(57)【要約】【課題】  大面積ステージを備えた２軸アクチュエータを提供する。【解決手段】  コーム電極の静電力で２軸に駆動される慣性部の上部に連結されて２軸方向に駆動されるステージを備える大面積ステージを備えた２軸アクチュエータ。これによれば、駆動装置全面積に対してステージ面積(貯蔵面積)が最大になるように、効率的な面積を使用する構造を具現できるので、前記ステージの情報貯蔵容量を著しく増加させうる。【選択図】図１
2005073489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の中央部から上方に所定距離離隔される四角形の慣性部と、
前記慣性部の上部に連結される四角形のステージと、
前記慣性部の各辺の周辺領域で隣接した前記慣性部の辺に対して平行に配置される複数の駆動フレームを備える複数の駆動フレーム部と、
前記慣性部の各辺とこれに対応する各駆動フレーム部の内側部分との間を垂直に連結する少なくとも一つのバネ部材を備える複数のコーム垂直方向変形バネ部と、
前記各周辺領域で前記駆動フレームと交互に並んで配置される複数の固定フレームを備える複数の固定フレーム部と、
前記駆動フレーム部の各駆動フレームに設けられるものであって、各該当周辺領域に対応した前記慣性部の一側辺に垂直な方向に延びる駆動コーム電極と、
前記固定フレーム部の各固定フレームに設けられるものであって、前記駆動コーム電極と交互に並んで配置される固定コーム電極と、
前記慣性部に向かう前記駆動フレーム部の一側とその反対方向の他側にそれぞれ設けられるものであって、各周辺領域に対応する慣性部の一側辺に対して垂直な方向への弾性復元力を提供する複数のコーム方向変形バネ部と、を備えることを特徴とする２軸アクチュエータ。
【請求項２】
前記ステージの各側面から所定距離外側に離隔されるように配置され、前記対応するステージの側面を前記基板から所定距離離隔されるように前記基板に支持する支持ビームと、
前記ステージ及び前記支持ビームの間に配置されて前記ステージの２軸移動ができるように変形される２軸方向変形バネと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の２軸アクチュエータ。
【請求項３】
前記２軸方向変形バネは、
前記支持ビームから対応する前記ステージの辺に平行に延びた第１バネと、
前記第１バネの端を前記ステージの辺に垂直に連結する第２バネと、を備えることを特徴とする請求項２に記載の２軸アクチュエータ。
【請求項４】
前記ステージ及び前記慣性部の間にはこれらを連結する酸化物からなる連結部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の２軸アクチュエータ。
【請求項５】
前記周辺領域は、前記慣性部の中心から前記慣性部の対角線方向に延びる境界線を中心として区切られ、
前記各周辺領域には、該当駆動フレーム部及び固定フレーム部が各該当周辺領域に対応する形態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の２軸アクチュエータ。
【請求項６】
前記各駆動フレーム部の駆動フレームは、
前記慣性部の隣接した辺に平行に配置される第１駆動メインフレームと、
第１駆動メインフレームと所定間隔をおいて前記慣性部を中心として外側方向に平行に配置される複数の駆動サブフレームと、
前記第１駆動メインフレームと駆動サブフレームとを互いに連結するものであって、前記慣性部を中心として外側方向に延びる複数の第２駆動メインフレームと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の２軸アクチュエータ。
【請求項７】
前記第２駆動メインフレームは、前記慣性部から放射状に延びる方向に配置されることを特徴とする請求項６に記載の２軸アクチュエータ。
【請求項８】
前記各固定フレーム部の固定フレームは、
前記第１駆動メインフレーム及び前記駆動サブフレームに平行に配置される固定サブフレームと、
前記固定サブフレームを前記周辺領域別に互いに固定する固定メインフレームと、を備えることを特徴とする請求項６に記載の２軸アクチュエータ。
【請求項９】
前記固定メインフレームは、前記慣性部から放射状に延びる方向に配置されることを特徴とする請求項８に記載の２軸アクチュエータ。
