JP4686784B2 - Inertial drive actuator - Google Patents
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Description
本発明は、慣性を利用したアクチュエータ、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。 The present invention relates to an actuator using inertia, in particular, a microactuator using an electrostatic impact mechanism and a manufacturing method thereof.
近年、精密位置決め機構、小型ロボット等で、微小な距離を正確に移動させる技術は、非常に重要な技術である。
また、宇宙空間で作動する宇宙機用アクチュエータは、小型で、高性能で、しかも安価なものが求められている。
In recent years, a technique for accurately moving a minute distance with a precision positioning mechanism, a small robot, or the like is a very important technique.
In addition, spacecraft actuators that operate in outer space are required to be small, high-performance, and inexpensive.
しかし、従来のアクチュエータは、小型化が難しかった。また、一方向にしか移動できず、2次元方向に駆動するには、2つのアクチュエータを必要とした。2つのアクチュエータを取り付けると、1方向に動くとき、1つのアクチュエータのみが動作し、他方のアクチュエータは動作せず、負荷となってしまう。また、アクチュエータを個別に作成するため、高価になるという欠点があった。 However, it is difficult to reduce the size of the conventional actuator. In addition, it can move only in one direction and requires two actuators to drive in a two-dimensional direction. When two actuators are attached, when moving in one direction, only one actuator operates and the other actuator does not operate and becomes a load. Further, since the actuators are individually manufactured, there is a disadvantage that the cost becomes high.
本発明者らは、特許文献1に示す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その加工方法を開発した。このマイクロアクチュエータは、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てアクチュエータを移動させるものである。特許文献1のマイクロアクチュエータは、1方向に動くものである。また、上下左右に駆動電極を設け、可動マスを2次元方向に移動するものも含まれる。このマイクロアクチュエータは、マイクロマシン技術を使用して、1枚のシリコン基板から作成される。
The present inventors have developed a microactuator using the electrostatic impact mechanism shown in
しかし、このマイクロアクチュエータは、1枚のシリコン基板から作成するので、多層化するのが難しく、構造的な自由度が少なかった。
そのため、さらに小型軽量の2次元方向に精度よく移動できるマイクロアクチュエータの開発が望まれている。また、このようなマイクロアクチュエータを安価に製造する方法が望まれている。
However, since this microactuator is made from a single silicon substrate, it is difficult to make it multi-layered and there are few structural degrees of freedom.
Therefore, it is desired to develop a microactuator that can move more accurately in a two-dimensional direction that is smaller and lighter. Also, a method for manufacturing such a microactuator at low cost is desired.
本発明の目的は、小型軽量で2次元方向に駆動可能なアクチュエータを提供することである。また、設計の自由度が高く、精度よく移動可能なアクチュエータを提供することである。
本発明の他の目的は、マイクロマシニング技術を使用して、このようなアクチュエータの製造方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a small and light actuator that can be driven in a two-dimensional direction. It is another object of the present invention to provide an actuator that has a high degree of design freedom and can be moved with high accuracy.
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing such an actuator using micromachining technology.
本発明のアクチュエータは、シリコン酸化膜を介して2枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板を用いて、第1の層を駆動構造、第2の層を支持構造の2層構造としてある。第1の層の駆動構造は、2対の駆動電極を有し、駆動電極と可動マスの間に電圧を印加することにより、中央に配置された可動マスを移動させることができる。第1の層には、可動マスを衝突させるためのストッパーを備えることができる。
第2の層の支持構造は、外枠と内枠のダブルジンバル構造であり、内枠は外枠内に支持バネにより支持された1次元方向に移動可能であり、可動マスは内枠内に支持バネにより支持されて他の1次元方向に移動可能であり、その結果、可動マスは2次元方向に移動することができる。
The actuator of the present invention has a two-layer structure in which a first layer is a drive structure and a second layer is a support structure using a silicon substrate on an insulator obtained by bonding two silicon substrates through a silicon oxide film. . The drive structure of the first layer has two pairs of drive electrodes, and the movable mass arranged in the center can be moved by applying a voltage between the drive electrodes and the movable mass. The first layer can be provided with a stopper for causing the movable mass to collide.
The support structure of the second layer is a double gimbal structure of an outer frame and an inner frame, the inner frame is movable in a one-dimensional direction supported by a support spring in the outer frame, and the movable mass is in the inner frame. It is supported by the support spring and can move in the other one-dimensional direction, and as a result, the movable mass can move in the two-dimensional direction.
