JP2007259691A - Ｍｅｍｓの静電駆動法、静電アクチュエーター、及びマイクロスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】可動部に印加される駆動力が大きく、また動作速度を増大させることができる静電駆動法を提供する。
【解決手段】ＭＥＭＳの可動部１００と一体に形成された第１電極１０と、前記可動部と一体に形成された少なくとも一つの第２電極２０と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成される間隙とを有し、前記第１電極と前記第２電極とは非導電部材３０によって互いに電気的に絶縁されており、前記電極間に力を生じさせる電荷を前記電極に誘起させ、前記電極間にはたらく力が前記ＭＥＭＳの前記可動部を変形させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）のアクチュエーションに関する。

マイクロエレクトロメカニカルシステム（以下、「ＭＥＭＳ」という。）は、低コスト低消費電力なＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）用途の部品を実現可能な技術として、最も期待されている。これらＭＥＭＳデバイスはミクロンサイズであり、集積化も可能である。このことから、現在、ＲＦシステムでは受動素子が大きな面積を占めてしまうという問題があるが、ＲＦシステム内の受動素子の全てを、たった一つのＭＥＭＳチップに、或はＲＦシステム用の処理チップに集積化することによって、この問題を回避することができると期待されている。

上記のような技術を用いて製造されるアクチュエーターはすでに数多く開発されているが、実際に市場に出ているのはそのうちごく僅かである。このようなデバイスの性能を左右する重要な要素として挙げられるのが、搭載されるデバイスの種類ごとに異なるアクチュエーターの駆動方法である。ＭＥＭＳの駆動方式は様々あり、例えば、電熱による方法、静電力による方法、磁気による方法、圧電による方法等が挙げられる。今日、最も用いられているＭＥＭＳの駆動方式の一つが、静電力による方法すなわち静電駆動法である。静電駆動では、積層された二つの導電体（電極）に電圧を印加して、導体に電荷を誘起し、誘起された電荷間に働く力を駆動力として利用する。このような静電駆動法の利点の一つは、電極間の間隙が小さいほど、大きな駆動力を得られるということである。しかしながら依然として、通常の場合、大きな面積を必要とすることが課題として残る。アクチュエーターが大きな面積を占めてしまうと、搭載されるデバイスの動作速度及び信頼性を低下させてしまったり、面積あたりの製造コストを高くしてしまう等、多くの不都合が生じる。

今まで、静電駆動方式を採用しているマイクロデバイスのほとんどが、デバイスの可動部（片持ち梁構造、或は両端が固定された桁からなる橋のような構造をもつ）に電極を採用すると共に、固定電極を基板に設けていた。

欧州特許出願公開第１３５４８４８号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１５９３６−Ａ１号明細書

上記のようなデバイスにおいて問題となるのが、電極間の間隙が大きくなると、可動電極を動作させる駆動力が小さくなってしまうことである。このことから、これらのデバイスでは、駆動力を大きくするために広い面積が必要となり、その結果、重量が増し、パワーの減衰効果が大きくなることによって、動作速度が著しく落ちてしまっていた。この問題は現在、様々な方法によって部分的には解決されている。例えば、減衰効果を減らすために可動部に穴を設ける（しかし同時に、全体的な駆動力も減らしてしまう）、駆動力を増大させるために面積を大きくする（しかし同時に動作速度を低下させ、電極の貼りつきの問題が起きやすくなる）、電極間の間隙を小さくする（これも電極の貼りつきの問題を起こしやすくし、多くの場合、重要なパラメーターとなるデバイス特性の質を低下させてしまう）、厚みを小さくする等の方法がとられている。

このようなデバイスの一例として、特許文献１に記載されたＭＥＭＳが挙げられる。特許文献１には、アクチュエーターと一体に形成された屈曲部によって支持及び動かされる可動部を有するＭＥＭＳが開示されている。そして特許文献１に開示されているデバイスでは、駆動される二つの電極が一つの導電体から形成されており、また、斥力による動作に限定されている。

また、特許文献２には、静電アクチュエーターが開示されている。特許文献２に開示された静電アクチュエーターには、メイン電極と駆動体との間に積層補助電極がさらに設けられている。正電荷或は負電荷が、メイン電極と、各補助電極と、駆動体とに印加され、メイン電極に隣接する補助電極間及び駆動体に隣接する補助電極間にそれぞれ静電引力が生じる。

