JPH10209527A - 静電アクチュエータ，その製造方法及び駆動システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可動部として片持梁を有する静電アクチュエ
ータにおいて、低い駆動電圧で大きな変位量が得られる
ようにする。 【解決手段】 導電性のシリコンウエハ１０に絶縁層１
２を形成し、その上に可動部１６の一端を支持する上部
電極１４を形成した静電アクチュエータにおいて、可動
部１６を、直線部２２と湾曲部２４とからなる複数の梁
２０を連続的に形成した片持梁構造とする。このアクチ
ュエータでは、シリコンウエハ１０と上部電極１４との
間に第１の梁２０を変位可能な駆動電圧を印加すれば、
その駆動電圧によって生じる静電気力により、第１の梁
２０ａがシリコンウエハ１０側に曲がり、その後、第
２，第３，第４，第５の梁２０ｂ〜２０ｅが順にシリコ
ンウエハ１０側に曲がる。従って、低い駆動電圧で大き
な変位量を得ることができる。また駆動電圧を低くする
ことができるので、駆動回路等を静電アクチュエータと
同一のシリコン基板上に形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可動部を片持梁に
て構成した静電アクチュエータとその製造方法、並びに
静電アクチュエータを用いた駆動システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、静電気力と可動部の弾性変形
を最良の方法で使用することにより、可動部を所望量だ
け変位（屈曲）させることのできる静電アクチュエータ
が知られている。例えば、下記(1)〜(3)のものがそれで
ある。

【０００３】(1) 一対の平面状電極の間に、両端が固定
されたＳ字状のフィルムを配置し、フィルムと各電極間
に交互に電圧を印加することにより、フィルムのＳ字状
部分を、電圧印加によって生じる静電気力によりフィル
ムの両固定端側に交互に変位させ、そのフィルムの変位
によって、所定のガス流量を得るようにした静電気フィ
ルムアクチュエータ（１９９２年，ＩＥＥＥ「マイクロ
・エレクトロ・メカニカル・システムズ」の会報，１〜
５頁参照）。

【０００４】(2) 絶縁体が積層された波形電極を多数並
べて、各電極の頂点同士を接続することにより多数の電
極からなるハニカム形状の可動部を形成し、この可動部
において互いに隣接する電極間に電圧を印加することに
より各電極間に静電気力を発生させ、その静電気力によ
り各電極を近接・離間させることにより、所望の変位量
を得るようにした分布静電気マイクロアクチュエータ
（１９９３年，ＩＥＥＥ「マイクロ・エレクトロ・メカ
ニカル・システムズ」の会報，１８〜２３頁参照）。

【０００５】(3) 平面状の下部電極の上に絶縁層を挟ん
で上部電極を形成し、この上部電極にアルミニウムとク
ロムとの薄膜で作製した湾曲部を有する可動部を連結
し、下部電極と上部電極との間に電圧を印加することに
より、可動部を静電気力により絶縁層側に変位させる片
持梁構造の静電アクチュエータ（１９９４年，ＩＥＥＥ
「マイクロ・マシン及びヒューマン・サイエンス」第５
回国際会議の会報，第８〜３１頁、１９９５年，「ソリ
ッドステート・センサとアクチュエータの第８回国際会
議」及び「ユーロセンサ ９」のテクニカル・ダイジェ
スト，４１２〜４１５頁、１９９５年，ＩＥＥＥ「マイ
クロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ」の会報，
３７〜４２頁（文献Ａ）、参照） そして、特に、これらの静電アクチュエータ(1)〜(3)の
うち、可動部を片持梁構造とした静電アクチュエータ
(3) によれば、表面マイクロ加工技術を利用してシリコ
ンウエハ上に可動部を簡単に形成することができ（文献
Ａ参照）、その量産化が容易であることから、静電アク
チュエータを実用化する上で特に重要な技術となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の静
電アクチュエータにおいては、所望の変位量を得るため
には、電極間に数十から百Ｖ以上の高い駆動電圧を印加
する必要があり、駆動電圧を低くすると、変位量が小さ
くなりすぎるといった問題があった。

【０００７】このため、上記(3) の静電アクチュエータ
を実用化する場合、その駆動系は静電アクチュエータの
電極間に高電圧を印加できるように構成にする必要があ
ることから、例えば、静電アクチュエータと同一のシリ
コン基板上に駆動回路を形成するといったことはでき
ず、静電アクチュエータを用いた駆動システムを実現す
る上で、制御や電力供給の点で不利であるといった問題
があった。

