JPH0965491A - Electromechanical transducer - Google Patents

Electromechanical transducer

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JPH0965491A
JPH0965491A JP21040695A JP21040695A JPH0965491A JP H0965491 A JPH0965491 A JP H0965491A JP 21040695 A JP21040695 A JP 21040695A JP 21040695 A JP21040695 A JP 21040695A JP H0965491 A JPH0965491 A JP H0965491A
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JP
Japan
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electrostatic actuator
actuator
electro
electrostatic
mechanical
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Application number
JP21040695A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuo Wada
恭雄 和田
Munehisa Mitsuya
宗久 三矢
Tsuneo Ichiguchi
恒雄 市口
Tomihiro Hashizume
富博 橋詰
Seiji Heike
誠嗣 平家
Maaku Ratobitsuchi
ラトビッチ・マーク
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Priority to US08/696,089 priority patent/US5801472A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromechanical transducer using a subminiature integrated electrostatic actuator with a high efficiency by arranging a stator and a moving part opposite to each other so as to control an electrostatic force between them. SOLUTION: The electroacoustic transducer using the integrated electrostatic actuator formed by the micro machine technology is made up of the integrated electrostatic actuator 1, a power supply and controller 2, a signal and power supply connection section 3, a moving part 4, and a transmission part 5. A drive power and an operating signal are fed from the power supply and controller 2 to the electrostatic actuator 1 via the connection part 3. The electrostatic actuator 1 provides a mechanical motion to the moving part 4 via the transmission part 5 according to an operation signal to move the moving part.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロマシン技術に
より作成した集積化静電アクチュエータによる電気-機
械変換装置に関するもので、更に詳述すれば、電気信号
を機械的な動きに、あるいは逆に機械的な動きを電気信
号に変換する超小型システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electro-mechanical conversion device using an integrated electrostatic actuator manufactured by micromachine technology. More specifically, the electric signal is converted into mechanical movement or vice versa. The present invention relates to a microminiaturized system for converting physical movement into an electric signal.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の電気-機械変換装置は、例えばマ
イクロフォン、スピーカーなどのように、電磁石に流れ
る電流変化を機械的な動きに変換したり、逆に機械的な
動きを電流変化に変換していた。
2. Description of the Related Art A conventional electro-mechanical conversion device, for example, a microphone or a speaker, converts a change in current flowing in an electromagnet into a mechanical movement, and vice versa. Was there.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな電磁石を用いた従来方式では電気エネルギ、あるい
は機械エネルギの変換効率が低く、またダイナミックレ
ンジも小さいという問題点があった。更に従来の変換シ
ステムでは、寸法が電磁石で制限されるため、超小型化
は不可能であった。これらの原因はいずれも電線を多数
回巻いた電磁石を用いることにある。
However, the conventional method using such an electromagnet has problems that the conversion efficiency of electric energy or mechanical energy is low and the dynamic range is small. Further, in the conventional conversion system, the size is limited by the electromagnet, so that miniaturization is impossible. All of these are due to the use of electromagnets in which electric wires are wound many times.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明はこのような従来
技術の問題点を解決するためになされたもので、マイク
ロマシン技術により作成した集積化静電アクチュエータ
による電気-機械変換方式により、変換効率の高い、か
つダイナミックレンジも大きな変換を可能にするもので
ある。すなわち、集積化静電アクチュエータを用いた、
電気信号を機械的な動きに、あるいは逆に機械的な動き
を電気信号に変換する超小型システムを提案するもので
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the conversion efficiency is improved by an electro-mechanical conversion system using an integrated electrostatic actuator made by micromachine technology. It has a high dynamic range and a large dynamic range. That is, using an integrated electrostatic actuator,
It proposes a microminiature system that converts an electrical signal into a mechanical movement, or vice versa.

【0005】[0005]

【作用】本発明によるマイクロマシン技術により作成し
た集積化静電アクチュエータによる電気-機械変換方式
は、図1に示したように、集積化静電アクチュエータ1
と、これに信号および電力を供給する電源および制御装
置2と、信号、電力供給接続部3と、該集積化アクチュ
エータ1と該可動部4をつなぐ伝達部分5からなる。該
静電アクチュエータ1に該電源および制御装置2より駆
動用の電力を供給しつつ動作信号を該接続部3を通して
伝達すると、該静電アクチュエータ1はその動作信号に
したがった機械的な運動を該伝達部分5を通して可動部
4に伝え、該可動部を動かす。
The electro-mechanical conversion system using the integrated electrostatic actuator manufactured by the micromachine technology according to the present invention is as shown in FIG.
And a power supply and control device 2 for supplying signals and electric power thereto, a signal and electric power supply connecting portion 3, and a transmitting portion 5 connecting the integrated actuator 1 and the movable portion 4. When the operation signal is transmitted through the connection portion 3 while supplying the driving power to the electrostatic actuator 1 from the power source and the control device 2, the electrostatic actuator 1 performs the mechanical motion according to the operation signal. It transmits to the movable part 4 through the transmission part 5, and moves the movable part.

