(57)【要約】【課題】小型軽量で多次元方向に大きい力で駆動可能な慣性駆動型アクチュエータ及びその製造方法を提供する。【解決手段】慣性駆動型アクチュエータ(10)は、外枠(11)と、外枠の内側の内枠(12)と、内枠の内側の可動重り(15)と、外枠と前記内枠を結合する外側支持バネ(13)と、内枠と可動重りを結合する内側支持バネ(14)と、可動重りと間隔をおいて可動重りの４方に配置された２対のくし歯型の駆動電極(16,17)と、駆動電極と可動重り又は内枠との間に電圧を印加する電源回路(30)とを備え、駆動電極と可動重り又は内枠との間に電圧を印加して、可動重り又は内枠を静電引力により駆動電極に引き付け、慣性力により慣性駆動型アクチュエータ全体を移動させる。くし歯型の駆動電極により、大きな駆動力を得ることができる。【選択図】図１
2008306848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動重りと、
前記可動重りを多次元方向に駆動するため、第１の層に配置された駆動構造と、
前記可動重りを多次元方向に移動可能に支持するため、第２の層に配置された支持構造と、を備え、
前記駆動構造は、少なくとも２対のくし歯型の駆動電極を含み、
前記駆動電極に電源から電圧を印加して、前記可動重りを静電引力により前記駆動電極に引き付け、慣性力によりアクチュエータ全体を移動させることを特徴とする慣性駆動型アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の慣性駆動型アクチュエータであって、
前記支持構造は、
外形がほぼ４角形の外枠と、
前記外枠の内側に配置された外形がほぼ４角形の内枠と、
前記内枠を前記外枠に対して１方向に移動可能に支持するため、前記内枠の一部を前記外枠の内側に結合する外側支持バネと、
前記可動重りを前記内枠に対して前記１方向と別の方向に移動可能に支持するため、前記可動重りの一部を前記内枠の内側に結合する内側支持バネと、を含むアクチュエータ。
【請求項３】
請求項２に記載の慣性駆動型アクチュエータであって、
前記駆動構造の１対の前記駆動電極、及び前記可動重りの前記駆動電極と対向する部分は、くし歯型に成形されていて、前記可動重りを１方向に往復駆動可能であり、
前記駆動構造の別の１対の前記駆動電極、及び前記内枠の前記駆動電極と対向する部分は、くし歯型に成形されていて、前記可動重りと前記内枠を別の１方向に往復駆動可能であるアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１に記載の慣性駆動型アクチュエータであって、絶縁体上シリコン基板から作成されたアクチュエータ。
【請求項５】
絶縁体上シリコン基板から作成され、
可動重りを駆動するための駆動構造を含む第１の層と、
前記可動重りを多次元方向に移動可能に支持する支持構造を含む第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層を電気的に接続する構造とを備え、前記電気的に接続する構造は、前記絶縁体上シリコン基板のシリコン層から形成される慣性駆動型アクチュエータ。
【請求項６】
請求項５に記載の慣性駆動型アクチュエータであって、
前記電気的に接続する構造はカンチレバーであるアクチュエータ。
【請求項７】
絶縁体上シリコン基板から、慣性駆動型アクチュエータを一体に形成する製造方法であって、慣性駆動型アクチュエータは、可動重りと、前記可動重りを駆動するための駆動構造と、前記可動重りを多次元方向に移動可能に支持する支持構造と、を備え、前記駆動構造はくし歯型の駆動電極を含み、前記製造方法は、
(a)下面に第１のマスク層を堆積してパターニングし、前記第１のマスク層の上に第２のマスク層を堆積してパターニングし、前記絶縁体上シリコン基板の上面に第３のマスク層を堆積してパターニングし、
(b)下面から、前記第２のマスク層でマスクされた部分以外の部分をエッチングし、下層に支持構造を形成し、
(c)下面の前記第２のマスク層を除去し、前記第１のマスク層を露出させ、再び下面よりエッチングを行い、前記第１のマスク層でマスクされた部分以外をエッチングして、前記可動重りと、前記下層の支持構造の一部が浮いた状態とし、
(d)上面よりエッチングを行い、前記第３のマスク層でマスクされた部分以外をエッチングして、上層に駆動構造を形成し、
(e)前記絶縁体上シリコン基板のシリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記可動重りと、前記支持構造の一部が移動可能に支持されるようにする、
