CN1433379A

CN1433379A - 齿轮及其制作方法

Info

Publication number: CN1433379A
Application number: CN00818842A
Authority: CN
Inventors: 西孝
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-06
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2003-07-30
Anticipated expiration: 2020-12-04
Also published as: AU1651301A; CN1304273C; US6948245B2; WO2001042131A1; TW473596B; JP4611592B2; US20040049918A1

Abstract

为了蜗杆(1)旋转，在基板(3)上形成间隙(形成与轴承部，蜗轮的间隙部分区域)(图4(1)～图4(3))。形成制造蜗杆的下半部区域的模具(12)(图4(8))。将蜗杆材料(5)堆积到下半部区域与蜗杆的上半部的高度(图4(9))。形成蜗杆的上半部(图4(10)～图4(12))。最后，为了齿轮可以旋转，除去位于基板(3)与齿轮(1)的间隙内的材料(13)(图4(13))。

Description

齿轮及其制作方法

技术领域

本发明涉及适用于微型机械的从亚微米到厘米大小的齿轮，特别是，涉及把齿轮周面上的突出状的齿，或者磁性齿，或者静电齿中的任何一种齿形成的旋转轴与基板平行的蜗杆、垂直的蜗杆、倾斜的蜗杆，或者将其形成的旋转轴与基板面平行的正齿轮，倾斜的正齿轮，或者形成的旋转轴垂直于基板面的伞齿轮，水平伞齿轮或倾斜伞齿轮及其制造方法。

背景技术

作为齿轮的一个例子，图18表示用于普通机械的蜗杆和蜗轮的组合。图17所示的旋转轴垂直于基板面设置的、周面上具有突起的正齿轮是一种利用用于现有的半导体制造工艺等的薄膜形成、微细加工技术容易制成的形状。但是，对于除这种正齿轮以外的、例如具有像蜗杆这种螺旋状的齿的齿轮等复杂形状的齿轮则不能制造。

此外，代替突起状的齿轮，特开平9-56146号公报中提出了一种在周面上形成磁性齿的齿轮。这种齿轮的磁性齿与齿轮基体分开，利用半导体加工工艺制成柔性基板。然后，将在基体上形成磁性齿的柔性基板卷绕，制成磁性齿轮。但是，在这种方法中，可以制成毫米大小的齿轮，难以制成微米及亚微米级的齿轮。

对于装入到微型机械中的驱动用致动器(马达)，要求其超小型化。超小型的致动器所产生的动力也小，为了利用小的动力使微型机械运转，在动力传递路径上需要减速比大的动力传递用齿轮装置。对于这种齿轮装置，前面所述的齿轮，即，周面上有突起的齿轮，在周面上形成磁性齿的齿轮，以及周面上设置静电齿的齿轮是有效地。

本发明的目的是把前述齿轮形成在硅基板，玻璃基板，陶瓷基板，塑料基板，金属基板等各种基板上。

在基板的表面或背面，以及可形成于基板的内部的周面上具有突起、通过齿轮之间的啮合旋转的齿轮，或者利用磁力旋转的磁性齿轮，或者利用静电力旋转的静电式齿轮等，是本发明的对象。在图15所示的正齿轮的情况下，除旋转轴垂直于基板面的正齿轮之外的、例如图1及图2所示螺旋形蜗杆，图7所示的旋转轴平行于基板面的正齿轮，以及倾斜的正齿轮，图9所示的伞齿轮，倾斜的伞齿轮等复杂形状的齿轮在微型机械的实用化中是不可或缺的。

本发明是鉴于上述问题提出的，其目的是提供旋转轴垂直于基板面的蜗杆，倾斜的蜗杆、水平的蜗杆、水平的正齿轮、倾斜的正齿轮，垂直的伞齿轮，水平的伞齿轮、倾斜的伞齿轮，以及它们的制造方法，其中所述各齿轮，采用半导体制造工艺中使用的薄膜成形技术及微细加工技术设置有如下各种齿其中之一，所述齿为，可作为微型机械等的动力传递用的超小型化的周面上具有突起的齿轮的齿，周面上具有磁性齿的齿轮的齿，以及周面上具有静电齿的齿轮的齿。

发明的公开

本发明的齿轮的制造方法是将圆形截面上下分割制造旋转轴相对于基板面平行的蜗杆，或者倾斜的蜗杆的方法，其特征为，它由以下工序构成，形成制造半圆形的蜗杆形状的下半个型框的工序，向前述型框内堆积构成齿轮部和上半部齿轮的金属或其它材料的工序，蚀刻前述所堆积的材料，形成上半部蜗杆形状的工序。