本発明の1態様は、外枠と、前記外枠の内側の内枠と、前記内枠の内側の可動マスと、
前記外枠と前記内枠を結合する外側支持バネと、前記内枠と前記可動マスを結合する内側支持バネと、前記可動マスと間隔をおいて前記可動マスの4方に配置された2対の駆動電極と、前記駆動電極と前記可動マスとの間に電圧を印加するための電源回路とを備え、
前記駆動電極と前記可動マスとの間に電圧を印加して、前記可動マスを静電引力により前記駆動電極に引き付け、そのとき発生する慣性力によりアクチュエータ全体を移動させることを特徴とする慣性駆動型アクチュエータである。
One aspect of the present invention includes an outer frame, an inner frame inside the outer frame, a movable mass inside the inner frame,
An outer support spring that couples the outer frame and the inner frame, an inner support spring that joins the inner frame and the movable mass, and two pairs arranged in four directions of the movable mass at an interval from the movable mass Drive electrode, and a power supply circuit for applying a voltage between the drive electrode and the movable mass,
An inertial drive characterized in that a voltage is applied between the drive electrode and the movable mass, the movable mass is attracted to the drive electrode by electrostatic attraction, and the entire actuator is moved by the inertial force generated at that time. Type actuator.
前記駆動電極は、静電引力により前記可動マスを駆動するため、第1の層に配置され、
前記内枠と、前記外側支持バネと、前記内側支持バネとは、前記可動マスを移動可能に支持するため、第2の層に配置され、
前記可動マスは前記上層と前記下層の両方にわたって配置されることが好ましい。
前記内枠は前記外側支持バネにより前記外枠に対して1次元方向に移動可能なように支持され、前記可動マスは前記内側支持バネにより前記内枠に対して他の1次元方向に移動可能なように支持され、その結果前記可動マスは2次元方向に移動可能であることが好ましい。
前記可動マスを衝突させるためのストッパーを備えることが好ましい。前記ストッパーは前記第1の層にあることが好ましい。
前記外側支持バネと内側支持バネとは、それぞれ4本づつあることが好ましい。
The drive electrode is disposed on the first layer to drive the movable mass by electrostatic attraction,
The inner frame, the outer support spring, and the inner support spring are arranged in a second layer to support the movable mass in a movable manner,
The movable mass is preferably disposed over both the upper layer and the lower layer.
The inner frame is supported by the outer support spring so as to be movable in a one-dimensional direction relative to the outer frame, and the movable mass is movable in the other one-dimensional direction with respect to the inner frame by the inner support spring. As a result, the movable mass is preferably movable in a two-dimensional direction.
It is preferable to provide a stopper for causing the movable mass to collide. The stopper is preferably in the first layer.
It is preferable that there are four outer support springs and four inner support springs.
絶縁体上シリコン基板に上下2層に構成要素を作成するので、構成要素の配置の自由度が大きく、きわめて小型のマイクロアクチュエータを実現することができる。
外枠内に、内枠と可動マスとを設け、可動マスと内枠の移動方向をそれぞれ1方向に規制することにより、アクチュエータは2次元方向に移動可能であり、しかもきわめて高精度で移動することができる。
Since the constituent elements are created in two layers on the silicon substrate on the insulator, the degree of freedom of arrangement of the constituent elements is great, and an extremely small microactuator can be realized.
By providing an inner frame and a movable mass in the outer frame and restricting the moving direction of the movable mass and the inner frame to one direction, the actuator can move in a two-dimensional direction and move with extremely high accuracy. be able to.
本発明の他の態様は、外枠内に配置された可動マスを駆動するための駆動構造を含む第1の層と、前記可動マスを2次元方向に移動可能に支持するための支持構造を含む第2の層の2層を備え、
前記第1の層の駆動構造は、前記可動マスと間隔をおいて前記可動マスの4方に配置された2対の駆動電極を有し、
前記第2の層の支持構造は、外枠の内側の内枠と、前記外枠と前記内枠を結合する外側支持バネと、前記内枠と前記可動マスを結合する内側支持バネとを有し、
更に、前記駆動電極と前記可動マスとの間に電圧を印加する電源回路を備え、
前記駆動電極と前記可動マスとの間に電圧を印加して、前記可動マスを静電引力により前記駆動電極に引き付け、そのとき発生する慣性力によりアクチュエータ全体を移動させることを特徴とする慣性駆動型アクチュエータである。
前記第1の層に前記可動マスを衝突させるためのストッパーを備えることが好ましい。
According to another aspect of the present invention, there is provided a first layer including a drive structure for driving a movable mass disposed in an outer frame, and a support structure for supporting the movable mass so as to be movable in a two-dimensional direction. Comprising two layers, including a second layer,
The driving structure of the first layer has two pairs of driving electrodes arranged on four sides of the movable mass at an interval from the movable mass,
The support structure of the second layer includes an inner frame inside an outer frame, an outer support spring that couples the outer frame and the inner frame, and an inner support spring that couples the inner frame and the movable mass. And
And a power supply circuit for applying a voltage between the drive electrode and the movable mass,
An inertial drive characterized in that a voltage is applied between the drive electrode and the movable mass, the movable mass is attracted to the drive electrode by electrostatic attraction, and the entire actuator is moved by the inertial force generated at that time. Type actuator.