工程を備えることを特徴とする製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の慣性駆動型アクチュエータ製造方法であって、前記(b)、(c)、(d)のエッチング工程は、深堀りリアクティブイオンエッチングで行う製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の慣性駆動型アクチュエータ製造方法であって、
前記(a)工程において、前記上層と前記下層とを電気的に接続する構造を形成する部分に前記第３のマスク層を残し、
前記(d)工程において、前記上層に前記電気的に接続する構造を形成し、
前記(e)工程において、前記電気的に接続する構造の下の前記シリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記電気的に接続する構造の一部分を前記下層に固定する製造方法。
【請求項１０】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の慣性駆動型アクチュエータを使用した振動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性を利用した慣性駆動型アクチュエータ、特に多次元方向へ移動することができる慣性駆動型アクチュエータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、精密位置決め機構、小型ロボット等で、微小な距離を正確に移動させる技術は、非常に重要な技術である。
また、宇宙空間で作動する宇宙機用アクチュエータは、小型で、高性能で、しかも安価なものが必要である。
【０００３】
従来のアクチュエータは小型化が難しかった。また、一方向への振動しか実現できず、２次元方向に駆動するには、２つのアクチュエータを必要とした。
携帯電話等の振動発生機構は、偏心した可動重りをモータで回転させたり、一方向に振動させるものである。そのため、一方向にしか振動させることができず、振動による表現に限界があった。
【０００４】
小型アクチュエータとして、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ, Micro electromechanical system）技術を用いたアクチュエータがあるが、これらの多くはシリコン基板上でのみ駆動し、駆動力が小さいため外部に出力を取り出すのは難しかった。また、１枚のシリコン基板から作成するので、多層化するのが難しく、構造上の自由度が小さかった。
【０００５】
本発明者らは、特許文献１に示すＭＥＭＳ技術を用いた小型軽量の慣性駆動型アクチュエータを開発した。この慣性駆動型アクチュエータは、２次元方向に駆動可能であり、駆動力が比較的大きく、デバイス自体が動くので外部に力を取り出すことができる。外部に力を取り出すことができれば、超小型ローバーの動力源や小型アンテナの展開など多くの用途が考えられる。
この慣性駆動型アクチュエータは、可動重りの４方に駆動電極を配置し、駆動電極と可動重りとの間に電圧を印加して、可動重りを駆動電極に引き付け、そのとき発生する慣性力によりアクチュエータを駆動させるものである。
この慣性駆動型アクチュエータでは、可動重りの駆動に平行平板型の静電アクチュエータを用いていたが、出力には限界があり、応用範囲が制限された。
また、ＳＯＩ層と支持基板との間で電気的な接続がされていない部分があったため、その部分の電位が不安定になり、誤動作や不安定な動作を起こすことがあった。
【０００６】
そのため、小型軽量で、多次元方向により大きい駆動力を出すことができる慣性駆動型アクチュエータの開発が望まれている。また、このような慣性駆動型アクチュエータを安価に製造する方法が望まれている。
また、電気配線を簡単にすることができ、電気的に安定な動作の慣性駆動型アクチュエータが望まれている。
振動により色々の振動感を与えることができる慣性駆動型アクチュエータが望まれている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２１１７６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、小型軽量で多次元方向に大きい駆動力を出すことができる慣性駆動型アクチュエータを提供することである。
本発明の他の目的は、マイクロマシニング技術を使用して、このような慣性駆動型アクチュエータの製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、電気配線を簡単にし、また電気的に安定な動作をする慣性駆動型アクチュエータを提供することである。