本发明的另外一种齿轮的制造方法是制造旋转轴垂直于基板面的蜗杆或倾斜的蜗杆的方法，形成螺旋形状的一节或一节以下，例如形成一半，将螺旋结构堆垒起来形成。这时，为了制成突起的形状，可以用和齿轮主体不同的材料形成周面部分。在制成所需的螺旋结构后，用湿式蚀刻法将用与齿轮和基板不同的材料形成的槽部分除去，完成制造工作。为了形成倾斜的蜗杆，在形成螺旋形状的一节或不到一节，例如一半时，可以通过相对于基板面保持任意的角度形成。

本发明的另外一种齿轮制造方法是制造旋转轴相对于基板面平行的正齿轮或倾斜的正齿轮的方法，采用和水平蜗杆相同的制造工序，先形成下半部，再形成上半部。

本发明的另外一种齿轮制造方法是制造旋转轴垂直于基板面的伞齿轮的方法，可以用成膜和加工一个工序制成，但对于旋转轴与基板面平行的齿轮或倾斜的伞齿轮分割成上下半部制成。对于分割成上下两部分还不能形成的形状的齿轮，通过更细地分割形成。

附图的简单说明

图1圆柱形蜗杆的俯视图。

图2是圆柱形蜗杆的侧视图。

图3是用于说明根据本发明的第一实施例的微型机械用的旋转轴与基板面平行的蜗杆的制造方法的平面图。

图4是用于说明根据本发明的第一实施例的微型机械用的旋转轴与基板面水平的蜗杆的制造方法的剖视图。

图5是用于说明根据本发明的第二实施例的微型机械用的旋转轴垂直于基板面的蜗杆的制造方法的剖视图。

图6是用于说明根据本发明的第二实施例的微型机械用的旋转轴垂直于基板面的蜗杆的另一个制造方法的剖视图。

图7是用于说明根据本发明的第三实施例的微型机械用的旋转轴与基板面平行的正齿轮的制造方法的平面图。

图8是用于说明根据本发明的第三实施例的微型机械用的旋转轴与基板面平行的正齿轮的制造方法的剖视图。

图9是说明根据本发明的第三实施例的微型机械用的旋转轴垂直于基板面的伞齿轮的侧视图。

图10是用于说明根据本发明的第四实施例的微型机械用的旋转轴垂直于基板面的伞齿轮的制造方法的剖视图。

图11是说明根据本发明的第五实施例的微型机械用的旋转轴相对于基板面倾斜的齿轮的透视图。

图12是用于说明根据本发明的第五实施例的微型机械用的旋转轴相对于基板面倾斜的齿轮的制造方法的剖视图。

图1 3表示根据本发明的另外一种实施形式的微型机械用的磁性齿轮及静电式齿轮的制成品，是旋转轴与基板面平行的蜗轮的平面图。

图14是表示根据本发明的另外一种实施形式的微型机械用磁性齿轮及静电齿轮的制成品，是旋转轴垂直于基板面的蜗轮的侧视图。

图15是表示根据本发明的另外一种实施形式的微型机械用磁性齿轮及静电齿轮的制成品，是旋转轴与基板面平行的正齿轮的侧视图。

图16是表示根据本发明的另外一种实施形式的微型机械用的磁性齿轮和静电齿轮的制成品，是旋转轴垂直于基板面的伞齿轮的侧视图。

图17是旋转轴垂直于基板面的正齿轮的透视图。

图18是蜗杆和蜗轮的组合的透视图。

实施发明的优选方式

为了对本发明更加详细的描述，下面根据附图对其进行说明。

下面一面参照附图一面说明本发明的实施例。

采用磁性齿和静电齿的蜗杆，是除圆柱形齿轮之外，将鼓形蜗轮与正齿轮形的齿轮组合的齿轮机构，或者是将桶形蜗轮与碟形蜗轮组合的齿轮机构。

利用半导体加工工艺等用的薄膜形成技术及微细加工技术，和蜗杆、蜗轮、正齿轮及伞齿轮等的齿轮主体一起制成突起状的齿，磁性齿及静电齿。所谓薄膜形成技术是真空蒸发、溅射、镀敷等方法，所谓微细加工，有光刻法，蚀刻法等。进而，可以把这些技术进行适当的组合。

(第一实施例)

