(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外枠と、台座部と、蓋部とからなる密閉容器を有し、この密閉容器中に、弾性支持梁と、この弾性支持梁の一端を固定し且つ前記台座部に固定された固定部と、前記弾性支持梁の他端に固定した可動マスと、前記台座部に固定し且つ前記可動マスと間隔をおいて配設する駆動電極及びストッパーとを有し、前記密閉容器の内部又は外部に配置され、前記可動マスと前記駆動電極との間に電圧を印加する電源回路とを有し、
前記電源回路をＯＮにして、前記駆動電極と前記可動マスとの間に静電引力を発生させて可動マスを前記ストッパーに衝突させ、その時の運動エネルギーを前記密閉容器に伝え、その後の前記電源回路のＯＦＦにより該静電引力を消滅させて可動マスを前記弾性支持梁の弾力により元の位置に戻し、その時発生する反作用力を前記密閉容器に伝え、前記部材全体を所定方向に運動せしめるようにした、静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項２】
前記弾性支持梁は、４枚の弾性薄板と、この４枚の弾性薄板のそれぞれの一端を固定してこれらの弾性薄板を平行に支持する弾性薄板とからなり、平行に支持された４枚の弾性薄板のうちの外側の２枚の弾性薄板の他端は前記可動マスに固定され、内側の２枚の弾性薄板の他端は前記固定部の固定端に固定され、該構成の弾性支持梁と固定部とを一対有し、
前記外枠は該弾性支持梁を介して可動マスに電気的に接続され、該外枠と前記駆動電極との間に電圧を印加することによって、前記可動マスと駆動電極との間に電圧が印加されることを特徴とする、請求項１に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項３】
前記弾性支持梁はＴ字形に形成され、また、外枠内の四隅にはそれぞれ前記固定部が設けられており、該弾性支持梁のＴ字形の水平な線分の二つの端がそれぞれ二つの固定部に固定され、また垂直な線分の下方の端が前記可動マスに固定され、該構成のＴ字形弾性支持梁と固定部とを一対有し、さらに、前記駆動電極及び前記ストッパーを可動マスの前後及び左右に配設したことを特徴とする、請求項１に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項４】
前記可動マスが扇形であり、この扇形可動マスを前記弾性支持梁の前記他端で固定し、この弾性支持梁の前記一端を前記固定部に固定し、前記可動マスが前記台座部面に沿って前記固定部の周りに揺動可能に前記固定部を配設し、扇形の前記駆動電極と前記ストッパーを配設したことを特徴とする、請求項１に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項５】
斜めに支持する前記弾性支持梁で前記可動マスを吊り下げ支持し、前記駆動電極を可動マスの下方に配設し、前記ストッパーを可動マスの前後に配設し、前記外枠は該弾性支持梁を介して可動マスに電気的に接続され、該外枠と前記駆動電極との間に電圧を印加することによって、可動マスと駆動電極との間に電圧が印加されることを特徴とする、請求項１に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項６】
前記弾性支持梁は、４枚の弾性薄板と、この４枚の弾性薄板のそれぞれの一端を固定してこれらの弾性薄板を平行に支持する弾性薄板とからなり、平行に支持された４枚の弾性薄板のうちの外側の２枚の弾性薄板の他端は前記固定部の固定端に固定され、内側の２枚の弾性薄板の他端は前記可動マスに固定され、該構成の弾性支持梁と固定部とを一対有し、
前記外枠は該弾性支持梁を介して可動マスに電気的に接続され、該外枠と前記駆動電極との間に電圧を印加することによって、可動マスと駆動電極との間に電圧が印加されることを特徴とする、請求項１に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項７】
前記二つの固定部は前記外枠と一体物であることを特徴とする、請求項６に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項８】
前記可動マスが、一対の前記弾性支持梁に固定され、これらの弾性支持梁が一対の前記固定部にそれぞれ固定されることを特徴とする、請求項１〜７の何れかに記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項９】
前記駆動電極が２分割され、この分割したそれぞれの駆動電極を独立に駆動することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項１０】
前記外枠がＳｉ単結晶から構成され、前記台座部又は蓋部の部材は、前記マイクロアクチュエータの自走する台と該台座部又は蓋部との間の静止摩擦力が、前記静電引力により可動マスが加速される際の反作用力を越える所定の摩擦係数を有する部材で構成されることを特徴とする、請求項１〜９の何れかに記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項１１】
前記所定の摩擦係数を有する部材がパイレックスガラス（登録商標）であることを特徴とする、請求項１０に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項１２】
前記外枠、弾性支持梁、可動マス、駆動電極及びストッパーがＳｉ単結晶基板から一体物で形成されることを特徴とする、請求項１〜１１の何れかに記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ。
【請求項１３】
固定台と、該固定台上に摺動可能に載置された移動台と、該移動台上に固着された請求項１〜３、５〜１２の何れかに記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータとからなる、リニア駆動ステージ。
