JP3230827B2 - Composite structure - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、特にマイクロロボット
等を形成する微小構造体の構成に適した複合構造物に関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite structure particularly suitable for forming a microstructure forming a micro robot or the like.
【0002】[0002]
【従来の技術】最近、マイクロロボットの研究、開発に
伴い、薄膜技術を用いて構造体を形成する手段が、微小
機械を構成する上で有用な手段となっている。しかも、
微小機械にあっては、平面的で非可動的な構造体に加
え、近年は立体的および可動的な構造体の研究が盛んに
なってきている。2. Description of the Related Art Recently, with the research and development of microrobots, means for forming a structure using thin film technology has become a useful means for constructing a micromachine. Moreover,
In the case of micromachines, in addition to planar and immovable structures, research on three-dimensional and movable structures has been actively conducted in recent years.
【0003】すなわち、図10は米国カリフォルニア大
学バークレイ校で製作された全長150mμの微小クラ
ンク機構(IEEE、Proceeding of Micro Robot and
Tereoperators Workshop、′87. ゛From ICs to
Microstructures″)であり、シリコン基板上に構成さ
れたポリシリコン製の2つのレバー1,2をリンク3で
連結したものである。すなわち、レバー1および2はそ
れぞれ軸4,5で揺動可能としてあり、リンク3の両端
がそれぞれレバー1および2の一端に枢着してある。That is, FIG. 10 shows a micro-crank mechanism (IEEE, Proceeding of Micro Robot and
Tereoperators Workshop, '87.゛ From ICs to
Microstructures "), in which two polysilicon levers 1 and 2 formed on a silicon substrate are connected by a link 3. That is, the levers 1 and 2 can swing about shafts 4 and 5, respectively. And both ends of the link 3 are pivotally connected to one ends of levers 1 and 2, respectively.
【0004】しかして、このレバー等からなるクランク
機構は、4個の関節部は摺動的に回転運動を行ない、そ
の結果このクランク機構で平面内での運動を実現させる
ことができる。[0004] In the crank mechanism including the lever and the like, the four joints perform the sliding motion in a sliding manner. As a result, the crank mechanism can realize the motion in the plane.
【0005】また、図11はシリコン基板6上にシリコ
ン製の支柱7を立て、その上に形成したポリイミド製の
梁8で更に別のシリコン製の薄板からなる電極9を支承
するようにしたもので、ポリイミド部材が主材で絶縁材
を兼ねており、基板6および支承されたシリコン製の電
極9との間に電位差を設けることにより、シリコン製の
電極を可動とするものである(IEEE、Proceeding o
f Micro ElectroMechanical Systems, '89 “Design an
d Fabrication of Movable SiliconPlates Suspended b
y Flexible Supports ”)。FIG. 11 shows a structure in which a silicon column 7 is erected on a silicon substrate 6 and another electrode 9 made of a silicon thin plate is supported by a polyimide beam 8 formed thereon. The polyimide member is a main material and also serves as an insulating material, and the silicon electrode is made movable by providing a potential difference between the substrate 6 and the supported silicon electrode 9 (IEEE, Proceeding o
f Micro ElectroMechanical Systems, '89 “Design an
d Fabrication of Movable SiliconPlates Suspended b
y Flexible Supports ").
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
構造体においては次のような問題がある。すなわち、図
10に示したようなものにおいては、摺動的な運動を行
なわせることはできるが、微小化に伴い慣性力に比べて
摩擦力が相対的に大きくなるためにエネルギ効率が悪く
なり、高速、高負荷、長時間の運動を行なわせることが
できない等の問題がある。However, such a structure has the following problems. That is, in the structure shown in FIG. 10, a sliding motion can be performed, but the energy efficiency is deteriorated because the frictional force becomes relatively large as compared with the inertial force with miniaturization. , High speed, high load, and prolonged exercise cannot be performed.
【0007】また、図11に示すものにおいては、電極
9に相当する部分がポリイミド製の梁8によってのみ支
承されているため強度的に弱く外界に対して作業を行な
う機構用の構造体として適用することは不可能である。Further, in the structure shown in FIG. 11, since a portion corresponding to the electrode 9 is supported only by the beam 8 made of polyimide, it is applied as a structure for a mechanism which is weak in strength and works on the outside world. It is impossible to do.
【0008】すなわち、従来の薄膜技術によって製造さ
れる微小構造体では、一体的に形成される部材部分は略
平面的であって、閉リンク構造を含み、3次元的な運動
が可能な構造体を構成することはきわめて困難である。That is, in a microstructure manufactured by a conventional thin film technology, a member formed integrally is substantially planar, including a closed link structure, and capable of three-dimensional movement. Is very difficult to construct.
【0009】本発明はこのようなことに鑑み、立体的で
微細な機械加工或は薄膜加工等を必要とすることなく、
3次元の構造体を構成でき、組み立てを容易にするとと
もに、必要に応じ無摺動で屈曲運動が可能でエネルギ効
率の向上をも図ることができる複合構造物を得ることを
目的とする。In view of the above, the present invention does not require three-dimensional and fine machining or thin film processing.