下面说明旋转轴与基板面平行的蜗杆的制造方法。图3是以平面图的方式表示的蜗杆的制造步骤的说明图。

上述蜗杆通过依次实施以下工序制成：为了蜗杆1的旋转，在基板3上形成凹部(构成轴承部9、与蜗轮的间隙部分4的区域14)的工序(图3的(1))，形成用于制造蜗杆的下半部的区域用的模具12的工序(图3的(2))，将蜗杆1的材料5堆积到用图3(2)的工序所形成的下半部的区域以及直到蜗杆1的上半部的高度的工序(图3的(3))，以及，形成蜗杆1的上半部的工序(图3的(4))。

下面对上述各工序进行详细说明。图4的(1)～(13)是表示蜗杆的制造步骤的剖视图。

对于为了使齿轮旋转，构成与基板1的间隙部分3的区域14的形成，首先，在基板3上涂布感光剂20(图4的(1))。但是，也可以不直接在基板上、而是在基板上进一步堆积其它材料，在所述其它材料上形成齿轮。

在感光剂20上利用EB直接曝光，反射曝光方式或投射曝光方式等描绘图形(图4(2))。这时，为了如图所示，使感光剂20形成半圆形的形状21，调节电子束或掩模上的遮光膜，控制曝光量。即，在EB直接曝光过程中，使电子束的强度连续变化，照射抗蚀剂，通过显影，把抗蚀剂的截面加工成任意的倾斜面或曲面形状。此外，也可以采用控制电子束的强度，改变电子束的照射次数的方法。

其次，在反射曝光方式或投影曝光方式中，利用遮光膜的厚度，形成在遮光膜上的微小的孔的配置，或者将它们组合起来的方法调节所用的掩模的反射光量，连续地控制曝光量，形成所需的形状。下面将这种方法称之为曝光量控制方法。除此之外，也可以用离子束及激光等直接蚀刻材料来形成。

将图4(2)的工序中形成的感光剂20作为掩模，可以沿垂直方向蚀刻基板面，并且使感光剂和被蚀刻材料，在这里为基本材料与感光剂材料的蚀刻速度相同地进行蚀刻22(图4(3)。下面将这种方法称之为复制蚀刻法。

堆积与齿轮不同的材料13(图4(4))。

将图4(4)工序中堆积的材料13，除去槽以外的区域(图4(5))。

接着，形成齿轮的下半部的模具。首先，将感光剂20涂布成等于齿轮的半径的厚度(图4(6))。

利用和图4(2)的工序相同的方法用曝光量控制法、将齿轮的下半部的模具23的形状进行曝光，显影，固化(图4(7))。

用和图4(3)的工序相同的方法，复制蚀刻，复制形成齿轮的下半部模具的24(图4(8))。

然后形成齿轮。

将齿轮材料5堆积到基板3上(图4(9))。这时的材料5的膜的厚度，在齿轮形成区域内，最厚的部分的膜厚等于齿轮的直径。

涂布感光剂20(图4(10))。调节其厚度，使之等于齿轮的半径。

利用倾斜曝光法在涂布的感光剂20上制成齿轮的上半部25(图4(11))。

利用复制蚀刻法，蚀刻基底材料，复制构成形成于上部的齿轮的上半部25的形状(图4(12))。

最后，除去位于基板3与齿轮1之间的材料13，形成间隙4，齿轮可以旋转(图4(13))。

此外，除圆柱形蜗杆之外，可以形成鼓形蜗杆，桶形蜗杆等各种形状。

(第二实施例)

下面说明旋转轴垂直于基板面的蜗轮的制造方法。图5表示前述蜗轮的制造步骤的剖视图。

图5的(1)～(4)是制造螺旋基座的工序。

为使齿轮旋转，形成相对应于轴承部30以及基板3和齿轮1的间隙部分31(图5(1))。

在基板3上堆积厚度相等于螺旋的第一节的高度的齿轮材料5和感光剂20(图5(2))。

用曝光量控制法将感光剂20曝光，形成螺旋形状的一圈(图5(3))。

将感光剂20的形状复制，形成齿轮的基座51(图5(4))。

接着形成齿轮1的槽1a部分。该槽1a将与构成齿轮的材料5不同的材料13堆积到基板前面，在其上堆积抗蚀剂。然后，在光刻工艺中，利用画出的轮状图形的通常的掩模曝光，显影，蚀刻，在槽1a的部分上形成残留的材料13。蚀刻后，除去抗蚀剂(图5(5))。