It is preferable to provide a stopper for causing the movable mass to collide with the first layer.
本発明の別の態様は、シリコン酸化膜を介して2枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板から、外枠と、内枠と、可動マスと、外側支持バネと、内側支持バネと、2対の駆動電極とを備える慣性駆動型アクチュエータを一体に形成する製造方法であって、
(a)裏面にシリコン酸化膜を堆積してパターニングし、前記シリコン酸化膜の上にアルミニウム層を堆積してパターニングし、前記絶縁体上シリコン基板の表面にアルミニウム層を堆積してパターニングし、
(b)裏面から、前記アルミニウム層でマスクされた部分以外の部分をエッチングし、前記可動マスの下部と、前記支持バネを形成し、
(c)裏面の前記アルミニウム層を除去し、前記シリコン酸化膜を露出させ、再び裏面よりエッチングを行い、前記シリコン酸化膜でマスクされた部分以外をエッチングして、前記可動マスと、前記内枠と、前記外側と内側の支持バネが浮いた構造とし、
(d)表面よりエッチングを行い、前記アルミニウム層でマスクされた部分以外をエッチングして、前記駆動電極と、前記可動マスの上部を形成し、
(e)前記絶縁体上シリコン基板のシリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記可動マスと、前記内枠と、前記外側と内側の支持バネとを前記外枠から切り離す
ステップを備える製造方法である。
Another aspect of the present invention includes an outer frame, an inner frame, a movable mass, an outer support spring, and an inner support spring from a silicon substrate on an insulator in which two silicon substrates are bonded via a silicon oxide film. A manufacturing method for integrally forming an inertial drive type actuator comprising two pairs of drive electrodes,
(a) depositing and patterning a silicon oxide film on the back surface, depositing and patterning an aluminum layer on the silicon oxide film, depositing and patterning an aluminum layer on the surface of the silicon-on-insulator substrate,
(b) Etching a portion other than the portion masked with the aluminum layer from the back surface, forming a lower portion of the movable mass and the support spring,
(c) removing the aluminum layer on the back surface, exposing the silicon oxide film, performing etching from the back surface again, etching portions other than the portion masked with the silicon oxide film, and the movable mass and the inner frame And a structure in which the outer and inner support springs float,
(d) Etching from the surface, etching other than the portion masked by the aluminum layer, forming the drive electrode and the upper portion of the movable mass,
(e) A manufacturing method comprising a step of removing a silicon oxide film of the silicon substrate on the insulator by sacrificial layer etching, and separating the movable mass, the inner frame, and the outer and inner support springs from the outer frame. It is.
前記(b)、(c)、(d)のエッチング工程は、深堀りリアクティブイオンエッチングで行うことが好ましい。 The etching steps (b), (c), and (d) are preferably performed by deep reactive ion etching.
この方法によれば、シリコン酸化膜を介して2枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板を用い、マイクロマシニング技術を使用して、アクチュエータの構成要素を単一の基板上に2層構造で作成するので、小型化することができる、また、個別に作成した構成要素を組立てる必要がなく、製造が簡単であり、安価に製造することができる。 According to this method, a silicon substrate on an insulator in which two silicon substrates are bonded via a silicon oxide film is used, and the components of the actuator are formed on a single substrate by using a micromachining technique. Thus, it is possible to reduce the size, and it is not necessary to assemble individually created components, and the manufacturing is simple and can be manufactured at low cost.
本発明のアクチュエータの慣性力による駆動方法には、次のような種類がある。
可動マスを静電引力により駆動電極に引き付け、可動マスをストッパーに衝突させて、可動マスの運動エネルギーをストッパーに伝え、アクチュエータ全体を可動マスの移動方向に移動させることができる。
又は、可動マスをストッパーに衝突させることなく、可動マスを静電引力により駆動電極に引き付け、そのときの可動マスの運動の反作用力により、アクチュエータ全体を可動マスの移動方向と反対方向に移動させることができる。
There are the following types of driving methods using the inertial force of the actuator of the present invention.