【請求項１４】
固定台と、該固定台上に摺動可能に載置された第１移動台と、該第１移動台上にその移動方向と直交する方向に摺動可能に載置された第２移動台と、該第２移動台上に固着された請求項３に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータとからなる、リニアＸＹ駆動ステージ。
【請求項１５】
請求項１〜３、５〜１２のいずれかに記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータを複数個移動体に組み込んでなる駆動装置。
【請求項１６】
外枠と、台座部と、蓋部とからなる密閉容器を有し、この密閉容器中に、弾性支持梁と、この弾性支持梁の一端を固定し且つ前記台座部に固定された固定部と、前記弾性支持梁の他端に固定した可動マスと、前記台座部に固定し且つ前記可動マスと間隔をおいて配設する駆動電極及びストッパーとを有し、前記密閉容器の内部又は外部に配置され、前記可動マスと前記駆動電極との間に電圧を印加する電源回路とを有し、前記電源回路をＯＮにして、前記駆動電極と前記可動マスとの間に静電引力を発生させて可動マスを前記ストッパーに衝突させ、その時の運動エネルギーを前記密閉容器に伝え、その後の前記電源回路のＯＦＦにより該静電引力を消滅させて可動マスを前記弾性支持梁の弾力により元の位置に戻し、その時発生する反作用力を前記密閉容器に伝え、前記部材全体を所定方向に運動せしめるようにした、静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの製造方法であって、
前記外枠、弾性支持梁、可動マス、駆動電極及びストッパーをＳｉ単結晶基板から一体物で形成する工程と、マイクロアクチュエータの自走する台と台座部及び蓋部との間の静止摩擦力が、静電引力により可動マスが加速される際の反作用力を越える所定の摩擦係数を有する部材からなる台座部及び蓋部を取り付ける工程とからなり、上記工程は、
（ａ）前記Ｓｉ基板の表面に前記駆動電極を形成する工程と、
（ｂ）前記弾性支持梁及び前記可動マスを空中に浮いた状態にするため前記Ｓｉ基板の裏面をエッチングする工程と、
（ｃ）前記Ｓｉ基板裏面に前記所定の摩擦係数を有する台座部を取り付ける工程と、
（ｄ）前記外枠、弾性支持梁、可動マス、駆動電極の形成部及びストッパーを一体物に形成するため前記Ｓｉ基板の表面からエッチングする工程と、
（ｅ）前記弾性支持梁及び前記可動マスを空中に浮いた状態にするため前記Ｓｉ基板の表面をエッチングする工程と、
（ｆ）前記Ｓｉ基板表面に前記所定の摩擦係数を有する蓋部を取り付ける工程と、を含むことを特徴とするマイクロアクチュエータの製造方法。
【請求項１７】
前記（ｂ）のエッチング工程、前記（ｄ）のエッチング工程及び前記（ｅ）のエッチング工程を、誘導性結合プラズマー反応性イオンエッチングで行うことを特徴とする、請求項１６に記載の静電インパクト機構を用いるマイクロアクチュエータの製造方法。
【請求項１８】
前記（ｃ）のＳｉ基板裏面に前記所定の摩擦係数を有する部材を取り付ける工程及び前記（ｆ）のＳｉ基板表面に前記所定の摩擦係数を有する部材を取り付ける工程が、パイレックスガラス（登録商標）を部材とした陽極接合によることを特徴とする、請求項１６に記載のマイクロアクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明はマイクロアクチュエータ、特に、静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータ及びその製造方法に関する。
技術背景
現今、微細加工や微小変位の操作を行うため、精密位置決め技術は極めて重要な技術として位置付けられており、高精度化が必要になってきている。
位置決めデバイスの作製にマイクロマシン技術を利用すれば、バッチプロセスにより一括して大量に作製でき、個別に組み立てる必要がなく小型かつ安価で個体差の少ないデバイスを作製することができるメリットがある。そのため、近年、多数の位置決め用のマイクロアクチュエータやマイクロシステムが研究されている（Ｍ．Ｓｔｅｖｅｎ  Ｒｏｄｇｅｒｓ，ｅｔ．ａｌ，“Ｉｎｔｒｉｃａｔｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ  Ｅｎａｂｌｅｄ  ｂｙ  ５−Ｌｅｖｅｌ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ”  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ’９９，  Ｓｅｎｄａｉ，  Ｊａｐａｎ，  Ｊｕｎ  １９９９，  ｐｐ．９９０−９９３）。
しかしながら、従来のマイクロアクチュエータでは、発生する力が小さかったり、可動距離が短いといった重要な問題に直面しており、応用範囲に制限があった。例えば、圧電素子を用いたインパクト駆動機構（樋口俊郎、渡辺正浩、工藤謙一、“圧電素子の急速変形を利用した超精密位置決め機構”精密工学会誌、５４−１１，２１０７（１９９８））では、摩擦力と圧電素子を利用してナノメートル領域の微小変位と原理的に無制限の可動距離を兼ね備えているが、個別に組み立てが必要であり、小型化に限界があった。
また、従来のマイクロアクチュエータは、塵埃の侵入防止、空気中の水分の侵入防止等の信頼性対策が乏しく、環境信頼性に劣るものであった。
そこで、本発明は、個別に組み立てる必要がなく、極めて小型にできるマイクロアクチュエータ、とくに静電駆動される可動マスを駆動源に持つ環境信頼性の高い自走型インパクトアクチュエータを提供することを第１の目的とする。
さらに本発明は、バルクマイクロマシニングを利用して上記アクチュエータを製造する方法を提供することを第２の目的とする。