It is an object of the present invention to provide a composite structure capable of forming a three-dimensional structure, facilitating assembly, performing bending movement without sliding if necessary, and improving energy efficiency.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】第1の発明は、複合構造
物において、平面上に展開した平面パターンを折り曲げ
ることによって3次元立体を形成するようにするととも
に、その3次元立体を構成する各部材をヤング率の大き
い物質からなる面部材によって形成し、その各面部材を
互いに連結する3次元立体の稜線部に対応する部分を、
ヤング率の小さい物質からなる部材によって構成し、上
記ヤング率の大きい物質でできた部材間或いはその部材
と基板との間に吸引力或いは反発力を発生させ、上記稜
線部に位置するヤング率の小さい物質からなる部材を軸
として、ヤング率の大きい物質でできた部材の一方を隣
接するヤング率の大きい物質でできた部材或いは基板に
対して揺動させるようにしたことを特徴とする。また、
第2の発明は、第1の発明において、ヤング率の大きい
物質でできた部材間或いはその部材と基板との間に電圧
を印可することによって、それらの間に吸引力或いは反
発力が発生するようにしたことを特徴とする。According to a first aspect of the present invention, in a composite structure, a three-dimensional solid is formed by folding a plane pattern developed on a plane, and each of the three-dimensional solids is formed. The member is formed by a surface member made of a substance having a large Young's modulus, and a portion corresponding to a ridge portion of a three-dimensional solid connecting the surface members to each other is
A member made of a material having a small Young's modulus generates a suction force or a repulsive force between members made of the material having a large Young's modulus or between the member and the substrate, and the Young's modulus of the material located at the ridge line portion is reduced. One of the members made of a material having a large Young's modulus is swung relative to an adjacent member made of a material having a large Young's modulus or a substrate, with a member made of a small material as an axis. Also,
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, a voltage is applied between members made of a substance having a large Young's modulus or between the member and the substrate, so that an attractive force or a repulsive force is generated therebetween. It is characterized by doing so.
【0011】第3の発明は、第1の発明において、3次
元立体は少なくとも一面が開口しており、その開口して
いる部分に対角線部分の長さを変える一方向性のアクチ
ュエータが設けられていることを特徴とする。また第4
の発明は、第3の発明において、アクチュエータによっ
て駆動される少なくとも1つの面には、脚または腕の如
き被動アームが設けられていることを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the three-dimensional solid body has at least one open surface, and the open portion is provided with a unidirectional actuator for changing the length of a diagonal portion. It is characterized by being. The fourth
According to a third aspect of the present invention, in the third aspect, a driven arm such as a leg or an arm is provided on at least one surface driven by the actuator.
【0012】[0012]
【作用】本発明の複合構造物を形成する作業は上記ヤン
グ率の小さい物質を屈曲するだけで最終的な立体形状を
実現することができ、この立体形状の安定化は必要に応
じて各面部材間を嵌合連結によって行なうことができ、
作業労力を著しく低減することができる。In the operation for forming the composite structure of the present invention, a final three-dimensional shape can be realized only by bending the above-mentioned substance having a small Young's modulus, and the three-dimensional shape can be stabilized on each surface as necessary. The members can be connected by mating connection,
Work effort can be significantly reduced.
【0013】また、ヤング率の大きい物質でできた面部
材間の相対的運動をアクチュエータ等を介して上記ヤン
グ率の小さい物質の屈曲動作を用いて行なわせることが
でき、この場合摺動が伴わないので、長時間の運動の継
続も可能となる。Further, relative movement between the surface members made of a material having a high Young's modulus can be performed by bending the material having a low Young's modulus through an actuator or the like. In this case, sliding occurs. No exercise can be continued for a long time.
【0014】また、第3の発明においては、アクチュエ
ータにより対角線部分の長さを変えると、所定の面部材
の所定方向への偏位が生じる。したがって、上記面部材
に例えば脚を突設することによって、上記脚を運動させ
ることができる。In the third aspect, when the length of the diagonal portion is changed by the actuator, a predetermined surface member is displaced in a predetermined direction. Therefore, the leg can be exercised by, for example, projecting the leg on the surface member.
【0015】なお、ここでいう「ヤング率の高い物
質」、「ヤング率の低い物質」とは両者のヤング率の相
対関係から決定されるものである。Here, the "substance having a high Young's modulus" and the "substance having a low Young's modulus" are determined from the relative relationship between the two.
【0016】[0016]
【実施例】図1は、本発明の複合構造物を微小構造体に
適用した基本構成を示す図である。すなわち、図中10
はシリコン基板であり、そのシリコン基板10上にはS
iO2 或はPSG(燐珪酸塩ガラス)からなる支承部1
1を介して比較的ヤング率が大きな物質であるポリシリ
コン製の第1の板状部材12が装着されており、その板
状部材12の一側辺には、第1の板状部材12に比べて
ヤング率が小さい物質であるポリイミドからなる細片1
3の一辺部が固着され、その細片13の他辺部に、第1
の板状部材12と同一のポリシリコン製の複数の開孔1
4aを有する第2の板状部材14が連結されている。FIG. 1 is a diagram showing a basic structure in which a composite structure according to the present invention is applied to a microstructure. That is, 10
Is a silicon substrate, and S on the silicon substrate 10
Bearing 1 made of SiO 2 or PSG (phosphosilicate glass)
1, a first plate-shaped member 12 made of polysilicon, which is a substance having a relatively large Young's modulus, is attached to the first plate-shaped member 12 on one side of the plate-shaped member 12. Strip 1 made of polyimide, which is a substance with a smaller Young's modulus
3 is fixed to the other side of the strip 13,
Holes 1 made of the same polysilicon as the plate-shaped member 12 of FIG.
The second plate-shaped member 14 having 4a is connected.
【0017】ところで、このような構成は標準的な薄膜
技術によって形成される。Incidentally, such a structure is formed by standard thin film technology.
