に前記アーム部の少
    なくとも一部と対向するよう構成された電極とを備えた
    ことを特徴とするマイクロポジショナ。
  7. 【請求項7】リング部とアーム部とを一体的に備えた移
    動板を、前記リング部の外周に配した複数の電極に順次
    静電気的に吸着させることで転動させ、さらに前記アー
    ム部に積層化したピエゾ素子を駆動して前記アーム部を
    変形させることにより、前記アーム部の先端の位置決め
    を行なうように構成したことを特徴とするマイクロポジ
    ショナ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016054646A (ja) * 2016-01-20 2016-04-14 シチズンホールディングス株式会社 発電装置

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