【0006】逆に、該可動部4の動きは、該伝達部5を
通して該静電アクチュエータ1に伝達され、この可動部
4の動きに対応した電気信号が該静電アクチュエータ1
によって生成され、接続部3を通して制御装置2に伝え
られ、信号として取り出される。該静電アクチュエータ
1には実効上充電電流のみが流れるため、効率は非常に
高くすることが可能になり、従来のシステムに比較して
高効率化できる。
On the contrary, the movement of the movable portion 4 is transmitted to the electrostatic actuator 1 through the transmission portion 5, and an electric signal corresponding to the movement of the movable portion 4 is transferred to the electrostatic actuator 1.
Generated by the control unit 2, transmitted to the control unit 2 through the connection unit 3, and taken out as a signal. Since only the charging current effectively flows through the electrostatic actuator 1, the efficiency can be made very high, and the efficiency can be improved as compared with the conventional system.

【0007】また、該静電アクチュエータ1の寸法は、
半導体微細加工技術を用いたマイクロマシン技術により
形成するため非常に小さくできる。例えば最小加工寸法
を0.5μmとすれば、該静電アクチュエータ1本体の
みの寸法は1mm以下にできる。従来のコイルを用いた
構造に比べ、1/10以下の寸法にすることができる。
The size of the electrostatic actuator 1 is
The size can be made very small because it is formed by micromachine technology using semiconductor fine processing technology. For example, if the minimum processing size is 0.5 μm, the size of only the main body of the electrostatic actuator 1 can be 1 mm or less. The size can be reduced to 1/10 or less as compared with the structure using the conventional coil.

【0008】[0008]

【実施例】【Example】

実施例1 本実施例では、静電アクチュエータの構造を開示する。
図2(a)は最も簡単な構造の静電アクチュエータの構
造の模式図で、導電体からなる構造11、12におい
て、櫛の歯状電極13が互いに入れ子状に形成されてい
る状態を示す。該導電体11および12において、各々
の電極間に電圧Vを印加すると、これらの導電体11、
12間に働く力Fは、次式で表される。
Example 1 This example discloses the structure of an electrostatic actuator.
FIG. 2A is a schematic view of the structure of the electrostatic actuator having the simplest structure, and shows a state in which the comb tooth-shaped electrodes 13 are formed in a nested manner in the structures 11 and 12 made of a conductor. When a voltage V is applied between the electrodes of the conductors 11 and 12, these conductors 11,
The force F acting between 12 is expressed by the following equation.

【0009】 F=αV (1) で表される。ここでαは比例定数である。It is represented by F = αV (1). Where α is a constant of proportionality.

【0010】したがって、該導電体11を固定し、該導
電体11と12の間に電圧Vを印加すると、該導電体1
2の変位xは、式(1)で表される生成される力Fに対
応した次式で表される値が得られる。
Therefore, when the conductor 11 is fixed and a voltage V is applied between the conductors 11 and 12, the conductor 1
For the displacement x of 2, the value represented by the following equation corresponding to the generated force F represented by the equation (1) is obtained.

【0011】 x=βF (2) ここでβは比例定数である。X = βF (2) where β is a proportional constant.

【0012】したがって、最終的な変位量xと印加する
電圧Vの関係は、次式で表される。
Therefore, the relationship between the final displacement amount x and the applied voltage V is expressed by the following equation.

【0013】 x=αβV (3) 式(3)から、変位量と印加電圧の間に直線関係があ
り、その関係は構造パラメータとして一義的に規定でき
ることがわかる。したがって適当な構造パラメータを設
定することにより、非常に高率の良い電気−機械変換が
可能になることが理論的にも裏付けられる。
X = αβV (3) From equation (3), it is understood that there is a linear relationship between the displacement amount and the applied voltage, and the relationship can be uniquely defined as a structural parameter. Therefore, it is theoretically supported that the electro-mechanical conversion can be performed at a very high rate by setting appropriate structural parameters.

【0014】該導電体11、12の櫛の歯状電極13の
基本構造は、図3に断面図で示したように、一平面上に
互い違いに櫛の歯状電極13が形成される。図3の断面
図は図2(a)のA−Aの位置において矢印方向に見た
ものである。これらの櫛の歯状電極13の幅をw1、間
隔をw2とし、簡単のため幅と間隔を同一にすれば、こ
れらの導電体11、12間に働く力Fは、式(1)から
間隔w2を小さくすれば大きくなる。この理由は、電極
間の容量を大きくすることにより、式(1)中のパラメ
ータαが大きくなるためである。したがって、高感度化
のためには間隔w2を小さくする必要がある。
The basic structure of the comb-teeth-shaped electrodes 13 of the conductors 11 and 12 is that the comb-teeth-shaped electrodes 13 are alternately formed on one plane as shown in the sectional view of FIG. The cross-sectional view of FIG. 3 is seen in the direction of the arrow at the position AA in FIG. If the width of the tooth-shaped electrodes 13 of these combs is set to w1 and the spacing is set to w2, and the width and the spacing are made the same for simplification, the force F acting between these conductors 11 and 12 is calculated from the equation (1). The smaller w2 is, the larger it becomes. The reason for this is that the parameter α in the equation (1) is increased by increasing the capacitance between the electrodes. Therefore, it is necessary to reduce the interval w2 for higher sensitivity.

