小型アクチュエータ

【目的】振動体を利用することで大きな駆動力が得られ、しかもリニア型のアクチュエータとした場合には大きな変位量が得られる。
【構成】基板１の外周部には、自由端が−ｘ方向に延びる複数の片持ち梁２と、自由端が＋ｘ方向に延びる複数の片持ち梁３と、自由端が＋ｙ方向に延びる複数の片持ち梁４と、自由端が−ｙ方向に延びる片持ち梁５とが形成される。各片持ち梁２、３、４、５はそれぞれ固有振動数が異なる。基板１の中央部には、厚み方向に分極され、出力周波数が可変の交流電源（不図示）に接続された圧電体６が固定される。この基板１を基台（不図示）に載置し、圧電体６に所定の交流電圧を印加し、基板１を片持ち梁２の固有振動数と等しい振動数で振動させると、片持ち梁２は共振し、基板１が−ｘ方向に移動する。同様に、基板１を＋ｘ方向、＋ｙ方向、および−ｙ方向にも移動させることができる。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、片持ち梁の振動を利用した小型アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】マイクロマシンと呼ばれる微小な機械は、医療分野や管内作業ロボット等、狭所作業用機械として注目されている。こうした微小な機械を移動させたり作業させるための駆動機構として、従来の機械と同様な電磁モータを微小化することも行なわれている。ところが、電磁モータは小さくなると駆動力や効率が極端に低下するので、電磁力にかわり、静電力を用いた櫛歯型のリニアアクチュエータやマイクロモータが提案されている。
【０００３】静電力を用いた従来の櫛歯型のリニアアクチュエータの構造を図８に示す。図８に示すように、基板に固定された２つの固定部５３はそれぞれ支持部５２を空中に支持しており、各支持部５２により、互いに連結されてかつ櫛歯５１ａが形成された２つの可動部５１が図示左右方向に移動可能に支持されている。そして、各可動部５１の櫛歯５１ａには、それぞれ基板に固定された歯５４が互い違いに２μｍのギャップをあけて挿入されている。ここが静電駆動部となり、可動部５１の櫛歯５１ａと固定された歯５４との間に電圧を印加すると、両者の重なりが大きくなる方向の力が働く。
【０００４】また、静電力を用いた従来のマイクロモータの構造を図９に示す。図９に示すように、ロータ１０３は基板上にピンジョイント１０２により回転自在に軸支されている。また、複数のステータ１０１が、ロータ１０３の回転中心を挟んで放射状に配置されており、その対向するもの同志（例えば、Ｕ−Ｕ’）が一対の電極を構成している。各ステータ１０３は、ロータ１０３の中心に近い部位が基板から数ミクロンｍ浮き上がり、その下をロータ１０３が通過できるようになっている。ここで、例えばＵ−Ｕ’の一対のステータ１０１に電圧を印加すると、静電力に引かれてロータ１０３は電圧を印加されたステータ１０１の下に吸い込まれる。その動きに合わせてＶ−Ｖ’、Ｗ−Ｗ’というように順番に電圧を印加するステータ１０１を切り替えていけば、ロータ１０３は連続的に回転する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した静電力を用いた従来の櫛歯型のリニアアクチュエータは、その変位量は櫛歯の長さで規制されるので大きな変位を得ることができなかった。また、マイクロモータについていえば、その駆動源となる静電力はロータの表面積に依存しており、この構造を小型化にすればするほどロータの表面積は小さくなり、その結果大きな回転力が得られなくなってしまうという問題点があった。
【０００６】一方、微小な機械に対しては摩擦力の影響が通常の大きさの機械に比べると常に大きいため、振動体を用いた駆動方式が有効な動力源となりうることが知られている。しかし、微小機械の動力として適した振動の利用法はあまり提案されていない。