初めに、請求項１に係る本発明の静電駆動方法、請求項１２に係る本発明の静電アクチュエーター、及び請求項２４もしくは請求項２５に係る本発明のマイクロスイッチについて述べる。本発明の静電駆動方法及び静電アクチュエーターの好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

また、本発明は、静電アクチュエーターの両電極の形成、及びデバイスの可動部に関する。

本発明の第１の態様に係るマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）の静電駆動法は、ＭＥＭＳの可動部と一体に形成された第１電極と、同様に前記ＭＥＭＳの前記可動部と一体に形成された少なくとも一つの第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成される間隙とを有し、前記第１電極と前記第２電極とは非導電部材によって互いに電気的に絶縁されており、前記第１電極と前記第２電極との電極間に力を生じさせる電荷を前記第１電極と前記第２電極とに誘起させ、前記電極間にはたらく力が前記ＭＥＭＳの前記可動部を変形させることを特徴とする。

非導電部材は、第１の電極と第２電極とを絶縁するように形成される限り、第２電極の長さ方向のどの部分に配置されていてもよい。

このように本発明の静電駆動方法によれば、本発明の静電駆動方法が適用されるデバイスの可動部に印加される力を増大させることが可能であり、デバイスの撓み振動の周期間その効果は続く。また、本発明によれば大きな駆動力を得ることができるので、アクチュエーション領域の面積縮小、及び印加する電圧を小さくすることが可能である。さらに、軽量化が可能となり、大きな駆動力を得ることができるので、動作速度を増大させることができる。したがって、本発明の駆動方法によれば、非常に良い性能を有するデバイスを得ることが可能である。

本発明の静電駆動方法において、前記非導電部材は前記第２電極の長さ方向に沿って存在する第１部分の上に少なくとも配置されていることが望ましい。また、前記第１部分は前記第２電極の第１の端部であってもよい。この場合、第２電極もしくは駆動電極は、梁状の形をなすタイプとなる。

また、前記非導電部材は前記第２電極の少なくとも第２部分の上にも配置されていてもよい。また、前記第２部分は、前記第２電極の前記第１の端部と対向する第２の端部であってもよい。

また、本発明の静電駆動方法において、二つ以上の前記第２電極が、前記可動部の長さ方向に沿って形成されていることが望ましい。

また、前記可動部の長さ方向に沿って、複数の前記第２電極が同じ側に形成されていてもよい。

これら二つ以上の第２電極は、梁形状型であってもよいし、橋形状型であってもよい。

さらに、本発明の静電駆動方法は、前記誘起された電荷が同極性であり、前記電極間に斥力がはたらいている場合と、前記第１電極と前記第２電極との間に電位差を印加することによって生じる引力がはたらいている場合とを含む。

前記第２電極は長くても前記第１電極とほぼ同じ長さであることが望ましい。

本発明の第２の態様に係る静電アクチュエーターは、少なくとも第１電極及び第２電極からなる一組の電極を有するＭＥＭＳ用の静電アクチュエーターであって、前記第１電極は、前記ＭＥＭＳの可動部と一体に形成され、前記第２電極は、同様に前記ＭＥＭＳの前記可動部と一体に形成され、前記第１電極と前記第２電極との間に間隙が形成され、前記第１電極と前記第２電極とは非導電部材によって互いに電気的に絶縁され、前記第１電極と前記第２電極とに誘起された電荷により前記第１電極と前記第２電極との間に力が生成され、これにより前記ＭＥＭＳの前記可動部が変形することを特徴とする。

前記第１電極と前記第２電極とを駆動するための電圧が、前記可動部を通じて印加されてもよいし、一又は複数の別途設けられた層を通じて印加されてもよい。後者の場合、前記一又は複数の別途設けられた層は、可撓性を有することが望ましい。これは、前記可動部或は可撓部の動作に与える影響を可能な限り最小にするためである。すなわち、アクチュエーションによる可動部の撓みの度合いが、別途層を設けていない場合の可動部の撓み具合と同等となるようにするためである。

本発明に係る静電アクチュエーターにおいて、前記非導電部材は、少なくとも前記第２電極の長さ方向に沿って存在する第１部分上で、前記第２電極と前記第１電極とを絶縁していてもよい。また、前記第１部分は前記第２電極の第１の端部であってもよい。この場合、第２電極は、梁形状型となる。

