(57)【要約】      （修正有）【課題】変位素子部を数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔でアレイ状配置し、各マイクロ対象物を独立に駆動し、かつ駆動対象物に対して十分な変位及び駆動力を与えることが可能なアレイ状独立駆動機構を提供する。【解決手段】駆動機構はアレイ状に配置され固定台４０に対して垂直方向に変位する変位素子部１０と、変位素子部１０を変位駆動するための駆動源３０と、駆動源３０の動力を変位素子部１０に伝達するためのクラッチ部２０とからなる。クラッチ部２０は、変位素子部に設けた噛み合い部１１とクラッチ部２０に設けた噛み合い部２１を対峙する位置にするか否かで、駆動源３０で発生した動力を変位素子部１０に伝達する選択を行う。これにより変位素子部１０の各素子を独立に駆動できる。【選択図】図２
2007054946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ状に数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で配置された変位素子部と、
前記変位素子部を駆動する駆動源と、
前記駆動源の動力を前記変位素子部に伝達するクラッチ部と、
前記クラッチ部を静電気力で個別に動作させることで、前記駆動源の動力を用いて前記変位素子部を独立駆動させる駆動制御部とを備えることを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項２】
請求項１記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記クラッチ部は、可動部と、少なくとも一つ以上の駆動電極とを備え、前記可動部と駆動電極間に電圧を印加したときに発生する静電気力で、前記可動部を駆動することを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項３】
請求項２記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記クラッチ部は、前記可動部が片持ち梁構造で構成されるとともに、その片持ち梁先端部が前記駆動源の動力を伝達できる支持構造となり、前記駆動電極は前記片持ち梁の両側に配置されたことを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項４】
請求項３記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記駆動制御部は、前記片持ち梁の両側に配置した前記駆動電極の一方に印加する電圧を制御することで、前記片持ち梁先端部がどちらか一方の駆動電極方向に移動されることを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項５】
請求項３又は４記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記片持ち梁の形状及び前記片持ち梁先端部の形状がそれぞれライン状及びブロック状とになっており、かつ、片持ち梁の両側に配置された前記駆動電極の形状が、前記片持ち梁と前記駆動電極との間隔が前記梁支持構造の基部から片持ち梁先端部に向かって徐々に広がるようになっていることを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項６】
請求項５記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記駆動電極は、前記片持ち梁と前記駆動電極との間隔が前記梁支持構造の基部から片持ち梁先端部に向かって徐々に広がるようになっている形状をなし、その形状は2次曲線で表されることを特徴するアレイ状独立駆動機構。
【請求項７】
請求項５記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記ライン状の片持ち梁の長さが数十ミクロン〜数ミリメートルで、かつ前記ブロック形状が数十ミクロン〜数百ミクロンであり、かつ前記クラッチ部における一素子の大きさが数十ミクロン〜数ミリメートルであることを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項８】
アレイ状に数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で配置された変位素子部と、
前記変位素子部を駆動する駆動源と、
前記駆動源の動力を前記変位素子部に伝達するクラッチ部と、
前記クラッチ部を熱駆動力で個別に動作させることで、前記駆動源の動力を用いて前記変位素子部を独立駆動させる駆動制御部とを備えることを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項９】
請求項８記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記クラッチ部は、熱膨張係数の異なる二種類の材料からなる可動部を備え、前記可動部を通電加熱したときに生じる熱歪で、前記可動部を駆動することを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項１０】
請求項８又は９記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記クラッチ部は、前記可動部が片持ち梁構造で構成されるとともに、その片持ち梁先端部が前記駆動源の動力を伝達できる支持構造とからなることを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項１１】
アレイ状に数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で配置された変位素子部と、
前記変位素子部を駆動する駆動源と、
前記駆動源の動力を前記変位素子部に伝達するクラッチ部と、
前記クラッチ部を圧電駆動力で個別に動作させることで、前記駆動源の動力を用いて前記変位素子部を独立駆動させる駆動制御部とを備えることを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項１２】
請求項１１記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記クラッチ部は、圧電薄膜と支持材料とからなる可動部を備え、前記圧電薄膜に電圧を印加したときに生じる機械的な歪で、前記可動部を駆動することを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項１３】
請求項１１又は１２記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記クラッチ部は、前記可動部が片持ち梁構造で構成されるとともに、その片持ち梁先端部が前記駆動源の動力を伝達できる支持構造とからなることを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一に記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記変位素子部および前記クラッチ部は、単結晶シリコン基板から作製されていることを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一に記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記変位素子部が、基板平面に対してほぼ垂直方向に動作することを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【請求項１６】