本発明の他の目的は、振動により色々の振動感を与えることができる慣性駆動型アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の慣性駆動型アクチュエータは、シリコン酸化膜を介して２枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板を用いて、第１の層を駆動構造、第２の層を支持構造の２層構造とした。第１の層の駆動構造は、２対の駆動電極を有し、駆動電極と可動重り又は内枠の間に電圧を印加することにより、中央に配置された可動重りを移動させて、駆動させることができる。
第２の層の支持構造は、外枠と内枠のダブルジンバル構造であり、内枠は外枠内に支持バネにより支持されて１次元方向に移動可能であり、可動重りは内枠内に支持バネにより支持されて他の１次元方向に移動可能であり、その結果、可動重りは２次元方向に移動することができる。
本発明では、駆動電極として、平行平板型のものではなく、くし歯型の駆動電極を用いるので、可動重りの移動距離を大きくとることができ、大きな駆動力を得ることができる。
また、ＳＯＩ基板の上層と下層の間の電気的接続を行い、電気配線簡単に行えるようにした。
【００１０】
本発明の１態様は、可動重りと、
前記可動重りを多次元方向に駆動するため、第１の層に配置された駆動構造と、
前記可動重りを多次元方向に移動可能に支持するため、第２の層に配置された支持構造と、を備え、
前記駆動構造は、少なくとも２対のくし歯型の駆動電極を含み、
前記駆動電極に電源から電圧を印加して、前記可動重りを静電引力により前記駆動電極に引き付け、慣性力によりアクチュエータ全体を移動させることを特徴とする慣性駆動型アクチュエータである。
アクチュエータ自体が動作するので、アクチュエータを振動源として使用することができる。
【００１１】
前記支持構造は、外形がほぼ４角形の外枠と、前記外枠の内側に配置された外形がほぼ４角形の内枠と、前記内枠を前記外枠に対して１方向に移動可能に支持するため、前記内枠の一部を前記外枠の内側に結合する外側支持バネと、前記可動重りを前記内枠に対して前記１方向と別の方向に移動可能に支持するため、前記可動重りの一部を前記内枠の内側に結合する内側支持バネと、を含んでもよい。
内枠と可動重りの移動方向をそれぞれ１方向に規制することにより、慣性駆動型アクチュエータは２次元方向に移動可能である。
【００１２】
前記駆動構造の１対の前記駆動電極、及び前記可動重りの前記駆動電極と対向する部分は、くし歯型に成形されていて、前記可動重りを１方向に往復駆動可能であり、
前記駆動構造の別の１対の前記駆動電極、及び前記内枠の前記駆動電極と対向する部分は、くし歯型に成形されていて、前記可動重りと前記内枠を別の１方向に往復駆動可能であることが好ましい。
くし歯型の駆動電極と可動重りの間の距離、又はくし歯型の駆動電極と内枠の間の距離は、平板型電極の場合よりくし歯型のほうが大きくすることができるので、作用する静電引力により、大きい駆動力を得ることができる。
【００１３】
慣性駆動型アクチュエータは、絶縁体上シリコン基板から作成されることが好ましい。
絶縁体上シリコン基板の上層と下層に別の構成要素を作成できるので、構成要素の配置の自由度が大きく、きわめて小型のアクチュエータを実現することができる。
【００１４】
本発明の別の態様は、絶縁体上シリコン基板から作成され、
可動重りを駆動するための駆動構造を含む第１の層と、
前記可動重りを多次元方向に移動可能に支持する支持構造を含む第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層を電気的に接続する構造とを備え、前記電気的に接続する構造は、前記絶縁体上シリコン基板のシリコン層から形成される慣性駆動型アクチュエータである。
前記電気的に接続する構造はカンチレバーであってもよい。
これにより、第１の層と第２の層を配線に使用することができ、配線を簡単にすることができる。
また、電気的に孤立した部分がなくなり、電気的に安定な動作を得ることができる。
【００１５】
本発明の別の態様は、絶縁体上シリコン基板から、慣性駆動型アクチュエータを一体に形成する製造方法である。慣性駆動型アクチュエータは、可動重りと、前記可動重りを駆動するための駆動構造と、前記可動重りを多次元方向に移動可能に支持する支持構造と、を備え、前記駆動構造はくし歯型の駆動電極を含む。前記製造方法は、
