JP2004188592A - マイクロマシン装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 新規かつ有用なMEMS系モータを提供する。
【解決手段】 MEMS装置は、回転子44と、固定子43と、固定子43に接続されかつ回転子44がその周りを回転するシャフト27とを備える。回転子44の一部に溝を形成し、回転子44の回転時に、回転子44を支持しかつそのシャフト27及び固定子43からの距離を維持するためのエアーベアリングが形成される。回転子44は、2つの基板13、23を接合することで形成される。一方の基板13は、円錐台状の壁を有する開口部7を有する面を備え、他の基板23は、基板の面に対して垂直な壁を含む開口部15を有する面を備える。両基板の開口部は、開口部対がチャンバ空間24を形成するように、互いに芯合わせされている。チャンバ空間24にはシャフト27が設けられており、シャフトは、その拡径部がチャンバ空間24に収容された状態で位置決めされている。シャフトの拡径部は、チャンバ空間24の円錐台状の壁に面した円錐台状の面を有している。
【選択図】 図10
【解決手段】 MEMS装置は、回転子44と、固定子43と、固定子43に接続されかつ回転子44がその周りを回転するシャフト27とを備える。回転子44の一部に溝を形成し、回転子44の回転時に、回転子44を支持しかつそのシャフト27及び固定子43からの距離を維持するためのエアーベアリングが形成される。回転子44は、2つの基板13、23を接合することで形成される。一方の基板13は、円錐台状の壁を有する開口部7を有する面を備え、他の基板23は、基板の面に対して垂直な壁を含む開口部15を有する面を備える。両基板の開口部は、開口部対がチャンバ空間24を形成するように、互いに芯合わせされている。チャンバ空間24にはシャフト27が設けられており、シャフトは、その拡径部がチャンバ空間24に収容された状態で位置決めされている。シャフトの拡径部は、チャンバ空間24の円錐台状の壁に面した円錐台状の面を有している。
【選択図】 図10
Description
本発明は、MEMS(micro electromechanical systems)技術を用いて製造することができるモータあるいはマイクロマシン装置及びその製造方法に関する。
近年、MEMS装置を開発するために多くの研究がなされている。MEMS装置とは、ミクロンオーダー(例えば、最大径が約10ミリ未満)の機械装置をいう。このような装置には、固定子に取り付けたシャフトの周りを回転する素子を含むものがある。このような装置は、図1の断面図に示すように、回転子101を備える。回転子101には貫通孔103が形成され、その後シャフト102が貫通孔103に挿通される。シャフト102は、銅巻線105が設けられた固定子104に接続される。回転子101は、金属製のヨーク層106及び厚膜の磁気層107が充填されたキャビティを備える。
キュー・ワイ・トン(Q.-Y. Tong)、ユー・ゴスレ(U. Gosele)、ジョン・ウィリー(John Wiley)著、半導体ウェーハボンディング:サイエンス及びテクノロジ、1999年(Semiconductor wafer bonding: science and technology, Q.-Y. Tong, U. Gosele, John Wiley、1999)
このような装置においては接触軸受は適当でなく、接触抵抗を最小化するために、シャフト102と貫通孔103の側面との間には十分な隙間を設けることが好ましい。しかし、シャフト102の回転中、その偏心を避けるためには、隙間を小さくしなければならない。その結果、可動部が互いに接触する接触面に摩擦抵抗が生じ、磨耗し易くなってしまう。
本発明は、新規かつ有用なマイクロマシン装置及び新規かつ有用なマイクロマシン装置製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、MEMS装置の少なくとも1つの面に、回転子が回転した場合に、回転子とシャフト及び/又は固定子間にエアーベアリングが生成されるように、溝を設けたことを特徴とする。
好ましくは、溝は、回転子の1つの面に対向する固定子の1つの面、又は固定子に対向する回転子の1つの面上に形成することができる。溝は、回転子とシャフト間の間隙を介して空気流を発生させる。