請求項１５に記載のアレイ状独立駆動機構において、
前記変位素子部が、基板平面に対してほぼ垂直方向に、数ミクロンから数ミリメートルまで変位することを特徴とするアレイ状独立駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で配置された変位素子部を独立駆動させるアレイ状独立駆動機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまでに，数十センチメータ以上のマクロなサイズの単一の機械システムでは、さまざまな可動機構（駆動源、駆動源で発生した動力を伝えるクラッチ機構など）が用いられている。これら数十センチメータ以上のサイズのマクロな機械システムで用いられているシステム構成をそのまま数十ミクロン〜数ミリメートルという小さいスケールにダウンサイジングすると、サイズ効果によりクラッチなどの運動機構において十分な発生力を得ることが難しくなる。これは、一般に、数十センチメータ以上のサイズの大きな機械システムでは、動力として電磁力（発生力が体積に比例する）が良く用いられており、その大きさを小さくすると発生力が寸法の3乗に比例して小さくなってしまい、結果、数十ミクロン〜数ミリメートルという微小な世界では十分な発生力を得ることが難しくなってしまう、ということに起因している。すなわち、数十ミクロン〜数ミリメートルという大きさでの機械システムを実現するには、従来の数十センチメータ以上のサイズの機械システムをそのまま単に微小化すれば実現できるというものではなく、微小な世界に適した形態で可動部およびシステムを構築する必要があるということを意味している。
このような観点から、従来から、半導体微細加工技術を応用展開したマイクロマシニング技術で、数ミリメートル以下の間隔でアレイ状に配置した変位素子部を基板面に対して垂直方向に独立に駆動する試みがなされている。
例えば、下記非特許文献１ではアレイ状の垂直駆動マイクロアクチュエータを実現するために、積層型圧電素子を機械加工もしくはドライエッチング加工で賽の目状に分割するという方法がとられている。また、非特許文献２では単結晶シリコン基板のエッチング加工を用いて櫛歯状の静電アクチュエータを作製し、これ自体を圧電素子によるインチワーム方式で駆動し、基板を垂直方向に動作させるという方法が提案されている。
また、下記特許文献１には、アクチュエータ並びにこれを用いたアクチュエータ装置及び液体制御装置が示されており、バイマテリアルタイプのマイクロアクチュエータをアレイ状に配置し、これへ光エネルギー供給を選択的に行うことで、各素子を個別に駆動する方法が開示されている。
下記特許文献２には、光学制御素子及び光学制御素子アレイが示されており、静電気力などの外部駆動源を用いてそれと結合した梁をたわませて表面に凹凸を発生させる手法などが開示されている。
【非特許文献１】Planer fabrication of multilayer piezoelectric actuator by groove cutting and electroplating、 Proceedings of The Thirteenth annual international conference on Micro Electro Mechanical Systems、 （2000、 pp.46-51）
【非特許文献２】静電吸着制御型圧電駆動鉛直動作アクチュエータ、電気学会研究会資料、センサマイクロマシン・センサシステム研究会、（MSS-04-15）
【特許文献１】特開2004-82269号公報
【特許文献２】特開2005-91578号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来技術では、マイクロマシニング技術を用いているために変位素子部を数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で配置することができるが、アレイ状配置したマイクロ対象物を独立に駆動し、かつ駆動対象物に対して十分な変位および力を与えることが難しいという課題がある。すなわち、非特許文献１、非特許文献２、特許文献１の装置では、数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔でアレイ状に配置したマイクロ対象物を独立に駆動することは可能であるが、駆動対象物に対して十分な変位および力を与えることが難しい。
特に、非特許文献１の方法では、積層型圧電素子を分割にして使用しているためにその発生力は分割面積に比例して減少する。すなわち、分割数を多くすればするほど発生力がそれに比例して減少してしまう。また積層型圧電素子をベースにしているためにその可動変位は圧電素子本来の値に制限され、その大きさは通常１０ミクロン以下となる。
非特許文献２の方法も、非特許文献１の方法と同様に、圧電素子によるインチワーム方式で可動部を駆動しているために一回の変位がミクロン以下と極端に小さい。また、可動部の固定には静電気力のみしか作用していないことから、対象物との間で大きな力が作用すると可動部がスリップしてしまう。
また、特許文献１では、片持ち梁構造のマイクロ可動部に、光を照射しこれを熱エネルギーに変換し、熱歪みにより片持ち梁をたわませた可動部を駆動するという仕組みになっている。従って各片持ち梁駆動部で発生できる力および変位量は単一梁構造体自体の形状で決定され、これの小型化にともない発生力および変位も減少してしまう。また、本方式では片持ち梁の反りを利用することから対象物に対して鉛直方向にのみに力を加えるということが難しい、光源を必要とすることから装置全体の小型化が難しいという課題などもある。
特許文献２では、駆動源として静電気力もしくは他駆動方式による外部駆動機構を用いているために駆動対象物に対して十分な変位および力を与えることができるが、各素子を個別に駆動することができないという課題がある。
以上のように、従来装置では変位素子部を数十ミクロン〜数ミリメートルという小さいスケール間隔で配置することができるが、その一方で、アレイ状に配置したマイクロ対象物を独立に駆動し、かつ駆動対象物に対して十分な変位および力を与えることができないという問題を有している。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は上記問題を解決するもので、その目的は、アレイ状の変位素子部を、例えば数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で配置し、かつ、駆動対象物に対して十分な変位及び駆動力を与えることが可能なアレイ状独立駆動機構を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明では、アレイ状に数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で配置された変位素子部と、前記変位素子部を駆動する駆動源と、前記駆動源の動力を前記変位素子部に伝達するクラッチ部と、前記クラッチ部を静電気力で個別に動作させることで、前記駆動源の動力を用いて前記変位素子部を独立駆動させる駆動制御部とを備える。なお、上記の「従来の技術」でも述べたように、本発明では、アレイ状に数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で配置された変位素子部を独立に駆動するために、駆動源の動力を変位素子部に伝達するクラッチ部を静電気力で個別に動作させることでき、従来のマクロな世界で用いられていた駆動機構とは全く異なった、微小な世界に適した運動機構（静電気力など）を用いてシステムを構成している。