【請求項１０】
前記第２駆動メインフレームの外端部と固定メインフレームの各外端部とに駆動フレーム部及び固定フレーム部のそれぞれに電圧を印加するための駆動フレーム電極パッド及び固定フレーム電極パッドが設けられていることを特徴とする請求項８に記載の２軸アクチュエータ。
【請求項１１】
前記ステージの各辺は、少なくとも対応する前記周辺領域の外郭まで延びて形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の２軸アクチュエータ。
【請求項１２】
前記ステージの各辺と前記慣性部の各辺とは互いに平行であることを特徴とする請求項１１に記載の２軸アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２軸アクチュエータに係り、より詳細にはＳＰＭ（Scanning  Probe  Microscope）技術を応用したデータ貯蔵システムに使われるＸＹステージマイクロ駆動機（micro  actuator）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＰＭ技術を応用したデータ貯蔵システムは、情報記録媒体（以下、単に「媒体」という場合がある。）と、これをステージ上に装着してＸＹ方向に駆動する駆動機と、媒体に／から情報を記録／再生する探針（tip）を有する一つ以上のプローブと、このような情報信号を処理する信号処理部とからなる。
【０００３】
多重プローブは、同時に一つ以上の情報を記録／再生することができ、このために、プローブにある探針は、媒体に接近しなければならない。したがって、プローブは、駆動機及び感知器を必要とする。前記駆動機は、プローブの探針を媒体に接近させるようにプローブをＺ方向に変形させる役割をする。また、前記感知器は、媒体上に保存された情報によって反応するプローブの変形を感知して情報を再生する。
【０００４】
ＸＹ方向などの２軸以上の駆動のためには、各軸に一方向駆動する場合、駆動部に少なくとも３つ以上の電極が必要であり、各軸に両方向駆動する場合、少なくとも５つの電極が必要となる。特許文献１には一つのシリコン構造物においてこのような複数の電極を要求する駆動部を選択領域の熱酸化（thermal  oxidation）絶縁方式を用いて２軸駆動を可能にした技術が開示されている。この方式は、２軸駆動時に発生する電極間絶縁問題を解決したが、複雑な工程を要する。
【０００５】
特許文献２には、前記の問題点を考慮して、一つの電極を使用して２軸駆動を可能にしたシングルステージマイクロ駆動機が開示されている。
【０００６】
しかし、前記特許には、媒体が置かれるステージが静電力を提供する駆動部と同一平面に形成されるため、マイクロ駆動機全体に対するステージ使用領域が非効率化するという問題があり、その結果、ステージ面積が狭くて情報貯蔵容量が減少する問題がある。
【特許文献１】米国特許第５，５３６，９８８号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４４５，１０７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ステージを駆動部の上部に配置することによって、ステージの領域と駆動部の領域とを独立させて全体ディバイス面積当たりステージ面積を極大化させうる大面積ステージを備えた２軸アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために本発明によれば、基板と、前記基板の中央部から上方に所定距離離隔される四角形の慣性部と、前記慣性部の上部に連結される四角形のステージと、前記慣性部の各辺の周辺領域で隣接した前記慣性部の辺に対して平行に配置される複数の駆動フレームを備える複数の駆動フレーム部と、前記慣性部の各辺とこれに対応する各駆動フレーム部の内側部分との間を垂直に連結する少なくとも一つのバネ部材を備える複数のコーム垂直方向変形バネ部と、前記各周辺領域で前記駆動フレームと交互に並んで配置される複数の固定フレームを備える複数の固定フレーム部と、前記駆動フレーム部の各駆動フレームに設けられるものであって、各該当周辺領域に対応した前記慣性部の一側辺に垂直な方向に延びる駆動コーム電極と、前記固定フレーム部の各固定フレームに設けられるものであって、前記駆動コーム電極と交互に並んで配置される固定コーム電極と、前記慣性部に向かう前記駆動フレーム部の一側とその反対方向の他側にそれぞれ設けられるものであって、各周辺領域に対応する慣性部の一側辺に対して垂直な方向への弾性復元力を提供する複数のコーム方向変形バネ部と、を備えた２軸アクチュエータが提供される。