また、前記非導電部材は、少なくとも前記第２電極の第２部分の上でも、前記第２電極と前記第１電極とを絶縁していてもよい。前記第２部分は、前記第２電極の前記第１の端部と対向する第２の端部であってもよく、この場合、第２電極が橋形状型であってもよい。

本発明のより好ましい態様によれば、静電アクチュエーターは、前記可動部の長さ方向に沿って形成された少なくとも二つの第２電極を含むことが望ましい。

本発明の静電アクチュエーターは、複数の前記第２電極を前記可動部の同じ側に有してもよいが、前記第２電極は前記可動部の長さ方向に沿って形成されていることが望ましい。もしくは、前記第２電極が前記可動部の両側に前記可動部の長さ方向に沿って形成されていてもよい。この場合、同じ側に形成されている二つもしくはそれ以上の第２電極は、同じ型の電極であることが望ましい。

これら二つ以上設けられる第２電極は、梁形状型であってもよいし、橋形状型であってもよい。

本発明の静電駆動方法は、性能特性を最適化したＭＥＭＳを製造するのに適用することができる。ここで言う性能特性とは、低い駆動電圧、大きな撓み、速い動作速度、そして小さなデバイス面積である。
本発明の方法によれば、デバイス面積が小さくなり、また容易に製造できるようになることから、低コストでデバイスを製造することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る静電アクチュエーターを示し、図１（ａ）は正断面図、図１（ｂ）は動作時の正断面図であり、本発明の静電駆動の原理を示している。

静電アクチュエーターは第１電極１０を有し、この第１電極１０は、当該静電アクチュエーターが搭載されるデバイスの可撓性を有する可動部１００（例えば、梁のようなもの）の一部を構成する。また、静電アクチュエーターは、可動部１００の一部を構成し電気的に絶縁された二つの非導電部材としての支持部３０の上に形成された第２電極２０を有する。第２電極２０は、駆動電極としての機能を有している。第１電極１０と第２電極２０との間には、空隙もしくは柔らかい誘電体４０が存在する。柔らかい誘電体４０の場合、当該誘電体４０はデバイスの変形を、十分な許容可能な程度に、柔軟性を有する必要がある。

第１の実施形態において、電極間に間隙を有し、アクチュエーション構造（橋のような）をなす要素である第１電極１０、第２電極２０、支持部３０の各々は、デバイスの可動部１００の上に形成されている。

この二つの電極（第１電極１０、第２電極２０）に電位差を印加することにより、電極領域に引力が生じ、可動部１００を変形させる。

そして、柔らかい支持材を用いて、もしくは、単純に支持体を幾何学的に設計することにより、可動部１００を変形可能にする支持部３０を形成する。この支持部３０により、可動部１００全体を撓ませることができる。

撓む方向は、第２電極２０（駆動電極）が配置された方向に依存する。

先述のように、図１は所定の梁構造を有する場合の静電駆動の原理を示している。第１電極１０と第２電極２０との電極間の間隙を小さくすることにより大きな駆動力が得られるため、搭載される装置の多くの場合、アクチュエーション領域を小さくすることが可能となる。また、より高い駆動力を必要とする場合には、デバイスのアクチュエーション領域をより広くするか、もしくは並列アクチュエーターをさらに加えてもよい。

第１電極１０と第２電極２０の両電極を駆動させる電圧は、可動部１００自体を通じて印加するようにしてもよいし（可動部１００が電気的な導電性を有する場合）、別の層を設けて印加するようにしてもよい。後者の場合、可動部１００の変位量を最大にするために、設けられた電気的接続部分が可動部１００の動作に与える影響を、可能な限り最小にしなくてはならない。

本発明の駆動原理は、可動部１００の変位が面外の場合でも面内の場合でも適用可能である。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエーターを示し、図２（ａ）、（ｂ）は正断面図、図２（ｂ）は動作時の正断面図である。本実施形態では、第１の実施形態で示した両端支持の橋のような構造の代わりに、片持ちの梁構造をなす第２電極（駆動電極）２０'を有する。第２電極（駆動電極）２０'は、電気的に絶縁された一つの支持体３０と間隙４０とによって第１電極１０とは電気的に絶縁されている。したがって、可動部１００とも電気的に絶縁されている。