(a)下面に第１のマスク層を堆積してパターニングし、前記第１のマスク層の上に第２のマスク層を堆積してパターニングし、前記絶縁体上シリコン基板の上面に第３のマスク層を堆積してパターニングし、
(b)下面から、前記第２のマスク層でマスクされた部分以外の部分をエッチングし、下層に支持構造を形成し、
(c)下面の前記第２のマスク層を除去し、前記第１のマスク層を露出させ、再び下面よりエッチングを行い、前記第１のマスク層でマスクされた部分以外をエッチングして、前記可動重りと、前記下層の支持構造の一部が浮いた状態とし、
(d)上面よりエッチングを行い、前記第３のマスク層でマスクされた部分以外をエッチングして、上層に駆動構造を形成し、
(e)前記絶縁体上シリコン基板のシリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記可動重りと、前記支持構造の一部が移動可能に支持されるようにする、
工程を備える。
【００１６】
第１、第２、第３のマスク層は、アルミニウム層、又はシリコン酸化膜層であっても良い。
前記(b)、(c)、(d)のエッチング工程は、深堀りリアクティブイオンエッチングで行うことが好ましい。
【００１７】
絶縁体上シリコン基板から、マイクロマシニング技術により、アクチュエータの構成要素を単一の基板上に多層構造で作成することができる。また、個別に作成した構成要素を組立てる必要がなく、製造が簡単であり、安価に製造することができる。
【００１８】
前記(a)工程において、前記上層と前記下層とを電気的に接続する構造を形成する部分に前記第３のマスク層を残し、
前記(d)工程において、前記上層に前記電気的に接続する構造を形成し、
前記(e)工程において、前記電気的に接続する構造の下の前記シリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記電気的に接続する構造の一部分を前記下層に固定することができる。
前記電気的に接続する構造はカンチレバーであってもよい。
慣性駆動型アクチュエータの製造工程中に、別の工程を追加することなく、上層と下層を電気的に接続するカンチレバーを形成することができる。
【００１９】
本発明の別の態様は、本発明の慣性駆動型アクチュエータを使用した振動装置である。
多方向の振動を実現できるので、体に感じる振動の種類を増やすことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、小型軽量で多次元方向に大きい駆動力を得ることができる慣性駆動型アクチュエータを得ることができる。慣性駆動型アクチュエータを２層構造としたので、設計の自由度が高く、高性能の慣性駆動型アクチュエータを得ることができる。また、ダブルジンバル構造なので、より高精度の移動が可能となる。
また、製造方法が簡単なので、このような慣性駆動型アクチュエータを安価に製造することができる。
また、電気配線が簡単で、電気的に安定な動作をする慣性駆動型アクチュエータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による慣性駆動型アクチュエータの斜視図である。第２の層の構図が見えるように、第１層と第２の層の間を離して示す。
図２の(a)は上層（第１の層）を取り外した状態での下層（第２の層）の平面図、(b)は上層（第１の層）の平面図、(c)は上層と下層を重ねた状態の平面図である。説明の便宜上、図２の横方向をｘ方向、縦方向をｙ方向とする。図３は、図２の３−３線に沿った断面図である。以下の本発明の実施形態の説明において、慣性駆動型アクチュエータは、アクチュエータと省略する。
【００２２】
本発明のアクチュエータは、上層（第１の層、ＳＯＩ層）と下層（第２の層、基板）とを備え、上層は、駆動電極、ストッパーなどが形成され、駆動構造が形成される。下層は、可動重り、内枠、外枠、内側と外側支持バネが形成され、支持構造が形成される。下層は、ダブルジンバル構造となっている。
図２(a)の下層の平面図を参照すると、本発明の実施の形態によるアクチュエータ10は、外形がほぼ４角形の外枠11と、外枠11の内側の外形がほぼ４角形の内枠12とを備える。内枠12の横方向の２つの辺の中央部12aは、それぞれｙ軸に平行な２つの外側支持バネ13により外枠11の内側に結合され、内枠12は外枠11に対してｘ方向に移動することができるようになっている。内枠12の中央部に可動重り15が設けられる。可動重り15の縦方向の２つの辺の中央部15aは、それぞれｘ軸に平行な２つの内側支持バネ14により内枠12の内側に結合され、可動重り15は内枠12に対してｙ方向に移動することができるようになっている。
【００２３】