The movable mass is attracted to the drive electrode by electrostatic attraction, and the movable mass collides with the stopper, the kinetic energy of the movable mass is transmitted to the stopper, and the entire actuator can be moved in the moving direction of the movable mass.
Or, without causing the movable mass to collide with the stopper, the movable mass is attracted to the drive electrode by electrostatic attraction, and the entire actuator is moved in the direction opposite to the moving direction of the movable mass by the reaction force of the movement of the movable mass at that time. be able to.
可動マスを斜め上の位置へゆっくり移動し、可動マスと前記駆動電極との間に電圧を急速に印加し、可動マスを斜め下方向に急速に加速し、その反作用でアクチュエータを斜め上方向にホッピングさせることができる。
可動マスをストッパーに衝突させて、アクチュエータを斜め上方向にホッピングさせることもできる。
Slowly move the movable mass to an obliquely upper position, quickly apply a voltage between the movable mass and the drive electrode, rapidly accelerate the movable mass obliquely downward, and the reaction causes the actuator to move obliquely upward Can be hopped.
The movable mass can collide with the stopper, and the actuator can be hopped obliquely upward.
本発明によれば、小型軽量で2次元方向に駆動可能なアクチュエータを得ることができる。アクチュエータを2層構造としたので、設計の自由度が高く、高性能のアクチュエータを得ることができる。また、ダブルジンバル構造なので、より高精度の移動が可能となる。
また、製造方法が簡単なので、このようなアクチュエータを安価に製造することができる。
According to the present invention, a small and light actuator that can be driven in a two-dimensional direction can be obtained. Since the actuator has a two-layer structure, the design freedom is high and a high-performance actuator can be obtained. In addition, the double gimbal structure allows more accurate movement.
Moreover, since the manufacturing method is simple, such an actuator can be manufactured at low cost.
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態による慣性駆動型マイクロアクチュエータの斜視図であり、第2の層(下層)の一部を切り欠き、第1の層(上層)の一部を取り外した状態を示す。図2の(a)は第1の層の平面図、(b)は第1の層を取り外した状態での第2の層の平面図である。説明の便宜上、図2の横方向をx方向、縦方向をy方向とする。図3は、図2の3−3線に沿った断面図である。本実施の形態では、第1の層を上層、第2の層を下層として説明するが、第1の層を下層、第2の層を上層とすることもできる。
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a perspective view of an inertial drive type microactuator according to a first embodiment of the present invention, in which a part of a second layer (lower layer) is cut away and a part of the first layer (upper layer) is removed. Indicates the state. FIG. 2A is a plan view of the first layer, and FIG. 2B is a plan view of the second layer with the first layer removed. For convenience of explanation, the horizontal direction in FIG. 2 is the x direction and the vertical direction is the y direction. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line 3-3 in FIG. Although the first layer is described as an upper layer and the second layer is a lower layer in this embodiment mode, the first layer may be a lower layer and the second layer may be an upper layer.
図2(b)の第2の層の平面図を参照すると、本発明の実施の形態による慣性駆動型マイクロアクチュエータ10は、外形がほぼ4角形の外枠11と、外枠11の内側の外形がほぼ4角形の内枠12とを備える。内枠12のy方向の2つの辺の中央部12aは、それぞれx軸に平行な2つの外側支持バネ13により外枠11の内側に結合され、内枠12はy方向に移動することができるようになっている。内枠12の中央部に可動マス15が設けられる。可動マス15のx方向の2つの辺の中央部15aは、それぞれy軸に平行な2つの内側支持バネ14により外枠11の内側に結合され、可動マス15はx方向に移動することができるようになっている。