【0018】すなわち、まずシリコン基板10上にSi
O2 或はPSG(燐珪酸塩ガラス)とポリシリコンをこ
の順番でCVDを用いて積層する。次にそのポリシリコ
ンの上面にフォトレジストを塗布し、前記第1の板状部
材12および第2の板状部材14のパターンを描画し、
現像後ポリシリコンをパターン通りにエッチングし、図
1に示す第1および第2の板状部材12,14を構成す
るポリシリコンの部分を形成する。That is, first, Si is placed on the silicon substrate 10.
O 2 or PSG (phosphosilicate glass) and polysilicon are laminated in this order by CVD. Next, a photoresist is applied to the upper surface of the polysilicon, and the patterns of the first plate member 12 and the second plate member 14 are drawn,
After the development, the polysilicon is etched according to the pattern to form polysilicon portions constituting the first and second plate-like members 12 and 14 shown in FIG.
【0019】さらに、細片13を構成するポリイミドの
部分を同様な過程で形成した後フォトレジストを除去
し、フッ酸によってSiO2 或はPSG部を溶かし去
る。Further, after a polyimide portion constituting the strip 13 is formed in a similar process, the photoresist is removed, and the SiO 2 or PSG portion is dissolved away with hydrofluoric acid.
【0020】ところで、上記第2の板状部材14はエッ
チングによって複数(図では4個)の開孔14aが設け
られているので、この下層のSiO2 或はPSG部はこ
の開孔14aと側面部とフッ酸と反応して完全に溶かし
去られる。一方第1の板状部材12の下層のSiO2 或
はPSG部11は上面でのフッ酸との反応がなく、反応
面積の少ない側面部のみで反応が進み、図1に示すよう
に90%以上がシリコン基板10上に残る。Since the second plate-like member 14 is provided with a plurality of (four in the figure) openings 14a by etching, the lower layer of SiO 2 or PSG portion is in contact with the openings 14a. Reacts with hydrofluoric acid and completely dissolves away. On the other hand, the lower SiO 2 or PSG portion 11 of the first plate member 12 does not react with hydrofluoric acid on the upper surface, and the reaction proceeds only on the side portion having a small reaction area, and as shown in FIG. The above remains on the silicon substrate 10.
【0021】このようにして、SiO2 或はPSGから
なる支承部11に取着されている第1の板状部材12の
一側にヤング率の小さい物質からなるポリイミド部を挟
んでヤング率が大きいポリシリコンからなる第2の板状
部材14が片持式に支持連結されたものが形成される。In this manner, the Young's modulus is reduced by sandwiching the polyimide portion made of a material having a small Young's modulus on one side of the first plate-like member 12 attached to the support portion 11 made of SiO 2 or PSG. A second plate-like member 14 made of large polysilicon is supported and connected in a cantilever manner.
【0022】しかして、第2の板状部材14はヤング率
がポリシリコンの10%以下であるポリイミド部におい
て無摺動的に容易に屈曲動作を行なうことができる。Thus, the second plate-shaped member 14 can easily bend without sliding in the polyimide portion having a Young's modulus of 10% or less of polysilicon.
【0023】図2および図3は、六面体構造の3次元微
小立体を構成するようにしたものであって、図1に示す
第1実施例と同様の製法によってシリコン基板とSiO
2 或はPSGの台座30上に六面体のポリシリコンから
なる底面部31が固着され、その四角形の底面部31の
四方に、図2に示すように上記六面体の側面部32a,
32b,32c,32dおよび上面部32eが、六面体
を平面上に展開した平面パターンとして形成されてい
る。FIGS. 2 and 3 show a three-dimensional micro three-dimensional structure having a hexahedral structure. A silicon substrate and a SiO 2 substrate are formed by the same manufacturing method as in the first embodiment shown in FIG.
2 or a PSG base 30 is fixed on a hexahedral polysilicon bottom surface 31. The hexahedral side surfaces 32a, 32a,
32b, 32c, 32d and the upper surface 32e are formed as a planar pattern obtained by developing a hexahedron on a plane.
【0024】すなわち、底面部31の各辺部にはそれぞ
れポリシリコンよりヤング率が小さいポリイミド部33
a,33b,33c,33dを介して四角状の側面部3
2a,32b,32c,32dが連接され、側面部32
cの先端側にさらにポリイミド部33eを介して四角状
の上面部32eが連接されている。側面部32aには、
その両側辺部すなわちポリイミド部33aと直交する両
側縁部に、各側辺と平行に延びる嵌合溝34a1,34a2
が設けられ、さらに先端辺側には嵌合突片35aが突設
されている。That is, a polyimide portion 33 having a Young's modulus smaller than that of polysilicon is provided on each side of the bottom portion 31.
a, 33b, 33c, 33d, a square side surface portion 3
2a, 32b, 32c, and 32d are connected to each other,
A square upper surface portion 32e is further connected to the front end side of c through a polyimide portion 33e. On the side surface portion 32a,
Fitting grooves 34 a1 , 34 a2 extending in parallel with each side are provided on both sides, that is, both sides orthogonal to the polyimide portion 33a.
Is provided, and a fitting projection 35a is provided on the tip side.
【0025】また、側面部32bおよび32dには、側
面部32a寄りの側辺部に嵌合突片35b1,35d1がそ
れぞれ突設され、その反対側側辺部にポリイミド部33
b,33dにそれぞれ直交する方向に延びる嵌合溝34
b,34dが設けられている。さらに先端辺側には嵌合
突片35b2,35d2がそれぞれ突設してある。On the side surfaces 32b and 32d, fitting protrusions 35b1 and 35d1 are respectively provided on the side portions near the side surface 32a, and the polyimide portions 33 are provided on the opposite side portions.
fitting grooves 34 extending in the directions orthogonal to b and 33d, respectively.
b, 34d. Further, fitting protruding pieces 35 b2 and 35 d2 are protrudingly provided on the tip side.