図２(b)の上層の平面図を参照すると、アクチュエータ10は、縦方向に１対の駆動電極16と、横方向に１対の駆動電極17とを備える。駆動電極16は、可動重り15の縦方向端部に１対設けられ、図２(c)の上層と下層を重ねた状態では内枠12と重なり、内枠12に固定されている。駆動電極16は、図２(b)の右側部分で駆動電極ライン31により、アンカー18aに接続され、アンカー18aより電圧をかけられる。駆動電極16はくし歯16aを備え、駆動電極16のくし歯16aに対向する可動重り15の面には、くし歯15aが設けられている。駆動電極16のくし歯16aの間に可動重り15のくし歯15aが位置し、くし歯15aはくし歯16aの間に出入りするように移動可能であり、従って、可動重り15は駆動電極16に対してｙ方向に移動可能になっている。
本明細書では、図２に示すような断面が矩形のくし歯16aが連続した形状をくし歯型という。
【００２４】
駆動電極17は、内枠12の横方向外側に設けられる。駆動電極17はくし歯17aを備え、図２(c)の第１の層と第２の層を重ねた状態では外枠11と重なり、外枠11に固定されている。駆動電極17のくし歯17aに対向する内枠12の延長部である内枠延長部12eには、くし歯12aが設けられている。内枠延長部12eは、グランドライン32によりアンカー18bに接続され、グランド電位となっている。駆動電極17のくし歯17aの間に内枠延長部12eのくし歯12aが位置し、くし歯12aはくし歯17aの間に出入りするように移動可能であり、従って、内枠延長部12e（従って内枠12）は駆動電極17に対してｘ方向に移動可能になっている。
【００２５】
駆動電極16と可動重り15の間には、電源とスイッチからなる電源回路が接続され、駆動電極17と内枠延長部12eの間には、電源とスイッチからなる電源回路が接続されている（図示せず）。駆動電極16と可動重り15の間に間に電圧を印加することにより、可動重り15は静電力により駆動電極16に引き付けられ、ｙ方向に移動する。駆動電極17と内枠延長部12eの間に間に電圧を印加することにより、可動重り15は静電力により駆動電極17に引き付けられ、ｘ方向に移動する。
ストッパーが設けられ（図２には示さない）、可動重り15と内枠12の移動範囲を制限している。
【００２６】
（２次元に変位させる構造）
図４は、可動重り15を２次元方向に変位させる構造を示すアクチュエータ10の平面図である。第１の層の駆動電極16,17は一部のみを示す。(a)は、初期の可動重り15を変位させていない状態を示す。(b)は、可動重り15をｘ方向及びｙ方向（図の右上方向）に変位させた状態を示す。
内枠12の図５の横方向の２つの辺の中央部は、それぞれｙ軸に平行な２つの外側支持バネ13により外枠11の内側に結合されている。４本の外側支持バネ13は、内枠12を外枠11に対してｘ方向のみに移動できるように拘束している。
可動重り15の図５の縦方向の２つの辺の中央部は、それぞれｘ軸に平行な２つの内側支持バネ14により内枠12に結合されている。４本の内側支持バネ14は、可動重り15を内枠12に対してｙ方向のみに移動できるように拘束している。
駆動電極16により可動重り15を引き付け、駆動電極17により内枠12を引き付けると、図４の(b)に示すように可動重り15は右上方向へ移動する。
【００２７】
このように、本発明の構造は、外枠11、内枠12の２つの枠を有するダブルジンバル構造である。ｘ軸に平行な外側支持バネ13と、ｙ軸に平行な内側支持バネ14とを有する。この構造により、可動重り15をｘ軸方向とｙ軸方向に別々に駆動することができる。そのため、可動重り15は回転運動することなく、外枠11に対して２次元の方向に変位させることができる。また、２つの軸の共振周波数を異ならせることにより、２つの軸間の干渉を防ぐことができる。
【００２８】
（動作原理）
次に、図５、６により本発明のアクチュエータを慣性力により駆動する動作原理を説明する。慣性により駆動方法は、衝突を利用する場合と衝突を利用しない場合の２通りがある。衝突を利用する場合は、アクチュエータは可動重りの駆動方向と同じ方向に動き、衝突を利用しない場合は、アクチュエータは可動重りの駆動方向と逆の方向に動く。
図５は衝突を利用する場合を示し、図６は衝突を利用しない場合を示す。簡単のため、図５ではｙ方向のストッパー20（簡単のため駆動電極16と一体に示す）を１つのみ示し、図６ではｙ方向の駆動電極16を１つのみ示す。また、支持バネは内側支持バネ14を１つのみ螺旋形バネの形で略示する。
【００２９】
（衝突を利用する場合）