発明の開示
上記第１の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、外枠と、台座部と、蓋部とからなる密閉容器を有し、弾性支持梁と、弾性支持梁の一端を固定し且つ台座部に固定された固定部と、弾性支持梁の他端に固定した可動マスと、台座部に固定し且つ可動マスと間隔をおいて配設する駆動電極及びストッパーと、密閉容器の内部又は外部に配置され、可動マスと駆動電極との間に電圧を印加する電源回路とを含み、電源回路をＯＮにして、駆動電極と可動マスとの間に静電引力を発生させて可動マスをストッパーに衝突させ、その時の運動エネルギーを密閉容器に伝え、その後の電源回路のＯＦＦにより静電引力を消滅させて可動マスを弾性支持梁の弾力により元の位置に戻し、その時発生する反作用力を密閉容器に伝え、部材全体を所定方向に運動せしめるようにしたことを特徴とする。
この構成でなる静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、集積回路作製技術により作製し得る構造であるので、構成要素を同一デバイスに集積化でき、個別に組み立てる必要がなく、極めて小型に形成することができる。
請求項２に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、弾性支持梁が、４枚の弾性薄板と、この４枚の弾性薄板のそれぞれの一端を固定してこれらの弾性薄板を平行に支持する弾性薄板とからなり、平行に支持された４枚の弾性薄板のうちの外側の２枚の弾性薄板の他端は前記可動マスに固定され、内側の２枚の弾性薄板の他端は固定部の固定端に固定され、該構成の弾性支持梁と固定部とを一対有し、外枠は弾性支持梁を介して可動マスに電気的に接続され、外枠と駆動電極との間に電圧を印加することによって、可動マスと駆動電極との間に電圧が印加されることを特徴とする。
この構成によれば、電圧を印加する駆動電極を選択することにより、前または後に運動する。
請求項３に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、弾性支持梁がＴ字形に形成され、また、外枠内の四隅にはそれぞれ前記固定部が設けられており、Ｔ字形弾性支持梁のＴ字形の水平な線分の二つの端がそれぞれ二つの固定部に固定され、Ｔ字形の垂直な線分の下方の端が可動マスに固定され、この構成の弾性支持梁と固定部とを一対有し、さらに、駆動電極及びストッパーを可動マスの前後及び左右に配設したことを特徴とする。
この構成によれば、平面内の２座標軸方向の駆動が可能になり、任意の方向に駆動できる。
請求項４に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、可動マスが扇形であり、扇形可動マスを弾性支持梁の他端で固定し、弾性支持梁の一端を固定部に固定し、可動マスが台座部面に沿って固定部の周りに揺動可能に固定部を配設し、扇形の駆動電極とストッパーを配設し、駆動電極と可動マスとの間に電圧を印加することを特徴とする。
この構成は、回転駆動型であり、モータ等に利用できる。
請求項５に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、可動マスを斜めの弾性支持梁で吊り下げ支持し、駆動電極を可動マスの下方に配設し、ストッパーを可動マスの前後に配設し、外枠は該弾性支持梁を介して可動マスに電気的に接続され、外枠と駆動電極との間に電圧を印加することによって、可動マスと駆動電極との間に電圧が印加されることを特徴とする。
この構成によれば、重力による位置エネルギーも利用するから、駆動力が大きい。
請求項６に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、弾性支持梁が、４枚の弾性薄板と、この４枚の弾性薄板のそれぞれの一端を固定してこれらの弾性薄板を平行に支持する弾性薄板とからなり、平行に支持された４枚の弾性薄板のうちの外側の２枚の弾性薄板の他端は固定部の固定端に固定され、内側の２枚の弾性薄板の他端は可動マスに固定され、該構成の弾性支持梁と固定部とを一対有し、外枠は該弾性支持梁を介して可動マスに電気的に接続され、外枠と駆動電極との間に電圧を印加することによって、可動マスと駆動電極との間に電圧が印加されることを特徴とする。
請求項７に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは二つの固定部が外枠と一体物であることを特徴とする。
この構成によれば、二つの固定部で弾性支持梁を固定するので、弾性支持梁が強固に外枠に固定され、信頼性が向上する。さらに、固定部がストッパーを兼ねており、固定部は外枠と一体物であるので、可動マスがストッパー（固定部）に衝突した際に可動マスからストッパー（固定部）に移動する電荷が、外枠を介して電源に吸収されることから、ストッパーに電荷が蓄積されることが無くなり、従って動作が安定する。
請求項８に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、可動マスが一対の弾性支持梁に固定され、これらの弾性支持梁が一対の固定部にそれぞれ固定されることを特徴とする。
この構成によれば、可動マスがバランスよく支持されるから、可動マスが安定に、かつ、スムーズに揺動する。
請求項９に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、個々の駆動電極が２分割され、この分割したそれぞれの駆動電極を独立に駆動することを特徴とする。
この構成によれば、所望の駆動電極のみに電圧を印加することによって、弾性支持梁のねじれ効果が生じ、進行方向を所望の方向に変えることができる。
