(57)【要約】【課題】可動部の駆動振動の線形性向上と体格の小型化を両立することが可能な静電アクチュエータを提供すること。【解決手段】固定部アンカ２４，２５の一端から突出する固定電極２０，２１と、振動錘部１１の両端から突出する可動電極１０ａ，１０ｂとが噛み合うように対向配置された静電アクチュエータ１であって、可動電極１０ａ，１０ｂの先端面と当該先端面に対向する固定部アンカ２４，２５の対向面、及び、固定電極２０，２１の先端面と当該先端面に対向する振動錘部１１の対向面の少なくとも１つの面に溝部１５，２６を設けた。溝部１５，２６の形成により、可動部５の駆動振動に作用する非線形成分としての静電気力を抑制できるので、可動部５の駆動振動の線形性を向上でき、静電アクチュエータ１の体格も小型化できる。【選択図】        図１
2004216260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
この半導体基板に固定されると共に、一端から突出する固定電極を有する固定部と、
当該固定部と対応する端部から突出し前記固定電極と噛み合うように対向配置される可動電極を有する可動部とを備え、
前記固定電極及び前記可動電極を有する電極部に所定の電圧を印加することにより、前記可動部を前記固定電極及び前記可動電極の対向面に沿う方向に駆動振動させる静電アクチュエータにおいて、
前記可動電極の先端面と当該先端面に対向する前記固定部の対向面、及び、前記固定電極の先端面と当該先端面に対向する前記可動部の対向面の少なくとも１つの面に溝部を設けたことを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
前記可動部は、対向する両端部から突出する可動電極を有し、当該可動電極に対向配置される固定電極を備えた１対の前記固定部との間で、２つの電極部を形成し、当該２つの電極部には、互いに位相が反転した電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項３】
前記２つの電極部において、それぞれの前記可動電極の先端面と当該先端面に対向する前記固定部の対向面、及び、前記固定電極の先端面と当該先端面に対向する前記可動部の対向面の形状が略同等であることを特徴とする請求項２に記載の静電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は静電アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、櫛歯状に形成された両電極間に所定の電圧を印加し、両電極間に生じる静電気力により、可動電極を含む可動部を駆動振動させる静電アクチュエータがある。例えば、このような静電アクチュエータの一例として、角速度センサが特許文献１に開示されている。
【０００３】
この角速度センサは、半導体基板に可動部としての２つの振動子を有し、２つの振動子が対向する部位に、お互いが噛み合うように対向して形成された櫛歯状の電極部を有している。そして、例えば両電極部間に位相が反転した電圧を印加することにより、両電極部間に電圧差の自乗に比例した静電気力が発生し、両振動子を両電極の対向面方向に沿って駆動振動させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１４−１６２２２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に示される角速度センサにおいて、両振動子間の間隔を狭めた場合、両電極の先端面と当該先端面に対向する振動子の対向面との間の距離が短くなる。
【０００６】
すると、振動時における両電極の先端面と振動子の対向面との間に生じる静電気力が無視できなくなる。この静電気力は、距離の自乗に反比例するので、振動子の駆動振動に対して非線形成分として作用することとなる。
【０００７】