本アレイ状独立駆動機構では、駆動制御部の制御の下、駆動源で発生した力に対し、クラッチ部にて動力伝達の選択を行い、変位素子部を独立に駆動することにより外部に対して仕事を行うという仕組みになっている。従って、アレイ状独立駆動機構での変位素子配置によって独立駆動の分解能を決め、その配置は、例えばマイクロマシニング技術を用いることで、数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で任意に設計することが容易である。また、クラッチ機構部は、駆動源からの動力を変位素子部に伝達するだけの役割を果たす。このために外部に対して仕事をする必要はなく、クラッチ部自体の駆動力を得られれば良く、その結果、クラッチ部を小型化することが容易である。本アレイ状独立駆動機構における駆動力源には、変位および発生力とも十分に得ることが可能な数十ミリメートルサイズの駆動源を用いる。
以上のように、本発明のアレイ状独立駆動機構では、デバイス全体として数十ミリメートルサイズという小ささで、数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔の変位素子部を独立に駆動でき、かつ、駆動対象物に対して十分な変位及び駆動力を与えることができる。
上記のアレイ状独立駆動機構において、前記クラッチ部は、可動部と、少なくとも一つ以上の駆動電極とを備え、前記可動部と駆動電極間に電圧を印加したときに発生する静電気力で、前記可動部を駆動するように構成されていてもよい。
更に、アレイ状独立駆動機構において、前記クラッチ部は、前記可動部が片持ち梁構造で構成されるとともに、その片持ち梁先端部が前記駆動源の動力を伝達できる支持構造となり、前記駆動電極は前記片持ち梁の両側に配置される構成を採用されていてもよい。
上記のアレイ状独立駆動機構において、
前記駆動制御部は、前記片持ち梁可動部の両側に配置した前記駆動電極の一方に印加する電圧を制御することで、前記片持ち梁可動部の先端部がどちらか一方の駆動電極方向に移動されように構成されてもよい。
他の発明として、被駆動素子を独立動作させるアレイ状独立駆動機構において、
アレイ状に数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で配置された変位素子部と、
前記変位素子部を駆動する駆動源と、
前記駆動源の動力を前記変位素子部に伝達するクラッチ部と、
前記クラッチ部を熱駆動力で個別に動作させることで、前記駆動源の動力を用いて前記変位素子部を独立駆動させる駆動制御部とを備える。
更に他の発明として、アレイ状に数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で配置された変位素子部と、前記変位素子部を駆動する駆動源と、前記駆動源の動力を前記変位素子部に伝達するクラッチ部と、前記クラッチ部を圧電駆動力で個別に動作させることで、前記駆動源の動力を用いて前記変位素子部を独立駆動させる駆動制御部とを備える。
上記のアレイ状独立駆動機構において、前記変位素子部および前記クラッチ部は、単結晶シリコン基板から作製されていてもよい。
更に上記のアレイ状独立駆動機構において、前記変位素子部が、基板平面に対してほぼ垂直方向に動作してもよい。
上記のアレイ状独立駆動機構において、前記変位素子部が、基板平面に対してほぼ垂直方向に、数ミクロンから数ミリメートルまで変位するように構成されてもよい。
なお、片持ち梁の先端部のブロック部には、複数のホールを設けることで、ブロック部および片持ち梁を基板表面から選択的にリリースすることができる。その片持ち梁を吸引する側の駆動電極の形状は、低い印加電圧で片持ち梁を駆動することが可能となるように、２次曲線になるのが好ましい。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、アレイ状の変位素子部を、例えば数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で配置でき、かつ、駆動対象物に対して十分な変位及び駆動力を与えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明のアレイ状独立駆動機構の概念図を図1（ａ）、（ｂ）に示す。
アレイ状独立駆動機構の全体の大きさは数十ミリメートル角以下で、デバイス上部にアレイ状に設けた変位素子部が独立に外部に突き出すように変位する。図1（ｂ）は、複数の変位素子部が個別に上方に突き出た様子を示し、図1（ａ）は変位素子部が上方に突き出ていない様子を示している。
本発明を具体化したアレイ状独立駆動機構の全体構成を図２に示す。
アレイ状独立駆動機構は、アレイ状に配置した変位素子部１０と、変位素子部１０を駆動するための駆動源３０と、駆動源３０の動力を用いて変位素子部１０を独立駆動させる駆動制御部３９とからなる。
本駆動機構では、駆動制御部３９の制御のもと、駆動源３０で発生した力に対して、クラッチ部２０にて動力伝達の選択を行い、これにより変位素子部１０を独立に駆動し、被駆動素子としての駆動対象物に対して仕事を行うという仕組みになっている。なお、図を簡略化するために、図２にはアレイ状の変位素子部１０が２個の場合をその例として示してある。アレイ状の変位素子部１０の数及び配置方法については実使用時の駆動対象物（被駆動素子）に応じてその仕様を決定することが望ましい。
以下に各構成素子の詳細を述べる。
最初に、変位素子部１０について説明する。
変位素子部１０は、１０ミリメートルサイズ以下の長さＬ０の一辺を有し、その素子配置間隔でもって独立駆動分解能が決められる。その変位素子部１０の配置は、マイクロマシニング技術を用いることで、数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔で任意に設計することが容易である。
構造的には動力伝達のために、クラッチ部２０と噛合可能な噛み合い部１１が必要となる。図２では、噛み合い部としての突起形状１１を例示した。また、変位素子部１０は基本的にはばね構造になっている。駆動源３０からの駆動力がクラッチ部２０で伝達されたとき（クラッチ部２０と噛み合い部１１との噛み合いが合ったとき）のみ外部に対して仕事をし、駆動力が伝達されていない（クラッチ部２０と噛み合い部１１との噛み合いが合っていないとき）ときには、それ自身のばね力で中立位置の状態となる。
以上のことから、変位素子部１０の基本構造は、クラッチ部２０との噛み合い部１１とそれを有するばね構造となる。図２ではその一例として、噛み合い部としての突起形状１１を示し、ばね構造にはダイアフラム形状を示した。但し、これら噛み合い部１１およびばね構造については、実使用時の仕様に応じて形状を最適化することが望ましい。例えば、ばね構造を例にすると、片持ち梁、両持ち梁など異なるばね構造にすることで変位素子部１０におけるばね強さの設計の範囲を広げることが可能となる。また、一般的に、変位素子部１０に伝えられた駆動力は、このばね強さに打ち勝って外部に対して仕事を行うことになる。従って、変位素子部１０のばね強さはクラッチ噛み合い部１１が外乱に対して影響を受けない程度で小さくすることが望ましい。
【０００７】
次に、クラッチ部２０について説明する。