請求項１０に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、外枠がＳｉ単結晶から構成され、台座部又は蓋部の部材は、マイクロアクチュエータの自走する台と該台座部又は蓋部との間の静止摩擦力が、静電引力により可動マスが加速される際の反作用力を越える所定の摩擦係数を有する部材で構成されることを特徴とする。
請求項１１に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、所定の摩擦係数を有する部材がパイレックスガラス（登録商標）であることを特徴とする。
請求項１２に記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータは、外枠、弾性支持梁、可動マス、駆動電極及びストッパーがＳｉ単結晶基板から一体物で形成されることを特徴とする。
請求項１３に記載のリニア駆動ステージは、固定台と、固定台上に摺動可能に載置された移動台と、移動台上に固着された、請求項第１〜３、５〜１２項のいずれかに記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータとからなることを特徴とする。
請求項１４に記載のリニアＸＹ駆動ステージは、固定台と、固定台上に摺動可能に載置された第１移動台と、第１移動台上にその移動方向と直交する方向に摺動可能に載置された第２移動台と、第２移動台上に固着された、請求項第１〜３、５〜１２項の何れかに記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータとからなる。
請求項１５に記載の駆動装置は、請求項第１〜３、５〜１２項のいずれかに記載の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータを複数個移動体に組み込んでなることを特徴とする。
本発明の第２の目的を達成するために、請求項１６に記載のマイクロアクチュエータの製造方法は、請求項１に記載したマイクロアクチュエータを製造する方法であって、外枠、弾性支持梁、可動マス、駆動電極及びストッパーをＳｉ単結晶基板から一体物で形成する工程と、マイクロアクチュエータの自走する台と台座部及び蓋部との間の静止摩擦力が、静電引力により可動マスが加速される際の反作用力を越える所定の摩擦係数を有する部材からなる台座部及び蓋部を取り付ける工程とからなり、上記工程は、
（ａ）Ｓｉ基板の表面に前駆動電極を形成する工程と、
（ｂ）弾性支持梁及び前記可動マスを空中に浮いた状態にするためＳｉ基板の裏面をエッチングする工程と、
（ｃ）Ｓｉ基板裏面に所定の摩擦係数を有する台座部を取り付ける工程と、
（ｄ）外枠、弾性支持梁、可動マス、駆動電極の形成部及びストッパーを一体物に形成するためＳｉ基板の表面からエッチングする工程と、
（ｅ）弾性支持梁及び前記可動マスを空中に浮いた状態にするためＳｉ基板の表面をエッチングする工程と、
（ｆ）Ｓｉ基板表面に前記所定の摩擦係数を有する蓋部を取り付ける工程と、を含むことを特徴とする。
請求項１７に記載のマイクロアクチュエータの製造方法は、（ｂ）のエッチング工程、（ｄ）のエッチング工程及び（ｅ）のエッチング工程を、誘導性結合プラズマ反応性イオンエッチングで行うことを特徴とする。
請求項１８に記載のマイクロアクチュエータの製造方法は、（ｃ）のＳｉ基板裏面に所定の摩擦係数を有する部材を取り付ける工程及び（ｆ）のＳｉ基板表面に所定の摩擦係数を有する部材を取り付ける工程が、パイレックスガラス（登録商標）を部材とした陽極接合によることを特徴とする。
図面の簡単な説明
本発明は、以下の詳細な説明及び本発明の実施例を示す添付図面に基づいて、より良く理解されるものとなろう。なお、添付図面に示す種々の実施例は本発明を特定又は限定することを意図するものではなく、単に本発明の説明及び理解を容易とするためのものである。
図１は本発明の第１実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図３は本発明の第１実施例である、静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの作動原理を説明するための構成模式図である。
図４は図３において電源回路をＯＮにした状態を示す図である。
図５は図３において可動マスがストッパーに衝突にした状態を示す図である。
図６は図３において電源回路をＯＦＦにした状態を示す図である。
図７は本発明のマイクロアクチュエータの製造方法（前半）を示す図である。
図８は本発明のマイクロアクチュエータの製造方法（後半）を示す図である。
図９は本発明の第２の実施例を示す図である。
図１０は本発明の第２の実施例に用いる静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図１１は図１０のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図１２は本発明の第３の実施例を示す図である。
図１３は本発明の第３の実施例に用いる静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図１４は図１３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図１５は第２及び第３の実施例に用いる溝及び突条の変形例を示す断面図である。
図１６は第２及び第３の実施例の応用例を示す斜視図である。
図１７は本発明の第４の実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図１８は本発明の第５の実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図１９は本発明の第５の実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの作動原理を示す図である。