第1の実施の形態においては、エアーベアリングは、回転子と固定子間に設けることができ、少なくとも回転子の重さの一部を支持することができる。
第2の実施の形態においては、エアーベアリングは回転子とシャフト間に設けることができる。この場合は、第1の実施の形態と自由に組み合わせることができる。
例えば、エアーベアリングは、シャフトと固定子間に配設して、回転面(つまり、シャフトの軸に対して垂直な面)方向に成分を有する力を発生させてもよい。同力は、回転子の開口部の中心軸がシャフトの軸から離間した場合に、開口部の中心軸がシャフトの中心軸と一致するよう元に戻るように、回転子を付勢する。
さらに好ましくは、シャフトと固定子は共に、両者間の間隙が周方向に離間した複数の絞り部を含むような形状を構成する。これらの絞り部のそれぞれにおいては空気圧が高くなっているので、回転子とシャフトとを押し離そうとする。回転子がシャフトの中心軸上に正しく芯出しされていると、絞り部からのそれぞれの力は均衡するが、1以上の絞り部を狭めるとともに他方を広げるために回転子をシャフトの中心軸から変位させると、狭められた絞り部の空気圧が増大し、広げられた絞り部の空気圧が減少するので、力が生じて回転子を正しい位置に戻すのである。
回転子とシャフト間に形成されるエアーベアリングの第2の例において、シャフトは、(MEMS装置の使用時には)少なくとも部分的に上を向いている第1の面を含むように形成されてよく、この場合、エアーベアリングは、シャフトのその第1の面と回転子の第2の少なくとも部分的に下を向いた面との間に形成されてよい。エアーベアリングは、回転子の重さを少なくとも部分的に支持する。
原則として、シャフトの第1の面と回転子の対向する第2の面は、それぞれ、平面状であり、回転軸に対して垂直である。しかしながら、発明者らは、両面とも円錐状(より正確には、円錐台状)であると効果的であることを発見した。この場合、回転子とシャフト間の空気流がより滑らかになるからである。
より好ましくは、回転子は、円錐状の面を含むチャンバ空間を備えて形成され、シャフト径はその中心軸に沿って均一ではなく、むしろ、チャンバ空間内に配置されかつ基板の円錐状の面に面した円錐状の面を有する拡径部を備える。
また、本発明は、MEMS装置を形成する製造方法を提案するものである。同方法は、回転子の回転時にエアーベアリングを生成するために、MEMS装置に溝を形成する工程を有する。
2つの基板に、対応する開口部を形成する工程と、対応する開口部が対向しかつそれぞれのシャフトの拡径部を挟んだ状態で両基板を接合する工程と、接合された基板を切断してそれぞれのシャフトを包囲する回転子を形成する工程とを有していてもよい。
以上の構成によれば、MEMS装置の少なくとも1つの面に、回転子の回転時に、回転子とシャフト及び/又は固定子間にエアーベアリングが生成されるように溝を設けることにより、可動部間に適当な間隙を形成しながら、それらの間の摩擦抵抗を最小化することができる。
また、エアーベアリングを、回転子と固定子間に設けることにより、回転子の重さの一部を支持することができる。
さらに、シャフトと固定子が、両者間の間隙が周方向に離間した複数の絞り部を含む形状を、協働して形成するように構成することにより、回転子の回転中に、その中心軸をシャフト軸に芯出しすることができる。
さらに、シャフトと回転子の対向面の形状をぞれぞれ円錐台状とすることにより、シャフトと回転子との間の空気流がより滑らになる。
以下、本発明の第1の実施形態としてのMEMS装置の製造工程を説明する。
まず、図2に示すように、保護マスク材料からなるマスク用薄膜1が、スピンコーティングにより基板3の表面上に形成される。基板3は、珪素(Si)又はガラス(SiO2)を材料としてよい。従来のリソグラフィー法により、複数の円形孔5がマスク用薄膜1に列状に形成される。図3はかかる被覆基板の上面を示す図である。
図2及び図3に示されるような2枚の被覆基板が形成され、この2枚の被覆された基板3はそれぞれ異なった方法で処理される。両基板13,23は、それぞれ符号13,23で示される。