クラッチ部２０は、駆動源３０からの動力を変位素子部１０に伝達するだけの役割を果たす。このため外部に対して仕事をする必要はなく、クラッチ部２０自体は駆動力を得られれば良いので、クラッチ部２０を小型化できる。機能的に、変位素子部１０において動力伝達のオン-オフをするために、変位素子部１０との噛み合い機構を設ける必要がある。クラッチ部２０は、上記の変位素子部１０と同様に、その駆動方法および形状については実使用時の仕様に応じて形状を最適化することが望ましい。一般的に本デバイスを小型化するさいには、静電気力もしくは熱駆動力の何れかが適している。
次に、駆動制御部３９について説明する。
駆動制御部３９は、駆動源３０の動力を変位素子部１０に伝達するためのクラッチ部２０を個別に動作させるものである。その駆動制御部３９は、具体的には静電気力（変形例として熱駆動力、圧電駆動力など）を用いて、クラッチ部２０側に設けた突起形状２１を移動させ、変位素子部１０との噛み合いを制御し、それにより変位素子部１０への動力伝達を行う。
次に、駆動源３０について説明する。
駆動源３０には、変位および発生力とも十分に得ることが可能な数十ミリメートルサイズの駆動源を用いる。必要とする変位及び発生力は、どちらとも駆動対象物で決定されることが望ましい。一般的にはある程度、十分な変位および発生力が得られる物として小型モータが適している。
図２に示したような駆動機構に構成することで、デバイス全体として数十ミリメートルサイズという小ささで、数十ミクロン〜数ミリメートルの間隔の変位素子部１０を独立に駆動でき、かつ、駆動対象物に対して十分な変位及び駆動力を与えることが可能となる。そして、変位素子部１０は、基板平面に対して垂直方向に、例えば数ミクロンから数ミリメートルまで変位可能となるように構成される。
更に詳細に、図２を用いて本発明のアレイ状独立駆動機構について述べる。図２(a)に示すように、アレイ状独立駆動機構は、アレイ状に配置した変位素子部１０と、変位素子部１０を駆動するための駆動源３０と、駆動源３０の動力を変位素子部１０に伝達するためのクラッチ部２０と、固定台４０と、固定冶具５０とを備える。固定台４０がベースの基盤となりこの上に駆動機構が実装されている。
固定台４０上に駆動源３０が固定され、その上にクラッチ部２０が実装される。アレイ状の変位素子部１０は、固定冶具５０を介して固定台４０に固定される。変位素子部１０はクラッチ部２０上に接することなく上側に実装されることになる。本駆動機構では、アレイ状変位素子部１０に設けた突起形状１１とクラッチ部２０に設けた突起形状２１との噛み合いを利用して駆動源３０の動力を変位素子部１０に伝達する。
図２(b)に示したように、クラッチ部２０上に設けた突起形状２１を、静電気力（変形例としては熱駆動力または圧電駆動力）を用いてクラッチ部２０上を移動させる。この操作により、変位素子部１０に設けた突起形状１１とクラッチ部２０に設けた突起形状２１との噛み合いを制御する。図２(b)には、右側の素子の突起形状２１のみを選択的に駆動した場合を示してある。なお、クラッチ部２０での噛み合いには二つのモードが存在する。一つはクラッチ部２０上の突起形状２１を駆動することで、突起形状２１の中心軸と変位素子部１０に設けた突起形状１１の中心軸とが一致し、噛み合いが発生する場合である。もう一つはその逆で、クラッチ部２０上の突起形状２１を駆動することで、突起形状２１の中心軸と変位素子部１０に設けた突起形状１１の中心軸とがはずれ噛み合いがなくなる場合である。どちらのモードで設計するかは適用先に応じて決定する。
上記の操作（アレイ状変位素子部１０に設けた突起形状１１とクラッチ部２０に設けた突起形状２１との噛み合いを制御）をした後、クラッチ部２０の下側に設けた駆動源３０を駆動すると、アレイ状の変位素子部１０に設けた突起形状１１とクラッチ部２０に設けた突起形状２１とが噛み合っている部分のみ駆動源３０の動力が変位素子部１０に伝達される。図２（ｃ）には、右側の変位素子部１０のみが駆動される例を示してある。以上のような動作原理で駆動源３０の動力をアレイ状に配置した変位素子部１０に伝達する仕組みになっている。
【０００８】
本発明の具体化したアレイ状独立駆動機構の断面図を図３に示す。
本駆動機構では、駆動制御部３９の制御のもと、駆動源３０で発生した力に対して、クラッチ部２０にて動力伝達の選択を行い、これにより変位素子部１０の突起状表示部１２を独立に駆動し、被駆動素子としての駆動対象物に対して仕事を行うという仕組みになっている。なお、図を簡略化するために、図３には変位素子部１０のアレイ状の突起状表示部１２が４個の場合をその例として示してある。
本発明のクラッチ駆動機構の一例（静電駆動方式）を図４に示す。
静電駆動方式のクラッチ駆動機構２０は、片持ち梁可動部２２と駆動電極２３とを備える。構造的には、片持ち梁可動部２２は噛み合い部とばね構造体とからなる。図４では噛み合い部にブロック状の構造体を、そしてばね部には片持ち梁２２Ａを示した。なお、片持ち梁２２Ａは固定部２４にてクラッチ基板に固定されている。駆動電極２３は可動部２２を駆動するためのもので、図４(a)では片持ち梁可動部２２の両側にそれぞれ一つずつ駆動電極２３を設けた構造を示した。図４(ｂ)は、図４(a)のＡ―Ａ線端面図であり、図４(ｂ)は、図４(a)のＢ―Ｂ線端面図であり、図４(ｃ)は、図４(a)のＣ―Ｃ線端面図である。
図４(ｅ)は、駆動電極２３を用いて可動部である片持ち梁２２Ａを移動させる原理図を示す。片持ち梁可動部２２を電気的にグランドに接続し、これに対してどちらか一方の駆動電極２３に電圧を印加すると、図４(ｆ)に示されるように、駆動電極２３と可動部である片持ち梁２２Ａとの間に静電引力が作用し、その結果、片持ち梁可動部２２は電圧を印加した方の駆動電極２３側に移動する。駆動電極２３側に印加する電圧を切り替える結果、図４(ｇ)に示されるように、他方の駆動電極２３に電圧を印加すると、片持ち梁構造の片持ち梁可動部２２は、先ほどとは逆の駆動電極側に吸引される。
以上のように、駆動電極２３に印加する電圧を切り替えることで、片持ち梁可動部２２を左右に駆動でき、その結果、片持ち梁２２Ａの先端に設けたクラッチ噛み合い部であるブロック構造体を駆動することができる。
なお、上記の図では噛み合い部にブロック状の構造体を、そしてばね部には片持ち梁構造を示したが、噛み合い部構造体の形状およびばね構造体については実仕様に応じて設計することが望ましい。
【０００９】
本発明の静電駆動方式クラッチ部の詳細を図５に示す。
図５は、静電駆動力により片持ち梁２２Ａの先端部を、100ミクロン程度駆動する場合の構造体の具体例を示している。片持ち梁２２Ａと片持ち梁先端部とは、それぞれライン状とブロック状とになっている。片持ち梁２２Ａの先端部のブロック部には作製の都合上、複数のホール２５を設ける。デバイス作製時（犠牲層エッチング工程）において、ホール２５を設けることで、ブロック部および片持ち梁２２Ａを基板表面から選択的にリリースすることができる。片持ち梁２２Ａを吸引する側の駆動電極２３の形状は２次曲線になるように設計してある。このように駆動電極２３は、前記片持ち梁２２Ａと駆動電極２３との間隔が、梁支持構造の基部から片持ち梁先端部に向かって徐々に広がるようになっており、その形状を２次曲線にすることで低い印加電圧で片持ち梁２２Ａを駆動することが可能となる。前記ライン状の片持ち梁２２Ａの長さが数十ミクロン〜数ミリメートルで、かつ前記ブロック形状が数十ミクロン〜数百ミクロンであり、かつ前記クラッチ部における一素子の大きさが数十ミクロン〜数ミリメートルである。
【００１０】
本発明の静電駆動方式クラッチ機構の解析モデルを図６に示す。
図６に示したような曲線を有する駆動電極２３と片持ち梁可動部２２との間に駆動電圧を印加したときの片持ち梁可動部２２の先端部の変位を本モデルを用いて解析する。片持ち梁可動部２２の弾性エネルギーと静電エネルギーとのエネルギー保存則を用いることで動作の解析を行うことができる。