図２（ｂ）は、本発明の駆動原理を示している。電荷が電極に誘起され、誘起された電荷間に働く力がＭＥＭＳの駆動源として利用されている。

間隙４０は、例えば、ポリシリコン層間の熱酸化物を取り除くことによる表面マイクロマシニングプロセスや、フォトリソグラフィーによる方法などにより形成することができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係るアクチュエーターを示し、図３（ａ）は正断面図、図３（ｂ）は動作時の正断面図である。本実施形態では、第２電極（駆動電極）２０がアレイ状に形成され、デバイスの可動部１００の長さ方向に沿って当該可動部１００上に配置されている。

このような構造において、第２電極（駆動電極）２０は、デバイスの変位が実現可能な限り、図示上方または下方（もしくは、面内変位における右側または左側）のどちら側に配置されていてもよい。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係るアクチュエーターを示し、図４（ａ）は正断面図、図４（ｂ）は動作時の正断面図である。本実施形態では、第２電極（駆動電極）２０'がアレイ状に形成され、デバイスの可動部１００が形成される長さ方向に沿って当該可動部１００上に配置されている。

（第５の実施形態）
本発明を適用可能な例の一つとして、図５に示すようなマイクロスイッチが挙げられる。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は正面図、図５（ｃ）は動作時を示す正面図である。マイクロスイッチ２００は、アレイ状に形成された第２電極（駆動電極）２０を有する。可撓性接続部５０を介して、アレイ状に形成された（マイクロスイッチの必須構成要素である）第２電極２０と第１電極１０との間に電位差が印加されると、マイクロスイッチはコンタクトパッド３００に接触する。

この場合、小さな電圧で大きな撓みを得ることが可能である。また、力が解放される際の復元力を高く保つことが可能であるので、マイクロスイッチが接触した後に貼り付いてしまうという静止摩擦の問題を回避することができる。

（第６の実施形態）
図６は、本発明を適用可能なマイクロスイッチの第２の実施形態を示している。図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は正面図、図６（ｃ）は動作時を示す正面図である。本実施形態では、マイクロスイッチ２００'はアレイ状に形成された第２電極（駆動電極）２０'（及び一つ支持体）が設けられており、上記と同様に第２電極（駆動電極）２０'と接続する電気接続部５０'が形成されている。

図３、４、５、及び６に示した実施形態では、デバイス中に同じ大きさを有する第２電極（駆動電極）２０、２０'が形成されていたが、これら第２電極（駆動電極）２０、２０'はそれぞれ異なる大きさに形成されていてもよい。実際には、図７に示すように、支持体、第１電極及び第２電極はそれぞれ等しい大きさを有する必要はなく、異なる幅、長さ、あるいは厚さに形成されていてもよい。なお、図７は、マイクロスイッチの応用例を示す図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は正面図、図７（ｃ）は動作時を示す正面図である。

本発明は、ＲＦのＭＥＭＳや、マイクロ流体工学分野、マイクロセンサー、マイクロアクチュエーターなど様々な分野に適用可能である。具体的な適用例としては、マイクロスイッチ、マイクロミラー、測位システム、マイクロバルブ等が挙げられる。

本発明の静電駆動の原理を説明するための第１の実施形態に係る静電アクチュエーターを示し、（ａ）は正断面図、（ｂ）は動作時の正断面図。 本発明の静電駆動の原理を説明するための第２の実施形態に係るアクチュエーターを示し、（ａ）は正断面図、（ｂ）は動作時の正断面図。 本発明の静電駆動の原理を説明するための第３の実施形態に係るアクチュエーターを示し、（ａ）は正断面図、（ｂ）は動作時の正断面図。 本発明の静電駆動の原理を説明するための第４の実施形態に係るアクチュエーターを示し、（ａ）は正断面図、（ｂ）は動作時の正断面図。 本発明の静電駆動法を用いた第５の実施形態に係るマイクロスイッチを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は動作時を示す正面図。 本発明の静電駆動法を用いた第６の実施形態に係るマイクロスイッチを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は動作時を示す正面図。 本発明の静電駆動法を用いたマイクロスイッチの応用例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は動作時を示す正面図。

符号の説明

１０…第１電極、１００…可動部、３０…非導電部材としての支持部、２０，２０'…第２電極（駆動電極）、４０…誘電体、２００，２００'…マイクロスイッチ、５０…可撓性接続部、５０'…電気接続部。

Claims (25)