【０００９】
前記２軸アクチュエータは、前記ステージの各側面から所定距離外側に離隔されるように配置され、前記対応するステージの側面を前記基板から所定距離離隔されるように前記基板に支持する支持ビームと、前記ステージ及び前記支持ビームの間に配置されて前記ステージの２軸移動ができるように変形される２軸方向変形バネと、をさらに備えることが望ましい。
【００１０】
前記２軸方向変形バネは、前記支持ビームから対応する前記ステージの辺に平行に延びた第１バネと、前記第１バネの端を前記ステージの辺に垂直に連結する第２バネと、を備えることが望ましい。
【００１１】
また、前記ステージ及び前記慣性部の間にはこれらを連結する酸化物からなる連結部が形成されていることが望ましい。
【００１２】
前記周辺領域は、前記慣性部の中心から前記慣性部の対角線方向に延びる境界線を中心として区切られ、前記各周辺領域には、該当駆動フレーム部及び固定フレーム部が各該当周辺領域に対応する形態で配置されていることが望ましい。
【００１３】
前記各駆動フレーム部の駆動フレームは、前記慣性部の隣接した辺に平行に配置される第１駆動メインフレームと、第１駆動メインフレームと所定間隔をおいて前記慣性部を中心として外側方向に平行に配置される複数の駆動サブフレームと、前記第１駆動メインフレームと駆動サブフレームとを互いに連結するものであって、前記慣性部を中心として外側方向に延びる複数の第２駆動メインフレームと、を備えることが望ましい。
【００１４】
前記第２駆動メインフレームは、前記慣性部から放射状に延びる方向に配置されることが望ましい。
【００１５】
前記各固定フレーム部の固定フレームは、前記第１駆動メインフレーム及び前記駆動サブフレームに平行に配置される固定サブフレームと、前記固定サブフレームを前記周辺領域別に互いに固定する固定メインフレームと、を備えることが望ましい。
【００１６】
前記固定メインフレームは、前記慣性部から放射状に延びる方向に配置されることが望ましい。
【００１７】
２軸アクチュエータは、前記慣性部に対応する前記基板の上部に形成された固定板電極と、前記基板の縁部に隣接した部分に形成された電極用パッドと、前記第２駆動メインフレームの外端部と固定メインフレームの各外端部とに駆動フレーム部及び固定フレーム部のそれぞれに電圧を印加するための駆動フレーム電極パッド及び固定フレーム電極パッドが設けられていることが望ましい。
【００１８】
一方、前記ステージの各辺は、対応する前記周辺領域まで延びて形成されることが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るマイクロ駆動機は、貯蔵装置に使われるものであって、駆動部に一つの電極を使用して２軸駆動を行い、絶縁工程が不要となって工程を単純化させ、一定大きさを持つ貯蔵媒体のメディアを装着してもＸＹ平面運動以外の他の運動が相対的に発生し難いバネ支持構造を有し、駆動装置の全面積に対してステージ面積(貯蔵面積)が最大になる構造を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付された図面に基づき、本発明に係る２軸アクチュエータの望ましい実施形態を説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係る２軸アクチュエータの一実施形態の斜視図であり、図２は、図１の透視平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。
図１ないし図３に示すように、本実施形態に係る２軸アクチュエータは、基板１１と、基板１１上に固定される固定フレーム部と、前記固定フレーム部の中央に配置される四角形の慣性部３９と、その周辺に第１、第２駆動メインフレーム３６、３３及び駆動サブフレーム３４とを備える駆動フレーム部と、前記慣性部３９の上部に連結部５１を通じて連結されて前記慣性部３９の移動によって２軸運動をする四角形のステージ５０と、を含む。前記ステージ５０は、基板１１に固定された支持ビーム５２に２軸方向変形バネを通じて連結されて後述の２軸運動をするようになる。