この影響をなくすためには、両電極の先端面と振動子の対向面との間の距離を、振動子の駆動振動に影響を与えない程度まで大きくすればよいが、デバイスの体格小型化という点で問題となる。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑み、可動部の駆動振動の線形性向上と体格の小型化を両立することが可能な静電アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為に、請求項１に記載の静電アクチュエータは、半導体基板と、この半導体基板に固定されるとともに、一端から突出する固定電極を有する固定部と、固定部と対応する端部から突出し固定電極と噛み合うように対向配置される可動電極を有する可動部とを備えている。そして、固定電極及び可動電極とを有する電極部に所定の電圧を印加することにより、可動部を固定電極及び可動電極の対向面に沿う方向に駆動振動させるものである。このとき、可動電極の先端面と当該先端面に対向する固定部の対向面、及び、固定電極の先端面と当該先端面に対向する可動部の対向面の少なくとも１つの面に溝部を設けたことを特徴とする。
【００１０】
このように、静電アクチュエータは、電極部に所定の電圧を印加すると、対向する固定電極と可動電極の間に静電気力が作用し、可動部が固定電極及び可動電極の対向面に沿う方向に駆動振動する。
【００１１】
ここで、可動部が駆動振動し、可動電極の先端面と固定部の対向面、及び、固定電極の先端面と可動部の対向面との間の距離が短くなると、両者間に作用する静電気力は対向面間の距離の自乗に反比例するので、非線形成分として可動部の駆動振動に影響を与えることとなる。
【００１２】
しかしながら、本発明の静電アクチュエータのように、可動電極の先端面と固定部の対向面、及び、固定電極の先端面と可動部の対向面の少なくとも１つの面に溝部を設ければ、非線形成分としての静電気力を従来よりも小さくすることができるので、可動部の駆動振動の線形性を向上できる。
【００１３】
また、可動電極の先端面と固定部の対向面との距離、及び固定電極の先端面と可動部の対向面との距離を長くしなくても、可動部の駆動振動の線形性を向上できるので、デバイスの体格の小型化が可能である。
【００１４】
請求項２に記載のように、可動部は、対向する両端部に可動電極を有し、当該可動電極に対向配置される固定電極を有する１対の固定部との間で、２つの電極部を形成し、この２つの電極部に、互いに位相が反転した電圧を印加することが好ましい。これにより、両電極部に作用する静電気力も位相が反転した状態となり、両静電気力に応じて可動部は駆動振動することができる。
【００１５】
また、請求項３に記載のように、２つの電極部において、それぞれの可動電極の先端面と当該先端面に対向する固定部の対向面、及び、固定電極の先端面と当該先端面に対向する可動部の対向面の形状が略同等であることが好ましい。すなわち、２つの電極部の形状が略同等であれば、両電極部に作用する静電気力を略同等することができるので、可動部の振動が安定化し、駆動部の駆動振動の線形性向上に寄与する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本実施の形態における静電アクチュエータの概略平面構成を示す図であり、図１（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【００１７】
静電アクチュエータ１は、図１（ｂ）に示すように、例えば単結晶シリコンからなる第１半導体層２と第２半導体層３との間に、犠牲層としての例えば酸化シリコンからなる絶縁層４が形成されてなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に対して、半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシニング技術を用いて形成される。尚、本発明における半導体基板とは第１半導体層２を意味する。
【００１８】
静電アクチュエータ１は、第２半導体層３から形成された可動部５と一対の固定部６，７から構成されており、可動部５と固定部６，７の間には、それぞれ所定の間隙が設けられ、相互に絶縁されている。
【００１９】
可動部５は、可動電極１０ａ，１０ｂと振動錘部１１により構成される。可動電極１０ａ，１０ｂは、図１（ａ）に示されるように、振動錘部１１の対向する両端部から突出するように一体形成され、例えば夫々の端部に８本ずつ設けられる。
【００２０】
振動錘部１１は、ばね部１２を介して可動電極用パッド１３の形成された可動部アンカ１４と接続しており、当該可動部アンカ１４が、絶縁層４を介して第１半導体層２に支持されている。