Referring to the plan view of the second layer in FIG. 2B, the inertial
図2(a)の第1の層の平面図を参照すると、マイクロアクチュエータ10は、x方向に1対の駆動電極16と、y方向に1対の駆動電極17とを備える。各駆動電極16,17の可動マス15に向合う面は、可動マス15の外辺の平行で一定の間隔をおいている。各駆動電極16,17と可動マス15とに間に、それぞれ電源とスイッチからなる電源回路が接続されている(図示せず)。駆動電極16,17と可動マス15とに間に電圧を印加することにより、可動マス15は静電力により駆動電極16,17に引き付けられる。本実施の形態では、可動マス15は駆動電極16,17に衝突せずに、可動マス15の運動の反作用力により、マイクロアクチュエータ10が移動する。
外枠11上の駆動電極16,17がない部分には、グラウンド18がある。グラウンド18は、電気的に接地され、可動マス15と同じ電位になっている。
Referring to the plan view of the first layer of FIG. 2A, the
A portion of the
図4は、本発明の第2の実施形態の第1の層の平面図であり、第1の実施形態の図2(a)に対応する。第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、駆動電極16,17と別体で、グラウンド18の一部にストッパー20が設けられ、可動マス15の4つのコーナー部に突出部15aが設けられていることである。可動マス15が静電力により駆動電極16,17に引き付けられ、突出部15aがストッパー20に衝突し、マイクロアクチュエータ10が移動する。可動マス15は駆動電極16,17と接触しないようになっている。その他の点は,第1の実施形態と同様である。
FIG. 4 is a plan view of the first layer of the second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 2A of the first embodiment. The second embodiment is different from the first embodiment in that it is separate from the
図5は、可動マス15を2次元の方向に変位させる構造を示すマイクロアクチュエータ10の第2の層の平面図である。(a)は、初期の可動マス15を変位させていない状態を示す。(b)は、可動マス15をx方向及びy方向(図の右上方向)に変位させた状態を示す。
内枠12のy方向の2つの辺の中央部12aは、それぞれx軸に平行な2つの外側支持バネ13により外枠11の内側に結合されている。4本の外側支持バネ13は、内枠12を外枠11に対してy方向のみに移動できるように拘束している。力のかからない状態では、内枠12は左右の外枠11の中央部に位置する。
可動マス15のx方向の2つの辺の中央部15aは、それぞれy軸に平行な2つの内側支持バネ14により内枠12に結合されている。4本の内側支持バネ14は、可動マス15を内枠12に対してx方向のみに移動できるように拘束している。力のかからない状態では、可動マス15は左右の内枠12の中央部に位置する。
FIG. 5 is a plan view of the second layer of the
このように、本発明の構造は、外枠11、内枠12の2つの枠を有するダブルジンバル構造である。x軸に平行な外側支持バネ13と、y軸に平行な内側支持バネ14とを有する。この構造により、可動マス15をx軸方向とy軸方向に別々に駆動することができる。そのため、可動マス15は回転運動することなく、外枠11に対して2次元の方向に変位させることができる。また、2つの軸の共振周波数を異ならせることにより、2つの軸間の干渉を防ぐことができる。
Thus, the structure of the present invention is a double gimbal structure having two frames, the
次に、図6、7により本発明のアクチュエータを慣性力により駆動する動作原理を説明する。図6は衝突を利用する場合を示し、図7は衝突を利用しない場合を示す。簡単のため、図6ではx方向のストッパー20を1つのみ示し、図7ではx方向の駆動電極16を1つのみ示す。また、支持バネはx方向の内側支持バネ14を1つのみ螺旋形バネの形で略示する。
Next, an operation principle of driving the actuator of the present invention by inertia force will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows a case where a collision is used, and FIG. 7 shows a case where a collision is not used. For simplicity, FIG. 6 shows only one
図6は衝突を利用する場合の動作原理を説明する概念図である。図6の(a)で、電源回路19のスイッチをONにして、可動マス15と駆動電極16の間に電圧を印加する。すると、可動マス15と駆動電極16の間に生じた静電引力により、可動マス15は駆動電極16の方向に引き付けられて、加速される。このときアクチュエータ10は可動マス15の加速方向と反対方向に床から反作用力を受けるが、この反作用力が、アクチュエータ10と床との間の静止摩擦力を超えないようにする。
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating the operating principle when using collision. In FIG. 6A, the switch of the
(b)に示すように、可動マス15は、加速されてストッパー20に衝突し、可動マス15の運動エネルギーFimpがアクチュエータ10に伝えられ、アクチュエータ10が床から受ける反作用力が、静止摩擦力を超えて、アクチュエータ10は移動する。アクチュエータ10は、衝突で得た運動エネルギーがアクチュエータ10と床との間の動摩擦力により失われるまで距離Dだけ移動する。
As shown in (b), the
次に(c)に示すように、電源回路のスイッチをOFFにし、可動マス15と駆動電極16の間の電圧をゼロにすると、支持バネ14の復元力により、可動マス15は最初の位置に戻る。このとき生じる反作用力がアクチュエータ10と床との間の静止摩擦力を超えないようにする。
この(a)〜(c)のサイクルを繰り返すことにより、アクチュエータ10全体が、可動マス15を加速する方向に床の上を進むことができる。