进而，制造构成齿轮的突起部的部分与齿轮的中心部。即，堆积材料5，以和图5(2)～(4)的工序相同的方法形成(图5(6))。

接着，反复进行图5(5)的工序和图5(6)的工序，一直到所需的齿数5₁，5₂，5₃，...5_n，形成叠层(图5(7))。该叠层由齿轮材料5及与齿轮不同的材料13构成。进而，将作为上侧的间隙部分的材料31堆积在上部轴承之间，在其上形成轴承部。

最后除去上下连续的材料31(图5(8))。借此，作为齿轮，制成可以旋转的结构。在表示制成蜗轮的图5(8)中，旋转轴8与轴承部9是平行的，但为了减少摩擦，可以改变形状，或者使双方为曲面状，或者使其中之一变尖。此外，在旋转轴8与轴承部9之间可以利用曝光量控制法及复制蚀刻法形成滚珠轴承。

下面说明与上述方法不同的另外一种制造方法。图6是旋转轴垂直于基板面的蜗杆的另外一种制造方法的说明图。

为使齿轮旋转，形成对应于轴承部以及基板3与齿轮之间的间隙部分31。然后，用齿轮材料5形成具有一个方向倾斜的面的齿部(图6(1))。接着，用与齿轮材料5不同的材料13形成齿轮的槽部分，相当于磁性齿或静电齿的部分的环的一半(图6(2))。接着，为了形成环的另一半，形成与开始形成的一半具有相反的倾斜面的齿部及槽部(磁性齿，静电齿)(图6(3)，(4))。进而，交替地进行这些步骤，形成所需齿数的齿轮。

此外，除圆柱形齿轮之外，可以形成鼓形蜗杆，桶形蜗杆等各种形状。

(第三实施例)

下面说明旋转轴与基板面平行的正齿轮的制造方法。本实施例为具有四个突起的正齿轮。

上述正齿轮通过依次实施以下步骤制成，即，为了齿轮旋转形成基板与齿轮间的间隙部分4的区域14及轴承部9的工序(图7(1))，形成齿轮的下半部型框12的工序(图7(2))，堆积构成齿轮的材料5的工序(图7(3))，形成齿轮的上半部的工序(图7(4))。

下面对各个工序进行详细说明。图8的(1)～(8)是表示正齿轮的制作步骤的剖视图。

为了正齿轮可以旋转，在基板3上形成槽40，埋入与齿轮1及基板3不同的材料41。在这样形成的基板上涂布感光剂20(图8(1))。

通过曝光量控制曝光，形成正齿轮的下半部42(图8(2))。

借助复制蚀刻形成相当于齿轮的下半部的型框43(图8(3))。

将齿轮的材料5堆积到等于齿轮的直径的厚度(图8(4))。

涂布等于齿轮直径的厚度的感光剂20(图8(5))。

通过倾斜曝光形成齿轮的上半部的形状1A(图8(6))。

通过基底材料进行复制蚀刻，形成齿轮1(图8(7))。

除去基板3与齿轮1的间隙部分的材料41(图8(8))。

在本实施例中，表示出齿轮突起为四个的例子，但也可以形成除四个以外的突起的正齿轮。

(第四实施例)

下面对旋转轴垂直于基板面的伞齿轮的制作方法进行说明。图9是前述伞齿轮的侧视图。

为了齿轮可以旋转，在基板3上制作槽，将与齿轮及基板不同的材料31埋入该槽内。(图10(1))。

在形成槽的基板上堆积齿轮材料5(图10(2))。

涂布感光剂20(图10(3))。

通过曝光量控制曝光，形成伞齿轮的形状50(图10(4))。

复制蚀刻，形成伞齿轮51(图10(5))。

除去位于基板与齿轮之间的材料31，制成伞齿轮(图10(6))。

(第五实施例)

下面说明旋转轴相对于基板面倾斜的齿轮的制造方法。图11是表示旋转轴相对于基板面倾斜的齿轮的轮廓的透视图。本实施例适合于齿轮的旋转轴相对于基板面倾斜的蜗杆、正齿轮及伞齿轮。