【０００８】本発明は、こうした問題に鑑みなされたも
のであり、可動部として片持梁を有する静電アクチュエ
ータにおいて、低い駆動電圧で大きな変位量が得られる
ようにすることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の静電ア
クチュエータにおいては、下部電極の片側面に形成され
た絶縁層の下部電極とは反対側面に上部電極が形成さ
れ、この上部電極には、湾曲部と直線部とからなる第１
の梁の湾曲部が支持される。また、第１の梁の直線部に
は、更に、第１の梁と同形状の第２の梁の湾曲部が接続
される。つまり、本発明の静電アクチュエータは、上部
電極に対して複数の梁を連続的に結合した可動部を有す
る。

【００１０】そして、このように構成された本発明の静
電アクチュエータにおいては、上部電極と下部電極との
間に、第１の梁の直線部分を絶縁層に当接させる静電気
力を発生可能な駆動電圧を印加すれば、まずその駆動電
圧により第１の梁と下部電極との間に発生した静電気力
にて第１の梁が絶縁層に当接され、次に、その駆動電圧
により第２の梁と下部電極との間に発生した静電気力に
て第２の梁が絶縁層に当接されることになる。従って、
本発明によれば、第１の梁を絶縁層に当接させるのに必
要な駆動電圧にて、第１の梁及び第２の梁を順に絶縁層
に当接させることが可能になり、第２の梁の開放端側で
は、第１の梁の開放端側での変位量よりも大きな変位量
を得ることができる。

【００１１】またこのように、本発明は、上部電極に支
持される可動部を湾曲部と直線部とからなる複数の梁に
て構成することにより、下部電極と上部電極との間に印
加される駆動電圧に対する変位量を増加するものである
ため、第１の梁への第２の梁の接続方法と同じ方法で、
第２の梁にこれと同形状の第３の梁を接続し、更に、第
３の梁にこれと同形状の第４の梁を接続する、というよ
うに、第１の梁に対して、第２，第３，第４…の梁を連
続的に接続するようにすれば、最終段の梁の開放端側で
は、より大きな変位量を得ることができる。

【００１２】このため、本発明によれば、小さな駆動電
圧で所望の変位量が得られる静電アクチュエータを実現
できる。尚、第２の梁の湾曲部の第１の梁への接続位置
としては、第１の梁の直線部であればどこでもよく、例
えば、第１の梁の直線部の開放端部に、第２の梁の湾曲
部を接続するようにしてもよく、第１の梁の直線部の湾
曲部近傍に、第２の梁の湾曲部を接続するようにしても
よい。

【００１３】次に、本発明の静電アクチュエータの可動
部を構成する各梁は、請求項２に記載のように、直線部
を一種類の金属薄膜から構成し、湾曲部を残留応力の異
なる二種類の金属薄膜の積層体から構成するようにすれ
ば、複数の梁からなる可動部を半導体プロセスを用いて
容易に形成できる。

【００１４】また更に、下部電極，絶縁膜についても、
請求項３に記載のように、下部電極を導電性のシリコン
ウエハから構成し、絶縁膜をシリコン酸化膜から構成す
るようにすれば、半導体プロセスを用いて容易に形成で
きる。そして、請求項２又は請求項３に記載の静電アク
チュエータのように、可動部を構成する各梁の直線部を
一種類の金属薄膜から構成し、湾曲部を二種類の金属薄
膜から構成する場合には、請求項４に記載のように、例
えば、直線部を構成する金属薄膜をアルミニウム薄膜と
し、湾曲部を構成する二種類の金属薄膜をアルミニウム
薄膜及びクロム薄膜とすればよい。

【００１５】またこのように各梁の湾曲部をアルミニウ
ム薄膜とクロム薄膜との積層体にて形成する場合には、
請求項５に記載のように、アルミニウム薄膜の膜厚ｈ1
とクロム薄膜の膜厚ｈ2 との比ｈ2 ／ｈ1 を、０．０６
以上にすることが望ましい。これは、各薄膜の膜厚比ｈ
2 ／ｈ1 を０．０６以上にすれば、各薄膜の膜厚比ｈ2
／ｈ1 に製作上の誤差があっても、この誤差によって生
じる湾曲部の曲率変化を小さく抑え、略一定に保つこと
ができるからである。

【００１６】そして、本発明の静電アクチュエータにお
ける駆動電圧と変位量との関係は、各梁の湾曲部の曲率
と各梁の長さとによって決定され（後述実施例参照）、
湾曲部の曲率を略一定に保つことができれば、静電アク
チュエータの駆動電圧を各梁の長さに応じて設定すれば
よいため、請求項５に記載の発明によれば、静電アクチ
ュエータを用いた駆動システムの設計を簡単に行うこと
が可能になる。