【0015】尚、図3に示した電極断面図では、電極の
幅と厚さがほぼ同一に描いてあるが、必ずしもこれは必
要な条件ではなく、電極の機械的強度、電極の固有周波
数に影響する重量といった評価パラメータにより決めら
れる量である。
In the sectional view of the electrode shown in FIG. 3, the width and the thickness of the electrode are almost the same, but this is not necessarily a necessary condition, and the mechanical strength of the electrode and the natural frequency of the electrode are It is an amount that is determined by an evaluation parameter such as an affected weight.

【0016】一方、電極間の容量を大きくすると、前述
のように電極容量の充電電流が流れるため、消費電力が
大きくなるという問題点があるため、必要な力と消費電
力の兼ね合いでw2の値を決める必要がある。適当なw
2の値と静電アクチュエータ全体の幅は、一般的に各々
0.1μm〜10μm、および3μm〜1500μm程
度であったが、特に0.2μm〜1μm、および10μ
m〜200μmの範囲のときに超小型化と超高感度化が
同時に達成できた。これらのw2の値と静電アクチュエ
ータ全体の幅の値は、用途により多少差異があることは
いうまでもなく、各々の用途により適切な値を選択でき
る。
On the other hand, when the capacitance between the electrodes is increased, the charging current for the electrode capacitance flows as described above, which causes a problem that the power consumption increases. Therefore, the value of w2 is a value that is a balance between the required force and the power consumption. Need to decide. Suitable w
The value of 2 and the width of the entire electrostatic actuator were generally about 0.1 μm to 10 μm and 3 μm to 1500 μm, respectively, but particularly 0.2 μm to 1 μm and 10 μm.
In the range of m to 200 μm, miniaturization and supersensitivity could be achieved at the same time. It goes without saying that the value of w2 and the value of the width of the entire electrostatic actuator have some differences depending on the application, and an appropriate value can be selected depending on each application.

【0017】図3に示した構造は、熟練した専門家であ
れば容易に設計可能であり、通常の半導体微細加工技術
により実現可能である。すなわち、シリコンウエハー上
にシリコン酸化膜等の犠牲層を成長し、その上に多結晶
シリコン等の材料からなる薄膜を堆積、加工後、前記シ
リコン酸化膜よりなる犠牲層を除去することにより、所
定の静電アクチュエータ構造を実現できる。
The structure shown in FIG. 3 can be easily designed by a skilled expert and can be realized by an ordinary semiconductor fine processing technique. That is, by growing a sacrificial layer such as a silicon oxide film on a silicon wafer, depositing a thin film made of a material such as polycrystalline silicon on the sacrificial layer, and processing the sacrificial layer, the sacrificial layer made of the silicon oxide film is removed. The electrostatic actuator structure can be realized.

【0018】該静電アクチュエータは、図2(a)、図
3に示したごとく、櫛型電極からなることは必ずしも必
要ではない。例えば、並行平板電極でも同様な作用を得
ることが可能である。しかし、櫛型電極構造、あるいは
これに類似した構造が最も効率が高いことは明らかであ
る。例えば図2(b)に示したごとく、固定電極14お
よび16の間に可動電極15を各々櫛型電極が互いに入
れ子になるよう形成した構造も有効である。
As shown in FIGS. 2A and 3, the electrostatic actuator does not necessarily have to be a comb-shaped electrode. For example, it is possible to obtain the same action with a parallel plate electrode. However, it is clear that the comb electrode structure or a structure similar thereto has the highest efficiency. For example, as shown in FIG. 2B, a structure in which the movable electrodes 15 are formed between the fixed electrodes 14 and 16 so that the comb electrodes are nested with each other is also effective.

【0019】このような櫛型電極構造は、ここに示した
ように横方向のみでなく、縦方向にも形成できる事は明
らかである。また、電圧の印加方法についても、単に一
方の電極を接地し、両電極間に電圧を印加する方法のみ
でなく、例えば、図2(a)において、導電体からなる
構造11を固定し、導電体からなる構造12をバネ構造
で図面平面上の例えば右方向に変位させ、その変位量を
該導電体からなる構造11、12間に印加する電圧によ
って補償することにより、通常であれば電極間距離を小
さくする、図面右方向のみに作動する該静電アクチュエ
ータの導電体からなる構造12を、図面平面上の左右両
方向に動作させることを可能にする。
It is clear that such a comb-shaped electrode structure can be formed not only in the horizontal direction as shown here, but also in the vertical direction. Further, the voltage application method is not limited to a method in which one electrode is grounded and a voltage is applied between both electrodes. For example, in FIG. The structure 12 made of a body is displaced by a spring structure, for example, to the right in the plane of the drawing, and the amount of the displacement is compensated by the voltage applied between the structures 11 and 12 made of the conductor. The structure 12 made of a conductor of the electrostatic actuator that operates only in the right direction in the drawing and has a small distance can be operated in both left and right directions in the drawing plane.