【００２２】
前記駆動フレーム部を構成する要素は、後述のコーム方向変形バネ部（comb  directional  deformable  spring  part）３０、４０に設けられた垂直の支持ビーム１２、４２により前記基板１１から所定高さ離隔されている。前記駆動フレーム部は、具体的に、第１方向の辺と第１方向に垂直な第２方向の辺とを持つ四角形の慣性部３９の第１方向の辺と第２方向の辺に対して平行に所定間隔をおいて配置される複数の第１駆動メインフレーム３６と、前記各第１駆動メインフレーム３６とこれに対応する前記慣性部３９の各方向の辺との間に設けられるコーム垂直方向変形バネ３７と、前記各第１駆動メインフレーム３６に所定間隔をおいて平行に配置され、前記慣性部３９から放射状外側の方向に配置される複数の駆動サブフレーム３４と、前記慣性部３９から放射状外側の方向に延びるものであって、前記第１駆動メインフレーム３６と前記駆動サブフレーム３４とを連結する第２駆動メインフレーム３３と、を備える。
【００２３】
前記固定フレーム部は、前記第１駆動メインフレーム３６及び駆動サブフレーム３４と並んで設置されて全体的に前記慣性部３９の第１方向の辺と第２方向の辺に平行に配置される固定サブフレーム２２と、前記慣性部３９を中心として放射状の対角線外側の方向に延びるように配置されて前記慣性部３９の各辺に対応する前記固定サブフレーム２２を互いに連結する固定メインフレーム２１、２４とを備える。以上の構造において、図２に示されたように基板１１の対角線方向に周辺領域が区切られて慣性部３９周囲の４つの各周辺領域が台形をなし、この形態に対応して前記駆動フレーム部と固定フレーム部とが形成される。駆動フレーム部の駆動サブフレーム３４及び固定フレーム部の固定サブフレーム２２が外側に行くほど長くなる。本実施形態では、同一線上に位置する各周辺領域別の駆動サブフレーム３４及びこれに対応する固定サブフレーム２２が各々２つ及び３つに区分されている。そして、ライン単位で分離された構造の固定サブフレーム２２及び駆動サブフレーム３４を放射状の方向に各々連結する固定メインフレーム２１、２４及び第２駆動メインフレーム３３が各周辺領域別に各々３つ及び２つずつ設けられている。
【００２４】
一方、前記各駆動フレーム３４、３６とこれに対応する固定サブフレーム２２とには一般的な駆動機のように交互に配置される複数の駆動コーム電極３５及び固定コーム電極２３が形成される。支持ビーム１２上に駆動部電極パッド１７が設けられ、前記固定メインフレーム２１、２４の端部には固定部電極パッド１３が設けられる。前記基板１１から所定高さ離隔されている前記駆動フレーム部は、前記コーム方向変形バネ３１介して支持ビーム１２により所定高さで支持される。
【００２５】
図４は、本発明の望ましい実施形態におけるコーム方向変形バネ部の部分斜視図である。また、図５は、図４のＢ−Ｂ線断面図である。
図４及び図５に示すように、支持ビーム１２は、基板１１に直立状に固定されている。支持ビーム１２の両側にはバネ連結台３２が位置し、バネ連結台３２の各両端がバネ部材３１により互いに連結されている。そして、各バネ連結台３２の内側からは、２つのバネ部材３１が延びて前記支持ビーム１２の両側面にそれぞれ固定されている。前記バネ部材３１の一側外面に位置したバネ部材３１の中間部分は前記第２駆動メインフレーム３３と連結される。
【００２６】
図６は、本発明の望ましい実施形態におけるコーム方向変形バネ部の部分斜視図である。
図６に示すように、第１駆動メインフレーム３６及び慣性部３９の間には駆動フレームを支持する他の支持ビーム４２が配置されている。支持ビーム４２は、基板１１に直立状に固定されている。支持ビーム４２の両側にはバネ連結台４４が位置し、バネ連結台４４の各両端がバネ部材４１により互いに連結されている。そして、一側バネ連結台４４の内側からは、２つのバネ部材４１が延びて前記支持ビーム４２の側面に各々固定されている。他側バネ連結台４４の一側は第１駆動メインフレーム３６と連結される。
【００２７】
前記ステージ５０は、前記慣性部３９に連結部５１を通じて連結されて慣性部３９の移動方向に沿って移動する。このステージ５０は、該当駆動フレーム部の移動方向に変形される第１バネ５３と、該当駆動フレーム部の移動方向の垂直方向に変形される第２バネ５４とからなる２軸方向変形バネを介して基板１１に直立状に固定されている支持ビーム５２に連結されている。