被覆基板の第1の処理方法は、マスク用薄膜1が設けられた基板13の表面上に対して行なうウェットケミカルエッチングである。被覆基板がエッチング液に浸漬されると、基板13の非マスク領域で化学反応が生じ、基板材料が腐食される。通常の等方性エッチング液は、腐食作用を非マスク部分へと拡散して、マスク用薄膜1の下にアンダーカットを形成する。これにより、図4(a)に示すテーパ状の側面9を有する開口部7が形成された構造が出来上がる。これらの開口部7は、基板13の表面に垂直なそれぞれの軸11に対して円対称であるので、テーパ状の側面9は円錐台形状となる。
被覆基板の第2の処理方法は、基板23のドライプラズマエッチングである。エッチングガスを放出し、それを利用してプラズマイオンを形成し、形成したイオンを高電位で加速して、基板23の被覆表面に向けて作用させ、高速腐食させる。イオンは基板に向かって直進するので、図4(b)に示すように、円筒状の壁14を有する開口部15が形成される。
但し、マスク用薄膜1の断面形状について、その端面を傾斜させて形成すれば、プラズマエッチングでも、開口部15を図4(a)に示すようなテーパ形状とすることが可能となる。これは、例えば、長時間加熱硬化法により行なうことができる。この場合、マスク用薄膜1の膜厚が薄くなった部分はマスク能力が低下するので、マスク用薄膜1の厚みに依存する、その下部の基板をある程度エッチングすることができる。別言すれば、マスク層の厚みが関係する部位においては、ある程度腐食されて、開口部が形成されるのである。
上記2つの方法のそれぞれにおいて、開口部7,15は基板13,23の厚みの略半分まで延びて形成される。次いで、基板の反対側の表面(図2の下面)をエッチングして開口部17を形成する。このように、図4(a)及び図4(b)に示すように両基板13,23に貫通孔が形成される。その後、マスク用薄膜1は除去される。
次いで、塗布膜(図5において19で示される)が、図4(a)及び図4(b)に示す両基板上の開口部7,15,17の内面に被着される。塗布膜19は、ダイアモンドライクカーボン(DLC)等の硬質材料で形成される。後述するように、開口部7,15,17は、後に、固定子のシャフト用のスリーブを形成するために用いられ、この場合、塗布膜19はその高硬度ゆえに潤滑効果を発揮する。塗布膜19は、スパッタリング又は化学的気相成長法等の成膜技術により形成することができる。複雑な制御手法を用いずに必要な均一な膜厚を実現することができる。
塗布膜19の被着後、マスク用薄膜1により被覆されていた図4(a)の基板13の表面上に、導電薄膜21が形成される。導電薄膜21は、ニッケル−鉄(Ni−Fe)合金でよく、真空処理により基板13上に堆積される。
基板13,23は、開口部7,15が対向した状態で、図5のように位置決めされることで、そこにチャンバ空間24を区画形成する。シャフト27は、両基板13,23間に位置決めされる。シャフト27は、軸11と一致するようになされた軸に対して円対称である。シャフト27は、両端の狭径部29と、それらの間の拡径部31とを含む。拡径部31は、基板13,23間に形成されたチャンバ空間24内に配置される。シャフト27は、従来の研削加工により、スチールやチタン等の硬質な棒材から製造されたものでよく、表面の平滑性を実現するために、好ましくは、さらに研磨したものがよい。あるいは、機械的硬度の高いDLC膜をシャフト27の少なくとも外周面全体に被覆して、基板13,23の接触面と接触することとなるシャフト27の接触面での摩擦を緩和する。このDLC層(図5において図示しない)は、従来の成膜法により形成することができる。
開口部7,15を正確に芯合わせするために、ポジションマイクロスコーピックアラインメント法(Position microscopic alignment)を用い、好ましくは、適当な位置決めマーカを用いる。次いで、基板13,23は加熱され、それらの境界で融着される。あるいは、薄いパイレックス(登録商標)ガラスの接着層25を両基板13,23の接触面の一方又は他方上に設けて、融着を電気的に測深させてもよい。適切なボンディング技術の詳細は、例えば、非特許文献1等の半導体製造処理に関する文献がある。同書においては、導体プローブを用いて低電源電圧を通常、基板23に印加した場合、基板23と接着層25との間の境界で分子間引力が生じて、基板23と接着層25が貼り合わさる。このようなボンディング処理は、各種材料で形成された基板に適用することができ、処理要件により、金又はポリマー層等の他の接着層25を使用してもよい。尚、接着の一貫性を実現すべく、高品質のパーティクルフリーな面接触とするために、基板13,23及び接着層25の接触面は、接合前に十分に清浄又は研磨しておくべきである。