【0026】側面部32cにはその両側辺部に嵌合突片
35c1,35c2が突設されており、さらに上面部32e
の両側辺部および先端辺部には各辺に平行に延びる嵌合
溝34e1,34e2,34e3が形成されている。Fitting projections 35c1 and 35c2 are provided on both sides of the side surface 32c, and the upper surface 32e.
On both sides and the tip side of are formed fitting grooves 34 e1 , 34 e2 , and 34 e3 extending parallel to each side.
【0027】そこで、各ポリイミド部33a,33b,
33c,33dおよび33eにおいて各側面部32a〜
32dおよび上面部32eを屈曲し、図3に示すよう
に、側面部32d,32dの嵌合突片35b1,35d1を
それぞれ側面部32aの嵌合溝34a1,34a2に挿入係
合し、また側面部32cの嵌合突片35c1,35c2をそ
れぞれ側面部32b,32dの嵌合溝34b,34dに
挿入係合し、さらに上面部32eの各嵌合溝34e1,3
4e2,34e3を各側面部32a,32b,32dの嵌合
突片35a ,35b2,35d2に嵌合することによって、
3次元微小立体を組立てることができる。なお、ここで
組立てられた3次元微小立体の寸法は、面部材の対角線
長さで約150μmである。Therefore, each of the polyimide parts 33a, 33b,
In 33c, 33d and 33e, each side surface 32a-
And 32d and the upper surface portion 32e bent, as shown in FIG. 3, the insertion engagement side portions 32d, 32d of the fitting protruding pieces 35 b1, 35 d1 of the fitting groove 34 a1, 34 a2, respectively side face 32a Further, the fitting protrusions 35 c1 and 35 c2 of the side surface portion 32 c are inserted and engaged with the fitting grooves 34 b and 34 d of the side surface portions 32 b and 32 d, respectively, and furthermore, the fitting grooves 34 e1 and 3 of the upper surface portion 32 e .
4 e2 and 34 e3 are fitted to the fitting projections 35 a , 35 b2 and 35 d2 of the side portions 32 a, 32 b and 32 d, respectively.
A three-dimensional micro solid can be assembled. The dimensions of the three-dimensional micro three-dimensional body assembled here are about 150 μm in diagonal length of the surface member.
【0028】しかして、この六面体構造の微小構造体を
単に各面部材間の連接部に介装され立体の稜線部を形成
するポリイミド部の無摺動的な屈曲と嵌合溝と嵌合突片
との嵌合によって容易に組立てることができ、組み立て
後の形状安定性も十分確保することができる。また嵌合
後は摩擦力或は適当な方法で締結することができる。The microstructure having the hexahedral structure is simply interposed in the connecting portion between the surface members, and the non-sliding bending of the polyimide portion forming the three-dimensional ridge portion, the fitting groove, and the fitting protrusion. It is easy to assemble by fitting with the piece, and the shape stability after assembling can be sufficiently ensured. After the fitting, it can be fastened by a frictional force or an appropriate method.
【0029】図4は本発明に係る微小構造体をアクチュ
エータとして利用できるようにしたものであり、上記両
実施例と同様にして、シリコン基板40にSiO2 或は
PSGの台座を介してポリシリコンからなる基板部41
が取着されており、その基板部41の対向する側辺部に
ポリイミド部42a,42bを介してポリシリコンから
なる側面部43a,43bが連接され、他の辺部にポリ
イミド部42cを介してポリシリコンからなる可動面部
44が連接されている。そして、上記側面部43a,4
3bの一側辺には、先端に嵌合溝45aを有するバネ部
45が一体的に形成されている。FIG. 4 shows a microstructure according to the present invention which can be used as an actuator. Similarly to the above-described embodiments, a silicon substrate 40 is made of polysilicon via a base made of SiO 2 or PSG. Substrate 41 made of
Are attached, and side surfaces 43a and 43b made of polysilicon are connected to opposite sides of the substrate portion 41 via polyimide portions 42a and 42b, and the other sides are connected via a polyimide portion 42c. A movable surface portion 44 made of polysilicon is connected. Then, the side portions 43a, 4
On one side of 3b, a spring portion 45 having a fitting groove 45a at the tip is integrally formed.
【0030】したがって、両側面部43a,43bおよ
び可動面部44をそれぞれポリイミド部42a,42b
および42cで屈曲し、バネ部45の嵌合溝45aを可
動面部44の先端部両側に設けられている嵌合突片44
aに嵌合することによって微小構造体が形成される。Accordingly, the side portions 43a and 43b and the movable surface portion 44 are respectively connected to the polyimide portions 42a and 42b.
And 42c, the fitting groove 45a of the spring portion 45 is fitted to the fitting protrusions 44 provided on both sides of the distal end portion of the movable surface portion 44.
A microstructure is formed by fitting into a.
【0031】しかして、上記シリコン基板40と可動面
部44との間に適宜手段によって電圧を印加すると、こ
のシリコン基板40とポリシリコンからなる可動面部4
4間に静電力による吸引力が発生し、可動面部44がシ
リコン基板40側にポリイミド部42cを軸として移動
する。そして、上記印加電圧を除去すると、バネ部45
のバネ力によって可動面部44がシリコン基板40から
離れる方向に移動する。したがって、この電圧の印加と
除去を繰り返すことによって可動面部を振動状態にする
ことができる。なお、ここで示されたアクチュエータの
寸法は可動面部の対角線長さで約500μmである。When a voltage is applied between the silicon substrate 40 and the movable surface portion 44 by appropriate means, the silicon substrate 40 and the movable surface portion 4 made of polysilicon are applied.