【００２８】
前記慣性部３９及びステージ５０を平面上のＸＹ方向に移動させるためには、前記駆動コーム電極３５と前記固定コーム電極２３間の電圧差（drop  voltage）による静電力を利用する。
【００２９】
図７は、本発明に係る２軸アクチュエータの作動時に印加される電圧印加構造を示す平面図である。
静電力の方向は各駆動方向に発生し、前記慣性部３９を中心として右側の正のＸ方向、左側の負のＸ方向、上方の正のＹ方向、下方の負のＹ方向である４方向に作用する。図７のように静電力の大きさは各方向によって独立的に形成された固定部電極パッド１３に各々印加される電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄと一つの駆動部電極パッド１７に印加される電圧との差によりそれぞれ調節され、これを以って、前記慣性部３９及びステージ５０の移動量を調節する。
【００３０】
図８は、前記駆動フレームが一つの電極をなした状態の慣性部３９を駆動する原理を表す単純モデルである。正のＸ方向に駆動する場合、図９に示されたように、正のＸ方向に位置した固定コーム電極２３ａと駆動コーム電極３５ａとの電圧差で発生する静電力６１により、慣性部３９が正のＸ方向に移動する。この時、正のＸ方向にある駆動メインフレーム３６ａに連結されたコーム方向変形バネ３１ａがＸ方向に変形されて駆動メインフレーム３６ａが正のＸ方向に移動される。駆動メインフレーム３６ａに連結されたコーム垂直方向変形バネ３７ａは、Ｘ方向と平行な方向に配列されていて前記駆動メインフレーム３６ａの移動につれて引張り力を受けつつ変形なしに前記慣性部３９を駆動方向に移動させる。これと同時に、前記慣性部３９の負のＸ方向側に連結されたコーム垂直方向変形バネ３７ｃは、前記慣性部３９に沿って負のＸ方向側にある駆動メインフレーム３６ｃと共に移動する。一方、前記慣性部３９の駆動方向と垂直方向に連結されたコーム垂直方向変形バネ３７ｂ、３７ｄは、正のＸ方向に前記慣性部３９に沿って変形される。この時、変形するコーム垂直方向変形バネ３７ｂ、３７ｄに連結された駆動メインフレーム３６ｂ、３６ｄは、自分に連結されたコーム方向変形バネ３１ｂ、３１ｄにより駆動方向である正のＸ方向に移動せずに元の場所を維持する。これは、この駆動メインフレーム３６ｂ、３６ｄに連結されたコーム方向変形バネ３１ｂ、３１ｄのＸ方向に対する剛性がコーム垂直方向変形バネ３７ｂ、３７ｄのＸ方向に対する剛性より著しく大きいためである。
【００３１】
一方、慣性部３９に連結されたステージ５０は、慣性部３９の移動によって正のＸ方向に移動する。この時、図９に示されたように駆動方向変形バネ５３ａ、５４ｂ、５３ｃ、５４ｄは、正のＸ方向に変形される。駆動方向に対して垂直方向に変形されるバネ５４ａ、５４ｃは、変形せず駆動方向に移動し、他の駆動方向に対して垂直方向に変形されるバネ５３ｂ、５３ｄは、支持ビーム５２に一側が固定された状態で変形されない。
【００３２】
図９は、正のＸ方向に駆動する場合における変形前の形状８０と変形後の形状８１とを示したものであり、Ｙ方向に駆動する場合の作用原理は、Ｘ方向駆動原理と実質的に同一なのでその詳細な説明を省略する。
【００３３】
２軸駆動のために正のＸ方向と負のＹ方向とに静電力６１、６２が作用する場合、変形後の形状８２は図１０のようである。この場合、駆動メインフレーム３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、それぞれ自分のコーム電極方向、すなわちＸ軸方向及びＹ軸方向のうち一方に移動し、この時、これを支持するコーム方向変形バネ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、その移動ができるように変形され、自分が置かれている軸方向に垂直な方向には前記駆動メインフレーム３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄを移動不能にする。