【００２１】
また、ばね部１２は、可動部５の振動方向（図１（ａ）の矢印方向）に対して垂直に形成されており、矢印方向に自由度を持つので、可動部５を矢印方向に駆動振動させることができる。尚、ばね部１２は、本実施の形態において４本形成されている。また、可動電極用パッド１３は４本のばね部１２に接続する可動部アンカ１３のそれぞれに設けられる例を示したが、これに限定されるものではない。
【００２２】
ここで、可動電極１０ａ，１０ｂと振動錘部１１からなる可動部５、及びばね部１２が形成される領域は、第１半導体層２及び絶縁層４が選択的エッチングにより除去され、第２半導体層３の裏面が露出した状態となっている。また、可動電極１０ａ，１０ｂの先端面には、可動先端溝部１５が形成されており、その詳細については後述する。
【００２３】
固定部６，７は、固定電極２０，２１と、固定電極用パッド２２，２３をその表面の所定の位置に形成した固定部アンカ２４，２５により構成される。
【００２４】
固定部アンカ２４，２５は振動錘部１１と平行に配置され、当該固定部アンカ２４，２５から延びる固定電極２０，２１は、振動錘部１１の対向する両端部から略垂直に突出する可動電極１０ａ，１０ｂに対して、夫々所定の間隙を有しつつ噛み合うように対向配置される。
【００２５】
そして、固定電極２０，２１は、例えば可動電極１０ａ，１０ｂ同様、選択的エッチングにより第２半導体層３の裏面が露出するように形成され、絶縁層４を介して第１半導体層２上に固定された固定部アンカ２４，２５に片持ち支持されている。また、固定電極２０，２１の先端面にも、固定先端溝部２６が形成されており、その詳細については後述する。
【００２６】
このように、本実施の形態における静電アクチュエータ１は、図１（ａ）に示すように、可動電極１０ａ及び固定電極２０、可動電極１０ｂ及び固定電極２１からなる２つの櫛歯状の電極部２７，２８を有している。従って、両電極部２７，２８にそれぞれ所定の電圧が印加されると、可動電極１０ａと固定電極２０との間、可動電極１０ｂと固定電極２１との間に静電気力が作用し、両静電気力に応じて可動部５が駆動振動する。尚、本実施の形態において、可動電極１０ａ，１０ｂ、及び固定電極２０，２１の本数が各８本の例を示したが、８本に限定されるものではない。
【００２７】
次に、本実施の形態における静電アクチュエータ１の製造方法の一例を、図２（ａ）〜（ｄ）に示す工程別の概略断面図を用いて説明する。尚、図２は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面に対応している。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板の第２半導体層３表面にシリコン酸化膜３０を形成し、そのシリコン酸化膜３０に固定電極用パッド２２，２３を形成するためのコンタクトホール３１を形成する。
【００２９】
コンタクトホール３１形成後、図２（ｂ）に示すように、コンタクトホール３１に対して例えばＡｌを成膜し、固定電極用パッド２２，２３を形成する。
【００３０】
次いで、図２（ｃ）に示すように、固定電極用パッド２２，２３を含めたＳＯＩ基板表面に、所定のパターンを有するシリコン酸化膜３２を形成し、当該シリコン酸化膜３２をマスクとしてＳＯＩ基板表面から絶縁層４表面（第２半導体層３側）までエッチングを行う。また、ＳＯＩ基板の裏面側に、所定のパターンのシリコン酸化膜３３を形成する。
【００３１】
そして、裏面のシリコン酸化膜３３をマスクにして、アルカリ性の例えばＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液により、ＳＯＩ基板の絶縁層４表面（第１半導体層２側）まで異方性エッチングを行う。続いて、ＨＦ（フッ酸）水溶液により、絶縁層４の除去と、ＳＯＩ基板表面のシリコン酸化膜３０，３２，３３の除去を行い、図２（ｄ）に示される静電アクチュエータ１が形成される。
【００３２】
このように形成された静電アクチュエータ１において、可動部５の動作と、本実施の形態における静電アクチュエータ１の特徴である可動先端溝部１５及び固定先端溝部２６について、図１（ａ）、図３、及び図４を用いて詳細説明する。尚、図３は、作用効果を説明するための補足図であり、図４は図１（ａ）の破線で囲まれた部分の拡大図である。