Attraction force is generated by electrostatic force between the four, and the movable surface portion 44 moves toward the silicon substrate 40 with the polyimide portion 42c as an axis. When the applied voltage is removed, the spring 45
The movable surface portion 44 moves in a direction away from the silicon substrate 40 by the spring force of. Therefore, by repeatedly applying and removing the voltage, the movable surface portion can be brought into a vibrating state. The dimensions of the actuator shown here are about 500 μm in diagonal length of the movable surface portion.
【0032】図5および図6は本発明の複合構造物によ
って変形可能な3次元微小立体を形成した実施例を示す
図であり、この場合ポリシリコン部材はシリコン基板上
から外してある。この実施例はマイクロアクチュエータ
として実現しやすいように単純な正三角形を複数個組み
合わせて骨格が形成されている。FIGS. 5 and 6 show an embodiment in which a deformable three-dimensional solid body is formed by the composite structure of the present invention. In this case, the polysilicon member is removed from the silicon substrate. In this embodiment, a skeleton is formed by combining a plurality of simple regular triangles so as to be easily realized as a microactuator.
【0033】すなわち、先に説明した製造方法によっ
て、図5に示すように、8個の正三角形のポリシリコン
部50a,50b,…50hが順次上下逆向きにして折
れ線部を形成するポリイミド部51a,51b…51g
を介して連接された平面的な展開平面パターンとして形
成される。そして、このパターンの両端縁部52a,5
2bを嵌合したり弾性的に結合することによって、8個
の正三角形からなる上下両端が開口した筒状の立方体が
形成されている。すなわち、この場合上下両端開口部5
3a,53bはともに正四角形で、互いに中心軸線回り
に45°位相のずれた形状になっている(図6)。That is, according to the manufacturing method described above, as shown in FIG. 5, a polyimide portion 51a in which eight regular triangular polysilicon portions 50a, 50b,... , 51b ... 51g
Are formed as a planar development plane pattern connected via the. Then, both ends 52a, 5 of this pattern
By fitting or elastically connecting 2b, a cylindrical cube composed of eight equilateral triangles with upper and lower ends open is formed. That is, in this case, the upper and lower ends 5
3a and 53b are both regular squares, and are shifted from each other by 45 ° around the central axis (FIG. 6).
【0034】しかして、この実施例においては、上下の
面が空間となっているので変形が可能であり、四角形の
対角線に伸縮するアクチュエータを取り付けて、ON−
OFF制御をすることによってポリシリコン部50a,
50b…50hを変形させることができる。However, in this embodiment, since the upper and lower surfaces are spaces, it can be deformed.
By performing the OFF control, the polysilicon portion 50a,
50b... 50h can be deformed.
【0035】なお、上記実施例ではポリシリコン部とし
て8個の正三角形を用いたが、本形状に特定されるもの
ではなく、複数の平板状部材によって中空構造を構成す
ることができる。In the above embodiment, eight regular triangles are used as the polysilicon portion. However, the present invention is not limited to this shape, and a hollow structure can be constituted by a plurality of flat members.
【0036】図7は、図6に示す構造物を脚運動機構に
適用した実施例を示す図であり、上下両端開口部53
a,53bには、各対角線上にその対角線を伸縮するア
クチュエータ54a,54b,54c,54dが設けら
れており、側壁を構成する一つのポリシリコン部50c
には脚55が設けられている。なお、ここでアクチュエ
ータ54a〜54dは2つずつ組になって動作するよう
にしてある。すなわち、アクチュエータ54aが縮むと
きはアクチュエータ54bが伸び、逆にアクチュエータ
54bが縮むときはアクチュエータ54aが伸びるよう
に制御し、一方アクチュエータ54c,54dも同様に
作動させる。また、組になっているアクチュエータの一
方を作動させるとき、他方のアクチュエータはフリーに
し、低ヤング率部分の弾性力を用いて一方のアクチュエ
ータの作動に対応させるようにしてもよい。FIG. 7 is a view showing an embodiment in which the structure shown in FIG. 6 is applied to a leg movement mechanism.
Actuators 54a, 54b, 54c, 54d are provided on each diagonal line so as to expand and contract the diagonal line, and one polysilicon portion 50c forming a side wall is provided.
Is provided with a leg 55. Here, the actuators 54a to 54d are configured to operate in pairs. That is, when the actuator 54a is contracted, the actuator 54b is extended, and when the actuator 54b is contracted, the actuator 54a is extended so that the actuator 54c and 54d are operated in the same manner. When one of the actuators in the group is operated, the other actuator may be free, and the operation of one of the actuators may be performed using the elastic force of the low Young's modulus portion.
【0037】しかして、図7の(a)に示すように、ア
クチュエータ54aを作動させ、3次元立体の頂点A,
A間を接近させると脚55が下方に動き、アクチュエー
タ54bを作動させて、頂点B,B間を接近させると脚
55が上方に動く。また、アクチュエータ54cを作動
させ頂点C,C間を接近させると、脚55が図7の
(b)に示すように図面上左方向に移動し、アクチュエ
ータ54dを作動させ頂点D,D間を接近させると図7
の(c)に示すように脚55が図面上右方向に移動す
る。Then, as shown in FIG. 7 (a), the actuator 54a is actuated and the vertices A,
When the position A is approached, the leg 55 moves downward, and the actuator 54b is actuated. When the position between the vertices B and B is approached, the leg 55 moves upward. When the actuator 54c is actuated to move the vertices C and C closer to each other, the leg 55 moves leftward in the drawing as shown in FIG. 7B, and the actuator 54d is actuated to move the vertices D and D closer to each other. Fig. 7
The leg 55 moves rightward in the drawing as shown in FIG.