【０００７】そこで本発明は、振動体を利用することで大きな駆動力が得られ、しかもリニア型のアクチュエータとした場合には大きな変位量が得られる小型アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため本発明の小型アクチュエータは、先端部が他の平板部材に当接可能な片持ち梁が形成された基板と、前記基板を前記片持ち梁の固有振動数と略等しい振動数で振動させるための励振手段とを有することを特徴とする。
【０００９】また、前記基板には、それぞれ固有振動数が異なる４種類の片持ち梁が、互いに自由端の向きを逆向きとした２種類ずつを互いに直交して配置されるとともに、前記励振手段は、前記基板を前記４種類の片持ち梁のそれぞれの固有振動数で振動させるものとしたものであってもよいし、あるいは、前記基板には、それぞれ固有振動数の異なる２種類の片持ち梁が複数個ずつ、互いに自由端の向きを逆向きとして円周方向に配置されているとともに、前記励振手段は、前記基板を前記２種類の片持ち梁のそれぞれの固有振動数で振動させるものとしたものであってもよい。
【００１０】さらに、前記基板は単結晶シリコンからなるものとしたり、前記励振手段を周波数可変のものとしたものであってもよい。
【００１１】
【作用】上記のとおり構成された本発明の小型アクチュエータでは、基板を他の平板部材に載置して、励振手段により片持ち梁の固有振動数と略等しい振動数で振動させる。これにより片持ち梁は基板の振動と共振して固定端を中心に大きく振動し、先端部で他の平板部材をたたく。このとき他の平板部材には片持ち梁の自由端側から固定端側に向かう向きの力が作用するとともに、基板と他の平板部材との間に摩擦力が作用する。従って、他の平板部材の位置を固定していれば、基板が片持ち梁の固定端側から自由端側へ向かって移動するし、基板の向きを上下逆向きにしてその位置を固定し基板上に平板部材を載置すれば、平板部材が片持ち梁の自由端側から固定端側へ向かって移動する。
【００１２】また、基板にはそれぞれ固有振動数が異なる４種類の片持ち梁が、互いに自由端の向きを逆向きとした２種類ずつを互いに直交して配置され、この基板を４種類の片持ち梁のそれぞれの固有振動数で振動させることで、この小型アクチュエータをｘｙステージに利用できる。さらに、基板にはそれぞれ固有振動数の異なる２種類の片持ち梁が複数個ずつ、互いに自由端の向きを逆向きとして円周方向に配置され、この基板を２種類の片持ち梁のそれぞれの固有振動数で振動させることで、この小型アクチュエータをマイクロモータに利用できる。
【００１３】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１４】（第１実施例）図１は、本発明の小型アクチュエータの第１実施例の平面図である。この小型アクチュエータは図１に示すように、それぞれ固有振動数が異なる４種類の片持ち梁２、３、４、５が５つずつ形成された基板１と、基板１の中央部に固定された励振手段としての、厚み方向に分極した圧電体６とで構成される。各片持ち梁２、３、４、５のうち、自由端が−ｘ方向に向かって延びる５つの片持ち梁２の固有振動数はそれぞれｆ１で、自由端が＋ｘ方向に向かって延びる５つの片持ち梁３の固有振動数はそれぞれｆ２となっている。また、自由端が＋ｙ方向に向かって延びる５つの片持ち梁４の固有振動数はそれぞれｆ３で、自由端が−ｙ方向に向かって延びる５つの片持ち梁５の固有振動数はそれぞれｆ４となっている。
【００１５】各片持ち梁２、３、４、５のうち固有振動数がｆ１の片持ち梁２の形状は、図２に示すように、その中間部の厚みｔが基板１の厚みに対して薄く形成されている。その他の片持ち梁３、４、５の形状についても同様であり、各片持ち梁２、３、４、５は、中間部の厚みｔを変えたり梁の長さＬを変えること等により、それぞれの固有振動数を変えている。
【００１６】また、基板１としては、金属あるいは合金材料や高分子材料等、薄板状に形成される材料を使用することが可能であり、各片持ち梁２、３、４、５の形成方法としても、放電加工やレーザ加工やエッチング技術を利用することができる。この中でも、上述したように多数個の微細な片持ち梁２、３、４、５を寸法精度よく形成するためには、基板１としてシリコンウエハを用い、エッチング技術により各片持ち梁２、３、４、５を形成するのが最も適している。