本発明の静電駆動方式クラッチ機構の解析動作結果例を図７に示す。本方式では、図７に示したように駆動電圧を１１０Ｖ以上にすると、片持ち梁可動部２２は急激に駆動電極２３に引き寄せられるとともに、片持ち梁可動部２２の先端部を１００ミクロン以上変位させることができる。
本発明の別の駆動方法（熱駆動力）を用いたクラッチ部の一実施例を図８に示す。
熱駆動力方式のクラッチ駆動機構は、ばね構造の可動部と噛み合い部とからなる。図８では噛み合い部にブロック状の構造体を、そしてばね部には片持ち梁構造を示した。なお、片持ち梁は固定部２４にてクラッチ基板に固定されている。片持ち梁は熱膨張係数の異なる二種類の材料２６と材料２７からなる。
熱膨張係数が異なるために、片持ち梁部を加熱すると、片持ち梁を構成しているそれぞれの材料の伸びが異なるために、片持ち梁は図８に示したように撓み始める。以上の動きを利用して、片持ち梁先端に設けたクラッチの噛み合い部であるブロック構造体を駆動する。従って、クラッチ部は、熱膨張係数の異なる二種類の材料からなる可動部を備え、可動部を通電加熱したときに生じる熱歪で、可動部を駆動するようになっている。
本実施例では二つの金属材として単結晶シリコン２６とアルミニウム２７という組合せで行った。なお、二種類の材料の組合せは使用条件に応じて決定することが望ましい。なお、上記の図では噛み合い部にブロック状の構造体を、そしてばね部には片持ち梁構造を示したが、噛み合い部構造体形状およびばね構造体については実仕様に応じて設計することが望ましい。なお、この場合も、クラッチ部は、可動部が片持ち梁構造で構成されるとともに、その片持ち梁先端部が駆動源の動力を伝達できる支持構造とからなっている。
【００１１】
本発明の別の駆動方法（圧電駆動力）を用いたクラッチ部の一実施例を図９に示す。
圧電駆動力方式クラッチ駆動機構は、ばね構造の可動部と噛み合い部とからなる。図９では噛み合い部にブロック状の構造体を、そしてばね部には片持ち梁構造を示した。なお、片持ち梁は固定部２４にてクラッチ基板に固定されている。片持ち梁部は単結晶シリコン２６を両側から圧電薄膜２８で挟み込んだ構造になっている。圧電薄膜２８に電圧を印加（図示していない電極を用いる）することで、片持ち梁可動部２２を左右に撓ませる仕組みになっている。以上の動きを利用して、片持ち梁の先端に設けたクラッチ噛み合い部であるブロック構造体を駆動する。従って、クラッチ部は、可動部が片持ち梁構造で構成されるとともに、その片持ち梁先端部が駆動源の動力を伝達できる支持構造とからなり、可動部は圧電薄膜と支持材料とからなり、圧電薄膜に電圧を印加したときに生じる機械的な歪で、可動部を駆動するようになっている。なお、上記の図９では噛み合い部にブロック状の構造体を、そしてばね部には片持ち梁構造を示したが、噛み合い部構造体の形状およびばね構造体については実仕様に応じて設計することが望ましい。
本発明の駆動源の構造の一実施例を図１０に示す。
小型モータを用いた駆動源例を二つ述べる。どちらともモータの回転運動を一次元の運動へと変換し上下方向の動力を得る仕組みになっている。図１０(a)に示した駆動源３０は、小型モータ３１と、可動ステージ部３３と、小型モータ３１の回転運動を一次元運動に変換して動力を可動ステージ３３に伝えるカム３２と、可動ステージ３３のガイド３４とからなる。モータ３１の回転運動をステージ３３の上下動運動に変換するためにカム３２は楕円形をしており、かつ重心から離れたところにモータ３１の軸が取り付けられている。このように楕円形のカム３２の重心がモータ軸から離れているために、カム３２は偏心運動し、その結果、可動ステージ３３は上下動運動する。実使用で必要とする仕様に応じてカム３２の形状およびモータの回転数が決定される。
図１０(b)には別方式の駆動源３０を示した。本方式は、小型モータ３１と、可動ステージ部３３と、可動ステージ３３のガイド３４とからなる。モータ軸にはネジ部が形成されている。また、可動ステージ３３の一部にもモータネジ部に噛み合うようなネジ部３５が形成されている。モータ３１を回転させると、それぞれのネジが噛み合いモータ３１の回転方向によりステージ３３が上下動する仕組みになっている。本方式も上記と同様に、実使用で必要とする仕様に応じてモータ３１の回転数が決定される。
【００１２】
本発明の変位素子部の構造例を図１１に示す。
変位素子部は４ｘ４のアレイ状に配置されており、各表示は突起状表示部１２とクラッチ噛み合い用突起１１とこれら二つの突起を支えるダイアフラムからなる。一つの表示素子の大きさはこの場合、１．２ミリメートルになっている。構造的には上下でほぼ対称の形をしていることから、上下の構造（ダイアフラムに突起形状を設ける）を別々に作製し、これをダイアフラム側が接合面になるように貼り合わせて、ダイアフラムの表裏に突起を有する変位素子部を形成する。各上下素子の作製方法を以下に示す。
本発明の変位素子部の下側部分（クラッチ側）の作製方法の一実施例を図１２に示す。
変位素子部は単結晶シリコンの結晶異方性エッチングで作製する。図１２には変位素子部の一例として、ダイアフラム構造をベースとして噛み合わせ用の突起形状を有する変位素子部の作製方法が示されている。なお、図面の簡素化をはかる意味で図１２にはアレイ状に配置した素子のなかの一つのみを示してあり、作製時にはこれらアレイ状に配置した素子が一括で作られる。以下に作製方法の詳細を述べる。
(1) エッチング用マスク材を形成するステップ（図１２(a)）を行う。
単結晶シリコン基板８０表面にエッチング用のマスク材８１を形成する。エッチング用のマスク材８１には酸化シリコン膜もしくは窒化シリコン膜を用いる。これらの膜形成には化学的反応性薄膜形成法を用い、厚さ数ミクロン以下のエッチング用マスクを形成する。なお、上記エッチングマスク材８１は一例でその材質についてはエッチング方法により適宜選択するのが望ましい。
(2) 突起部形成用エッチングマスクパターン形成するステップ（図１２(b)-(d)）を行う。
ホトリソグラフィー技術を用いて突起部形成用エッチングマスクパターンを形成する。具体的にはエッチングマスク材８１上に感光性のホトレジスト９０を塗布し、その後、ホトリソグラフィーでこのホトレジストに突起部形成用のパターンを転写する。次に転写されたホトレジストパターンをもとに下地のエッチングマスク８１をエッチングする。このとき、エッチング量を制御することでエッチングマスク上に突起部形成用のパターン８２を作製する。すなわち、エッチングマスクないに膜厚が他の部分よりも厚い突起形成用のパターン８２が形成される。なお、この厚さの違いは最終的な基板表面からの突起部の吐出量を考慮して決定することが望ましい。
(3) 変位素子部フレームパターン形成するステップ（図１２(e)-(g)）を行う。
突起形成用エッチングマスクパターン８２上に感光性ホトレジストを塗布し、変位素子部フレーム用パターン９０を転写する。最終的にこのとき突起部形成用エッチングマスクがフレーム作製用エッチングマスクよりも厚くなるように、突起部形成用マスク上にも感光性ホトレジスト９０が残るようにする。転写されたパターン９０をもとにして下地のエッチングマスク８１をエッチングし、フレーム作製用のエッチングマスクパターン８３を形成する。なお、上記に示したように突起部形成用エッチングマスク８２はフレーム作製用マスク８３よりの厚くなっている。
(4) 突起部吐出量の決定するステップ（図１２(h)-(i)）を行う。