図５は衝突を利用する場合の動作原理を説明する概念図である。図５の(a)で、電源回路30のスイッチをＯＮにして、可動重り15と駆動電極16の間に電圧を印加する。すると、可動重り15と駆動電極16の間に生じた静電引力により、可動重り15は駆動電極16の方向に引き付けられて、加速される。このときアクチュエータ10は可動重り15の加速方向と反対方向に床から反作用力を受けるが、この反作用力が、アクチュエータ10と床との間の静止摩擦力を超えないようにする。
【００３０】
(b)に示すように、可動重り15は、加速されてストッパー20に衝突し、可動重り15の運動エネルギーＦimpがアクチュエータ10に伝えられ、アクチュエータ10が床から受ける反作用力が、静止摩擦力を超えて、アクチュエータ10は移動する。アクチュエータ10は、衝突で得た運動エネルギーがアクチュエータ10と床との間の動摩擦力により失われるまで距離Ｄだけ移動する。
【００３１】
次に(c)に示すように、電源回路30のスイッチをＯＦＦにし、可動重り15と駆動電極16の間の電圧をゼロにすると、支持バネ14の復元力により、可動重り15は最初の位置に戻る。このとき生じる反作用力がアクチュエータ10と床との間の静止摩擦力を超えないようにする。
この(a)〜(c)のサイクルを繰り返すことにより、アクチュエータ10全体が、可動重り１５を加速する方向に床の上を進むことができる。
【００３２】
（衝突を利用しない場合）
図６は衝突を利用しない場合の動作原理を説明する概念図である。図６の(a)で、電源回路30のスイッチをＯＮにして、可動重り15と駆動電極16の間に急激にステップ状の電圧を印加する。
【００３３】
すると、(b)に示すように、可動重り15と駆動電極16の間に生じた静電引力により、可動重り15は駆動電極16の方向に急激に加速される。このときアクチュエータ10は可動重り15の加速方向と反対方向に床から反作用力を受け、この反作用力が、アクチュエータ10と床との間の静止摩擦力を超え、アクチュエータ10は可動重り15と反対方向に距離Ｄだけ移動する。
【００３４】
次に(c)に示すように、電源回路のスイッチをＯＦＦにし、可動重り15と駆動電極16の間の電圧をゆっくり下げると、支持バネ14の復元力により、可動重り15は最初の位置に戻る。このとき、図示しない他方の駆動電極16まで、可動重り15を引き付けるようにしても良い。このとき生じる反作用力がアクチュエータ10と床との間の静止摩擦力を超えないようにする。
この(a)〜(c)のサイクルを繰り返すことにより、アクチュエータ10全体が、反作用力により可動重り15を加速する方向と反対方向に、床の上を進むことができる。
【００３５】
図５、６では省略されている他方の駆動電極16と可動重り15との間で電圧印加のＯＮ-ＯＦＦを繰り返せは、アクチュエータ10は反対方向に進むことができる。また横方向の駆動電極17と内枠延長部12eとの間で電圧印加のＯＮ-ＯＦＦを繰り返せは、アクチュエータ10はｘ方向に進むことができる。横方向の駆動電極17と内枠延長部12eとの間、及び縦方向の駆動電極16と可動重り15との間で電圧印加のＯＮ-ＯＦＦを繰り返し、斜め方向に進むことができる。横方向と縦方向の駆動電圧を変えれば、アクチュエータ10は任意の方向に進むことができる。
また、電源供給ラインにより、アクチュエータの移動は制限を受けるが、無線給電にすれば、アクチュエータの移動の制限は、小さくなる。
【００３６】
図５、６の説明では、２軸型で２次元方向に駆動可能な、アクチュエータについて説明したが、駆動軸の数を増やして３次元方向に移動可能な多軸型アクチュエータを得ることができる。
【００３７】
（くし歯型駆動電極の利点）
次に、本発明のくし歯型駆動電極を使用する利点を説明する。本発明のアクチュエータは、可動重りの運動エネルギーをアクチュエータ全体の運動エネルギーに変換しているので、可動重りの運動エネルギーが大きいほど、大きい力を発生することができる。可動重りの運動エネルギーＥkmは、可動重りの質量をｍ、速度をｖとすれば、
Ｅkm＝（ｍｖi2）／２                    (1)
と表される。
可動重りの衝突時の速度ｖiについて考える。衝突時の可動重りの速度ｖiは、以下のように共振周波数と振幅に依存する。
ｖi＝ｆ（Ａω）                          (2)
ここに、Ａは可動重りの振幅、ωは可動重りの共振周波数である。
【００３８】
共振周波数は駆動方法によらずバネ−マス系の構造で決定する。可動重りの速度を大きくするには振幅を大きくする必要がある。