図２０は本発明の第６の実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図２１は図２０のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図２２は本発明の第７の実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図２３は本発明の第１実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの電子顕微鏡写真である。
発明を実施するための最良の形態
次に、本発明のマイクロアクチュエータ及びその製造方法における第１の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例である、静電インパクト機構を用いた一次元駆動型マイクロアクチュエータの平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。なお、図１は、マイクロアクチュエータの内部の構成を示しており、蓋部は図示していないが、図２に示すように蓋部１６は外枠６の上面を覆って外枠６に固定されている。
この静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータＭは、一対の固定部１に一対の弾性支持梁２によって支えられた可動マス３と、可動マス３の前後に間隔をおいて配置された一対の駆動電極４と、各駆動電極４の両側に配設された各一対のストッパー５と、固定部１，駆動電極４、ストッパー５及び上記部材を密封する密封容器とから構成されている。
密封容器はＳｉ単結晶基板から形成した外枠６の上下面に台座部１４と蓋部１６とを固定して構成されている。
また、各々の弾性支持梁２は、４枚の弾性薄板２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、これらの弾性薄板の一端を固定してこれらの弾性薄板を平行に支持する弾性薄板２ｅとからなり、外側の弾性薄板２ａ，２ｄの他端が可動マス３に固定され、内側の弾性薄板２ｂ，２ｃの他端が固定部１の固定端１ａ，１’ａでそれぞれ固定されている。
なお、弾性支持梁２の弾性は弱くて良い。さらに、可動マス３と一方の駆動電極４との間に、電源７とスイッチ８からなる電源回路９が接続されている。この電源回路９は、密閉容器の外部又は内部に配置することができる。また、可動マス３と他方の駆動電極４との間にも、電源７’とスイッチ８’からなる電源回路９’が接続されている。そして、アクチュエータＭ全体が台１０上に載せられて、台１０上を自走する。
ここで、密閉容器の台座部１４と蓋部１６は、好ましくは、パイレックスガラス（登録商標）で形成することができる。
次に、第１の実施例の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの作動原理を説明する。
図３から図６は、本発明のマイクロアクチュエータＭの作動原理を説明するための概念図である。なお、説明し易くするために、上記第１実施例の他方の駆動電極４，ストッパー５及び電源回路９’の図示を省略し、弾性支持梁２をばねで略示してある。また、電源回路９の一端は、外枠６及び弾性支持梁（ばね）２を介して可動マス３に接続されている。
まず、図４に示したように、外枠６の外部に配置した電源回路９のスイッチ８をＯＮにして駆動電極４と可動マス３との間に電源７からの電圧を印加する。すると、可動マス３と駆動電極４との間に生じた静電引力で可動マス３が駆動電極４の方へ移動し始めゆっくりと加速される。なお、この時発生する加速方向と反対向きの反作用力、すなわち、アクチュエータＭが台１０から受ける反作用力がアクチュエータＭと台１０との間の静止摩擦力を越えないようにしてある。
すると、可動マス３はストッパー５に衝突するまで加速され、図５に示したように、衝突と同時に可動マス３の運動エネルギーがアクチュエータＭ全体に伝えられ、アクチュエータＭが台１０との静止摩擦力を越えると同時に動く。そして、アクチュエータＭは、ここで得た運動エネルギーがアクチュエータＭと台１０との間の動摩擦力によって失われるまで移動して停止する。
次に、図６に示したように、電源回路９のスイッチ８をＯＦＦにして印加電圧をゼロにすると、弾性支持枠２の力により可動マス３が最初の位置に戻る。この可動マス３が戻る時に発生する反作用力、すなわち、アクチュエータＭが台１０から受ける反作用力の方向は、アクチュエータＭの進行方向であるので、アクチュエータＭの進行方向の運動に寄与する。以上のサイクルを繰り返すことにより、このアクチュエータＭは台１０上を一方向に自走する。なお、図３から図６で省略されている電源回路９’により他方の駆動電極４と可動マス３との間で電圧印加のＯＮ−ＯＦＦを繰り返せば、アクチュエータＭが台１０上を逆方向に自走することはいうまでもない。なお、電源回路９，９’は密閉容器の内部に配置するようにしてもよい。
また、上記実施例において、台座部１４又は蓋部１６に静電気や磁気で吸い付ける機構を付加すれば、垂直な壁や天井を移動することも可能になる。さらに、アクチュエータＭと台１０との間に発生する摩擦は、アクチュエータＭの自重によるものではなく、バイアスばねの荷重によるものでも良い。
次に、本発明のアクチュエータの製造方法について、第１の実施例の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの製造方法を例にとって説明する。なお、この例は、図１に示したマイクロアクチュエータの構成と較べるとストッパーが無い構成であるが、作製プロセスとしては同等である。
図７は本発明の第１の実施例における作製プロセスの前半を示し、図８はその後半を示している。なお、図７の左側の各図は図１のＡ−Ａ線に沿う断面に相当し、右側の各図は図１のＢ−Ｂ線に沿う断面に相当している。この作製されるアクチュエータは、可動マス３の質量をより大きくするために、Ｓｉ（シリコン）基板をマイクロマシンニングすることにより裏面までエッチングして可動マス３と固定部１を形成し、固定部１及び駆動電極４を台座部１４となるパイレックスガラス（登録商標）と接合した構造になっている。