【0020】図2(b)においては、導電体からなる構
造15を接地電位にし、導電体からなる構造14および
導電体からなる構造16に各々正負の電圧を印加する方
法等、電圧の印加方法によって、該静電アクチュエータ
の適切な動作が可能になる。この場合、構造14、16
を構造上固定位置となるようにし、構造15から連結腕
を出して、構造15の動きを利用できるようにすれば良
い。
In FIG. 2B, the structure 15 made of a conductor is set to the ground potential, and a positive and negative voltage is applied to the structure 14 made of a conductor and the structure 16 made of a conductor. Allows proper operation of the electrostatic actuator. In this case, the structures 14, 16
Should be structurally fixed and the connecting arm should be taken out from the structure 15 so that the movement of the structure 15 can be utilized.

【0021】実施例2 本実施例では静電アクチュエータを用いたスピーカーの
構造を開示する。図4は静電アクチュエータ21と、こ
れに連結部分22を介して機械的に連結されたスピーカ
ー23からなる構造を示している。該静電アクチュエー
タ21に、信号発生器24から、ケーブル25を通して
電気的な信号を入力すると、該静電アクチュエータ21
は、該電気的な信号にしたがって作動する。この機械的
作動を該連結部分22を介して該スピーカーに伝達し、
最終的に信号発生器からの電気信号は音となる。
Embodiment 2 This embodiment discloses a structure of a speaker using an electrostatic actuator. FIG. 4 shows a structure including an electrostatic actuator 21 and a speaker 23 mechanically connected to the electrostatic actuator 21 via a connecting portion 22. When an electric signal is input to the electrostatic actuator 21 from the signal generator 24 through the cable 25, the electrostatic actuator 21
Operate according to the electrical signal. Transmitting this mechanical actuation to the speaker via the connecting portion 22,
Finally, the electric signal from the signal generator becomes sound.

【0022】本実施例ではw2を0.3μmとし、静電
アクチュエータ全体の幅を約100μmとすることによ
り一般的に十分な力を発生させることができた。この場
合には該静電アクチュエータ21の固有振動数は、約3
0kHzと十分に高くできるため、低音から高音まで広
い範囲で完全な周波数応答が得られた。一方、大型のス
ピーカーを実現するためには該静電アクチュエータ21
を大きくする必要があることは言うまでもないが、この
時には固有周波数が小さくなるため、高音に対する応答
は小さくなる。
In this embodiment, w2 is set to 0.3 μm, and the width of the entire electrostatic actuator is set to about 100 μm. In general, a sufficient force can be generated. In this case, the natural frequency of the electrostatic actuator 21 is about 3
Since the frequency can be set sufficiently high as 0 kHz, a complete frequency response was obtained in a wide range from bass to treble. On the other hand, in order to realize a large speaker, the electrostatic actuator 21
Needless to say, it is necessary to increase, but at this time, the natural frequency becomes small, and therefore the response to high frequencies becomes small.

【0023】図4に示した静電アクチュエータ21の詳
細な構造を図5に示す。櫛型電極31からなる静電アク
チュエーターと、該静電アクチュエーターに接続された
連結部分32、振動板33が、枠34に固定された状態
を示す。該櫛型電極31の機械的振動が、振動板33を
作動させ、音のエネルギに変化する。該振動板33の材
質は、振動周波数応答の良好なものであれば良く、例え
ばダイアモンド、紙、プラスチック、金属等が使える。
また連結部分32の材質は、振動によって変形を起こさ
ず、かつ振動の減衰の原因にならないものを用いること
が必要である。例えばセラミック、硬質プラスチック等
を用いることができるが、この材料は必ずしも本発明の
必須用件ではない。
A detailed structure of the electrostatic actuator 21 shown in FIG. 4 is shown in FIG. The electrostatic actuator including the comb-shaped electrode 31, the connecting portion 32 connected to the electrostatic actuator, and the vibration plate 33 are fixed to the frame 34. The mechanical vibration of the comb-shaped electrode 31 actuates the diaphragm 33 to change it into sound energy. The vibration plate 33 may be made of any material having a good vibration frequency response, for example, diamond, paper, plastic, metal or the like can be used.
In addition, it is necessary to use a material for the connecting portion 32 that does not deform due to vibration and does not cause vibration damping. For example, ceramic, hard plastic, etc. can be used, but this material is not necessarily an essential requirement of the invention.