本発明のくし歯型アクチュエータは、従来の平行平板型のアクチュエータよりも振幅を大きくとることができ、可動重りの速度を大きくすることができる。従って、大きい駆動力を得ることができる。
【００３９】
（振動発生機構）
携帯電話等の振動発生機構は、偏心した可動重りをモータで回転させるか、一方向に振動させるものである。駆動は殆どのものは、磁力を用いたものであるため、構造が大きいか、又は可動重りと比較して回りの重量が大きくなる。
本発明のアクチュエータは、アクチュエータ自体が動作する。アクチュエータを他のデバイスに固定すると、そのデバイスに振動を伝えることができる。携帯電話、ゲームのコントローラ等のバイブレーション機能を実現することができる。
本発明のアクチュエータは、２以上の方向の振動を実現できるので、振動により伝えることのできる方向等が増え、体に感じる振動の種類も増やすことができる。
【００４０】
（製造工程）
図７に、本発明の実施の形態によるアクチュエータ10の作成方法を示す。図７は、図１、２の３−３線に沿った断面図である。まず、絶縁体上シリコン(ＳＯＩ(Silicon on Insulator))基板を準備する。このＳＯＩ基板は、シリコン酸化膜21の上面にシリコン層22、下面にシリコン層23が形成されたものである。
以下の説明で、ＳＯＩ基板の２つの面を区別するため、上面、下面と呼ぶが、２つの面は相互に交換可能である。
(a)ＳＯＩ基板の下面にシリコン酸化膜（第１のマスク）24を堆積し、フォトリソグラフィー技術を使用して、可動部分を浮いた状態にするため、所望の形状にパターニングする。このシリコン酸化膜24の上にアルミニウム層（第２のマスク）25を堆積し、フォトリソグラフィー技術を使用して、アクチュエータ10の下層（第２層）の構造を形成するため、所望の形状にパターニングする。ＳＯＩ基板の上面にアルミニウム層（第３のマスク）26を堆積し、フォトリソグラフィー技術を使用して、アクチュエータ10の上層（第１層）の構造を形成するため、所望の形状にパターニングする。
【００４１】
(b)下面から深堀りリアクティブイオンエッチング(ＲＩＥ(Reactive Ion Etching))により、アルミニウム層25でマスクされた部分以外の部分をエッチングし、可動重り15の下部と、内枠12と、外側と内側の支持バネ13,14を形成する。内枠12と、外側と内側の支持バネ13,14は、支持構造を構成する。このとき、シリコン酸化膜21がエッチングストップ層となるので、上層のシリコン層22はエッチングされない。
【００４２】
(c)下面のアルミニウム層25のマスクを除去し、シリコン酸化膜24を露出させ、再び下面よりＲＩＥを行い、シリコン酸化膜24でマスクされた部分以外をエッチングする。これにより、可動重り15、内枠12、外側と内側の支持バネ13,14の可動部分が底面から浮いた構造となる。
(d)上面より深堀りＲＩＥを行い、アルミニウム層26でマスクされた部分以外をエッチングし、くし歯型の駆動電極16,17と、可動重り15の上部を形成する。駆動電極16,17は、駆動構造を構成する。また、ストッパー20を形成する。
【００４３】
(e)ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜21を犠牲層エッチングにより除去し、可動重り15、内枠12、外側と内側の支持バネ13,14の可動部分を外枠11の支持部から切り離す。これにより、可動部分は移動が可能となる。
なお、(d)の上面より深堀りＲＩＥを行う工程は、(a)の工程の後、(b)の下面から深堀りＲＩＥを行う工程の前に実施することもできる。
【００４４】
（層間の電気的接続）
ＳＯＩ基板を用いたアクチュエータでは、上層と下層の間の電気的接続は難しく、従来は層間の電気的接続は行っていなかった。そのため、電気的に孤立した部分が存在すると、その部分の電位が不安定になり、デバイスが不安定になる場合があった。また、電気的配線を上層のＳＯＩ層のみで行うと配線が複雑になる。本発明では、上層と下層の間の電気的接続を簡単に行う方法を開発した。
図８に本発明のカンチレバーによる層間配線を示す。図８の(a)は、カンチレバー成形前の状態を示し、(b)は、カンチレバー成形後の状態を示す。製造工程中に、上層のシリコン層の細長い一部分を残してエッチングしてカンチレバーを成形し、カンチレバーの下のシリコン酸化膜を犠牲層エッチングのときに除去する。カンチレバーの一端部が、下層と接続されて、上層と下層の間の電気的接続を得るものである。
【００４５】