最初に、図７の（ａ）に示したように、厚さ２２５μｍの導電性の高いＳｉ基板１１の表面にＡｌ（アルミニウム）層１２を堆積し、図示しない第１フォトマスクを用いてＡｌ層１２を電極形成のためのパターンニングを行う。次に、図７（ｂ）に示したように、基板１１の裏面にレジスト層１３を塗布し、図示しない第２フォトマスクを用いてレジスト層１３を可動マスが空中に浮いた状態にするためのパターンニングを行う。そして、可動マスを空中に浮いた状態にするために図７（ｃ）に示したように、このレジスト層１３をマスクにして１回目のＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導性結合プラズマ−反応性イオンエッチング）を裏側から行う。このとき、外枠６となるＳｉ基板１１の部分にはレジストが残してあるのでエッチングされない。
そして、図７（ｄ）に示すようにレジスト層１３を除去した後に、図７（ｅ）に示すように、陽極接合によって台座部１４となるパイレックスガラスを（登録商標）Ｓｉ基板１１に接合し、基板１１とＡｌ層１２の表面にレジスト層１５を塗布して外枠となるＳｉ基板１１、弾性支持梁２、可動マス３を一体物として形成するためのパターンニングを行う。
次に、図８（ａ）に示すように、このパターンニングされたレジスト層１２をマスクにして２回目のＩＣＰ−ＲＩＥを表側から行う。続いて、図８（ｂ）に示すようにこのパターンニングされたレジスト層１５を除去し、図８（ｃ）に示したように３回目のＩＣＰ−ＲＩＥを表側から行い掘り下げて、弾性支持梁２、可動マス３が蓋部１６に接触しないようにする、すなわち、空中に浮いた状態にする。このとき、Ｓｉ基板１１及び固定部１上にはＡｌが残してあるのでこれらの部分はエッチングされない。最後に、図８（ｄ）に示すように、陽極接合または接着剤により蓋部１６となるパイレックスガラス（登録商標）をＡｌ層１２に接合する。このようにして、静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータが完成する。上記の陽極接合とは、パイレックスガラス（登録商標）とＳｉを接触させ、パイレックスガラス（登録商標）とＳｉ基板の間に高電界を印加して接合する方法である。
なお、通常は複数個のマイクロアクチュエータを同時に作製し、ダイシングソーによりチップにカットして一つのマイクロアクチュエータにする。
この製造方法によれば、高度に発達したＳｉ集積回路作製技術を用いているので、可動マス，弾性支持梁及び駆動電極などの構成要素を精密に一体化して大量に一括作製することができ、従って安価でアクチュエータを作製し得て、しかもアクチュエータ間の差が小さくて信頼性が高い。
また、この製造方法によれば、個別に組み立てる必要も、個別に調整する必要もなく、極めて小型にできる。
さらに、この製造方法によれば、マイクロアクチュエータの上下面がパイレックスガラス（登録商標）で、左右面がＳｉ結晶で密閉された構造となるので塵埃や水分の侵入がなく、環境信頼性が高くまた寿命が長い。
この方法を用いて作製したマイクロアクチュエータは、弾性支持梁２の長さが５００μｍ，６００μｍの時、可動マス３がストッパーに衝突するのに要する駆動電圧はそれぞれ７０Ｖ，２０Ｖであり、共振周波数はそれぞれ３６８Ｈｚ，１００Ｈｚという結果を得た。この測定に用いたマイクロアクチュエーターの電子顕微鏡写真を図２２（ａ）及び（ｂ）に示す。
次に、第２の実施例について説明する。
図９は本発明の第２の実施例を示す分解斜視図であり、下面に異方性エッチングによるＶ字型溝１７ａが形成された移動台１７を、上面に異方性エッチングによるＶ字型突条１８ａが形成された固定台１８上に、Ｖ字型溝１７ａとＶ字型突条１８ａが摺動可能に符合するように載置してリニア駆動ステージ１９を構成し、移動台１７の上面に一次元駆動型インパクトマイクロアクチュエータＭを固着してある。このアクチュエータＭにより移動台１７は固定台１８上を矢印方向に動く。なお、このアクチュエータＭの基本構造は、図１０及びそのＡ−Ａ線断面図である図１１に示すように上記第１の実施例と同じであるので、その詳細な説明は省略する。ただし、蓋部１６に配線用貫通孔２０を設けて、駆動電極４，可動マス３の固定部１及び外枠６などに電圧を加えたり接地したりすることができるようにしてある。
次に、第３の実施例について説明する。
図１２は本発明の第３の実施例を示す分解斜視図であり、下面に異方性エッチングによるＶ字型溝２１ａが形成されたＸ方向移動台２１と、上面に異方性エッチングによるＶ字型突条２２ａが形成され且つ下面にＶ字型突条２２ａと直角な方向の異方性エッチングによるＶ字型溝２２ｂが形成されたＹ方向移動台２２と、上面に異方性エッチングによるＶ字型突条２３ａが形成された固定台２３とを、溝２１ａとＶ字型突条２２ａ、Ｖ字型溝２２ｂとＶ字型突条２３ａがそれぞれ摺動可能に符合するように組み合わせてリニアＸＹ駆動ステージ２４を構成し、Ｘ方向移動台２１の上面に二次元駆動型インパクトマイクロアクチュエータＭ１を固着している。アクチュエータＭ１により、Ｘ方向移動台２１はＹ方向移動台２２上を矢印Ｘ方向に動き、Ｙ方向移動台２２は固定台２３上を矢印Ｙ方向に動く。