【0024】実施例3 本実施例では静電アクチュエータを用いたマイクロフォ
ンの構造を開示する。図6は振動板41、連結構造4
2、静電アクチュエータ43、電気信号伝達部分44お
よび電気信号制御装置45よりなる構造において、外部
からの音は、該振動板41により機械的な動きに変換さ
れ、連結機構42により静電アクチュエータ43に伝達
される。静電アクチュエータ43により機械的振動が電
気信号に変換され、この電気信号が該電気信号伝達部分
44を通って電気信号制御装置45に到達し、外部に電
気信号として取り出される。
Embodiment 3 This embodiment discloses the structure of a microphone using an electrostatic actuator. FIG. 6 shows the vibration plate 41 and the connecting structure 4.
2. In the structure including the electrostatic actuator 43, the electric signal transmission portion 44, and the electric signal control device 45, the sound from the outside is converted into mechanical motion by the diaphragm 41, and the electrostatic actuator 43 by the coupling mechanism 42. Be transmitted to. The mechanical vibration is converted into an electric signal by the electrostatic actuator 43, the electric signal reaches the electric signal control device 45 through the electric signal transmitting portion 44, and is taken out as an electric signal to the outside.

【0025】静電アクチュエータ43による機械的振動
の電気信号への変換は、櫛型電極の作動による静電容量
の計測によって行えることは言うまでもないが、より高
精度な変換方法は、トンネル電流の計測によるものであ
る。これを詳細に説明すると、図7に示した構成におい
て、振動板53に励起された振動は、連結構造52によ
って櫛型電極51からなる静電アクチュエータに伝達さ
れる。該櫛型電極51には、探針として機能する部分5
5及び対向電極として機能する部分56が具備されてお
り、該探針として機能する部分55及び対向電極として
機能する部分56の間に流れるトンネル電流が一定にな
るよう、該櫛型電極51の間に印加される電圧を制御す
れば、わずか0.1nm以下程度の該振動板53の動き
を検出して、電気信号に変換可能であるため、非常に高
感度なマイクロフォンを実現可能である。したがって、
従来不可能であった極微小な空気振動も検出できるよう
になるため、その工学的意味は大きい。
Needless to say, the conversion of mechanical vibration by the electrostatic actuator 43 into an electric signal can be performed by measuring the electrostatic capacitance by the operation of the comb electrodes, but a more accurate conversion method is to measure the tunnel current. It is due to. To explain this in detail, in the configuration shown in FIG. 7, the vibration excited in the diaphragm 53 is transmitted to the electrostatic actuator composed of the comb-shaped electrode 51 by the connecting structure 52. The comb-shaped electrode 51 has a portion 5 that functions as a probe.
5 and a portion 56 functioning as a counter electrode, and between the comb electrodes 51 so that the tunnel current flowing between the portion 55 functioning as the probe and the portion 56 functioning as the counter electrode becomes constant. By controlling the voltage applied to, it is possible to detect a movement of the diaphragm 53 of only about 0.1 nm or less and convert it into an electric signal, so that a very sensitive microphone can be realized. Therefore,
Since it becomes possible to detect even minute air vibrations that were impossible in the past, its engineering significance is great.

【0026】実施例4 本実施例では静電アクチュエータを用いた超小型ラジオ
の構造を開示する。図8は受信機74、電気信号伝達部
分75、静電アクチュエータ71、機械的連結部72、
スピーカー73からなる構造において、該受信機74に
より受信された電波は、電気信号に変換され、電気信号
伝達部分75を通って静電アクチュエータ71を動作さ
せる。静電アクチュエータ71で発生した機械的振動
は、機械的連結部72を動かし、スピーカー73に振動
として伝えられる。該スピーカー73に伝えられた振動
は、音として空気を振動させ、本装置はラジオとして機
能する。
Embodiment 4 This embodiment discloses the structure of a micro radio using an electrostatic actuator. FIG. 8 shows a receiver 74, an electric signal transmitting portion 75, an electrostatic actuator 71, a mechanical connecting portion 72,
In the structure including the speaker 73, the electric wave received by the receiver 74 is converted into an electric signal, and the electrostatic actuator 71 is operated through the electric signal transmitting portion 75. The mechanical vibration generated by the electrostatic actuator 71 moves the mechanical connecting portion 72 and is transmitted to the speaker 73 as vibration. The vibration transmitted to the speaker 73 vibrates the air as a sound, and this device functions as a radio.

【0027】本発明による超小型ラジオの特徴は、寸法
が小さく、消費電力も最小に押さえられる点である。例
えば、該受信機74、電気信号伝達部分75、静電アク
チュエータ71、機械的連結部72、スピーカー73を
半導体加工技術により、同一チップ上に形成すれば、全
体を数ミリメートル角以内の面積に集積可能である。ま
た、駆動用の電池も小さくてすみ、太陽電池などの形に
して、該チップ上に集積することも可能である。例えば
本実施例では、最小加工寸法0.5μmの集積回路技術
により、チップ寸法3mm角に全ての機能を集積でき
る。本発明による超小型ラジオを筆記用具の先端に取り
付けパーソナルバックグランドミュージック用に用いる
ことができる。また、イヤリングの形にして直接耳の近
くに置き、個人用ラジオとして使用することも可能にな
る。従来のようにイヤフォンおよびラジオ本体といった
など持ち運びに不便な形状のものを用いる必要がなく、
かつエネルギが小さくて済むことから効率が高く、省エ
ネルギにもなるため、工学的な意味は大きい。
The features of the micro radio according to the present invention are that it is small in size and consumes minimum power. For example, if the receiver 74, the electric signal transmitting portion 75, the electrostatic actuator 71, the mechanical connecting portion 72, and the speaker 73 are formed on the same chip by the semiconductor processing technology, the whole is integrated into an area within a few millimeters square. It is possible. Further, the driving battery is small, and it is possible to integrate it on the chip in the form of a solar cell or the like. For example, in this embodiment, all functions can be integrated in a chip size of 3 mm square by the integrated circuit technology with the minimum processing size of 0.5 μm. The micro radio according to the invention can be attached to the tip of a writing instrument and used for personal background music. It can also be used as a personal radio in the form of earrings and placed directly near the ears. There is no need to use inconvenient shapes such as earphones and radios as in the past,
In addition, since the energy is small, the efficiency is high and the energy can be saved. Therefore, the engineering meaning is great.