Next, as shown in (c), when the switch of the power supply circuit is turned OFF and the voltage between the
By repeating these cycles (a) to (c), the
図7は衝突を利用しない場合の動作原理を説明する概念図である。図7の(a)で、電源回路のスイッチをONにして、可動マス15と駆動電極16の間に急激にステップ状の電圧を印加する。
FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating the operating principle when collision is not used. In FIG. 7A, the switch of the power supply circuit is turned on, and a step-like voltage is suddenly applied between the
すると、(b)に示すように、可動マス15と駆動電極16の間に生じた静電引力により、可動マス15は駆動電極16の方向に急激に加速される。このときアクチュエータ10は可動マス15の加速方向と反対方向に床から反作用力を受け、この反作用力が、アクチュエータ10と床との間の静止摩擦力を超え、アクチュエータ10は可動マス15と反対方向に距離Dだけ移動する。
Then, as shown in (b), the
次に(c)に示すように、電源回路のスイッチをOFFにし、可動マス15と駆動電極16の間の電圧をゆっくり下げると、支持バネ14の復元力により、可動マス15は最初の位置に戻る。このとき、図示しない他方の駆動電極16まで、可動マス15を引き付けるようにしても良い。このとき生じる反作用力がアクチュエータ10と床との間の静止摩擦力を超えないようにする。
この(a)〜(c)のサイクルを繰り返すことにより、アクチュエータ10全体が、反作用力により可動マス15を加速する方向と反対方向に、床の上を進むことができる。
Next, as shown in (c), when the switch of the power supply circuit is turned off and the voltage between the
By repeating these cycles (a) to (c), the
図6、7では省略されている他方の駆動電極16と可動マス15との間で電圧印加のON-OFFを繰り返せは、アクチュエータ10は反対方向に進むことができる。またy方向の駆動電極17と可動マス15との間で電圧印加のON-OFFを繰り返せは、アクチュエータ10はy方向に進むことができる。x方向の駆動電極16と可動マス15との間、及びy方向の駆動電極17と可動マス15との間で電圧印加のON-OFFを繰り返し、斜め方向に進むことができる。x方向とy方向の駆動電圧を変えれば、アクチュエータ10は任意の方向に進むことができる。
また、電源供給ラインにより、アクチュエータの移動は制限を受けるが、無線給電にすれば、アクチュエータの移動の制限は、小さくなる。
If the voltage application is repeatedly turned ON / OFF between the
Further, the movement of the actuator is restricted by the power supply line, but if the wireless power feeding is used, the restriction on the movement of the actuator becomes small.
図8は、アクチュエータ10が飛び跳ねるホッピング動作の原理を説明する概念図である。図8では、可動マス15がストッパー20(又は駆動電極16)に衝突しない場合について述べるが、可動マス15がストッパー20に衝突する場合も同様にホッピング動作を行うことができる。可動マス15は内枠12に対して図の横方向のみに移動することができる。内枠12は外枠11に対して、図の縦方向のみに移動することができる。図8では、駆動電極とストッパーとは図示していない。
FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the principle of a hopping operation in which the
(a)で可動マス15を右上の位置へゆっくり移動する。即ち、可動マス15を内枠12内で右方に移動し、内枠12を外枠11内で上方に移動する。(b)可動マス15と駆動電極との間に電圧を急速に印加し、可動マス15を左下方向に急速に加速する。即ち、可動マス15を内枠12内で左方に移動し、内枠12を外枠11内で下方に移動する。すると、その反作用でアクチュエータ10が右上方向にホッピングする。アクチュエータ10が重力の作用で着地した後、可動マス15を(c)に示す初期位置へ戻す。可動マス15を右上の(a)に示す位置へゆっくり戻す。(a)〜(c)のサイクルを繰り返すことにより、アクチュエータ10全体が床の上をホッピングしながら進むことができる。
惑星上等の微小重力下では、ホッピングによる移動が効率的である。
In (a), move the
Under microgravity such as on planets, movement by hopping is efficient.
図9に、本発明の実施の形態によるアクチュエータ10の作成方法を示す。図9は、図1、2の3−3線に沿った断面図である。(a)まず、絶縁体上シリコン(SOI(Silicon on Insulator))基板を準備する。このSOI基板は、シリコン酸化膜21の上面にシリコン層22、下面にシリコン層23が形成されたものである。
以下の説明で、2つの面を区別するため、表面、裏面と呼ぶが、2つの面は相互に交換可能である。
SOI基板の裏面にシリコン酸化膜24を堆積し、フォトリソグラフィー技術を使用して、可動部分を浮いた状態にするため、所望の形状にパターニングする。このシリコン酸化膜24の上にアルミニウム層25を堆積し、フォトリソグラフィー技術を使用して、アクチュエータ10の下層(第2層)の構造を形成するため、所望の形状にパターニングする。SOI基板の表面にアルミニウム層26を堆積し、フォトリソグラフィー技術を使用して、アクチュエータ10の上層(第1層)の構造を形成するため、所望の形状にパターニングする。
FIG. 9 shows a method for producing the
In the following description, in order to distinguish two surfaces, they are called a front surface and a back surface, but the two surfaces are interchangeable.
