JPH0965491A

JPH0965491A - 電気−機械変換装置

Info

Publication number: JPH0965491A
Application number: JP21040695A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Wada; 恭雄和田; Munehisa Mitsuya; 宗久三矢; Tsuneo Ichiguchi; 恒雄市口; Tomihiro Hashizume; 富博橋詰; Seiji Heike; 誠嗣平家; Maaku Ratobitsuchi; ラトビッチ・マーク
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-08-18
Filing date: 1995-08-18
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【目的】格段に小型で、かつ高効率な電気−機械変換
を可能にする装置を提供すること。【構成】集積化静電アクチュエータと、該集積化静電
アクチュエータにより動かされる可動部分と、該可動部
分に接続され機械的動作可能な部分を少なくとも具備す
ること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロマシン技術に
より作成した集積化静電アクチュエータによる電気-機
械変換装置に関するもので、更に詳述すれば、電気信号
を機械的な動きに、あるいは逆に機械的な動きを電気信
号に変換する超小型システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気-機械変換装置は、例えばマ
イクロフォン、スピーカーなどのように、電磁石に流れ
る電流変化を機械的な動きに変換したり、逆に機械的な
動きを電流変化に変換していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな電磁石を用いた従来方式では電気エネルギ、あるい
は機械エネルギの変換効率が低く、またダイナミックレ
ンジも小さいという問題点があった。更に従来の変換シ
ステムでは、寸法が電磁石で制限されるため、超小型化
は不可能であった。これらの原因はいずれも電線を多数
回巻いた電磁石を用いることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような従来
技術の問題点を解決するためになされたもので、マイク
ロマシン技術により作成した集積化静電アクチュエータ
による電気-機械変換方式により、変換効率の高い、か
つダイナミックレンジも大きな変換を可能にするもので
ある。すなわち、集積化静電アクチュエータを用いた、
電気信号を機械的な動きに、あるいは逆に機械的な動き
を電気信号に変換する超小型システムを提案するもので
ある。

【０００５】

【作用】本発明によるマイクロマシン技術により作成し
た集積化静電アクチュエータによる電気-機械変換方式
は、図１に示したように、集積化静電アクチュエータ１
と、これに信号および電力を供給する電源および制御装
置２と、信号、電力供給接続部３と、該集積化アクチュ
エータ１と該可動部４をつなぐ伝達部分５からなる。該
静電アクチュエータ１に該電源および制御装置２より駆
動用の電力を供給しつつ動作信号を該接続部３を通して
伝達すると、該静電アクチュエータ１はその動作信号に
したがった機械的な運動を該伝達部分５を通して可動部
４に伝え、該可動部を動かす。

【０００６】逆に、該可動部４の動きは、該伝達部５を
通して該静電アクチュエータ１に伝達され、この可動部
４の動きに対応した電気信号が該静電アクチュエータ１
によって生成され、接続部３を通して制御装置２に伝え
られ、信号として取り出される。該静電アクチュエータ
１には実効上充電電流のみが流れるため、効率は非常に
高くすることが可能になり、従来のシステムに比較して
高効率化できる。

【０００７】また、該静電アクチュエータ１の寸法は、
半導体微細加工技術を用いたマイクロマシン技術により
形成するため非常に小さくできる。例えば最小加工寸法
を０．５μｍとすれば、該静電アクチュエータ１本体の
みの寸法は１ｍｍ以下にできる。従来のコイルを用いた
構造に比べ、１／１０以下の寸法にすることができる。

【０００８】

【実施例】

実施例１本実施例では、静電アクチュエータの構造を開示する。
図２（ａ）は最も簡単な構造の静電アクチュエータの構
造の模式図で、導電体からなる構造１１、１２におい
て、櫛の歯状電極１３が互いに入れ子状に形成されてい
る状態を示す。該導電体１１および１２において、各々
の電極間に電圧Ｖを印加すると、これらの導電体１１、
１２間に働く力Ｆは、次式で表される。

【０００９】Ｆ＝αＶ（１）で表される。ここでαは比例定数である。

【００１０】したがって、該導電体１１を固定し、該導
電体１１と１２の間に電圧Ｖを印加すると、該導電体１
２の変位ｘは、式（１）で表される生成される力Ｆに対
応した次式で表される値が得られる。