【0028】実施例5 本実施例では静電アクチュエータを用いた一チップ走査
トンネル顕微鏡の構造を開示する。図9は第一の静電ア
クチュエータ81と、第二の静電アクチュエータ82が
各々連結構造83および84により探針85に連結され
ており、各々該静電アクチュエータ81、82は一方の
電極が枠86に固定されている状態を示す。さらに第三
の静電アクチュエータ(図示せず)を図9紙面の上下方
向に形成してある。このような構造においては、該探針
85は、該第一の静電アクチュエータ81と、第二の静
電アクチュエータ82により各々図9紙面の左右方向お
よび上下方向に動かされ、、また第三の電極により図9
紙面の上下方向に動かされる。このような構造にするこ
とにより、静電アクチュエータを用いた三次元動作可能
な走査トンネル顕微鏡が実現できる。
Embodiment 5 This embodiment discloses the structure of a one-chip scanning tunnel microscope using an electrostatic actuator. In FIG. 9, a first electrostatic actuator 81 and a second electrostatic actuator 82 are connected to a probe 85 by connecting structures 83 and 84, respectively, and one electrode of each of the electrostatic actuators 81 and 82 is a frame. The state of being fixed to 86 is shown. Further, a third electrostatic actuator (not shown) is formed in the vertical direction on the paper surface of FIG. In such a structure, the probe 85 is moved by the first electrostatic actuator 81 and the second electrostatic actuator 82 in the left and right direction and the up and down direction on the paper surface of FIG. Figure 9 with electrodes
Moved up and down the page. With such a structure, a scanning tunneling microscope capable of three-dimensional operation using an electrostatic actuator can be realized.

【0029】図9に開示した三次元動作可能な走査トン
ネル顕微鏡を用い、一チップ走査トンネル顕微鏡を構成
可能である。図10はこの構成図を示したもので、一チ
ップ走査トンネル顕微鏡チップ91上に、図9に示した
三次元動作可能な走査トンネル顕微鏡92、該三次元動
作可能な走査トンネル顕微鏡92の制御回路装置93、
該制御回路装置動作に必要な記憶装置94、該制御回路
装置93および記憶装置94を駆動するに必要な電気エ
ネルギを発生し、あるいは/および蓄える電源装置95
からなる。必要により、該制御回路装置93あるいは/
および記憶装置94には通信機能を持たせることも可能
である。すなわち、該一チップ走査トンネル顕微鏡の取
得するデータ、あるいは該一チップ走査トンネル顕微鏡
の動作を指令する信号を送受信する機能を持たせること
も可能である。これらの機能を持たせることにより、該
一チップ走査トンネル顕微鏡を、外部との電線による接
続なしに動作させ、また取得したデータを取り込むこと
が可能になるため、動作の自由度が飛躍的に増大する。
A one-chip scanning tunnel microscope can be constructed by using the scanning tunnel microscope capable of three-dimensional operation disclosed in FIG. FIG. 10 shows this configuration diagram. A scanning tunneling microscope microscope 92 shown in FIG. 9 and a control circuit of the scanning tunneling microscope 92 capable of three-dimensional operation shown in FIG. Device 93,
The storage device 94 necessary for the operation of the control circuit device, and the power supply device 95 for generating and / or storing the electric energy necessary for driving the control circuit device 93 and the storage device 94.
Consists of If necessary, the control circuit device 93 or /
The storage device 94 can also have a communication function. That is, it is possible to provide a function of transmitting and receiving data acquired by the one-chip scanning tunnel microscope or a signal instructing the operation of the one-chip scanning tunnel microscope. By providing these functions, it becomes possible to operate the one-chip scanning tunnel microscope without connecting to the outside with an electric wire and to capture the acquired data, so that the degree of freedom of operation is dramatically increased. To do.