A
(b)裏面から深堀りリアクティブイオンエッチング(RIE(Reactive Ion Etching))により、アルミニウム層25でマスクされた部分以外の部分をエッチングし、可動マス15の下部と、内枠12と、外側と内側の支持バネ13,14を形成する。内枠12と、外側と内側の支持バネ13,14は、支持構造を構成する。このとき、シリコン酸化膜21がエッチングストップ層となるので、その上のシリコン層22はエッチングされない。
(b) Etching parts other than the part masked by the
(c)裏面のアルミニウム層25のマスクを除去し、シリコン酸化膜24を露出させ、再び裏面よりRIEを行い、シリコン酸化膜24でマスクされた部分以外をエッチングする。これにより、可動マス15、内枠12、外側と内側の支持バネ13,14の可動部分が底面から浮いた構造となる。
(d)表面より深堀りRIEを行い、アルミニウム層26でマスクされた部分以外をエッチングし、駆動電極16,17と、可動マス15の上部を形成する。駆動電極16,17は、駆動構造を構成する。第2の実施形態のように、ストッパー20がある場合は、これも形成する。
(e)SOI基板のシリコン酸化膜21を犠牲層エッチングにより除去し、可動マス15、内枠12、外側と内側の支持バネ13,14の可動部分を外枠11の支持部から切り離す。これにより、可動部分は移動が可能となる。
(c) The mask of the
(d) Deep RIE is performed from the surface, and portions other than the portion masked by the
(e) The
本発明によれば、小型で高精度で移動可能なアクチュエータを得ることができる。このマイクロアクチュエータを利用することにより、高精度の位置決め機構や、高精度の搬送装置を実現することができる。また、このアクチュエータを小型ローバーに用いることができる。
また、衛星用、宇宙機用の姿勢制御装置、位置制御装置に使用することができる。
According to the present invention, it is possible to obtain a small and highly movable actuator. By using this microactuator, a highly accurate positioning mechanism and a highly accurate transfer device can be realized. Moreover, this actuator can be used for a small rover.
Moreover, it can be used for the attitude | position control apparatus and position control apparatus for satellites and spacecraft.
10 マイクロアクチュエータ
11 外枠
12 内枠
13 外側支持バネ
14 内側支持バネ
15 可動マス
16 駆動電極
17 駆動電極
18 グラウンド
19 電源回路
20 ストッパー
21 シリコン酸化層
22 シリコン層
23 シリコン層
24 シリコン酸化膜
25 アルミニウム層
26 アルミニウム層
10 Micro actuator
11 Outer frame
12 Inner frame
13 Outer support spring
14 Inner support spring
15 Movable mass
16 Drive electrode
17 Drive electrode
18 ground
19 Power circuit
20 Stopper
21 Silicon oxide layer
22 Silicon layer
23 Silicon layer
24 Silicon oxide film
25 Aluminum layer
26 Aluminum layer
Claims (7)
前記外枠の内側の内枠と、
前記内枠の内側の可動マスと、
前記外枠と前記内枠を結合する4本の外側支持バネと、
前記内枠と前記可動マスを結合する4本の内側支持バネと、
前記可動マスと間隔をおいて前記可動マスの4方に配置された2対の駆動電極と、
前記駆動電極と前記可動マスとの間に電圧を印加するための電源回路とを備え、
アクチュエータの下面に平行な平面において、前記内枠の一方向に対向する2つの辺の中央部は、それぞれ前記一方向と直角な方向に延びる2つの前記外側支持バネにより前記外枠の内側に結合され、
前記可動マスの前記一方向と直角な方向に対向する2つの辺の中央部は、それぞれ前記一方向に延びる平行な2つの前記内側支持バネにより前記内枠に結合され、
前記駆動電極と前記可動マスとの間に電圧を印加して、前記可動マスを静電引力により前記駆動電極に引き付け、そのとき発生する慣性力によりアクチュエータ全体を移動させることを特徴とする慣性駆動型アクチュエータ。 An outer frame,
An inner frame inside the outer frame;
A movable mass inside the inner frame;
Four outer support springs connecting the outer frame and the inner frame;
Four inner support springs connecting the inner frame and the movable mass;
Two pairs of drive electrodes disposed on four sides of the movable mass at an interval from the movable mass;
A power supply circuit for applying a voltage between the drive electrode and the movable mass;
In the plane parallel to the lower surface of the actuator, the central portions of two sides facing one direction of the inner frame are coupled to the inner side of the outer frame by two outer support springs extending in a direction perpendicular to the one direction. And
The central part of two sides facing the direction perpendicular to the one direction of the movable mass is coupled to the inner frame by two parallel inner support springs extending in the one direction, respectively.