【0038】したがって、アクチュエータ54aを作動
させて脚55を下方に移動して例えば床等の表面に圧接
し、その後アクチュエータ54cを作動させ頂点C,C
間を接近させると、脚55に図7において左方への力が
働き、立方体自体で右方に移動し、この動作を順次繰り
返すことにより歩行動作を行なわせることができる。Accordingly, the actuator 54a is actuated to move the leg 55 downward to come into pressure contact with, for example, the surface of a floor or the like.
When the distance is reduced, a force to the left acts on the leg 55 in FIG. 7 and the leg 55 moves to the right with the cube itself, and a walking operation can be performed by sequentially repeating this operation.
【0039】このように、図7は1本の脚部の構成を示
すものであって、例えば蟻のような動きをさせるために
はこれを6個組み合わせ、3本ずつ組にして交互に動か
せば歩かせることもできる。また、上述した脚55を腕
などの代わりとして利用することもできる。As described above, FIG. 7 shows the structure of one leg. For example, in order to make a ant-like movement, six legs are combined and three legs are alternately moved. You can also walk. Further, the above-described leg 55 can be used as a substitute for the arm or the like.
【0040】図8は微小立体構造物を羽のはばたき機構
に適用した例であり、ポリシリコン製の側板61と62
には羽部63がポリイミド製のヒンジ部63,64を介
して取着されている。また、両側板61と62との間お
よび側板61と羽部63との間には前述と同様なリニア
アクチュエータ65,66が内部に取着されている。FIG. 8 shows an example in which the micro three-dimensional structure is applied to a wing flapping mechanism. Side plates 61 and 62 made of polysilicon are used.
The wings 63 are attached via hinge portions 63 and 64 made of polyimide. Further, linear actuators 65 and 66 similar to those described above are mounted inside between the side plates 61 and 62 and between the side plate 61 and the wing portion 63.
【0041】しかして、このリニアアクチュエータ6
5,66を交互に収縮、伸張を繰り返すことにより、羽
部63がポリイミド製のヒンジ部63,64を中心とし
て揺動運動を行なう。そこで、このアクチュエータの振
動を微小構造体の共振点に合致させれば、エネルギ効率
の良いはばたき運動が可能となる。The linear actuator 6
By alternately contracting and expanding 5, 66, the wings 63 swing about the hinges 63, 64 made of polyimide. Therefore, if the vibration of the actuator is made to coincide with the resonance point of the microstructure, a flapping motion with good energy efficiency becomes possible.
【0042】また、上記ポリイミド製のヒンジ部は適当
な回転保持機構で代替してもよく、或は前述の如き嵌合
機構の許容可動域を利用してもかまわない。The above-mentioned hinge portion made of polyimide may be replaced by a suitable rotation holding mechanism, or the allowable movable range of the fitting mechanism as described above may be used.
【0043】図9は、図8の具体的な構成例で、ポリシ
リコン製の板状部70a,70b,70cおよびポリイ
ミド製のヒンジ部71a,71bによって構成されたU
字状の本体部72の頂端両側に、ポリイミド製のヒンジ
部71c,71dを介してポリシリコン製の羽部72
a,72bが連接されている。また、同様にポリシリコ
ン製の板状部73a,73b,73cおよびポリイミド
製のヒンジ部71e,71fによって構成されたU字状
の駆動機構部74がヒンジ部71e等と直交する方向に
延びる切り込み75によって本体部分と区劃形成されて
おり、この駆動機構部74の頂端両側が、それぞれポリ
シリコン製の羽部72a,72bに対して上記ヒンジ部
71c,71dより羽先端部側にポリイミド製のヒンジ
部71g,71hによって連接されている。なお、図9
に示す構造体は各ヒンジ部を折り曲げることにより完全
な平面体となるように構成されている。FIG. 9 shows a specific example of the structure shown in FIG. 8, in which a U-shaped plate 70a, 70b, 70c made of polysilicon and hinges 71a, 71b made of polyimide are used.
A wing portion 72 made of polysilicon is provided on both sides of the top end of the V-shaped main body portion 72 through hinge portions 71c and 71d made of polyimide.
a and 72b are connected. Similarly, a U-shaped drive mechanism 74 composed of polysilicon plate-like portions 73a, 73b, 73c and polyimide hinge portions 71e, 71f is provided with a cut 75 extending in a direction orthogonal to the hinge portion 71e and the like. Both ends of the drive mechanism 74 are separated from each other by polyimide polyimide hinges 71c, 71d with respect to the polysilicon wings 72a, 72b. It is connected by the parts 71g and 71h. Note that FIG.
The structure shown in (1) is constructed so that each hinge portion is bent to form a complete planar body.
【0044】しかして、上記本体部72と駆動機構部7
4とはポリイミド製のヒンジ部で互いに絶縁状態にされ
ているため、両者の板状部70b,73b間に適当な電
位差を与えれば、静電力が発生し、両者間に吸引力が発
生し、また印加電圧を除去すると両者が離間する。した
がって、これを交互に繰り返すことによって羽部72
a,72bを実線位置および2点鎖線位置間で揺動させ
ることができる。なお、板状部70b、73b間に電位
差を与えることにより両者間に反発力が発生するように
してもよい。The main body 72 and the drive mechanism 7
4 is insulated from each other by a hinge portion made of polyimide. Therefore, if an appropriate potential difference is applied between the plate-like portions 70b and 73b, an electrostatic force is generated, and an attractive force is generated between the two. When the applied voltage is removed, the two are separated from each other. Therefore, by repeating this alternately, the wing 72
a, 72b can be swung between a solid line position and a two-dot chain line position. Note that a repulsive force may be generated between the plate portions 70b and 73b by applying a potential difference between the plate portions 70b and 73b.