このアクチュエータＭ１の基本構成は、図１３及びそのＡ−Ａ線断面図である図１４に示されている。マイクロアクチュエータＭ１は、四隅の固定部１に一対のＴ字形弾性支持梁２によって支えられた可動マス３と、可動マス３の前後及び左右に間隔をおいて配置された二対の駆動電極４と、各駆動電極４の両側に配設された各一対のストッパー５，固定部１，駆動電極４及びストッパー５を支え且つ上記部材の外側を囲んでいるＳｉ基板で形成した外枠６の側壁と、によって構成されている。また、各駆動電極４と可動マス３との間にそれぞれ電源回路が接続されていて、それらのスイッチをＯＮ−ＯＦＦすることによりアクチュエータＭ１をＸＹ方向に動かす運動エネルギーが発生する。また、例えば、前後一方の駆動電極４と可動マス３との間及び左右一方の駆動電極４と可動マス３との間に同時に電圧の印加及び消去を行えば、アクチュエータＭ１を斜め方向に動かす運動エネルギーが発生する。すなわち、アクチュエータＭ１は、単一デバイスで二次元面内で任意の方向に駆動することが可能である。ただし、蓋部１６または台座部１４に配線用貫通孔２０を設けて、駆動電極４，可動マス３の固定部１及び外枠６の側壁などに電圧を加えたり接地したりできるようにしている。
なお、上記第２及び第３実施例における移動台１７，２１に設ける溝と固定台１８（２２）に設ける突部は、図１５に示したようにアリ溝１７ｃ（２１ｃ）とアリ１８ｃ（２２ｃ）でも良い。
また、図１６に示したように、移動体２５内に複数のアクチュエータＭまたはＭ１を固定して、より大型の駆動装置を構成しても良い。また、上記複数の一次元駆動アクチュエータＭの駆動方向を３次元に設定して移動体２５内に組み込めば、３次元の駆動が可能になる。また、上記一次元アクチュエータＭと二次元アクチュエータＭ１とを組み合わせて移動体２５に組み込むことによっても、３次元の駆動が可能になる。さらに、ステージの変位を検出するために、変位センサを集積化する、例えば摺動する面に静電容量式のセンサを作りこんだり、あるいは光エンコーダ用の刻みを入れても良い。
次に、第４の実施例を説明する。
図１７は本発明の第４の実施例である、回転駆動型の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
この静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータＭ２は、中心に位置する固定部１に弾性支持梁２によってそれぞれ支えられた一対の扇形の可動マス３と、可動マス３の円周方向前後に間隔をおいて配置された一対の駆動電極４と、各駆動電極４と可動マス３との間に配設された各ストッパー５と、固定部１，駆動電極４及びストッパー５を支え且つ上記部材の外側を囲んでいる外枠６とによって構成されている。なお、弾性支持梁２の弾性は弱くて良い。さらに、各可動マス３と駆動電極４との間にそれぞれ図示しない電源回路が接続されている。また、アクチュエータＭ２全体が図示しない台に枢支されている。そして、各電源回路のスイッチをＯＮ−ＯＦＦすることにより可動マス３が時計方向または反時計方向に回動してストッパー５に衝突し、アクチュエータＭ２を回転方向に動かす運動エネルギーが発生する。
次に、本発明の第５の実施例を説明する。
図１８は本発明の第５実施例である、鐘突き駆動型の静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す図である。
この静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータＭ３は、外枠６と、外枠６に通常斜めの平行ばねからなる弾性支持梁２によって吊り下げ支えられた可動マス３と、可動マス３の下方に間隔をおいて配置された駆動電極４と、可動マス３の前方に間隔をおいて配設されたストッパー５とから構成され、弾性支持梁２，可動マス３，駆動電極４及びストッパー５は外枠６内に収納されている。なお、弾性支持梁２の弾性は弱くて良いが、斜めの状態で可動マス３を支持する強さを持っている。さらに、外枠６及び弾性支持梁２を介して可動マス３と駆動電極４との間に、電源７とスイッチ８からなる電源回路９が接続されている。また、アクチュエータＭ３全体が台１０に載せられている。そして、図１９に示したように、電源回路９のスイッチ８をＯＮ−ＯＦＦすることにより可動マス３が駆動電極４に引き寄せられ、その引力の水平方向の分力によりストッパー５に向かって運動し、ストッパー５に衝突して、アクチュエータＭ３を台１０上を水平方向に動かす運動エネルギーが発生する。
次に、本発明の第６の実施例を説明する。
図２０は第６の実施例である、固定部がストッパーを兼ねる、静電インパクト機構を用いた一次元駆動型マイクロアクチュエータの平面図であり、図２１は図２０のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
この静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータＭ４は、一対の弾性支持梁２を有し、各々の弾性支持梁２は、４枚の弾性薄板２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、これらの弾性薄板の一端を固定してこれらの弾性薄板を平行に支持する弾性薄板２ｅとからなり、これらの弾性薄板の外側の弾性薄板２ａ，２ｄの他端が２つの固定部１，１’の固定端１ａ，１’ａでそれぞれ固定され、内側の弾性薄板２ｂ，２ｃの他端が可動マス３に固定されている。固定部１，１’は、外枠６と一体物であり、固定部１，１’の腕部１ｂ，１’ｂが可動マス３の一辺と平行に延伸し外枠６と接続した形状を有している。他の構成は第１の実施例と同様である。
この構成によれば、弾性支持梁２が２個の固定部１，１’で支持されるから機械的強度が増し、信頼性が向上する。また、固定部１，１’がストッパーを兼ねている。可動マス固定部（ストッパー）に衝突した際に、可動マス３の電荷が固定部１，１’に移動し、この電荷が外枠６を介して電源に吸収されるから、ストッパーに電荷が蓄積されることが無くなり、動作が安定する。
次に、本発明の第７の実施例を説明する。
図２２は第７の実施例である、駆動電極４が分割された静電インパクト機構を用いた一次元駆動型マイクロアクチュエータの平面図である。