【００１１】ｘ＝βＦ（２）ここでβは比例定数である。

【００１２】したがって、最終的な変位量ｘと印加する
電圧Ｖの関係は、次式で表される。

【００１３】ｘ＝αβＶ（３）式（３）から、変位量と印加電圧の間に直線関係があ
り、その関係は構造パラメータとして一義的に規定でき
ることがわかる。したがって適当な構造パラメータを設
定することにより、非常に高率の良い電気−機械変換が
可能になることが理論的にも裏付けられる。

【００１４】該導電体１１、１２の櫛の歯状電極１３の
基本構造は、図３に断面図で示したように、一平面上に
互い違いに櫛の歯状電極１３が形成される。図３の断面
図は図２（ａ）のＡ−Ａの位置において矢印方向に見た
ものである。これらの櫛の歯状電極１３の幅をｗ１、間
隔をｗ２とし、簡単のため幅と間隔を同一にすれば、こ
れらの導電体１１、１２間に働く力Ｆは、式（１）から
間隔ｗ２を小さくすれば大きくなる。この理由は、電極
間の容量を大きくすることにより、式（１）中のパラメ
ータαが大きくなるためである。したがって、高感度化
のためには間隔ｗ２を小さくする必要がある。

【００１５】尚、図３に示した電極断面図では、電極の
幅と厚さがほぼ同一に描いてあるが、必ずしもこれは必
要な条件ではなく、電極の機械的強度、電極の固有周波
数に影響する重量といった評価パラメータにより決めら
れる量である。

【００１６】一方、電極間の容量を大きくすると、前述
のように電極容量の充電電流が流れるため、消費電力が
大きくなるという問題点があるため、必要な力と消費電
力の兼ね合いでｗ２の値を決める必要がある。適当なｗ
２の値と静電アクチュエータ全体の幅は、一般的に各々
０．１μｍ〜１０μｍ、および３μｍ〜１５００μｍ程
度であったが、特に０．２μｍ〜１μｍ、および１０μ
ｍ〜２００μｍの範囲のときに超小型化と超高感度化が
同時に達成できた。これらのｗ２の値と静電アクチュエ
ータ全体の幅の値は、用途により多少差異があることは
いうまでもなく、各々の用途により適切な値を選択でき
る。

【００１７】図３に示した構造は、熟練した専門家であ
れば容易に設計可能であり、通常の半導体微細加工技術
により実現可能である。すなわち、シリコンウエハー上
にシリコン酸化膜等の犠牲層を成長し、その上に多結晶
シリコン等の材料からなる薄膜を堆積、加工後、前記シ
リコン酸化膜よりなる犠牲層を除去することにより、所
定の静電アクチュエータ構造を実現できる。

【００１８】該静電アクチュエータは、図２（ａ）、図
３に示したごとく、櫛型電極からなることは必ずしも必
要ではない。例えば、並行平板電極でも同様な作用を得
ることが可能である。しかし、櫛型電極構造、あるいは
これに類似した構造が最も効率が高いことは明らかであ
る。例えば図２（ｂ）に示したごとく、固定電極１４お
よび１６の間に可動電極１５を各々櫛型電極が互いに入
れ子になるよう形成した構造も有効である。

【００１９】このような櫛型電極構造は、ここに示した
ように横方向のみでなく、縦方向にも形成できる事は明
らかである。また、電圧の印加方法についても、単に一
方の電極を接地し、両電極間に電圧を印加する方法のみ
でなく、例えば、図２（ａ）において、導電体からなる
構造１１を固定し、導電体からなる構造１２をバネ構造
で図面平面上の例えば右方向に変位させ、その変位量を
該導電体からなる構造１１、１２間に印加する電圧によ
って補償することにより、通常であれば電極間距離を小
さくする、図面右方向のみに作動する該静電アクチュエ
ータの導電体からなる構造１２を、図面平面上の左右両
方向に動作させることを可能にする。

【００２０】図２（ｂ）においては、導電体からなる構
造１５を接地電位にし、導電体からなる構造１４および
導電体からなる構造１６に各々正負の電圧を印加する方
法等、電圧の印加方法によって、該静電アクチュエータ
の適切な動作が可能になる。この場合、構造１４、１６
を構造上固定位置となるようにし、構造１５から連結腕
を出して、構造１５の動きを利用できるようにすれば良
い。