【0030】実施例6 本実施例では静電アクチュエータを用いた、超小型の記
録再生装置を開示する。図11は第一の静電アクチュエ
ータ101と、第二の静電アクチュエータ102が各々
連結構造103および104により探針105に連結さ
れており、各々該静電アクチュエータ101、102は
一方の電極が枠106に固定されている状態を示す。さ
らに第三の静電アクチュエータ(図示せず)を図9紙面
の上下方向に形成してある。このような構造において
は、該探針105は、該第一の静電アクチュエータ10
1と、第二の静電アクチュエータ102により各々図9
紙面の左右方向および上下方向に動かされ、、また、図
示されていない第三の電極により図9紙面の上下方向に
動かされる。該探針105に対向するように情報記録媒
体107を設置してある。該探針105により、該情報
記録媒体107に情報を記録し、あるいは該情報記録媒
体107に記録してある情報を読みだすことができる。
Embodiment 6 This embodiment discloses a microminiature recording / reproducing apparatus using an electrostatic actuator. In FIG. 11, a first electrostatic actuator 101 and a second electrostatic actuator 102 are connected to a probe 105 by connecting structures 103 and 104, respectively, and one electrode of each of the electrostatic actuators 101 and 102 is a frame. The state of being fixed to 106 is shown. Further, a third electrostatic actuator (not shown) is formed in the vertical direction on the paper surface of FIG. In such a structure, the probe 105 is connected to the first electrostatic actuator 10
1 and the second electrostatic actuator 102.
It is moved in the left and right direction and the up and down direction of the paper surface, and is also moved in the up and down direction of the paper surface of FIG. 9 by a third electrode (not shown). An information recording medium 107 is installed so as to face the probe 105. With the probe 105, information can be recorded on the information recording medium 107 or information recorded on the information recording medium 107 can be read out.

【0031】図12は図11で開示した超小型の記録再
生装置を用いた超小型音楽再生装置の構成図である。チ
ップ111上に図11で開示した超小型の記録再生装置
113、制御回路114、制御回路用記憶回路115、
電源112、さらに図4で開示したスピーカー116を
具備している。チップ111全体の寸法は最小寸法0.
5μmの微細加工技術を用いることにより約3mm角に
することができる。このチップ111を耳に固定するこ
とにより、従来のような大がかりな装置でなくなるた
め、超小型音楽再生装置の何の違和感もない装着が可能
になる。
FIG. 12 is a block diagram of a microminiature music reproducing apparatus using the microminiature recording and reproducing apparatus disclosed in FIG. On the chip 111, the microminiature recording / reproducing device 113 disclosed in FIG. 11, the control circuit 114, the control circuit memory circuit 115,
The power source 112 and the speaker 116 disclosed in FIG. 4 are provided. The size of the entire chip 111 is 0.
By using a fine processing technology of 5 μm, it is possible to make a square of about 3 mm. By fixing the chip 111 to the ear, the device is not a large-scale device like the conventional one, so that it is possible to mount the microminiature music reproducing device without any discomfort.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上の実施例に示したように、本発明に
よれば、集積化静電アクチュエータによる超小型電気−
機械変換装置を実現できる。またこの技術を応用するこ
とにより、従来よりも格段に小型で、かつ高効率な電気
−機械変換を可能にするるため、その技術的、経済的効
果は大きい。
As shown in the above embodiments, according to the present invention, a microminiature electric actuator using an integrated electrostatic actuator is used.
A mechanical conversion device can be realized. In addition, by applying this technology, it is possible to realize electro-mechanical conversion which is significantly smaller and more efficient than conventional ones, and therefore the technical and economic effects thereof are great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明によるマイクロマシン技術により作成し
た集積化静電アクチュエータによる電気-機械変換方式
を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing an electro-mechanical conversion system using an integrated electrostatic actuator produced by a micromachine technology according to the present invention.

【図2】(a)は最も簡単な構造の静電アクチュエータ
の構造を示す図。(b)は固定電極の間に可動電極を各
々櫛型電極が互いに入れ子になるよう形成した静電アク
チュエータの構造を示す図。
FIG. 2A is a diagram showing a structure of an electrostatic actuator having the simplest structure. FIG. 6B is a view showing the structure of an electrostatic actuator in which movable electrodes are formed between fixed electrodes so that comb electrodes are nested with each other.

【図3】櫛型固定電極と櫛型可動電極の導電体部分の断
面基本構造を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional basic structure of conductor portions of a comb-shaped fixed electrode and a comb-shaped movable electrode.

【図4】静電アクチュエータを用いたスピーカーの構造
を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a structure of a speaker using an electrostatic actuator.

【図5】図4に示した静電アクチュエータの詳細な構造
を示す図。
5 is a diagram showing a detailed structure of the electrostatic actuator shown in FIG.

【図6】静電アクチュエータを用いたマイクロフォンの
構造を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing a structure of a microphone using an electrostatic actuator.

【図7】トンネル電流の計測による、静電アクチュエー
タによる機械的振動の電気信号への変換方式の原理を示
す図。
FIG. 7 is a diagram showing a principle of a method of converting mechanical vibration by an electrostatic actuator into an electric signal by measuring a tunnel current.

【図8】静電アクチュエータを用いた超小型ラジオの構
造を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing a structure of a micro radio using an electrostatic actuator.

【図9】静電アクチュエータを用いた一チップ走査トン
ネル顕微鏡の構造を示す図。
FIG. 9 is a diagram showing the structure of a one-chip scanning tunneling microscope using an electrostatic actuator.