【００１７】さらに、圧電体６には出力周波数が可変な交流電源（不図示）が電気的に接続されている。この交流電源により圧電体６に交流電圧を印加すること、その周波数に応じた周波数で圧電体６が振動し、それに伴って基板１が振動する構成となっている。
【００１８】上述した構成に基づき、圧電体６を上方に向けた状態で基板１を平板部材としての基台（不図示）上に載置しておき、交流電源により基板１を例えば周波数ｆ１で振動させると、基板１の振動に伴って各片持ち梁２、３、４、５もその固定端を中心に振動し（図２において矢印Ｂ方向）、それぞれの先端部で基台をたたく。この際、各片持ち梁２、３、４、５の中でも固有振動数がｆ１の片持ち梁２が基板１の振動と共振し、他の片持ち梁３、４、５よりも大きな振幅で振動するので、基台には固有振動数がｆ１の片持ち梁２による力が最も強く作用することになる。固有振動数がｆ１の片持ち梁２が振動してその先端部が基台をたたくことにより、固有振動数がｆ１の片持ち梁２は図２において右斜め下向きの力を基台に作用させる。ところが、基板１は非常に軽く、しかも基台は固定されているものなので、この片持ち梁２は基台からの反作用を受け、また基台との摩擦力により基板１自体が図２において左方に移動することになる。すなわち、図１においては基板１は−ｘ方向に移動することになる。このとき、上述したように基板１は非常に軽く、それにより基台との摩擦力の影響も大きくなるので、基板１の駆動力は大きいものとなる。
【００１９】同様に、固有振動数がｆ２の片持ち梁３を共振させることにより基板１は＋ｘ方向に移動する。さらに、固有振動数がｆ３の片持ち梁４を共振させることにより基板１は＋ｙ方向に移動し、固有振動数がｆ４の片持ち梁５を共振させることにより基板１は−ｙ方向に移動する。これらの移動を適宜組み合せることで基板１をｘｙ方向に任意に移動させることができ、この小型アクチュエータをｘｙステージとして使用することが可能となる。しかも、この小型アクチュエータの駆動源は一つでよいので、その構造が簡単になるし、制御も容易である。
【００２０】次に、本実施例の小型アクチュエータの製造方法の一例について説明する。
【００２１】基板１としては、大きさが１２ｍｍ×８ｍｍ、厚さが５２５μｍの（１００）方位のシリコンウエハを用い、まず、その基板１の一方の面の、中央部の圧電体固定部位および各梁形成予定部位を、それぞれＫＯＨ水溶液により厚み２００μｍまでエッチングした。次に、基板１の両面にＬＰＣＶＤ法によりＳｉ−Ｎ膜を０．１５μｍの厚みで形成し、両面のＳｉ−Ｎ膜にそれぞれ各片持ち梁２、３、４、５のくり抜きパターンを形成する。そして、Ｓｉ−Ｎ膜をマスクとして基板１の両面からＫＯＨ水溶液により各片持ち梁２、３、４、５の外形を形成する。各片持ち梁２、３、４、５の外形が形成されたら、基板１の全体を熱酸化し基板１の端面を酸化膜で保護した後、基板１の他方の面の、各片持ち梁２、３、４、５の中間部となる部位のＳｉ−Ｎ膜を除去し、これら各部位をＫＯＨ水溶液でエッチングする。これにより、図２に示した形状で各片持ち梁２、３、４、５が形成される。
【００２２】このようにして形成された各片持ち梁２、３、４、５の形状は以下のとおりとした。すなわち、図３R>３に示す幅ａが２００μｍ、先端部の凸部の長さｂが１００μｍ、厚みｔが５０μｍである。また、各片持ち梁２、３、４、５の固有振動数は、それぞれ梁の長さＬが異なるものとすることで変えており、Ｌの値をそれぞれ３００μｍ、３２０μｍ、３４０μｍ、３７０μｍとした。
【００２３】各片持ち梁２、３、４、５が形成されたら、圧電体固定部位に、厚み方向に分極した圧電体６として、大きさが２ｍｍ×３ｍｍ、厚みが０．５ｍｍのＰＺＴ圧電体をエポキシ系接着剤により接着固定した。