単結晶シリコンの結晶異方性エッチングを用いることで突起部１１およびフレームの一部を形成するとともに、基板表面に対する突起部の吐出量を決定する。具体的にはエッチングマスクパターンを形成した単結晶シリコン基板８０をアルカリ性水溶液でエッチングする。エッチング液には水酸化カリウム水溶液もしくはテトラメチルアンモニウム水溶液を用いた。エッチング液の濃度および温度については実仕様に応じて決めるのが望ましい。上記アルカリ性水溶液で単結晶シリコン基板をある程度エッチングした後、一度、エッチングを中止する。このとき、残った基板の厚さが最終的には基板表面に対する突起部の吐出量となる。この吐出量は変位素子部の変位量により決定される。
【００１３】
最後に、フレーム上のエッチングマスク８３のみを単結晶シリコン基板表面から完全に取り除く。具体的には、単結晶シリコン基板表面のエッチングマスク８２および８３をエッチングすると、突起部上とフレーム上とでエッチングマスクの膜厚が異なるために、フレーム上のエッチングマスク８３が最初になくなる。従って、フレーム上のエッチングマスク８３が無くなった時点でエッチングを終了すると、突起部のみエッチングマスク８２に覆われた状態にすることができる。
(５) シリコーンゴム膜の形成するステップ（図１２(j)）を行う。
上記シリコン基板８０のエッチングされていない方の表面にシリコーンゴム材９５を塗布する。最終的にはこのゴムがダイアフラム構造材となる、シリコーンゴム材９５の膜厚は必要とするダイアフラムの剛性で決定する。一般的には数ミクロンから数十ミクロンの範囲であることが望ましい。また、用途に応じてシリコーンゴム以外の材質を用いても良い。例えば、単結晶シリコン、酸化シリコン、窒化シリコンなどの無機質、ポリイミド、パリレンなどの他も有機質でもかまわない。これらの材質の選定はプロセス手法と用途に応じて決定されることが望ましい。
(６) 変位素子部の完成するステップ（図１２(k)-(l)）を行う。
突起部のみエッチングマスク８２に覆われた状態で、再度、基板裏面の酸化シリコン８１に到達するまでアルカリ性の水溶液でエッチングする。到達後、酸化シリコン膜８１をエッチングで除去することで、シリコーンゴム９５上に単結晶シリコン製の突起１１を有するダイアフラム構造ができあがる。なお、本プロセスでエッチングした量が、基板表面に対する突起部１１の吐出量となる。
上記プロセスでは単結晶シリコンをエッチングするのにアルカリ性溶液によるウエットエッチング手法を用いたが、本手法以外にも反応性プラズマによるドライエッチングを用いても良い。エッチング手法の選択は生産性及びコストなどから決定されることが望ましい。また、図１２はダイアフラム構造の場合を作成例の代表として示したが、変位素子部の構造体として他の形状、例えば、片持ち梁、両持ち梁などを異なるばね形態を用いた場合でも図に示した方法と同様の手法で作製することができる。
【００１４】
本発明の変位素子部の上側部分（表示側）の作製方法の一実施例を図１３に示す。
基本的には、図１２に示した変位素子部の下側（クラッチ側）の作製方法と同じで、異なるのはこの場合は、フレームとダイアフラム中央に設ける突起の高さが同一になるということのみである。
図１３には変位素子部の一例として、ダイアフラム構造をベースとして噛み合わせ用の突起形状を有する変位素子部の作製方法が示されている。なお、図面の簡素化をはかる意味で図１３にはアレイ状に配置した素子のなかの一つのみを示してあり、作製時にはこれらアレイ状に配置した素子が一括で作られる。以下に作製方法の詳細を述べる。
(1) エッチング用マスク材を形成するステップ（図１３(a)）を行う。
単結晶シリコン基板８０表面にエッチング用のマスク材８１を形成する。エッチング用のマスク材８１には酸化シリコン膜もしくは窒化シリコン膜を用いる。これらの膜形成には化学的反応性薄膜形成法を用い、厚さ数ミクロン以下のエッチング用マスクを形成する。なお、上記エッチングマスク材８１は一例でその材質についてはエッチング方法により適宜選択するのが望ましい。
(2) 突起部形成用エッチングマスクパターンおよび変位素子部フレームパターンを形成するステップ（図１３(b)）を行う。
ホトリソグラフィー技術を用いて突起部形成用エッチングマスクパターンおよび変位素子部フレームパターンを形成する。具体的にはエッチングマスク材８１上に感光性のホトレジスト９０を塗布し、その後、ホトリソグラフィーでこのホトレジストに突起部形成用のパターンおよび変位素子部フレームパターンを転写する。次に転写されたホトレジストパターンをもとに下地のエッチングマスク８１をエッチングし、突起部形成用エッチングマスクパターン８２および変位素子部フレームパターン８３を形成する。
(3) 第1回目のエッチング（図１３(c)）を行う。
単結晶シリコンの結晶異方性エッチングを用いることで突起部１１およびフレームの一部を形成する。具体的にはエッチングマスクパターンを形成した単結晶シリコン基板８０をアルカリ性水溶液でエッチングする。エッチング液には水酸化カリウム水溶液もしくはテトラメチルアンモニウム水溶液を用いた。エッチング液の濃度および温度については実仕様に応じて決めるのが望ましい。上記アルカリ性水溶液で単結晶シリコン基板をある程度エッチングした後、一度、エッチングを中止する。ある程度、シリコン基板が残った状態にすることで、この後行う基板裏面へのシリコーンゴム材形成が容易になる。
(4) シリコーンゴム膜の形成するステップ（図１３(d)）を行う。
上記シリコン基板８０のエッチングされていない方の表面にシリコーンゴム材９５を塗布する。最終的にはこのゴムがダイアフラム構造材となる、シリコーンゴム材９５の膜厚は必要とするダイアフラムの剛性で決定する。一般的には数ミクロンから数十ミクロンの範囲であることが望ましい。また、用途に応じてシリコーンゴム以外の材質を用いても良い。例えば、単結晶シリコン、酸化シリコン、窒化シリコンなどの無機質、ポリイミド、パリレンなどの他も有機質でもかまわない。これらの材質の選定はプロセス手法と用途に応じて決定されることが望ましい。
(6) 変位素子部の完成するステップ（図１３(e)-(f)）を行う。
突起部およびフレーム部がエッチングマスク８２および８３に覆われた状態で、再度、基板裏面の酸化シリコン８１に到達するまでアルカリ性の水溶液でエッチングする。到達後、酸化シリコン膜８１をエッチングで除去することで、シリコーンゴム９５上に単結晶シリコン製の突起１１を有するダイアフラム構造ができあがる。
上記プロセスでは単結晶シリコンをエッチングするのにアルカリ性溶液によるウエットエッチング手法を用いたが、本手法以外にも反応性プラズマによるドライエッチングを用いても良い。エッチング手法の選択は生産性及びコストなどから決定されることが望ましい。また、図１３はダイアフラム構造の場合を作成例の代表として示したが、変位素子部の構造体として他の形状、例えば、片持ち梁、両持ち梁などを異なるばね形態を用いた場合でも図に示した方法と同様の手法で作製することができる。
本発明の変位素子部の完成例を図１４に示す。
上記の図１２および図１３の方法作製した各素子をダイアフラム側が接合面になるように貼り合わせて、ダイアフラムの表裏に突起を有するような変位素子構造を作製している。変位素子部は４ｘ４のアレイ状に配置されている。全体の大きさは４．８ミリメートルである。
【００１５】
本発明のクラッチ駆動機構の作製方法を図１５に示す。