【００２１】実施例２本実施例では静電アクチュエータを用いたスピーカーの
構造を開示する。図４は静電アクチュエータ２１と、こ
れに連結部分２２を介して機械的に連結されたスピーカ
ー２３からなる構造を示している。該静電アクチュエー
タ２１に、信号発生器２４から、ケーブル２５を通して
電気的な信号を入力すると、該静電アクチュエータ２１
は、該電気的な信号にしたがって作動する。この機械的
作動を該連結部分２２を介して該スピーカーに伝達し、
最終的に信号発生器からの電気信号は音となる。

【００２２】本実施例ではｗ２を０．３μｍとし、静電
アクチュエータ全体の幅を約１００μｍとすることによ
り一般的に十分な力を発生させることができた。この場
合には該静電アクチュエータ２１の固有振動数は、約３
０ｋＨｚと十分に高くできるため、低音から高音まで広
い範囲で完全な周波数応答が得られた。一方、大型のス
ピーカーを実現するためには該静電アクチュエータ２１
を大きくする必要があることは言うまでもないが、この
時には固有周波数が小さくなるため、高音に対する応答
は小さくなる。

【００２３】図４に示した静電アクチュエータ２１の詳
細な構造を図５に示す。櫛型電極３１からなる静電アク
チュエーターと、該静電アクチュエーターに接続された
連結部分３２、振動板３３が、枠３４に固定された状態
を示す。該櫛型電極３１の機械的振動が、振動板３３を
作動させ、音のエネルギに変化する。該振動板３３の材
質は、振動周波数応答の良好なものであれば良く、例え
ばダイアモンド、紙、プラスチック、金属等が使える。
また連結部分３２の材質は、振動によって変形を起こさ
ず、かつ振動の減衰の原因にならないものを用いること
が必要である。例えばセラミック、硬質プラスチック等
を用いることができるが、この材料は必ずしも本発明の
必須用件ではない。

【００２４】実施例３本実施例では静電アクチュエータを用いたマイクロフォ
ンの構造を開示する。図６は振動板４１、連結構造４
２、静電アクチュエータ４３、電気信号伝達部分４４お
よび電気信号制御装置４５よりなる構造において、外部
からの音は、該振動板４１により機械的な動きに変換さ
れ、連結機構４２により静電アクチュエータ４３に伝達
される。静電アクチュエータ４３により機械的振動が電
気信号に変換され、この電気信号が該電気信号伝達部分
４４を通って電気信号制御装置４５に到達し、外部に電
気信号として取り出される。

【００２５】静電アクチュエータ４３による機械的振動
の電気信号への変換は、櫛型電極の作動による静電容量
の計測によって行えることは言うまでもないが、より高
精度な変換方法は、トンネル電流の計測によるものであ
る。これを詳細に説明すると、図７に示した構成におい
て、振動板５３に励起された振動は、連結構造５２によ
って櫛型電極５１からなる静電アクチュエータに伝達さ
れる。該櫛型電極５１には、探針として機能する部分５
５及び対向電極として機能する部分５６が具備されてお
り、該探針として機能する部分５５及び対向電極として
機能する部分５６の間に流れるトンネル電流が一定にな
るよう、該櫛型電極５１の間に印加される電圧を制御す
れば、わずか０．１ｎｍ以下程度の該振動板５３の動き
を検出して、電気信号に変換可能であるため、非常に高
感度なマイクロフォンを実現可能である。したがって、
従来不可能であった極微小な空気振動も検出できるよう
になるため、その工学的意味は大きい。

【００２６】実施例４本実施例では静電アクチュエータを用いた超小型ラジオ
の構造を開示する。図８は受信機７４、電気信号伝達部
分７５、静電アクチュエータ７１、機械的連結部７２、
スピーカー７３からなる構造において、該受信機７４に
より受信された電波は、電気信号に変換され、電気信号
伝達部分７５を通って静電アクチュエータ７１を動作さ
せる。静電アクチュエータ７１で発生した機械的振動
は、機械的連結部７２を動かし、スピーカー７３に振動
として伝えられる。該スピーカー７３に伝えられた振動
は、音として空気を振動させ、本装置はラジオとして機
能する。