【００１７】一方、請求項６に記載の発明は、請求項４
又は請求項５に記載の静電アクチュエータの製造方法で
あって、導電性のシリコンウエハ上に、二酸化シリコン
膜、ポリシリコン膜、アルミニウム膜、及びクロム膜
を、スパッタにより順番に堆積させ、まず最上部のクロ
ム膜を各梁の湾曲部の形状に合わせてエッチングし、次
にアルミ膜を上部電極及び上部電極から連続的に延びる
各梁の形状に合わせてエッチングし、最後に、そのアル
ミ膜により形成される各梁の下にあるポリシリコン膜を
プラズマエッチングすることを特徴とする。

【００１８】そして、本発明方法によれば、半導体プロ
セスを用いて本発明の静電アクチュエータを実現でき、
しかも、可動部の片持梁構造をプラズマエッチングによ
って達成できるため、ウエットエッチングで片持梁を形
成した場合のように、梁とシリコンウエハとの付着現象
を生じさせることはなく、本発明の静電アクチュエータ
を簡単にしかも歩留まりを低下させることなく実現でき
る。

【００１９】次に、請求項７〜請求項９に夫々記載の駆
動システムは、請求項１〜請求項５いずれか記載の静電
アクチュエータを使用して対象物を駆動・変位させる駆
動システムであり、請求項７に記載の駆動システムは、
静電アクチュエータと駆動回路とをシリコン基板上に形
成し、駆動回路により静電アクチュエータを駆動するよ
う構成してなることを特徴とし、請求項８に記載の駆動
システムは、静電アクチュエータと太陽電池とをシリコ
ン基板上に形成し、太陽電池を電源として静電アクチュ
エータを駆動するよう構成してなることを特徴とし、請
求項９に記載の駆動システムは、静電アクチュエータと
太陽電池と駆動回路とをシリコン基板上に形成し、太陽
電池を電源として駆動回路により静電アクチュエータを
駆動するよう構成してなることを特徴とする。

【００２０】即ち、本発明（請求項１〜請求項５）の静
電アクチュエータによれば、低い駆動電圧で所望の変位
量を得ることができることから、その駆動回路には、例
えば、シリコン基板上に形成したＣＭＯＳ構造の各種ゲ
ート回路を直接使用することができ、電源には太陽電池
のような低電力電源を使用できる。また、本発明の静電
アクチュエータは、前述のようにシリコン基板上に半導
体プロセスを利用して簡単に構成できる。そこで、請求
項７〜請求項９に記載の駆動システムでは、静電アクチ
ュエータと、駆動回路及び／又は太陽電池とを、同一の
シリコン基板上に形成することにより、駆動システムの
小型・軽量化を図り、しかも、駆動システム全体を半導
体プロセスにて容易に実現できるようにしているのであ
る。

【００２１】尚、駆動システムを実際に構築する場合、
一つの静電アクチュエータの変位にて得られる力は微小
であるため、同一基板上に多数の静電アクチュエータを
形成し、これら多数の静電アクチュエータの協調動作に
よって、所望の対象物を駆動・変位させるようにすれば
よい。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面と共
に説明する。 ［構成］図１は実施例の静電アクチュエータの構成を表
し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその平面図である。
但し、図１（ｂ）は、片持梁構造の可動部が基板に当接
した状態を表す。

【００２３】図１（ａ）に示す如く、本実施例の静電ア
クチュエータ１は、平面状に形成された導電性のシリコ
ンウエハ１０と、その上面全体に積層された絶縁層１２
と、更にその上面に積層された上部電極１４と、上部電
極１４に一端が支持された片持梁構造の可動部１６とか
ら構成されている。

【００２４】可動部１６は、同一形状の複数（本実施例
では９個）の梁２０から構成されている。各梁２０は、
０．８〜１．５μｍの厚みを有するアルミニウムフィル
ム（Ａｌ薄膜）で構成された直線部２２と、直線部２２
と同じ厚さのＡｌ薄膜に０．１〜０．３μｍの厚みを有
するクロムフィルム（Ｃｒ薄膜）を積層した湾曲部２４
とからなり、湾曲部２４は、Ａｌ薄膜とＣｒ薄膜との残
留応力の差により、シリコンウエハ１０の面方向に対し
て上方に反り上がっている。

【００２５】また、図１（ｂ）に示す如く、上記９個の
梁２０のうちの２つ（第１の梁２０ａ）は、夫々、湾曲
部２４側端部が上部電極１４の端面に連結されており、
上部電極１４から同一方向（平行）に張り出している。
また、これら一対の第１の梁２０ａの直線部２２におい
て、湾曲部２４近傍で互いに対向する位置には、夫々、
連結部２６ａが突設されている。そして、連結部２６ａ
には、夫々、第２の梁２０ｂの湾曲部２４側端部が連結
され、各第２の梁２０ｂは、各連結部２６ａから第１の
梁２０ａと同方向に張り出している。同様にして、第２
の梁２０ｂには、連結部２６ｂを介して第３の梁２０ｃ
が連結され、第３の梁２０ｃには、連結部２６ｃを介し
て第４の梁２０ｄが連結されている。そして、第４の梁
２０ｄの直線部２２は、湾曲部２４近傍の位置で連結部
２６ｄを介して互いに連結されており、この連結部２６
ｄには、第５の梁２０ｅの湾曲部２４側端部が連結さ
れ、第５の梁２０ｅは他の梁と同方向に張り出してい
る。

