JPH0823685A - 静電アクチュエータ - Google Patents

静電アクチュエータ

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JPH0823685A
JPH0823685A JP15194994A JP15194994A JPH0823685A JP H0823685 A JPH0823685 A JP H0823685A JP 15194994 A JP15194994 A JP 15194994A JP 15194994 A JP15194994 A JP 15194994A JP H0823685 A JPH0823685 A JP H0823685A
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JP
Japan
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substrate
mover
electrostatic actuator
film
window
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JP15194994A
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English (en)
Inventor
Hirotsugu Takagi
博嗣 高木
Takayuki Yagi
隆行 八木
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Canon Inc
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Canon Inc
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 電極間のギャップが精度良く作られ、潤滑層
や基板に作られた凹凸の効果により摩擦が低減され実用
性の高い小型のアクチュエータを提供する。 【構成】 複数の電極を配置した第1基板1、可動子7
を分離形成する第2基板2及び窓が形成された第3基板
3の、少なくとも第1基板1と第2基板間2あるいは第
2基板2と第3基板3のいずれかが有機膜を介して接合
された静電アクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は実用的に有効な小型アク
チュエータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】絶縁物質からなる可動子に小さいギャッ
プを隔てて対向する複数の電極に順次電圧を印加するこ
とにより、可動子に誘起された電荷と電極との静電力で
可動子が運動する静電アクチュエータが本出願人により
提案されている。(特開昭63−95860)その後さ
らに積層するなどの改良が加えられ数kgの力を発生す
るアクチュエータが開発されている。(T.Higuchi et a
l,Proc.IEEE Workshop on Micro Electro Mechanical S
ystems,1994 )静電力は装置が小型であればあるほど電
磁モータより単位体積あたりの発生力が大きくなり、静
電アクチュエータのメリットがいかされると考えられて
いるが、センチメートル、ミリメートル以下の微小な機
械に応用した例は希である。ポリシリコン膜で可動子を
作製した静電アクチュエータが報告されているが(Sens
aor and Actuator,vol.14,1988)、ポリシリコン膜では
せいぜい数ミクロンの厚みの可動子ができるのみであ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記ポリシリコン膜で
は可動子自体の剛性が低いため力を外に取り出すことが
難しく、また膜の応力による反りにより電極との微小な
間隔を保持することが困難であるという問題がある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
しようとするものであり、その要旨は複数の電極を配置
した第1基板、可動子を分離形成する第2基板と可動子
の動きを外部に作用させるための窓が形成された第3の
基板から形成され、第1基板と第2基板間あるいは第2
基板と第3基板の少なくともいずれかが有機膜を介して
接合された静電アクチュエータである。第2基板から可
動子を分離する手段にフォトリソグラフィーとエッチン
グを用いることにより微小なアクチュエータを精度良く
形成することが出来る。そのため、第2基板には、シリ
コン基板や感光性ガラスなどを精度良くエッチング加工
ができ、かつ高抵抗の基板が使用される。本発明では可
動子にバルク基板を使用するため上述した薄膜の問題点
が回避される。
【0005】また、基板の接合に有機膜を用い、可動子
に接する有機膜を除去することで可動子を基板に束縛さ
れない形状にできる。有機膜を接合に用いる他のメリッ
トとしては、接合温度が比較的低くできるため、使用材
料とプロセスの自由度が大きいことである。有機膜材料
は基板との密着力があるものであれば特に制限されない
が、有機膜の厚みにより可動子と電極とのギャップが制
限されるので、感光性レジストのように膜厚が薄くかつ
制御性良く形成されるものが好ましい。
【0006】可動子の動きは可動子に対向する基板にあ
けられた窓を通して外部と結合される。
【0007】本発明の他の特徴は可動子の摩擦を低減す
るために、可動子に対向する基板部分に摩擦低減効果の