絶縁DLC塗布膜19があるため、基板13,23のボンディング処理が行なわれても、シャフト27は基板13,23のいずれにも接着することはない。シャフトの表面には接着層が設けられていないからである。よって、ボンディング処理中にシャフト27を基板13,23から分離させるための工程を追加する必要はない。接着は基板13,23間の境界で生じるだけであるから、シャフト27は常に自由に回転することができる。
尚、基板13,23を一旦貼り合わせると、シャフト27の拡径部31は、基板13,23間に形成されたチャンバ空間24内に半永久的に収容される。図5は、接合された基板13,23の一部のみを示しており、接合された基板13,23は、内部にそれぞれシャフト27を有する、複数のチャンバ空間24を含んでなる。
次の処理工程では、図6に示すように、プラズマエッチングが行なわれ、基板23の厚み方向全体に貫通する(つまり、基板13,23を組み合わせた全厚みの約半分の深さの)円形のキャビティ33を形成する。すると、Ni−Feシード層である導電薄膜21がこれらのキャビティ内に露出する。キャビティ33は、リソグラフィーにより形成されたフォトレジストマークを用いたエッチング処理により形成される。これは、キャビティ33が、側壁が直立したトレンチを有していることを意味する。エッチング処理で用いられるパーティクルのスピード及び速度を適切に制御することにより、エッチング形状を正確に実現することができる。キャビティ33は、(図6の組立品の最下部側から見て)環状の形状をしており、シャフト毎に1つのキャビティがシャフトを包囲して設けられている。図6はこのキャビティ33の2つの対向する側面を示している。
誘導電磁力を増大させるために、適当な電気メッキ法により、キャビティ33の最内側表面に、ニッケル−鉄(Ni−Fe)等の高磁気飽和性を有する材料で、金属層(薄膜)35が形成される。このような方法では、電荷を印加して上記材料を含む混合溶液から金属イオンを引き出すとともに、電極としてシード層である導電薄膜21を用いる。図7の金属層(薄膜)35はヨークとして機能し、交錯する磁束を改善するものである。次いで、金属層35が、キャビティ33を充填する磁気材料37により被覆される。適切な磁気材料37としては、セラミック又は、強力な磁界を生成しかつ高減磁抵抗を有する、例えば、コバルト−燐複合材料(Co-P-X)であるフェライト系複合材料等がある。金属層35の適当な製造方法としては、電気メッキが挙げられ、これにより金属層35の膜厚を均一かつ正確に制御することができる。この成膜が完了すると、シード層である導電薄膜21を用いて金属イオンを吸引・蓄積し、キャビティ33を充填して、金属層(ヨーク層)35を覆う。あるいは、高速にキャビティ33を充填する方法として、クリーム状の磁気ペーストである磁気材料37をキャビティ33に注入するスクリーン印刷法がある。その後、磁気材料(磁気層)37は外部コイルにより磁化される。
次いで、シャフト27は、後に複数の固定子43に分けられることとなる基板39に取り付けられる。各固定子は、それぞれのシャフト27の軸11を包囲する。基板39の構造は、図8に断面で示す。基板39は、主として、均一に薄いシリコン基板であるが、各シャフト27に対する円形の突起部45を含むものである。各突起部45は、従来のメッキ処理により、シリコン基板の表面上に薄膜として形成された銅巻線41により包囲されている。銅巻線41は、ブラシレスモータの誘電駆動力を得るための導体となる。突起部45はそれぞれのシャフト27に取り付けられる。このため、突起部45に対向するシャフト27の接触面には、接着を容易にするため、真空蒸着処理により、ガラス等の薄い接着層が形成される。同様に、前述の電気的ボンディング法を再び利用して、それぞれの突起部45にエッチングされたそれぞれの円形の凹部に、それぞれのシャフト27の狭径部29を挿入する。この位置で、突起部45の最外周部が基板23の一部に接触することとなる。