【００２４】以上のようにして作製された小型アクチュエータを、圧電体６を上方に向けて基台上に載置し、圧電体６に各片持ち梁２、３、４、５の固有振動数に対応する交流電圧を印加することで、小型アクチュエータは基台上を自由に移動した。ちなみに、各片持ち梁２、３、４、５の共振周波数は、梁の長さＬが３００μｍのものでは５９ｋＨｚ、梁の長さＬが３２０μｍのものでは４５ｋＨｚ、梁の長さＬが３４０μｍのものでは３６ｋＨｚ、梁の長さＬが３７０μｍのものでは２７ｋＨｚであった。また、この小型アクチュエータを上下逆向きにしてその端部を固定し、さらに基板１上に薄板を載置することにより、この薄板をｘｙ方向に任意に移動させることもでき、薄板をｘｙステージとして使用することもできる。
【００２５】基板１を振動させるときの基板１の周波数は、用いる励起手段や電源により使用可能な範囲に設定できることはもちろんであるが、これが可聴帯域であると騒音の発生源となるので、可聴帯域外であることが望ましい。
【００２６】本実施例では、同じ固有振動数の片持ち梁をそれぞれ５つずつ形成したものの例を示したが、これに限らず、同じ固有振動数の片持ち梁の数は必要に応じて増減することができる。
【００２７】（第２実施例）図４は、本発明の小型アクチュエータの第２実施例の断面図であり、図５は、図４に示した小型アクチュエータの基板を下方から見た図である。本実施例においては、基板１１は図５に示すように円盤状の部材であり、基板１１には、それぞれ固有振動数が異なる２種類の片持ち梁１２、１３が複数個ずつ、基板１の円周方向に沿って、かつ一つおきに配置されているとともに、円環状の溝１１ａが形成されている。各片持ち梁１２、１３の形状はそれぞれ第１実施例のものと同様の形状であり、それぞれ自由端の向きが互いに逆向きとなっている。また、各片持ち梁１２、１３の梁の長さＬ（図２参照）を互いに異なるものとすることで、それぞれの固有振動数を変えている。
【００２８】また、図４に示すように固定台２０は、その中央部に、基板１１の各片持ち梁１２、１３が形成されている部位にはめ込まれて各片持ち梁１２、１３の先端部と接触する円形状の中央凸部２０ａが形成されているとともに、外周部には、基板１１の溝１１ａにはめ込まれる円環状の外周凸部２０ｂが形成されている。これにより、基板１１は固定台２０に回転自在に支持される構成となっている。
【００２９】一方、基板１１の図示上面にはパイレックスガラス板１７が接合されている。パイレックスガラス板１７の中央部の、基板１１との対向面には、基板１１の各片持ち梁１２、１３が形成されている部位の面積よりも大きな面積の凹部１７ａが形成されている。この凹部１７ａ内において、基板１１とパイレックスガラス板１７との対向面には、それぞれ励振手段としての電極１８、１９が設けられている。各電極１８、１９は、外部で出力周波数が可変な交流電源（不図示）と電気的に接続されており、この交流電源により各電極１８、１９に交流電圧を印加すると、その周波数に応じて基板１１の中央部が振動する構成となっている。各電極１８、１９にかえて、導電性を有する基板を用いたり、表面が導体化された基板を用いてもよい。
【００３０】上述した構成に基づき、交流電源により各電極１８、１９に交流電圧を印加し、一方の片持ち梁１２を共振させる振動を基板１１に与えると、第１実施例で述べた原理と同様の原理により基板１１は矢印Ｃ方向（図５参照）に回転する。また、他方の片持ち梁１３を共振させる振動を基板１１に与えることにより、基板１１は矢印Ｄ方向に回転する。これにより、この小型アクチュエータをマイクロモータとして使用することが可能となる。
【００３１】次に、本実施例の小型アクチュエータの製造方法の一例について説明する。
【００３２】基板１１としては、厚さが５２５μｍの（１００）方位のシリコンウエハを用い、まず、その基板１１の一方の面の、中央部の片持ち梁形成予定部位を円形状におよびその外方を円環状に、それぞれＫＯＨ水溶液により厚み３００μｍまでエッチングして中央部の凹部および溝１１ａを形成した。次に、基板１１の両面にＬＰＣＶＤ法によりＳｉ−Ｎ膜を０．１５μｍの厚みで形成し、第１実施例と同様の工程により基板１１の中央部の凹部に各片持ち梁１２、１３を形成する。