ある潤滑層を形成、あるいは接触面積を低減する形状を
付加したことである。これらの処置は本発明静電アクチ
ュエータが3枚の基板の接合体より構成され、かつ、接
合が低温でなされるために容易となった。
【0008】
【実施例】以下具体的実施例により本発明を説明する。 (第1実施例)図1は本発明静電アクチュエータの代表
的な構造を模式的に示したもので、同図(a)は基板の
上面より見たものであり、同図(b)はA−A’断面を
表している。この図において、1は第1基板、2が第2
基板、3が第3基板である。4は第1基板と第2基板を
接合するための第1接合層、5は第2基板と第3基板を
接合するための第2接合層である。6は第2基板より可
動子7を分離するための溝であり、8は第3基板に形成
された窓である。また9は第1基板に形成された複数の
電極である。
【0009】図2を用いて本実施例の静電アクチュエー
タの製造過程を説明する。第1基板は0.5mm厚のパ
イレックスガラス基板(コーニング社商標)であり、こ
の上に10nmのTi膜を下びき層としてAlを150
nm真空蒸発法により成膜した。このAl,Ti積層膜
をフォトリソグラフィー、エッチングにより、はば20
μの多数のストライブ電極とした。(図2(a))この
ストライブ電極は基板周辺部で3本おきに接続されてい
る。(不図示)第2基板として、高抵抗の面方位(11
0)シリコン基板、第3基板は(100)シリコン基板
(0.5mm厚)を用い、それぞれLP−CVD法によ
りその表面に窒化シリコン膜(不図示)を形成した。第
3基板の片面に二硫化モリブデン(不図示)をスパッタ
法で0.5μ形成し、第1接合層としてその上に(第2
基板側に第1接合層をつけてもよい)ネガレジストPM
MA(ポリメチルメタクリレート)を2μ厚スピナー塗
布し、第2基板を押し当て150℃で加熱し第2基板と
第3基板を接合した。(同図(b))第2基板の窒化シ
リコン膜の溝6を形成する個所および第3基板の窓とな
る個所の窒化シリコン膜を除去したのち、40wt.%
水酸化カリウム水溶液により第2基板および第3基板を
エッチングし、溝6および窓8を形成した。(同図
(c))このとき、溝の壁面が(111)面となるよう
に溝の方位を設定する。すなわち可動子の移動方向を<
100>に対し35.3度傾けることにより基板厚み方
向に垂直で巾の狭い溝を形成することができる。こうし
て巾がせまくかつ巾が均一な溝で可動子を分離したこと
により可動子の動きのがたつきをおさえることができ
た。
【0010】次に、第1基板にOMR83により可動子
に対応する個所に可動子のはばより狭い窓をもつレジス
トパターンを形成し、第2接合層5を形成した。(同図
(d))この第1基板と第2基板を第1基板より観察し
ながら位置あわせして接触させ、加圧下で150℃に加
熱し第1基板と第2基板を完全に接合した。最後に酸素
プラズマにより第3基板の窓8より第1接合層の可動子
7の下部を除去し、可動子7を自由な状態にした(同図
(e))。
【0011】以上の様に作製した静電アクチュエータの
可動子7は2mm×1.5mmの大きさで約10mm移
動させることができた。可動子に接合している第3基板
を完全に除去せず一部残すことにより可動子の動きをさ
らに容易に外部へ作用させることもできる。
【0012】本発明の静電アクチュエータの電極と可動
子のギャップは第2接合層の厚みにより規定される。ま
た、第3基板上に形成した二硫化モリブデン膜により可
動子の摩擦抵抗が低減された。二硫化モリブデン膜のか
わりにポリテトラフルオロエチレン等の固体潤滑材を使
用しても同様の効果が期待される。
【0013】図3は以上に説明した方法により作製した
可動子11上に別途同様に作製したアクチュエータ12
をそれぞれの可動子の移動方向が直角となるように接合
し、2次元に移動可能なステージを作製したものであ
る。
【0014】また、本発明では微細なアクチュエータを
基板上に複数個同時に作製することも可能である。 (第2実施例)図4,図5に従って第2実施例の電極作
製工程を説明する。表面に熱酸化膜を形成した(11
1)シリコン基板21の片面の酸化膜を図4のように格
子状にパターニングし、これをマスク30として30%
水酸化カリウム水溶液によりシリコンをエッチングする
と図5(a)のように基板表面に多数の台形四角錐33
が作られる。四角錐の高さは2μmとした。マスクの酸
化膜を除去し、再度基板を熱酸化して酸化層31を形成
し(同図(b))、Crを5nm、Auを200nm真
空蒸発法で成膜した。Cr,Au積層膜の不要部をエッ
チング除去した図5(c)のように12μ巾のストライ
ブ電極とした。
【0015】第1基板21の電極形成面に第1接合層2
4として感光性ポリイミドレジストを約2μ塗布し、窒
化シリコン膜付き(110)シリコン基板からなる第2
基板22を重ね130℃で30分加熱し接合した(図6
(a))。第1実施例と同様に溝26および接合層エッ
チング用窓28を水酸化カリウム溶液のエッチングで形
成した。ただし窓部の第1基板を約10μの厚みでのこ
した。薄膜化した第1基板の窓部に第1接合層のエッチ
ング窓用としてSF6 ガスにより電極のすきまに10μ
角の穴を多数形成した(不図示)。
【0016】第3基板23として厚み0.5mmのパイ
レックスガラス(商品名コーニング#7740)を使用
し、超音波加工により窓32をあけた。第2基板表面の
窒化シリコン膜をフッ酸で除去し、第3基板側より炭酸
ガスレーザを照射しながら第2基板22と第3基板23
に800Vを印加して陽極接合した。可動子27と第3