【００２７】本発明による超小型ラジオの特徴は、寸法
が小さく、消費電力も最小に押さえられる点である。例
えば、該受信機７４、電気信号伝達部分７５、静電アク
チュエータ７１、機械的連結部７２、スピーカー７３を
半導体加工技術により、同一チップ上に形成すれば、全
体を数ミリメートル角以内の面積に集積可能である。ま
た、駆動用の電池も小さくてすみ、太陽電池などの形に
して、該チップ上に集積することも可能である。例えば
本実施例では、最小加工寸法０．５μｍの集積回路技術
により、チップ寸法３ｍｍ角に全ての機能を集積でき
る。本発明による超小型ラジオを筆記用具の先端に取り
付けパーソナルバックグランドミュージック用に用いる
ことができる。また、イヤリングの形にして直接耳の近
くに置き、個人用ラジオとして使用することも可能にな
る。従来のようにイヤフォンおよびラジオ本体といった
など持ち運びに不便な形状のものを用いる必要がなく、
かつエネルギが小さくて済むことから効率が高く、省エ
ネルギにもなるため、工学的な意味は大きい。

【００２８】実施例５本実施例では静電アクチュエータを用いた一チップ走査
トンネル顕微鏡の構造を開示する。図９は第一の静電ア
クチュエータ８１と、第二の静電アクチュエータ８２が
各々連結構造８３および８４により探針８５に連結され
ており、各々該静電アクチュエータ８１、８２は一方の
電極が枠８６に固定されている状態を示す。さらに第三
の静電アクチュエータ（図示せず）を図９紙面の上下方
向に形成してある。このような構造においては、該探針
８５は、該第一の静電アクチュエータ８１と、第二の静
電アクチュエータ８２により各々図９紙面の左右方向お
よび上下方向に動かされ、、また第三の電極により図９
紙面の上下方向に動かされる。このような構造にするこ
とにより、静電アクチュエータを用いた三次元動作可能
な走査トンネル顕微鏡が実現できる。

【００２９】図９に開示した三次元動作可能な走査トン
ネル顕微鏡を用い、一チップ走査トンネル顕微鏡を構成
可能である。図１０はこの構成図を示したもので、一チ
ップ走査トンネル顕微鏡チップ９１上に、図９に示した
三次元動作可能な走査トンネル顕微鏡９２、該三次元動
作可能な走査トンネル顕微鏡９２の制御回路装置９３、
該制御回路装置動作に必要な記憶装置９４、該制御回路
装置９３および記憶装置９４を駆動するに必要な電気エ
ネルギを発生し、あるいは／および蓄える電源装置９５
からなる。必要により、該制御回路装置９３あるいは／
および記憶装置９４には通信機能を持たせることも可能
である。すなわち、該一チップ走査トンネル顕微鏡の取
得するデータ、あるいは該一チップ走査トンネル顕微鏡
の動作を指令する信号を送受信する機能を持たせること
も可能である。これらの機能を持たせることにより、該
一チップ走査トンネル顕微鏡を、外部との電線による接
続なしに動作させ、また取得したデータを取り込むこと
が可能になるため、動作の自由度が飛躍的に増大する。

【００３０】実施例６本実施例では静電アクチュエータを用いた、超小型の記
録再生装置を開示する。図１１は第一の静電アクチュエ
ータ１０１と、第二の静電アクチュエータ１０２が各々
連結構造１０３および１０４により探針１０５に連結さ
れており、各々該静電アクチュエータ１０１、１０２は
一方の電極が枠１０６に固定されている状態を示す。さ
らに第三の静電アクチュエータ（図示せず）を図９紙面
の上下方向に形成してある。このような構造において
は、該探針１０５は、該第一の静電アクチュエータ１０
１と、第二の静電アクチュエータ１０２により各々図９
紙面の左右方向および上下方向に動かされ、、また、図
示されていない第三の電極により図９紙面の上下方向に
動かされる。該探針１０５に対向するように情報記録媒
体１０７を設置してある。該探針１０５により、該情報
記録媒体１０７に情報を記録し、あるいは該情報記録媒
体１０７に記録してある情報を読みだすことができる。