【００３３】
図１（ａ）に示される静電アクチュエータ１において、可動部５を駆動振動させる際には、例えば可動電極用パッド１３に一定の基準電圧を印加し、固定電極用パッド２２，２３にそれぞれ交流電圧を印加する。すると、両電極部２７，２８の可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０，２１間には、印加された電圧差の自乗に比例した静電気力が発生する。
【００３４】
すなわち、固定電極用パッド２２，２３には、可動電極用パッド１３に印加した基準電圧に対して位相が反転している交流電圧（矩形波、三角波、若しくは正弦波）が印加される。これを受けて、両電極部２７，２８の可動電極１０ａと固定電極２０間，及び、可動電極１０ｂと固定電極２１間には、お互いに位相が反転した静電気力が作用することとなる。このため、可動部５は、両静電気力に応じて、図１（ａ）の矢印が示す左右方向に一定の周期を持って駆動振動する。
【００３５】
尚、可動電極１０ａ，１０ｂ及び固定電極２０，２１は、可動電極１０ａ，１０ｂと対向する固定電極２０，２１との間の距離が全て略同等となるように形成されている。従って、可動部５は、図１（ａ）の矢印に直交する方向には振動せずに、ばね部１４の作用と相俟って、図１（ａ）の矢印方向に駆動振動する。
【００３６】
このようにして、矢印方向に可動部５が駆動振動すると、可動電極１０ａ，１０ｂの先端面と固定部６，７（固定部アンカ２４，２５）の対向面、及び固定電極２０，２１の先端面と可動部５（振動錘部１１）の対向面との間の距離が変化することとなる。
【００３７】
ここで、図３に示すように、可動電極１０ａ（固定電極２０）が従来の矩形状を有する場合、可動電極１０ａの先端面と固定部アンカ２４の対向面との間（固定電極２０と振動錘部１１の対向面との間）に生じる静電気力Ｆｅは、次式で示される。
【００３８】
【数１】Ｆｅ＝ε×Ｓ×Ｖ２／ｄ２
尚、ε：誘電率、Ｓ：可動電極１０ａの先端面と固定部アンカ２４の対向面の面積、Ｖ：駆動電圧（印加された電圧差）、ｄ：可動電極１０ａの先端面と固定部アンカ２４の対向面との間の距離である。
【００３９】
数式１に示されるように、可動部５の駆動電圧をＶとすると、可動電極１０ａの先端面と固定部アンカ２４の対向面との間に生じる静電気力Ｆｅは、距離ｄの自乗に反比例する。
【００４０】
すなわち、駆動電圧Ｖにより可動部５が駆動振動し、可動電極１０ａの先端面が固定部アンカ２４の対向面に接近すればするほど、可動電極１０ａの先端面と固定部６の対向面との間に生じる静電気力Ｆｅは無視できないほど大きくなる。従って、距離ｄが小さいと、可動電極１０ａの先端面と固定部アンカ２４の対向面との間に生じる静電気力Ｆｅが、可動部５の駆動振動に対して非線形成分として作用することとなる。このような非線形成分が可動部５の駆動振動に大きな影響を与えると、可動部５を駆動電圧Ｖに対応した振動波形（すなわち線形性を有して）で振動させることができなくなる。
【００４１】
しかしながら、本実施の形態における静電アクチュエータ１は、図４に示すように、可動電極１０ａと固定電極２０の先端面に、夫々可動先端溝部１５と固定先端溝部２６を有している。すなわち、本実施の形態における静電アクチュエータ１は、可動電極１０ａと固定電極２０の対向面の面積（対向面の電極長さ）を一定のまま、可動電極１０ａの先端面と固定部アンカ２４の対向面（固定電極２０と振動錘部１１の対向面）との間の一部を距離ｄよりも長くしている。
【００４２】
従って、可動部５の駆動振動に作用する静電気力のうち、線形成分を変化させずに、非線形成分である可動電極１０ａの先端面と固定部アンカ２４の対向面（固定電極２０と振動錘部１１の対向面）に作用する静電気力Ｆｅを抑制することができるので、可動部５の駆動振動の線形性を向上できる。
【００４３】
さらに、可動電極１０ａの先端面と固定部アンカ２４の対向面との間の距離を距離ｄよりも部分的に長くすることにより、静電アクチュエータ１の体格を維持した状態で、非線形成分としての静電気力Ｆｅを従来よりも小さくすることができる。すなわち、同じ静電気力Ｆｅであれば、従来よりも静電アクチュエータ１の体格を小さくすることができる。
【００４４】