【0045】ところで、上記各実施例においては、導電
体を製造過程で埋設することが可能であり、配線部のス
ペース効率の向上を実現することができる。さらに屈折
部等に使用される低ヤング率からなる物質が、塑性変形
と弾性変形を加熱等によって制御可能な材料の場合で
は、必要に応じて屈曲状態となるように塑性変形させ形
状の保持安定化を図ることもできる。In each of the above embodiments, the conductor can be buried in the manufacturing process, and the space efficiency of the wiring portion can be improved. Furthermore, when the material having a low Young's modulus used for the refraction section is a material whose plastic deformation and elastic deformation can be controlled by heating, etc., it is plastically deformed so as to be bent as necessary, and the shape is kept stable. Can also be planned.
【0046】なお、上記実施例ではヤング率が高い物質
としてポリシリコンを使用したものを示したが、亜鉛、
アルミニウム、金、銀、銅、ニッケル、ガラス等を使用
することができ、またヤング率が低い物質としては、ポ
リイミド以外にポリアミド、フェノール、ポリカーボネ
ート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサ
ルファド、ポリエーテルスルホン、ポリエステル、エポ
キシ、ビスマレイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポ
リアミドイミド等を使用することができる。In the above embodiment, polysilicon is used as the substance having a high Young's modulus.
Aluminum, gold, silver, copper, nickel, glass, etc. can be used.In addition, as a material having a low Young's modulus, besides polyimide, polyamide, phenol, polycarbonate, polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polyether sulfone, polyester , Epoxy, bismaleide, polyetheretherketone, polyamideimide and the like can be used.
【0047】[0047]
【発明の効果】本発明は以上のように構成したので、3
次元立体を実現する場合に、立体的で微細な機械加工或
は薄膜加工を必要とせず、平面的な展開パターンを低ヤ
ング率の物質からなる稜線部で屈曲させるだけでよく、
独立したパーツ毎に行なっていた従来の組み立て作業に
比べ労力と時間を著しく低減させることができる。ま
た、曲面的な立体に対しても平面近似して展開パターン
を作成した後、同様な手法で組み立てればよいので、形
状毎に特別な加工治具を用意する必要がなく、数百μm
程度の大きさの3次元微細立体の組立も容易に行なうこ
とができる。また、低ヤング率の部分で無摺動の屈曲を
させるので、摩擦がなく、長時間にわたって屈曲運動が
行われるものにおいても、小さなエネルギで形状精度の
低下や破壊状態を伴なうことなく長時間の運動状態を維
持させることができる。According to the present invention constructed as described above, 3
When realizing a three-dimensional solid, there is no need for three-dimensional and fine machining or thin film processing, it is only necessary to bend a planar development pattern at a ridge line made of a material with a low Young's modulus,
The labor and time can be significantly reduced as compared with the conventional assembling work performed for each independent part. In addition, after creating a development pattern by approximating a plane to a curved solid, it is only necessary to assemble the same method. Therefore, it is not necessary to prepare a special processing jig for each shape, and several hundred μm
Assembling of a three-dimensional microscopic solid having a size of about the same size can be easily performed. In addition, since it bends without sliding in the low Young's modulus portion, even if there is no friction and the bending motion is performed for a long period of time, it can be used with a small amount of energy and without causing deterioration in shape accuracy or destruction. The exercise state of time can be maintained.
【0048】また、平面部を運動機能をもつ部材で作成
し、低ヤング率の屈曲部をエネルギ伝達部材を埋設した
絶縁材で作成すれば、これらも薄膜技術を利用できるた
め、運動機械を構成する場合、構成部品点数の低減がで
き、高信頼性と高精度の確保を実現できる。If the flat portion is made of a member having a motion function, and the bent portion having a low Young's modulus is made of an insulating material in which an energy transmitting member is embedded, the thin film technology can also be used. In this case, the number of components can be reduced, and high reliability and high accuracy can be achieved.
【図1】本発明の複合構造物の基本構成を示す図FIG. 1 is a diagram showing a basic structure of a composite structure of the present invention.
【図2】本発明の1実施例における3次元微細立体の平
面展開パターン図FIG. 2 is a plane development pattern diagram of a three-dimensional micro solid in one embodiment of the present invention.
【図3】図2のパターンを立体的に構成する過程を示す
図FIG. 3 is a diagram illustrating a process of three-dimensionally configuring the pattern of FIG. 2;
【図4】本発明の複合構造物をアクチュエータとして構
成した他の実施例を示す図FIG. 4 is a diagram showing another embodiment in which the composite structure of the present invention is configured as an actuator.
【図5】本発明の他の実施例における立体の平面展開パ
ターン図FIG. 5 is a plane development pattern diagram of a solid according to another embodiment of the present invention.
【図6】図5のパターンによって形成された立体の斜視
図FIG. 6 is a perspective view of a solid formed by the pattern of FIG. 5;
【図7】図6の立体を脚運動機構に適用した場合の運動
状態説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a motion state when the solid in FIG. 6 is applied to a leg motion mechanism.