【００３１】図１２は図１１で開示した超小型の記録再
生装置を用いた超小型音楽再生装置の構成図である。チ
ップ１１１上に図１１で開示した超小型の記録再生装置
１１３、制御回路１１４、制御回路用記憶回路１１５、
電源１１２、さらに図４で開示したスピーカー１１６を
具備している。チップ１１１全体の寸法は最小寸法０．
５μｍの微細加工技術を用いることにより約３ｍｍ角に
することができる。このチップ１１１を耳に固定するこ
とにより、従来のような大がかりな装置でなくなるた
め、超小型音楽再生装置の何の違和感もない装着が可能
になる。

【００３２】

【発明の効果】以上の実施例に示したように、本発明に
よれば、集積化静電アクチュエータによる超小型電気−
機械変換装置を実現できる。またこの技術を応用するこ
とにより、従来よりも格段に小型で、かつ高効率な電気
−機械変換を可能にするるため、その技術的、経済的効
果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるマイクロマシン技術により作成し
た集積化静電アクチュエータによる電気-機械変換方式
を示す図。

【図２】（ａ）は最も簡単な構造の静電アクチュエータ
の構造を示す図。（ｂ）は固定電極の間に可動電極を各
々櫛型電極が互いに入れ子になるよう形成した静電アク
チュエータの構造を示す図。

【図３】櫛型固定電極と櫛型可動電極の導電体部分の断
面基本構造を示す図。

【図４】静電アクチュエータを用いたスピーカーの構造
を示す図。

【図５】図４に示した静電アクチュエータの詳細な構造
を示す図。

【図６】静電アクチュエータを用いたマイクロフォンの
構造を示す図。

【図７】トンネル電流の計測による、静電アクチュエー
タによる機械的振動の電気信号への変換方式の原理を示
す図。

【図８】静電アクチュエータを用いた超小型ラジオの構
造を示す図。

【図９】静電アクチュエータを用いた一チップ走査トン
ネル顕微鏡の構造を示す図。

【図１０】三次元動作可能な走査トンネル顕微鏡を用い
た、一チップ走査トンネル顕微鏡の構成図。

【図１１】静電アクチュエータを用いた、超小型の情報
記録再生装置の構造を示す図。

【図１２】図１１で開示した超小型情報記録再生装置を
用いた超小型音楽再生装置の構成を示す図。

【符号の説明】

１、２１、４３、７１、８１、８２、１０１、１０２：
集積化静電アクチュエータ、２：電源および制御装置、
３、２２、３２、４２、５２、７２、８３、８４、９
５、１０３、１０４：連結部、４：可動部、５、２５、
４４、７５：信号伝達部分、１１、１２：導電体、１
３、１４、１５、１６、３１、５１：電極、２３、７
３：スピーカー、２４、４５、９３、９４：信号制御装
置、３３、４１、５３：振動板、３４、８６、１０６：
枠、５５、８５、１０５：探針、５６：対向電極、７
４：受信機、９１：一チップ走査トンネル顕微鏡チッ
プ、９２：三次元動作可能な走査トンネル顕微鏡。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋詰富博埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者平家誠嗣埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者ラトビッチ・マーク埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定部と可動部とが対向して配置され、両
者の間に作用する静電力を制御して相対的な移動量を制
御されるアクチュエータを具備したことを特徴とする電
気−機械変換装置。
【請求項２】前記静電アクチュエータは、マイクロマシ
ン技術により集積化された形に作成されたこと請求項１
記載の電気−機械変換装置。
【請求項３】固定部、前記固定部に対向して配置された
可動部を備え、両者の間に作用する静電力を制御して相
対的な移動量を制御されるアクチュエータを具備すると
ともに、前記可動部と連携されて変位する変動部位を備
え、該変動部位の一部は前記固定部を保持する支持部材
と機械的に連携した部材に保持されることを特徴とする
電気−機械変換装置。
【請求項４】前記静電アクチュエータは、マイクロマシ
ン技術により集積化された形に作成されたこと請求項３
記載の電気−機械変換装置。
【請求項５】前記固定部と対向して配置された可動部と
の相対的な移動量がトンネル電流変化として検出される
請求項１ないし４のいずれかに記載された電気−機械変
換装置。