在基板3或形成于基板上的基板之外的材料上涂布抗蚀剂20(图12(1))。

蚀刻基板3，将抗蚀剂的形状60复制蚀刻到基板3(基底材料上)(图12(2))。

用与基板不同的材料在基板3的表面上形成膜61(图12(3))。

在基板3上堆积齿轮材料5，在其上涂布抗蚀剂20(图12(4)。

蚀刻基板3，把抗蚀剂的形状蚀刻到基板3上(图12(5))。

蚀刻用前述图12(3)的工序形成的膜61，将其除去(图12(6))。

本发明除根据上述实施例的齿轮之外，还包括以下实施形式。图13～图16表示有磁性齿轮及静电齿轮的各种制成品，图13是旋转轴与基板面平行的蜗杆，图14是垂直于基板面的蜗杆，图15是与基板面平行的正齿轮，以及图16是垂直于基板面的伞齿轮。在这些图中，用白和黑的中间色表示磁性齿。配置N极或S极的任何一种。此外，也可以将N极和S极邻接地配置。静电齿轮的情况也一样，可以配置在白与黑的中间色部分。

除上述齿轮之外的形状的复杂齿轮，例如旋转轴相对于基板面倾斜的各种齿轮，旋转轴水平的伞齿轮等，可以通过曝光量控制法及复制蚀刻法制成。

工业上的应用性

如上所述，根据本发明的齿轮及其制造方法，对于周面上具有突起状的齿的齿轮，或者周面上具有磁性齿的齿轮或周面上有静电齿的齿轮中，将采用其中任何一种齿的蜗轮，正齿轮，伞齿轮等齿轮，以及形状更加复杂的其它齿轮，利用蒸镀，溅射，镀敷技术，CVD，氧化工艺加工等薄膜形成技术，以及光刻，蚀刻，FIB等微型加工技术，可以用相同的工艺一起形成齿及齿轮。特别是，作为微型机械用、可以制作亚微米，微米及毫米大小的超小型齿轮。此外，也可以及蜗杆变形作为微型孔穿孔用的钻头使用。

Claims

1.齿轮制造方法，制造齿轮彼此间机械地啮合传递力，为了旋转在周面上设置突起的齿轮，通过磁力非接触地传递力、为了旋转在周面上设置磁性齿的齿轮，通过静电力非接触地传递力、为了旋转在周面上设置静电齿的齿轮，其特征为，

采用半导体工艺用的薄膜形成技术及微型加工技术，形成前述齿轮的旋转轴相对于基板面平行的蜗杆，垂直于基板面的蜗杆，相对于基板面平行的正齿轮，以及垂直于基板面的伞齿轮，进而，前述齿轮的旋转轴相对于基板面倾斜的蜗杆，正齿轮及伞齿轮。

2.如权利要求1所述的齿轮制造方法，其特征为，旋转轴相对于基板面平行的蜗杆的制造方法由以下工序构成：

为了蜗杆旋转，在基板上形成间隙的工序，

形成用于制造蜗杆的下半部区域用的模具的工序，

将蜗杆材料堆积到所形成的下半部区域和蜗杆的上半部的高度的工序，

形成蜗杆的上半部的工序。

3.如权利要求1所述的齿轮制造方法，其特征为，旋转轴垂直于基板面的蜗杆的制造方法由以下工序构成：

为使齿轮旋转，形成相当于轴承部以及基板与齿轮的间隙的部分的工序，

将齿轮材料与感光剂在基板上堆积到仅与螺旋的一节的高度相等的厚度的工序，

将感光剂倾斜曝光，形成螺旋旋转的一圈的工序，

复制蚀刻感光剂的形状，形成齿轮的基底的工序，

形成齿轮的槽的部分的工序，

制造成为齿轮的突起部的部分及齿轮的中心部的工序，

反复叠层形成齿轮材料和与该齿轮不同的材料直到所需齿数为止的工序，

将连接上下的材料除去的工序。

4.如权利要求1所述的齿轮制造方法，其特征为，旋转轴与基板面平行的齿轮的制造方法由以下工序构成：

为了齿轮旋转，形成基板与齿轮的间隙部分的区域的工序，

形成齿轮的下半部的型框的工序，

堆积构成齿轮的材料的工序，

形成齿轮的上半部的工序。

5.如权利要求1所述的齿轮制造方法，其特征为，旋转轴垂直于基板面的伞齿轮的制造方法由以下工序构成：

为了使齿轮可以旋转，在基板上制作槽，用与齿轮和基板不同的材料将该槽埋住的工序，

在形成槽的基板上堆积齿轮材料的工序，

涂布感光剂的工序，

倾斜曝光，形成伞齿轮的工序，

复制蚀刻，形成伞齿轮的工序，

除去基板与齿轮之间的材料的工序。

6.一种齿轮，其特征为，它利用权利要求1～5中所述的任何一种方法制成。