【図10】三次元動作可能な走査トンネル顕微鏡を用い
た、一チップ走査トンネル顕微鏡の構成図。
FIG. 10 is a configuration diagram of a one-chip scanning tunnel microscope using a scanning tunnel microscope capable of three-dimensional operation.

【図11】静電アクチュエータを用いた、超小型の情報
記録再生装置の構造を示す図。
FIG. 11 is a diagram showing the structure of a microminiature information recording / reproducing apparatus using an electrostatic actuator.

【図12】図11で開示した超小型情報記録再生装置を
用いた超小型音楽再生装置の構成を示す図。
12 is a diagram showing a configuration of a microminiature music reproducing device using the microminiature information recording / reproducing device disclosed in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、21、43、71、81、82、101、102:
集積化静電アクチュエータ、2:電源および制御装置、
3、22、32、42、52、72、83、84、9
5、103、104:連結部、4:可動部、5、25、
44、75:信号伝達部分、11、12:導電体、1
3、14、15、16、31、51:電極、23、7
3:スピーカー、24、45、93、94:信号制御装
置、33、41、53:振動板、34、86、106:
枠、55、85、105:探針、56:対向電極、7
4:受信機、91:一チップ走査トンネル顕微鏡チッ
プ、92:三次元動作可能な走査トンネル顕微鏡。
1, 21, 43, 71, 81, 82, 101, 102:
Integrated electrostatic actuator, 2: power supply and control device,
3, 22, 32, 42, 52, 72, 83, 84, 9
5, 103, 104: connecting part, 4: movable part, 5, 25,
44 and 75: signal transmission parts, 11 and 12: conductors, 1
3, 14, 15, 16, 31, 51: electrodes, 23, 7
3: speaker, 24, 45, 93, 94: signal control device, 33, 41, 53: diaphragm, 34, 86, 106:
Frame, 55, 85, 105: probe, 56: counter electrode, 7
4: receiver, 91: one-chip scanning tunnel microscope chip, 92: scanning tunnel microscope capable of three-dimensional operation.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋詰 富博 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 平家 誠嗣 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 ラトビッチ・マーク 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tomihiro Hashizume, 2520 Akanuma, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama Stock Company Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Seiji Heike 2520, Akanuma, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama Prefecture Stock Company Hitachi Basic Research Laboratory (72) Inventor Ratvic Mark 2520 Akanuma, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama Stock Company Hitachi Research Laboratory

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】固定部と可動部とが対向して配置され、両
者の間に作用する静電力を制御して相対的な移動量を制
御されるアクチュエータを具備したことを特徴とする電
気−機械変換装置。
1. An electric device comprising an actuator in which a fixed portion and a movable portion are arranged so as to face each other, and an electrostatic force acting between them is controlled to control a relative movement amount. Machine conversion device.
【請求項2】前記静電アクチュエータは、マイクロマシ
ン技術により集積化された形に作成されたこと請求項1
記載の電気−機械変換装置。
2. The electrostatic actuator is manufactured in an integrated form by micromachine technology.
The electro-mechanical conversion device described.
【請求項3】固定部、前記固定部に対向して配置された
可動部を備え、両者の間に作用する静電力を制御して相
対的な移動量を制御されるアクチュエータを具備すると
ともに、前記可動部と連携されて変位する変動部位を備
え、該変動部位の一部は前記固定部を保持する支持部材
と機械的に連携した部材に保持されることを特徴とする
電気−機械変換装置。
3. A fixed part, a movable part arranged to face the fixed part, and an actuator for controlling a relative movement amount by controlling an electrostatic force acting between the fixed part and the fixed part. An electro-mechanical conversion device comprising: a variable portion that is displaced in cooperation with the movable portion, and a part of the variable portion is held by a member that mechanically cooperates with a support member that holds the fixed portion. .
【請求項4】前記静電アクチュエータは、マイクロマシ
ン技術により集積化された形に作成されたこと請求項3
記載の電気−機械変換装置。
4. The electrostatic actuator is manufactured in an integrated form by a micromachine technology.
The electro-mechanical conversion device described.
【請求項5】前記固定部と対向して配置された可動部と
の相対的な移動量がトンネル電流変化として検出される
請求項1ないし4のいずれかに記載された電気−機械変
換装置。
5. The electro-mechanical conversion device according to claim 1, wherein a relative movement amount between the fixed portion and a movable portion arranged to face the fixed portion is detected as a change in tunnel current.
JP21040695A 1995-08-18 1995-08-18 Electromechanical transducer Pending JPH0965491A (en)

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JP21040695A JPH0965491A (en) 1995-08-18 1995-08-18 Electromechanical transducer
US08/696,089 US5801472A (en) 1995-08-18 1996-08-13 Micro-fabricated device with integrated electrostatic actuator
US09/090,942 US6366340B1 (en) 1995-08-18 1998-06-05 Electron exposure apparatus
US10/050,814 US20020101573A1 (en) 1995-08-18 2002-01-18 Electron exposure apparatus

Applications Claiming Priority (1)

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ID=16588795

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