【図8】本発明の複合構造物を羽ばたき機構に適用する
際の原理を示す図FIG. 8 is a diagram showing the principle of applying the composite structure of the present invention to a fluttering mechanism.
【図9】図8の原理図を具体化した例を示す図FIG. 9 is a diagram showing an example in which the principle diagram of FIG. 8 is embodied;
【図10】従来の微細構造物の一例を示す図FIG. 10 shows an example of a conventional microstructure.
【図11】従来の微細構造物の他の例を示す図FIG. 11 is a view showing another example of a conventional microstructure.
10,40 シリコン基板 11 支承部 12 第1の板状部材 13 ポリイミドからなる細片 14 第2の板状部材 32a,32b,32c,32d 側面部 32e 上面部 33a,33b,33c,33d,33e ポリイミド
部 41 基板部 42a,42b,42c ポリイミド部 44 可動面部 45 バネ部 50a…50h シリコン部 51a,…51g ポリイミド部 54a,54b,54c,54d アクチュエータ 55 脚 63,72a,72b 羽部10, 40 Silicon substrate 11 Bearing 12 First plate-shaped member 13 Strip made of polyimide 14 Second plate-shaped member 32a, 32b, 32c, 32d Side surface 32e Top surface 33a, 33b, 33c, 33d, 33e Polyimide Part 41 Substrate part 42a, 42b, 42c Polyimide part 44 Movable surface part 45 Spring part 50a ... 50h Silicon part 51a, ... 51g Polyimide part 54a, 54b, 54c, 54d Actuator 55 Leg 63, 72a, 72b Wing part
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI B29K 83:00 B29K 83:00 B29L 31:00 B29L 31:00 (72)発明者 三 浦 宏 文 東京都町田市玉川学園7−23−2 (72)発明者 下 山 勲 東京都板橋区赤塚新町3−32−11−504 (56)参考文献 特開 昭63−240092(JP,A) 特開 平3−177093(JP,A) 特開 平4−19080(JP,A) 特開 昭50−50008(JP,A) 特開 昭62−19379(JP,A) 実開 平4−132914(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B81B 1/00 B29C 69/00 B29D 31/00 B81C 3/00 B29K 79:00 B29K 83:00 B29L 31:00 Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI B29K 83:00 B29K 83:00 B29L 31:00 B29L 31:00 (72) Inventor Hirofumi Miura 7-23- Tamagawa Gakuen, Machida-shi, Tokyo 2 (72) Inventor Isao Shimoyama 3-32-11-504 Akatsuka Shinmachi, Itabashi-ku, Tokyo (56) References JP-A-63-240092 (JP, A) JP-A-3-1777093 (JP, A) JP-A-4-19080 (JP, A) JP-A-50-50008 (JP, A) JP-A-62-19379 (JP, A) JP-A-4-132914 (JP, U) (58) Fields investigated ( Int.Cl. 7 , DB name) B81B 1/00 B29C 69/00 B29D 31/00 B81C 3/00 B29K 79:00 B29K 83:00 B29L 31:00
Claims (5)
ることによって3次元立体を形成するようにするととも
に、その3次元立体を構成する各部材をヤング率の大き
い物質からなる面部材によって形成し、その各面部材を
互いに連結する3次元立体の稜線部に対応する部分を、
ヤング率の小さい物質からなる部材によって構成し、上
記ヤング率の大きい物質でできた部材間或いはその部材
と基板との間に吸引力或いは反発力を発生させ、上記稜
線部に位置するヤング率の小さい物質からなる部材を軸
として、ヤング率の大きい物質でできた部材の一方を隣
接するヤング率の大きい物質でできた部材或いは基板に
対して揺動させるようにしたことを特徴とする、複合構
造物。1. A three-dimensional solid is formed by folding a plane pattern developed on a plane, and each member constituting the three-dimensional solid is formed by a surface member made of a substance having a large Young's modulus. The parts corresponding to the ridges of the three-dimensional solid connecting the respective surface members to each other are:
It is composed of a member made of a material with a small Young's modulus.
Between or between members made of a substance having a high Young's modulus
A suction force or a repulsive force is generated between the
A member made of a material with a small Young's modulus
One of the members made of a material with a large Young's modulus
Contacting a member or substrate made of a substance with a large Young's modulus
A composite structure characterized by being swung in relation to the composite structure.
はその部材と基板との間に電圧を印可することによっ
て、それらの間に吸引力或いは反発力が発生するように
したことを特徴とする、請求項1記載の複合構造物。2. The method according to claim 1, wherein a voltage is applied between members made of a substance having a high Young's modulus or between the member and the substrate to generate an attractive force or a repulsive force therebetween. The composite structure according to claim 1, wherein
り、その開口している部分に対角線部分の長さを変える
一方向性のアクチュエータが設けられていることを特徴
とする、請求項1記載の複合構造物。3. The three-dimensional solid body has at least one surface open.
Ri, characterized in that the unidirectional actuator is provided to vary the length of a diagonal line portion in a portion that is an opening, according to claim 1 composite structure according.
とも1つの面には、脚または腕の如き被動アームが設け
られていることを特徴とする、請求項3記載の複合構造
物。4. The composite structure according to claim 3, wherein at least one surface driven by the actuator is provided with a driven arm such as a leg or an arm.
膜の形成、露光、焼き付け、エッチングの過程を経て一
体的に形成されることを特徴とする、請求項1乃至4の
いずれかに記載の複合構造物。5. The method according to claim 1, wherein the plane pattern forming the three-dimensional solid is integrally formed through a process of forming a thin film, exposing, printing, and etching. Composite structure.
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---|---|---|---|
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