ところが、前記慣性部３９と前記駆動メインフレーム３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄとを連結するコーム垂直変形バネ３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄは、自分が置かれている軸の垂直方向に変形し、軸方向に引張り力を受けて前記慣性部３９の２軸駆動を可能にする。この場合、コーム垂直方向変形バネ３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄは、バネ長の垂直方向に変形されると同時にバネ方向に引張り力を受けて剛性硬化現象（stiffness  hardening  effect）が現れる。前記ステージ５０は、前記慣性部３９に沿って正のＸ方向と負のＹ方向とに移動され、これによって支持ビーム５２とステージ５０との間のバネ５３、５４は、それぞれ該当変形方向に変形されながらステージ５０を支持する。
【００３４】
前述のように、本発明に係るマイクロ駆動機においてプローブは、常に媒体上の同一位置に接近するようになる。プローブが新しい情報を記録／再生するためには、媒体の位置がプローブに近接な位置に相対的に変わらなければならず、これは媒体を装着したステージマイクロ駆動機によって具現される。すなわち、データの入出力はプローブにより、データの貯蔵位置はステージマイクロ駆動機により決定される。慣性部マイクロ駆動機は、媒体が同一平面上に２自由度運動をするように駆動する。
【００３５】
前述した本発明に係るマイクロ駆動機は、ＳＯＩウェーハを用いて製造可能であり、ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  System）技術を使用して駆動部及びステージをシリコンウェーハ上で具現し、連結部を酸化物より形成することによって、駆動部及びステージの間を絶縁させうる。したがって、前記ステージを駆動部の上部に形成させることによって、コーム状電極の静電力を用いて駆動される大面積ステージを具現しうる。
【００３６】
本発明は添付した図面に示された一実施形態に基づいて説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な他実施形態が可能である。従って、本発明の真の保護範囲は特許請求の範囲によってのみ決まるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係るマイクロ駆動機は、貯蔵装置の情報貯蔵面積を増加させるのに有用に使われうる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の望ましい実施形態による２軸アクチュエータの斜視図である。
【図２】図１の透視平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本発明の望ましい実施形態におけるコーム方向変形バネ部の部分斜視図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】本発明の望ましい実施形態におけるコーム方向変形バネ部の部分斜視図である。
【図７】本発明に係る２軸アクチュエータの作動時に印加される電圧印加構造を示す平面図である。
【図８】本発明に係る２軸アクチュエータの作動原理を説明する単純模型図である。
【図９】１方向駆動時に変形される２軸アクチュエータの単純模型図である。
【図１０】２方向駆動時に変形される本発明に係る２軸アクチュエータの単純模型図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１    基板
５０    ステージ
１３    固定部電極パッド
２１、２４    固定メインフレーム
５２    支持ビーム
５３、５４  バネ
【図１】
2005073489.tif 000003
【図２】
2005073489.tif 000004
【図３】
2005073489.tif 000005
【図４】
2005073489.tif 000006
【図５】
2005073489.tif 000007
【図６】
2005073489.tif 000008
【図７】
2005073489.tif 000009
【図８】
2005073489.tif 000010
【図９】
2005073489.tif 000011
【図１０】
2005073489.tif 000012