クラッチ部２０の作製手法を、静電駆動方式をその一例として説明する。静電駆動方式のクラッチ部はSOI(Silicon on Insulator)基板を使うことで容易に作製できる。SOI基板とは単結晶シリコン基板（ハンドル基板）１０１上に絶縁層である酸化シリコン膜１０２を介して更にその上に単結晶シリコン基板（デバイス基板）１００が形成された基板のことをいう。本作製方法では絶縁層上に形成してある単結晶シリコン基板（以下デバイス基板ともいう）１００の厚さが片持ち梁可動部２２と駆動電極部２３の高さになる。従ってデバイス基板１００の厚さを変えることで、クラッチ部２０における構造体の高さを任意に変えることができる。なお、本デバイスの場合、クラッチ部高さは噛み合わせ部の高さと等しいことから、本駆動機構装置における最大変位はこのデバイス基板１００の厚さで決定される。作製方法の詳細を以下に述べる。
【００１６】
(1) 使用基板の決定するステップ（図１５(a)）を行う。
変位素子部１０の変位量に応じてデバイス基板１００の厚さを決定する。本実施例ではこの厚さを数ミクロン〜数百ミクロンとしている。また、デバイス基板１００に単結晶シリコン製で片持ち梁可動部２２及び駆動電極２３を作製することから、デバイス基板１００には電気的抵抗率の低いものを用いる。具体的には抵抗率0.001〜0.05オウムセンチメートルの基板を用いる。ハンドル基板１０１とデバイス基板１００間にある酸化シリコン１０２については、ハンドル基板１０１に対する片持ち梁可動部２２のスティッキングを防止することを目的として、その厚さを数ミクロンとした。ハンドル基板１０１については数百ミクロンとしている。
(2) エッチングによる片持ち梁および駆動電極形状の形成するステップ（図１５(b)-(c)）を行う。
デバイス基板１００側に反応性ドライエッチングにより片持ち梁可動部２２および駆動電極２３を形成した。具体的にはデバイス基板表面に感光性のホトレジスト１０５を塗布し、ホトリソグラフィーでそれらの形状をホトレジスト１０５に転写する。その後、このレジストパターン１０５をもとにして反応性ドライエッチングで単結晶シリコン基板１００をエッチングして片持ち梁可動部２２および駆動電極２３を形成する。ドライエッチングには側壁保護をしながら単結晶シリコン基板をエッチングするという手法を用い、垂直壁を有する片持ち梁および駆動電極形状をデバイス基板内に作り込む。エッチングがデバイス基板１００下にある酸化シリコン膜１０２に達した時点で加工は終了となる。なお、エッチングマスク材についてはドライエッチング条件に応じてその材質を選定することが望ましい。
(3) 酸化シリコン膜除去による片持ち梁可動部の形成するステップ（図１５(d)）を行う。
フッ酸系のエッチング液により酸化シリコン膜１０２のみを選択的にエッチングする。このときエッチングは等方性に進行することから、駆動電極に比べてフットプリントの小さい片持ち梁可動部２２が先に基板１０１からリリースされる。これにより片持ち梁可動部２２のみを可動部とすることができる。なお、片持ち梁先端部に設けるブロック２１には複数のホールを設けることで、この部分のリリースを早めるという工夫をする。片持ち梁可動部２２を基板１０１からリリースした後に、片持ち梁側面および駆動電極側面に絶縁層を形成するとともに、電極パッドをそれぞれの構造体の一部に設けることで完成となる。
図１５には静電駆動方式の場合を作成例の代表として示した。図８及び図９で示した他の駆動方式の場合も、上記の加工法と同様に、基本的にはホトリソグラフィーをベースにした加工法で作製する。
【００１７】
本発明のクラッチ駆動機構の他の作製方法を図１６に示す。
上記の作製法ではドライエッチングを用いて単結晶シリコン製のクラッチ構造体を作製した。上記以外にもホトレジストによる型形成およびめっき成膜法を用いることでも作製することができる。その詳細を以下に示す。
(a) ホトレジストによる型形成するステップ（図１６(a)-(b)）を行う。
基板（この場合には何でも良い）１１０上に先ず、犠牲層および電気めっきのシード層となる金属薄膜１１１を形成する。金属層１１１の厚さは片持ち梁駆動部のスティキング防止のために数ミクロンとする。次に、感光性のホトレジスト１１５を塗布し、露光および現像で片持ち梁形状および駆動電極形状にパターニング１１５する。このとき感光性樹脂１１５の厚さがほぼ最終的なクラッチ構造体２０の厚さに対応することから、厚膜のホトレジストを用いる。
(b) めっきによる構造体の作製するステップ（図１６(c)-(f)）を行う。
ホトレジスうるトで作製した型材１１５に電気めっきを用いて埋め戻しを行う。これにより金属製の片持ち梁および駆動電極を構成する構造体１１６ができあがる。その後、不要となったホトレジストの型材１１５を除去し、めっきの構造体１１６の下地の金属層１１１を選択的にエッチングして、片持ち梁構造体を可動にする。なお、この場合も先ほどの実施例と同様に、片持ち梁先端部に設けるブロックには複数のホールを設けることで、この部分のリリースを早めるという工夫をする。片持ち梁を基板１１０からリリースした後に、片持ち梁側面および駆動電極側面に絶縁層を形成するとともに、電極パッドをそれぞれの構造体の一部に設けることで完成となる。
図１６には静電駆動方式の場合を作成例の代表として示した。図８及び図９で示した他の駆動方式の場合も、上記の加工法と同様に、基本的にはホトリソグラフィーをベースにした加工法で作製する。
本発明のクラッチ駆動機構の完成例を図１７に示す。
上記図１５で示した方法で作製した静電方式のクラッチ構造を図１７に示してある。長さ９７０ミクロンの片持ち梁の先端にクラッチ噛み合い部となる厚さ２０ミクロン、大きさ１００ミクロンのブロックが形成されており、全体が基板から浮いた状態になっている。片持ち梁を駆動するための電極は、静電気力で片持ち梁を効率よく駆動するために2次曲線になっている。
本発明のクラッチ駆動機構の駆動の様子を図１８に示す。
上記１７図に示した静電方式クラッチ構造に駆動電圧を印加して、ブロック付き片持ち梁を駆動電極側に引き寄せたときの様子を図に示した。図では片持ち梁部を接地し、上側の駆動電極に電圧を印加したときの様子である。図１８(b)および(c)に示したように、片持ち梁先端部の変位は駆動電圧に依存し、この場合、200 Vの電圧を印加すると片持ち梁は完全に駆動電極側に引き寄せられる。なお、このときの梁先端部の変位は138ミクロンになる。
本発明のアレイ状独立駆動機構の完成例を図１９に示す。
上記で作製したアレイ状変位部と静電式クラッチ機構と、図１０(b)で説明した小型駆動源を組上げて作製した手のひらサイズ（５０ミリメートル角程度）のアレイ状独立駆動機構を図に示した。このデバイスでは４ｘ４のアレイ状表示部（１．２ミリメートルピッチ）が独立に上下方向に２０ミクロン駆動する。
【００１８】
本発明の駆動機構装置を用いた触覚表示デバイス例を図２０に示す。
図２０には触覚表示素子を３個配列した場合をその例として示してある。
図２０(a)に示すように、図２に示したアレイ状変位素子部１０を触覚表示素子部１５に変更することで本駆動機構装置を触覚表示デバイスとして用いることができる。触覚表示素子部１５は対象物体６０に対して触覚表示を行うための突起１２と、クラッチ機構２０に設けた突起形状２１との噛み合いを行うための突起１１と、突起部を支えるダイアフラムと、ダイアフラムの変位を検出するための変位センサ１３とからなる。なお、変位センサについては仕様目的に応じて有無を決定することが望ましい。
本触覚表示用デバイスは、アレイ状に配置した触覚表示素子部１５と、触覚表示素子部１５を駆動するための駆動源３０と、駆動源３０の動力を触覚表示素子部１５に伝達するためのクラッチ部２０と、固定台４０とからなる。固定台４０がベースの基盤となりこの上に駆動機構が実装されている。固定台４０上に駆動源３０が固定され、その上にクラッチ部２０が実装される。アレイ状触覚表示素子部１５は固定冶具を介して固定基盤に固定される。触覚表示素子部１５はクラッチ部２０上に接することなく上側に実装されることになる。本触覚表示デバイスでは、アレイ状変位素子部１５に設けた突起形状１１とクラッチ部２０に設けた突起形状２１との噛み合いを利用して駆動源３０の動力を触覚表示素子部１５に伝達し、接触用の物体６０に対して触覚表示を行う（図２０(b)-(c)）。詳細を以下に述べる。