【００３３】このようにして形成された各片持ち梁１２、１３の形状は以下のとおりとした。すなわち、図３に示す幅ａが１００μｍ、先端部の凸部の長さｂが１００μｍ、厚みｔが１００μｍである。また、各片持ち梁１２、１３の固有振動数は、それぞれ梁の長さＬが異なるものとすることで変えており、Ｌの値をそれぞれ２４０μｍ、２８０μｍとした。
【００３４】各片持ち梁１２、１３が形成されたら、基板１１の他方の面に、真空蒸着法により厚みが０．１μｍのＡｌ膜を成膜し、電極１９を形成する。
【００３５】一方、厚みが１ｍｍのパイレックスガラス板１７の中央部をフッ酸でエッチングして深さが２μｍの凹部１７ａを形成する。その後、この凹部１７ａの底壁に、真空蒸着法およびフォトリソグラフィ法により厚みが０．１μｍのＡｌ膜を成膜し、電極１８を形成する。
【００３６】そして、電極１９が形成された基板１１と電極１８が形成されたパイレックスガラス板１７とを、各電極１８、１９を互いに対向させて陽極接合法により接合する。これを、予め中央凸部２０ａおよび外周凸部２０ｂが形成された固定台２０にはめ込むことで、本実施例の小型アクチュエータが作製される。実際的には、例えば直径が４インチの基板に複数のパターンを形成し、複数の小型アクチュエータを一枚の基板に同時に作製する方法が用いられる。そしてこの基板は、パイレックスガラスが接合されてから所定の部位でダイシングソーにより切断されて一つ一つに分離される。
【００３７】以上のようにして小型アクチュエータを作製し、各電極１８、１９に各片持ち梁１２、１３の固有振動数に対応する交流電圧を印加することで、基板１１は固定台２０に対して任意の方向に回転した。ちなみに、各片持ち梁１２、１３の共振周波数は、梁の長さＬが２４０μｍのものでは１２０ｋＨｚ、梁の長さＬが２８０μｍのものでは７５ｋＨｚであった。
【００３８】以上説明した各実施例では、励振手段として圧電体に交流電圧を印加するものや対向電極間に交流電圧を印加するものの例を示したが、これに限られるものではない。
【００３９】例えば、図６に示すように、片持ち梁（不図示）を形成した基板２１の外周部に、スペーサ２３を介してパイレックスガラス板等からなる板部材２４を接合し、基板２１の板部材２４との対向面の中央部に永久磁石２２を固定するとともに、板部材２４の図示上面にコイル状導体２５を設けたものが挙げられる。この場合、コイル状導体２５に交流電圧を印加することにより基板２１の中央部が振動し、その振動により片持ち梁を共振させることで、この小型アクチュエータは片持ち梁の固定端側から自由端側に向かう向きに移動する。そして、片持ち梁を図１に示したものと同様に直交配置することでｘｙステージとして利用できるし、図５に示したものと同様に円周方向に向かって配置することでマイクロモータ用のロータとして利用できる。
【００４０】さらに、励振手段としては図７に示すように積層型のピエゾ素子３２を用いたものでもよい。この場合は、片持ち梁（不図示）が形成された基板３１は、その外周部において複数の積層型のピエゾ素子３２を介して板部材３４に接合されており、各ピエゾ素子３２に交流電圧を印加して各ピエゾ素子３２を伸縮させることで基板３１の中央部が振動する。これにより、図６に示したものと同様にこの小型アクチュエータをｘｙステージとして利用したりマイクロモータ用のロータとして利用できる。
【００４１】
【発明の効果】本発明は以上説明したとおり構成されているので、以下に記載する効果を奏する。
【００４２】片持ち梁が形成された基板と、この基板を片持ち梁の固有振動数と略等しい振動数で振動させる励振手段とを有という簡単な構造で、基板の振動に伴う片持ち梁の共振を利用して基板と他の平板部材とを相対的に移動させる小型アクチュエータを得ることができる。また、基板と平板部材のうち移動される物体が軽量だと他方の物体との摩擦力の影響が大きくなるので、静電力を利用した小型アクチュエータに比較して大きな駆動力が得られる。さらに、移動される物体の移動方向は片持ち梁の形成方向によって決まるので、基板を振動させるだけで移動される物体は所定の方向に移動され、制御も容易である。