この時点で、基板13,23,39は、図9に示す垂線72に沿って分割され、個々のモータが形成される。この分割作業は、マスク71を基板13の上面に成膜した後、ドライエッチング処理を施すことにより行なう。完成したモータ装置は、図10に示すように、(それぞれ基板13,23に由来する)接合された113,123からなる回転子44及び(基板39より得られた)固定子43から構成される。この図10のMEMS装置の方向は、MEMS装置が使用される方向と同一である。つまり、その軸11は垂直に伸び、その回転子44は固定子43の上に位置している。
尚、図10の構造に類似する構造は公知であるが、それらの構造は、製造方法が全く異なる非MEMS装置のものである。従来のMEMS技術を用いた場合、つまり、ウェハーを切断して構成部品を形成する方法では、本発明がなされる以前においては、図10に示す構造を得るのは非常に困難かつ高コストであった。
図11は、回転子44を下から見た斜視図である。尚、固定子43をシャフト27に取り付けた後はこの図を得ることができないことは勿論である。固定子43の突起部45をそれぞれのシャフト27に取り付ける前に、ドライエッチング処理により、(V字状の)溝47からなる環状パターンを、チャンバ空間24を包囲する回転子44の下面に形成した。回転子44が回転した場合に、これらの溝が正の空気圧(つまり、1気圧を超える圧力)を、固定子43の突起部45の近傍でかつ回転子44の下面49に発生させる。この空気圧が回転子44を固定子43から押し離すので、図12に示すように、固定子43の突起部45と回転子44との摩擦接触が防止されることとなる。
さらに、シャフト27と回転子44との間に空気流が生成される。図13に示すように、シャフト27の円錐状の表面上の空気圧は、回転子部113の接触面である側面9を押し上げる。この空気圧が回転子44を押し上げ、回転子が固定子面上に「浮上」するように作用する。シャフト27が回転子部113の接触面である側面9に接近すると、圧力が増して、シャフト27と接触面である側面9とを相互に離反させる。従って、シャフト27と側面9との間の接触抵抗は減少するか、又は無くなる。
本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態の構成は、第1の実施形態の構成と類似している。その相違点は、図4(a)の基板13及び/又は基板23に設けた孔17が、本実施の形態においては、円形ではなく、(軸11と平行な方向から見て)三角対称の形状を有するとともに、3つの弧から形成される点である。図14(a)に示す通りである。同図は、軸11に平行な方向から見た孔17を示す。図14(b)は、本実施の形態の孔17内に配置されたシャフト27の円筒形の狭径部29を軸11に沿う方向から見た図である。孔17とシャフトの円筒形の狭径部29が協働して形成する形状は、軸11の周りに均一角離間させて3つの絞り部51a、51b、51cが対称的に配設された構成をとる。これらの部位のそれぞれにおいては空気圧が高くなっており、シャフト27から離反するように回転子44が付勢される。(図14(b)に示すように)孔17の中心11がシャフトの軸と一致すると、これらの力は互いに均衡し、水平(回転)面上において装置上に作用する正味の力はない。しかし、(図14(c)に示すように)三角形の孔17の中心11がシャフトの軸を離れると、絞り部51aでの圧力が上昇し、絞り部51b、51cでの圧力が低下するので、回転子44の中心11はシャフトの軸に向かって戻っていく。
本発明について、2つの実施の形態のみを説明したが、当業者にとって明らかなように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、原則として、シャフトの傾斜面上に(空気圧が大きくなる領域を生成する)溝を形成することは可能である。しかし、シャフトの傾斜面上に溝を形成するのは技術的に困難であるので、この方法は推奨できない。また、回転子上にではなく、固定子上に溝を設けてもよいが、そうすると、一般に、軸受中の空気圧が大幅に減少してしまう。
モータが電磁モータである場合を説明したが、他の例として、本発明はモータが静電モータである場合にも適用可能である。また、本発明は、モータ以外に、発電装置等のマイクロマシン装置にも適用可能である。