また、静電アクチュエータ１を大気圧下で使用する場合、可動電極１０ａの先端面と固定部アンカ２４の対向面との間には、可動部５の駆動振動に作用する非線形成分として、静電気力Ｆｅ以外に、スクイーズダンピングが作用する。
【００４５】
しかしながら、本実施の形態における静電アクチュエータ１であれば、可動電極１０ａの先端面に可動先端溝部１５が形成されているので、同様の構成からなる従来構造の静電アクチュエータよりも、可動電極１０ａの先端面と固定部アンカ２４の対向面との間に作用するスクイーズダンピングを低減することができる。すなわち、可動部５の駆動振動に作用する非線形成分を低減できるので、可動部５の駆動振動の線形性が向上され、同じ駆動電圧Ｖでより大きな可動部５の駆動振動を実現できる。
【００４６】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施する事ができる。
【００４７】
本実施の形態において、可動電極１０ａ，１０ｂと固定電極２０，２１の先端面に溝部１５，２６を形成する例を示した。しかしながら、静電気力の非線形成分に関与する可動電極１０ａ，１０ｂの先端面と固定部アンカ２４，２５の対向面、及び、固定電極２０，２１の先端面と振動錘部１１の対向面の４つの面の内、少なくとも１つの面に溝部が形成されれば良い。
【００４８】
また、２つの電極部２７，２８において、それぞれの可動電極１０ａ，１０ｂの先端面と対向する固定部アンカ２４，２５の対向面、及び、固定電極２０，２１の先端面と対向する振動錘部１１の対向面の形状が略同等であることが好ましい。２つの電極部２７，２８の形状が略同等であると、可動部５を左右対称に駆動振動させることができる。
【００４９】
また、溝部の形状は、本実施の形態で示した可動先端溝部１５と固定先端溝部２６の形状に限定されるものではない。可動電極１０ａ，１０ｂの先端面と固定部アンカ２４，２５の対向面の距離、及び固定電極２０，２１の先端面と振動錘部１１の対向面の距離が部分的に長くなるような形状であればよい。従って、図４で示したＶ字形状（平面図）の溝部以外にも、矩形状の溝部であっても良いし、円弧状の溝部であっても良い。また、同一形状が複数からなる溝部（例えば複数のＶ字形状）であっても良い。但し、振動錘部１１及び固定部アンカ２４，２５から突出する可動電極１０ａ，１０ｂ及び固定電極２０，２１の長さは一定とする。
【００５０】
また、本実施の形態における静電アクチュエータ１は、マイクロジャイロ等のセンサデバイスや、光学部品等の駆動に用いることができる。例えば、角速度を検出するマイクロジャイロとして用いた場合、固定電極用パッド２２，２３に位相が反転した交流電圧（例えば正弦波）を印加すると、可動部５の駆動振動が線形性のあるきれいな正弦波となる。そして、可動部５が駆動振動した状態で、角速度が印加されると、振動錘部１１には可動部５の駆動振動方向と直交する方向にコリオリ力が作用し、直交方向へ可動部５が振動するので、高精度なマイクロジャイロを実現することができる。
【００５１】
また、本実施の形態において、電極部２７，２８を２つ有する静電アクチュエータ１の例を示した。しかしながら、静電アクチュエータ１が、１対の可動電極１０ａと固定電極２０からなる１つの電極部２７のみを有しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における静電アクチュエータの構造を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面の断面図を示す。
【図２】静電アクチュエータの製造工程を示す工程別断面図である。
【図３】作用効果を説明するための補足図である。
【図４】図１（ａ）の破線で囲まれた部分の拡大図である。
【符号の説明】
１・・・静電アクチュエータ、
５・・・可動部、
６，７・・・固定部、
１０ａ，１０ｂ・・・可動電極、
１１・・・振動錘部、
１５・・・可動先端溝部、
２０，２１・・・固定電極、
２４，２５・・・固定部アンカ、
２６・・・固定先端溝部
２７，２８・・・電極部
【図１】
2004216260.tif 000003
【図２】
2004216260.tif 000004
【図３】
2004216260.tif 000005
【図４】
2004216260.tif 000006