1. ＭＥＭＳの可動部と一体に形成された第１電極と、前記可動部と一体に形成された少なくとも一つの第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成される間隙とを有し、前記第１電極と前記第２電極とは非導電部材によって互いに電気的に絶縁されているＭＥＭＳの静電駆動法であって、
   前記第１電極と前記第２電極との電極間に力を生じさせる電荷を前記第１電極と前記第２電極とに誘起させ、
   前記電極間にはたらく力が前記ＭＥＭＳの前記可動部を変形させることを特徴とするＭＥＭＳの静電駆動法。
2. 前記非導電部材は、前記第２電極の長さ方向に沿って存在する第１部分の上に少なくとも配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳの静電駆動法。
3. 前記第１部分は、前記第２電極の第１の端部であることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳの静電駆動法。
4. 前記非導電部材は、前記第２電極の第２部分の上にも少なくとも配置されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のＭＥＭＳの静電駆動法。
5. 前記第２部分は、前記第２電極の前記第１の端部と対向する第２の端部であることを特徴とする請求項４に記載のＭＥＭＳの静電駆動法。
6. 少なくとも二つの前記第２電極が、前記可動部の長さ方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳの静電駆動法。
7. 前記可動部の長さ方向に沿って、複数の前記第２電極が同じ側に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳの静電駆動法。
8. 前記第２電極が少なくとも二つ形成されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のＭＥＭＳの静電駆動法。
9. 前記誘起された電荷が同極性であり、前記電極間に斥力がはたらいていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳの静電駆動法。
10. 前記誘起された電荷が逆極性であり、前記電極間に引力がはたらいていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳの静電駆動法。
11. 前記第２電極は、前記第１電極とほぼ同じ長さを有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のＭＥＭＳの静電駆動法。
12. 少なくとも第１電極及び第２電極を有するＭＥＭＳ用の静電アクチュエーターであって、
    前記第１電極は、前記ＭＥＭＳの可動部と一体に形成され、
    前記第２電極は、同様に前記ＭＥＭＳの前記可動部と一体に形成され、
    前記第１電極と前記第２電極との間には間隙が形成され、
    前記第１電極と前記第２電極とは非導電部材によって互いに電気的に絶縁され、
    前記第１電極と前記第２電極とに誘起された電荷により前記第１電極と前記第２電極との間に力が生成され、これにより前記ＭＥＭＳの前記可動部が変形することを特徴とする静電アクチュエーター。
13. 前記第１電極と前記第２電極とを駆動するための電圧が、前記可動部を通じて印加されることを特徴とする請求項１２に記載の静電アクチュエーター。
14. 前記第１電極と前記第２電極とを駆動するための電圧が、一又は複数の別途設けられた層を通じて印加されることを特徴とする請求項１２に記載の静電アクチュエーター。
15. 前記可動部の動きに対する影響が最小限となるよう、前記一又は複数の別途設けられた層は可撓性を有することを特徴とする請求項１４に記載の静電アクチュエーター。
16. 前記非導電部材は、少なくとも前記第２電極の長さ方向に沿って存在する第１部分上で、前記第２電極と前記第１電極とを絶縁していることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか一項に記載の静電アクチュエーター。
17. 前記第１部分は前記第２電極の第１の端部であることを特徴とする請求項１６に記載の静電アクチュエーター。
18. 前記非導電部材は、少なくとも前記第２電極の第２部分の上でも、前記第２電極と前記第１電極とを絶縁していることを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の静電アクチュエーター。
19. 前記第２部分は、前記第２電極の前記第１の端部と対向する第２の端部であることを特徴とする請求項１８に記載の静電アクチュエーター。
20. 前記可動部の長さ方向に沿って形成された少なくとも二つの前記第２電極を有することを特徴とする請求項１２乃至１９のいずれか一項に記載の静電アクチュエーター。
21. 複数の前記第２電極が前記可動部の同じ側に形成されていることを特徴とする請求項１２乃至２０のいずれか一項に記載の静電アクチュエーター。
22. 前記第２電極が少なくとも二つ形成されていることを特徴とする請求項２０又は請求項２１に記載の静電アクチュエーター。
23. 前記非導電部材が、前記可動部が変形可能となるように形成されていることを特徴とする請求項１２乃至２０のいずれか一項に記載の静電アクチュエーター。
24. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のＭＥＭＳの静電駆動方法を採用したマイクロスイッチ。
25. 請求項１２乃至２３のいずれか一項に記載の静電アクチュエーターを有するマイクロスイッチ。

Images