本発明が提案するモータ装置は、(マイクロ)ジャイロスコープ、(マイクロ)HDD(ハードディスク駆動装置)のスピンドルモータ、(マイクロ)光記憶駆動装置のスピンドルモータ、(マイクロ)レンズアクチュエータ、(マイクロ)ポンプ、(マイクロ)ファンモータ等に応用することができる。本発明に係る設計寸法ついては、シャフト径は、2mm未満(例えば、約1mm)、回転子の直径は10mm未満(例えば、約8mm)、厚みは2mm未満(例えば、約1mm)であることが好ましい。
7 開口部、 13,23 基板、 24 チャンバ空間、 27 シャフト、 43 固定子、 44 回転子
Claims (19)
- 開口部を含む回転子と、
前記開口部を貫通するシャフトと、
前記シャフトに取り付けられた固定子とを備え、
前記回転子が前記シャフトの周りを回転した場合に、前記固定子及び前記シャフトの少なくとも1つと前記回転子との間に少なくとも1つのエアーベアリングを生成する、1以上の溝を備えることを特徴とするマイクロマシン装置。 - 前記溝の少なくとも一部は、前記開口部を囲む回転子上に形成され、前記回転子と前記固定子とを離間させる正圧を前記回転子と前記固定子との間に発生させることを特徴とする請求項1記載のマイクロマシン装置。
- 前記溝は、前記回転子と前記固定子との間の間隙に空気流を発生させ、該間隙にエアーベアリングが形成されることを特徴とする請求項1又は2記載のマイクロマシン装置。
- 前記回転子と前記固定子との間の間隙は、周方向に離間した少なくとも3つの絞り部を含み、前記回転子が回転した場合に、前記絞り部においてエアーベアリングが生成されて、前記回転子の中心軸を前記シャフトの回転軸方向へ付勢することを特徴とする請求項3記載のマイクロマシン装置。
- 前記シャフトは、前記回転子の円錐台状の面に対向する円錐台状の面を有し、
前記回転子が回転した場合に、エアーベアリングが前記両面間に形成されることを特徴とする請求項3又は4記載のマイクロマシン装置。 - 前記シャフトの円錐台状の面は、基板内に形成された空間内に配置されるシャフトの拡径部上に形成されることを特徴とする請求項5記載のマイクロマシン装置。
- 前記回転子は、間に前記空間を形成する、2つの接合された基板を含むことを特徴とする請求項6記載のマイクロマシン装置。
- 前記2つの基板は、間に金属層を介して接合されることを特徴とする請求項7記載のマイクロマシン装置。
- 前記回転子は、前記固定子に面しかつヨーク材料及び磁気材料を含む凹部を備え、前記固定子は、導電性ループを含む面を有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項記載のマイクロマシン装置。
- 回転子に溝を形成する工程と、
シャフトに固定子を取り付ける工程と、
前記シャフトに前記回転子を位置決めする工程とを有し、
前記溝は、前記回転子が前記シャフトの周りを回転した場合に、エアーベアリングを構成することを特徴とするマイクロマシン装置製造方法。 - 2つの基板のそれぞれに1以上の開口部を形成する工程と、
それぞれ拡径部を有する1以上のシャフトを、前記1以上の開口部のそれぞれが芯合わせされた前記基板間において、位置決めする工程と
前記2つの基板を前記各開口部が芯合わせされた状態で接合して、前記各シャフトの拡径部を収容する空間を形成する工程とをさらに有する請求項10記載のマイクロマシン装置製造方法。 - 前記基板の一方の前記開口部を円錐台状の壁面を配して形成することにより、前記空間は円錐台状の壁面を含み、前記各シャフトは、前記円錐台状の壁面に面する円錐台状の面を有することを特徴とする請求項11記載のマイクロマシン装置製造方法。
- 前記2つの基板は、間に金属層を介して接合されることを特徴とする請求項11又は12記載のマイクロマシン装置製造方法。
- 前記回転子に凹部を形成する工程と、
前記凹部にヨーク材料及び磁気材料を充填する工程と
をさらに有する請求項11乃至13のいずれか1項記載のマイクロマシン装置製造方法。 - 請求項1乃至9のいずれか1項記載の装置を備えるジャイロスコープ。
- 請求項1乃至9のいずれか1項記載のマイクロマシン装置を備えるスピンドルモータ。
- 請求項1乃至9のいずれか1項記載のマイクロマシン装置を備えるズームレンズモータ。
- 請求項1乃至9のいずれか1項記載のマイクロマシン装置を備えるポンプ。
- 請求項1乃至9のいずれか1項記載のマイクロマシン装置を備えるファンモータ。
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