図２０(b)-(c)に示したように、クラッチ部２０上に設けた突起形状２１を静電気力もしくは熱駆動力または圧電駆動力を用いてクラッチ面上を移動させる。この操作により、触覚表示素子部１５に設けた突起形状１１とクラッチ部２０に設けた突起形状２１との噛み合いを制御する。図には左右の２つの素子の突起形状２１を選択的に駆動した場合を示してある。なお、クラッチ部２０での噛み合いには二つのモードが存在する。一つはクラッチ部２０上の突起形状２１を駆動することで、突起形状２１の中心軸と変位素子部１０に設けた突起形状１１の中心軸とが一致し噛み合いが発生する場合である。もう一つはその逆で、クラッチ部２０上の突起形状２１を駆動することで、突起形状２１の中心軸と変位素子部１０に設けた突起形状１１の中心軸とがはずれ噛み合いがなくなる場合である。どちらのモードで設計するかは適用先に応じて決定する。
上記の操作（アレイ状変位素子部１０に設けた突起形状１１とクラッチ部２０に設けた突起形状２１との噛み合いを制御）をした後、クラッチ部２０の下側に設けた駆動源３０を駆動すると、触覚表示素子部１５に設けた突起形状１１とクラッチ部２０に設けた突起形状２１とが噛み合っている部分のみ駆動源３０の動力が触覚表示素子部１５に伝達される。図には左右の素子が駆動される例を示してある。
以上のような動作原理で駆動源３０の動力をアレイ状に配置した触覚表示素子部１５に伝達し、接触対象物に対して触覚表示を行う。なお、触覚表示素子部におけるピッチ、個数などは対象物に応じて決定されることが望ましい。例えば、人間に対して触覚表示を行う場合には、ピッチを１〜２ｍｍにすることが望ましい。
【００１９】
本発明の駆動機構装置を触覚センサに応用した場合を図２１に示す。
図２１には触覚センサ素子を３個配列した場合をその例として示してある。触覚表示デバイスと同様に、図２に示したアレイ状変位素子部１０を触覚センシング部１７に変更することで本駆動機構装置を触覚センサとして用いることができる。触覚センシング部１７は、対象物６０と接触する突起１２と、クラッチ部２０に設けた突起形状２１との噛み合い部に設けた弾性体１６と、突起部を支えるダイアフラムと、ダイアフラムの変位を検出するための変位センサ１３とからなる。アレイ状変位素子部１０により駆動される触覚表示デバイスと同様に、クラッチ部での噛み合いを制御して、アレイ状に対置したセンサ素子部を個別駆動する。以下に触覚センサとしての動作原理を示す。
物体との接触は選択的に突起部１２にて行われる。突起部１２の形状は接触物体の表面形状及び材質、また駆動機能により決定され、ダイアフラム２上に形成されている。なお、実装形態によっては、ダイアフラムではなく、梁構造の上に上記デバイス構造を作り込むことも可能である。本センサでは、先ず、物体６０が触覚センサに触れたときの接触力及び接触変位などの物理量計測をダイアフラムの根本に設けた変位センサ１３を用いて検出する。物体接触後に、更に、物体６０に接している突起部１２を接触物体６０の方向に移動することで、本センサでは対象物の硬さ検出も行うことができる。本発明の駆動機構装置を用いて突起部１２を対象となる物体６０の方向に押し込むと、対象物の硬さに応じて弾性体１６が変形する。従って、突起部１２で物体６０を押し込んだときの弾性体１６の変形量を検出することで対象物の硬さを検出することができる。このように受動的な接触センサ構造に能動的な駆動機構を付加することで接触物体の固さ情報を得る仕組みになっている。
上記構造を基本素子として複数個アレイ状に設ければ接触用の物体６０表面の凸凹と固さの二次元情報を得ることができる。微細な基本素子をアレイ状に二次元配置すれば、接触用の物体６０の表面形状を二次元的に認識することができるとともに、接触している物体６０の硬さ情報も二次元的な分布をもって検出することができる。また接触用の物体６０の微細な凹凸に応じた接触圧制御を個別に行うことができる。
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定にされず、種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のアレイ状独立駆動機構の概念を示す図である。
【図２】本発明の駆動機構装置の全体構成を示す図である。
【図３】本発明の駆動機構装置の断面を示す図である。
【図４】本発明のクラッチ駆動機構の一例（静電駆動方式）を示す図である。
【図５】本発明の静電駆動方式クラッチ部の詳細を示す図である。
【図６】本発明の静電駆動方式クラッチ機構の解析モデルを示す図である。
【図７】本発明の静電駆動方式クラッチ機構の解析動作結果を示す図である。
【図８】本発明の別の駆動方法（熱駆動力）を用いたクラッチ部例を示す図である。
【図９】本発明の別の駆動方法（圧電駆動力）を用いたクラッチ部例を示す図である。
【図１０】本発明の駆動源の構造例を示す図である。
【図１１】本発明の変位素子部の構造の一例を示す図である。
【図１２】本発明の変位素子部の下側（クラッチ側）の作製方法例を示す図である。
【図１３】本発明の変位素子部の上側（表示側）の作製方法例を示す図である。
【図１４】本発明の変位素子部の完成例を示す図である。
【図１５】本発明のクラッチ駆動機構の作製方法を示す図である。
【図１６】発明のクラッチ駆動機構の他の作製方法を示す図である。
【図１７】本発明のクラッチ駆動機構の完成例を示す図である。
【図１８】本発明のクラッチ駆動機構の駆動の様子を示す図である。
【図１９】本発明のアレイ状独立駆動機構の完成例を示す図である。
【図２０】本発明の駆動機構装置を用いた触覚表示デバイス例を示す図である。
【図２１】本発明の駆動機構装置を用いた触覚センサデバイス例を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０…アレイ状変位部、１１…噛み合い部（突起形状）、１２…表示及びセンシング突起部、１３…変位センサ、１５…触覚表示素子部、１６…弾性体（硬さ検出用弾性体）、１７…触覚センシング部、２０…クラッチ部、２１…噛み合い部（突起形状）、２２…可動部（片持ち梁）、２３…駆動電極、２４…固定部、２５…ホール、２６…単結晶シリコン、２７…アルミニウム、２８…圧電薄膜、３０…駆動源、３１…小型モータ、３２…カム、３３…可動ステージ、３４…ガイド、３５…ネジ部、４０…固定台、５０…固定台、６０…接触対象物、８０…単結晶シリコン基板、８１…マスク、８２…突起部形成用パターン、８３…フレーム作製用マスク、９０…ホトレジスト、９５…シリコーンゴム、１００…単結晶シリコン基板（デバイス基板）、１０１…単結晶シリコン基板（ハンドル基板）、１０２…酸化シリコン膜、１０５…レジストパターン、１１０…基板、１１１…金属薄膜、１１５…感光性樹脂、１１６…片持ち梁および駆動電極構造体
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２０】
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【図２１】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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