(a)のカンチレバー成形前は、シリコン酸化膜21により上層のシリコン層22と下層のシリコン層23の間が絶縁されている。図７に示す(a)工程で、上層のカンチレバーとして成形する細長い一部分をマスキングして、(d)工程で上面からエッチングして、カンチレバーを成形する。(e)工程で、ＳＯＩ基板をフッ酸でエッチングすると、カンチレバーは細長いので、下のシリコン酸化膜21が除去される。カンチレバー27は、細長いので曲がりやすく、水分の表面張力により、下層のシリコン層23と接触する。ミラー面同士が接触するので、カンチレバー27は下層に固定され、上層と下層の間の電気的接続を得ることができる。
本実施の形態は、カンチレバーの一端部が下層に接続する構造であるが、上層と下層が接続される構造であればよく、中央部が下層に接続する構造とすることもできる。
【００４６】
本発明によれば、上層と下層の間の電気接続のために別の工程は必要でなく、アクチュエータを製造する通常のマスキングとエッチングの工程により、カンチレバーを成形し、簡単に上層と下層の間を電気接続することができる。
カンチレバーにより上層と下層とを接続すると、下層も電気配線に使用することができるので、上層のみに配線を作成する場合と比較して、上層の配線を簡単にすることができる。
また、電気的に孤立した部分がなくなり、電気的に安定な動作をする。
【００４７】
（実施例）
図９、１０に本発明の実施例によるアクチュエータの電子顕微鏡写真を示す。図９(a)は上面の写真、(b)は(a)の左下部分の拡大写真である。図１０(a)は下面の写真、(b)は(a)の右下部分の拡大写真である。アクチュエータの大きさは、５ｍｍ×５ｍｍ、基板の厚さは上層８０μｍ、下層200μｍである。支持バネの幅は、３０μｍ、長さは２ｍｍである。くし歯は、厚さ８０μｍ、幅５μｍ、間隔３μｍ、長さ５０μｍである。
【００４８】
図１１、１２に本発明の実施例による上層と下層を接続するカンチレバーを備えるアクチュエータの電子顕微鏡写真を示す。図１１(a)は上面の写真、(b)は下面の写真である。図１２は図１１(a)の右下部分の拡大写真である。図１２中楕円形で囲った部分にカンチレバー27がある。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のアクチュエータは、精密位置制御に使用することができる。また、超小型の衛星や小型ローバーの姿勢制御や移動に利用することができる。
また、民生用として携帯電話やゲーム機等の振動発生機構として使用することができる。
【００５０】
本発明のアクチュエータは、アクチュエータ自体が動作する。アクチュエータを他のデバイスに固定すると、そのデバイスに振動を伝えることができる。携帯電話、ゲームのコントローラ等のバイブレーション機能を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態によるアクチュエータの斜視図。
【図２】(a)は上層を取り外した状態での下層の平面図、(b)は上層の平面図、(c)は上層と下層を重ねた状態の平面図。
【図３】図１、２の３−３線に沿った断面図。
【図４】可動重りを２次元の方向に変位させる構造を示す第２の層の平面図。
【図５】衝突を利用する場合のアクチュエータの動作原理を説明する概念図。
【図６】衝突を利用しない場合のアクチュエータの動作原理を説明する概念図。
【図７】本発明の実施の形態によるアクチュエータの作成方法を示す断面図。
【図８】カンチレバーを使用した層間配線を示す図。
【図９】(a)は本発明の実施例によるアクチュエータの上面の電子顕微鏡写真、(b)は(a)の左下部分の拡大写真。
【図１０】本発明の実施例によるアクチュエータの下面の電子顕微鏡写真、(b)は(a)の右下部分の拡大写真。
【図１１】本発明の実施例によるカンチレバーを備えるアクチュエータの上面と下面の電子顕微鏡写真。
【図１２】図１１のアクチュエータの上面の一部の電子顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００５２】
10  アクチュエータ
11  外枠
12  内枠
13  外側支持バネ
14  内側支持バネ
15  可動重り
16  駆動電極
17  駆動電極
18  アンカー
31  駆動電極ライン
20  ストッパー
21  シリコン酸化層
22  シリコン層
23  シリコン層
24  シリコン酸化膜
25  アルミニウム層
26  アルミニウム層
27  カンチレバー
30  電源回路
31  駆動電極ライン
32  グランドライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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