An inertial drive characterized in that a voltage is applied between the drive electrode and the movable mass, the movable mass is attracted to the drive electrode by electrostatic attraction, and the entire actuator is moved by the inertial force generated at that time. Type actuator.
前記可動マスは前記第1の層と前記第2の層の両方にわたって配置される請求項1に記載の慣性駆動型アクチュエータ。 The drive electrode is disposed in a first layer to drive the movable mass by electrostatic attraction, and the inner frame, the outer support spring, and the inner support spring are capable of moving the movable mass. To support, placed in the second layer,
The inertial drive actuator according to claim 1, wherein the movable mass is disposed over both the first layer and the second layer.
前記第1の層の駆動構造は、前記可動マスと間隔をおいて前記可動マスの4方に配置された2対の駆動電極を有し、
前記第2の層の支持構造は、外枠の内側の内枠と、前記外枠と前記内枠を結合する外側支持バネと、前記内枠と前記可動マスを結合する内側支持バネとを有し、
更に、前記駆動電極と前記可動マスとの間に電圧を印加する電源回路を備え、
前記駆動電極と前記可動マスとの間に電圧を印加して、前記可動マスを静電引力により前記駆動電極に引き付け、そのとき発生する慣性力によりアクチュエータ全体を移動させることを特徴とする慣性駆動型アクチュエータ。 Two layers of a first layer including a driving structure for driving a movable mass disposed in the outer frame and a second layer including a support structure for supporting the movable mass so as to be movable in a two-dimensional direction. With
The driving structure of the first layer has two pairs of driving electrodes arranged on four sides of the movable mass at an interval from the movable mass,
The support structure of the second layer includes an inner frame inside an outer frame, an outer support spring that couples the outer frame and the inner frame, and an inner support spring that couples the inner frame and the movable mass. And
And a power supply circuit for applying a voltage between the drive electrode and the movable mass,
An inertial drive characterized in that a voltage is applied between the drive electrode and the movable mass, the movable mass is attracted to the drive electrode by electrostatic attraction, and the entire actuator is moved by the inertial force generated at that time. Type actuator.
(a)裏面にシリコン酸化膜を堆積してパターニングし、前記シリコン酸化膜の上にアルミニウム層を堆積してパターニングし、前記絶縁体上シリコン基板の表面にアルミニウム層を堆積してパターニングし、
(b)裏面から、前記アルミニウム層でマスクされた部分以外の部分をエッチングし、前記可動マスの下部と、前記支持バネを形成し、
(c)裏面の前記アルミニウム層を除去し、前記シリコン酸化膜を露出させ、再び裏面よりエッチングを行い、前記シリコン酸化膜でマスクされた部分以外をエッチングして、前記可動マスと、前記内枠と、前記外側と内側の支持バネが浮いた構造とし、
(d)表面よりエッチングを行い、前記アルミニウム層でマスクされた部分以外をエッチングして、前記駆動電極と、前記可動マスの上部を形成し、
(e)前記絶縁体上シリコン基板のシリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記可動マスと、前記内枠と、前記外側と内側の支持バネとを前記外枠から切り離す、
ステップを備えることを特徴とする製造方法。 An outer frame, an inner frame, a movable mass, an outer support spring, an inner support spring, and two pairs of drive electrodes are formed from a silicon substrate on an insulator obtained by bonding two silicon substrates through a silicon oxide film. A manufacturing method for integrally forming an inertial drive type actuator comprising:
(a) depositing and patterning a silicon oxide film on the back surface, depositing and patterning an aluminum layer on the silicon oxide film, depositing and patterning an aluminum layer on the surface of the silicon-on-insulator substrate,
(b) Etching a portion other than the portion masked with the aluminum layer from the back surface, forming a lower portion of the movable mass and the support spring,
(c) removing the aluminum layer on the back surface, exposing the silicon oxide film, performing etching from the back surface again, etching portions other than the portion masked with the silicon oxide film, and the movable mass and the inner frame And a structure in which the outer and inner support springs float,
(d) Etching from the surface, etching other than the portion masked by the aluminum layer, forming the drive electrode and the upper portion of the movable mass,
(e) removing the silicon oxide film of the silicon substrate on the insulator by sacrificial layer etching, and separating the movable mass, the inner frame, and the outer and inner support springs from the outer frame;
A manufacturing method comprising steps.
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