この静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータＭ５は、独立な４個の電源部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを有し、それぞれ独立に４個の駆動電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを駆動できるようになっており、他の構成は他の実施例と同様である。
この構成によれば、任意の一個の電極を駆動することにより、弾性支持梁のねじれ効果によって進行方向を所望の方向に変えることができる。
なお本発明は例示的な実施例について説明したものであり、本発明の要旨及び範囲を逸脱することなく、実施例での種々の変更、省略、追加が可能である。従って本発明は実施例に限定されるものでなく、特許請求項に記載された要素によって規定される範囲及びその均等範囲を包含するものとして理解されなければならない。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明のマイクロアクチュエータによれば、極めて小型のマイクロアクチュエータを提供できる。特に、静電駆動される可動マスを駆動源に持つ環境信頼性の高い自走型インパクトアクチュエータを提供することができる。  また、本発明の製造方法によれば、バルクマイクロマシニングを利用して製造するので、極めて精度良く、かつ、個別に組み立てる必要がないので極めて低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
本発明は、以下の詳細な説明及び本発明の実施例を示す添付図面に基づいて、より良く理解されるものとなろう。なお、添付図面に示す種々の実施例は本発明を特定又は限定することを意図するものではなく、単に本発明の説明及び理解を容易とするためのものである。
図中、
図１は本発明の第１実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図３は本発明の第１実施例である、静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの作動原理を説明するための構成模式図である。
図４は図３において電源回路をＯＮにした状態を示す図である。
図５は図３において可動マスがストッパーに衝突にした状態を示す図である。
図６は図３において電源回路をＯＦＦにした状態を示す図である。
図７は本発明のマイクロアクチュエータの製造方法（前半）を示す図である。
図８は本発明のマイクロアクチュエータの製造方法（後半）を示す図である。
図９は本発明の第２の実施例を示す図である。
図１０は本発明の第２の実施例に用いる静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図１１は図１０のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図１２は本発明の第３の実施例を示す図である。
図１３は本発明の第３の実施例に用いる静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図１４は図１３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図１５は第２及び第３の実施例に用いる溝及び突条の変形例を示す断面図である。
図１６は第２及び第３の実施例の応用例を示す斜視図である。
図１７は本発明の第４の実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図１８は本発明の第５の実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図１９は本発明の第５の実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの作動原理を示す図である。
図２０は本発明の第６の実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図２１は図２０のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図２２は本発明の第７の実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの構成を示す平面図である。
図２３は本発明の第１実施例である静電インパクト機構を用いたマイクロアクチュエータの電子顕微鏡写真である。
【図１】
0003831919.tif 000002
【図２】
0003831919.tif 000003
【図３】
0003831919.tif 000004
【図４】
0003831919.tif 000005
【図５】
0003831919.tif 000006
【図６】
0003831919.tif 000007
【図７】
0003831919.tif 000008
【図８】
0003831919.tif 000009
【図９】
0003831919.tif 000010
【図１０】
0003831919.tif 000011
【図１１】
0003831919.tif 000012
【図１２】
0003831919.tif 000013
【図１３】
0003831919.tif 000014
【図１４】
0003831919.tif 000015
【図１５】
0003831919.tif 000016
【図１６】
0003831919.tif 000017
【図１７】
0003831919.tif 000018
【図１８】
0003831919.tif 000019
【図１９】
0003831919.tif 000020
【図２０】
0003831919.tif 000021
【図２１】
0003831919.tif 000022
【図２２】
0003831919.tif 000023
【図２３】
0003831919.tif 000024