基板間には電圧が印加されないので接合されない。ま
た、可動子表面にガラスと接合しにくいAuを薄く成膜
しておいても良い。
【0017】その後、酸素プラズマで第1接合層24の
可動子27の下部を除去すると可動子27は完全に自由
な状態となり、電極に三相交流電圧を印加することによ
りリニアアクチュエータとして動作した。第1基板に酸
化物の突起33が形成されていることにより、可動子の
接触面積が小さくなり、摩擦が低減された。 (第3実施例)図7は本発明の静電アクチュエータを応
用した小型モータである。図7(a)回転部分を上面か
ら見たものであり、同図(b)はB−B’の断面模式図
である。図8にしたがって本実施例の製造過程を説明す
る。
【0018】第1基板41として0.5μの酸化層とそ
の上に7μの単結晶層をもつSOI基板を使用した。シ
リコン表面にAl膜を200nm成膜し、10μφの円
形のパターン46を形成した。(同図(a))これをマ
スクとし、SF6 ガスによるプラズマで酸化層上のシリ
コン層をエッチングすると同図(b)のように略円錐台
の突起47が形成される。酸化層上にCrを5nmつづ
いてAuを150nm真空蒸発法で成膜し、扇状に24
本の電極49を作製した。これに接合層44としてネガ
レジストのPMMAを2μスピナ塗布し、接合部以外の
レジストを除去しておく。(同図(c))第2基板42
として感光性ガラス(0.3mm厚)を用い、巾50μ
の円環状の分離溝となる部分5となる部分51を紫外線
で露光し、530℃及び580℃で現像した。これを第
3基板43として窒化シリコン膜付きの(100)シリ
コン基板(0.5mm厚)とPMMAを接合層45とし
て接着した。(同図(d))つづいて、シリコン基板4
3の回転部53を分離する円環状の窓52を水酸化カリ
ウム水溶液でエッチングしたのち感光性ガラス42の5
0,51部分を4%フッ酸水溶液で除去した(同図
(c))。
【0019】次に感光性ガラス上にOMR83(商品
名、東京応化製)(56)を0.15μ塗布したのち、
円錐台突起47と軸穴が一致するよう第1基板と密着さ
せ150℃、30分加熱し、第1基板と第2基板を接着
した。最後に窓52より酸素プラズマにより接合層45
および56の一部を除去することによりロータ55を分
離した(同図(f))。
【0020】本実施例ではロータ径2mmの静電モータ
が作製され、24本の電極を3本ずつ8組とし、これに
3相交流電圧を印加した。ロータと接合されたシリコン
基板のエッチング面54は鏡面であり、これに光ビーム
57をあてながらロータを回転させることでポリゴンミ
ラーとして使用することができる。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように本発明静電アクチュ
エータは3枚の基板から構成され、可動子となる基板が
有機膜で接合されているため、電極間のギャップが精度
良く作られる。さらに、潤滑層や基板に作られた凹凸の
効果により摩擦が低減され実用性が高い小型アクチュエ
ータである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)(b)は第1実施例の静電アクチュ
エータの平面図お及び断面模式図。
【図2】図2(a)(b)(c)(d)(e)は第1実
施例の作製工程説明図。
【図3】本発明を応用した2次元ステージの静電アクチ
ュエータの平面図。
【図4】第2実施例の格子状のパターニングした状態を
示す平面部分図。
【図5】図5(a)(b)(c)は第2実施例の電極作
製工程の説明図。
【図6】図6(a)(b)(c)(d)も第2実施例の
電極作製工程の説明図。
【図7】第3実施例の静電モータの平面図及び断面模式
図。
【図8】第3実施例の作製工程説明図。
【符号の説明】
1,21,41 第1基板 2,22,42 第2基板 3,23,43 第3基板 44,56 第1接合層 5,45 第2接合層 6,26 分離溝 7,11,27,55 可動子 8,32,52 窓 9,29,49 電極 30,46 マスクパターン 31 酸化膜 33,46 突起 50,51 露光部 54 光反射面 57 光ビーム

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の電極を配置した第1基板、可動子
    を分離形成する第2基板および窓が形成された第3の基
    板と、すくなくとも第1基板と第2基板間あるいは第2
    基板と第3基板のいずれかが有機膜を介して接合された
    静電アクチュエータ。
  2. 【請求項2】 第2基板がシリコン基板である請求項1
    記載の静電アクチュエータ。
  3. 【請求項3】 第2基板が感光性ガラスである請求項1
    記載の静電アクチュエータ。
  4. 【請求項4】 第1基板あるいは第3基板の少なくとも
    いずれかの基板の可動子との接触部に固体潤滑層が形成
    された請求項1記載の静電アクチュエータ。
  5. 【請求項5】 第1基板あるいは第3基板の少なくとも
    いずれかの基板の可動子との接触部に凹凸が形成された
    請求項1記載の静電アクチュエータ。
JP15194994A 1994-07-04 1994-07-04 静電アクチュエータ Pending JPH0823685A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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