【００４３】また、それぞれ固有振動数が異なる４種類の片持ち梁が、互いに自由端の向きを逆向きとした２種類ずつを互いに直交して配置された基板を用い、この基板を４種類の片持ち梁のそれぞれの固有振動数で振動させることで、この小型アクチュエータをｘｙステージに利用することができる。この場合には、移動される物体の移動量は特に制限されないので、大きな移動量のｘｙステージを得ることができる。
【００４４】さらに、それぞれ固有振動数の異なる２種類の片持ち梁が複数個ずつ、互いに自由端の向きを逆向きとして円周方向に配置され他基板を用い、この基板を２種類の片持ち梁のそれぞれの固有振動数で振動させることで、この小型アクチュエータをマイクロモータに利用することができる。
【００４５】加えて、基板を単結晶シリコンからなるものとすることで、片持ち梁の形成をフォトリソグラフィ技術を用いて行なうことができ、寸法精度のよい片持ち梁を形成することができる。これは特に、多数個の片持ち梁を形成する場合に有効である。
【００４６】そして、励振手段を周波数可変のものとすることで、複数種の振動数で基板を振動させることを一つの励振手段で行なうことができ、基板にそれぞれ異なる複数種の固有振動数を有する片持ち梁を形成した場合の小型アクチュエータの制御をより容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の小型アクチュエータの第１実施例の平面図である。
【図２】図１に示した小型アクチュエータのＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１に示した小型アクチュエータの片持ち梁の拡大斜視図である。
【図４】本発明の小型アクチュエータの第２実施例の断面図である。
【図５】図４に示した小型アクチュエータの基板を下方から見た図である。
【図６】本発明の小型アクチュエータの励振手段として電磁力を利用したものを用いた場合の、小型アクチュエータの側面図である。
【図７】本発明の小型アクチュエータの励振手段としてピエゾ素子を利用したものを用いた場合の、小型アクチュエータの側面図である。
【図８】静電力を用いた従来の櫛歯型リニアアクチュエータの平面図である。
【図９】静電力を用いた従来のマイクロモータの斜視図である。
【符号の説明】
１、１１、２１、３１基板
２、３、４、５、１２、１３片持ち梁
６圧電体
１１ａ溝
１７パイレックスガラス板
１８、１９電極
２０固定台
２０ａ中央凸部
２０ｂ外周凸部
２２永久磁石
２３スペーサ
２４、３４板部材
２５コイル状導体
３２ピエゾ素子

【特許請求の範囲】
【請求項１】先端部が他の平板部材に当接可能な片持ち梁が形成された基板と、前記基板を前記片持ち梁の固有振動数と略等しい振動数で振動させるための励振手段とを有することを特徴とする小型アクチュエータ。
【請求項２】前記基板には、それぞれ固有振動数が異なる４種類の片持ち梁が、互いに自由端の向きを逆向きとした２種類ずつを互いに直交して配置されるとともに、前記励振手段は、前記基板を前記４種類の片持ち梁のそれぞれの固有振動数で振動させるものとした請求項１に記載の小型アクチュエータ。
【請求項３】前記基板には、それぞれ固有振動数の異なる２種類の片持ち梁が複数個ずつ、互いに自由端の向きを逆向きとして円周方向に配置されているとともに、前記励振手段は、前記基板を前記２種類の片持ち梁のそれぞれの固有振動数で振動させるものとした請求項１に記載の小型アクチュエータ。
【請求項４】前記基板は単結晶シリコンからなる請求項１、２、または３に記載の小型アクチュエータ。
【請求項５】前記励振手段を周波数可変のものとした請求項１、２、３または４に記載の小型アクチュエータ。

【図１】