【００２６】つまり、可動部１６は、第１〜第４の梁２
０ａ〜２０ｄを連続的に連結することにより２系統の片
持梁を形成し、その先端を連結してその連結部分に第５
の梁２０ｅを連結することにより構成されている。尚、
これは、シリコンウエハ１０の面方向に沿った力（横方
向力）に対して、可動部１６の強度を増すためである。 ［動作］このように構成された本実施例の静電アクチュ
エータ１においては、図２（ａ）に示す如く、下部電極
となるシリコンウエハ１０と、上部電極１４との間に電
圧が印加されると、ギャップの小さい第１の梁２０ａと
シリコンウエハ１０との間に、大きな静電気力が第１の
梁２０ａの長手方向に沿って発生する。この結果、まず
第１の梁２０ａがシリコンウエハ１０側に曲がり、絶縁
層１２に当接する。

【００２７】すると、図２（ｂ）に示すように、第２の
梁２０ｂは、シリコンウエハ１０に対して図２（ａ）に
おける第１の梁２０ａと同様の位置に配設されることに
なるため、今度は、第２の梁２０ｂとシリコンウエハ１
０との間に発生した静電気力にて、第２の梁２０ｂがシ
リコンウエハ１０側に曲がり、絶縁層１２に当接するこ
とになる。同様にして、第３，第４，第５の梁２０ｃ，
２０ｄ，２０ｅも、各梁とシリコンウエハ１０との間に
発生した静電気力にてシリコンウエハ１０側に曲がり、
最終的には、全ての梁２０ａ〜２０ｅが絶縁層１２に当
接する（図２（ｄ））。

【００２８】従って、本実施例の静電アクチュエータ１
によれば、第１の梁２０ａをシリコンウエハ１０側に曲
げるのに要する駆動電圧にて、全ての梁２０ａ〜２０ｅ
をシリコンウエハ１０側に曲げることができ、第５の梁
２０ｅの先端部では、第１の梁２０ａの先端部の変位量
に対して何倍もの変位量を得ることができる。この結
果、本実施例によれば、低い駆動電圧で大きな変位量が
得られる静電アクチュエータを実現できる。 ［製造手順］次に本実施例の静電アクチュエータの製造
手順（方法）を図３を用いて説明する。尚、図３に示す
各図は、図１（ｂ）に示す第１の梁２０ａに沿ったＡ−
Ａ線断面図である。

【００２９】まず最初に、シリコンウエハ１０上に、絶
縁層１２となる１μｍ厚の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）
膜３０、１μｍ厚のポリシリコン膜３２、上部電極１４
及び可動部１６を構成するアルミニウム膜３４、及び、
各梁２０の湾曲部２４を構成するクロム膜３６をスパッ
タにより順番に堆積させる（図３（ａ））。

【００３０】次に、最上層のクロム膜３６の上に、各梁
２０の湾曲部２４のパターンをフォトリソグラフィーに
よって形成し、Ｃｅ(ＮＨ₄)₂(ＮＯ₃)₆とＨＣlＯ₄の水溶
液でクロム膜３６をエッチングする。この結果、各梁２
０の湾曲部２４を構成するＣｒ薄膜が形成される（図３
（ｂ））。

【００３１】このように湾曲部２４のＣｒ薄膜が形成さ
れると、今度は、上記エッチングにより露出したアルミ
ニウム膜３４の上に、上部電極１４及び可動部１６のパ
ターンを他のフォトマスクで形成し、アルミニウム膜３
４をエッチングする。尚、アルミニウム膜３４のエッチ
ングには、「Ｈ₃ＰＯ₄：ＨＮＯ₃：ＣＨ₃ＣＯＯＨ：Ｈ ₂
Ｏ＝１０：１：１：２」のエッチャントが使用される。
この結果、アルミニウム膜３４は、このエッチャントで
溶解し、上部電極１４及び可動部１６に対応した形状と
なる（図３（ｃ））。

【００３２】そして最後に、ＣＦ₄／Ｏ₂プラズマにて、
ポリシリコン膜３２をプラズマエッチングすることによ
り、可動部１６の下にあるポリシリコン膜３２をオーバ
エッチし、可動部１６をシリコンウエハ１０から離す。
すると、アルミニウム膜３４とクロム膜３６の積層部分
（つまり各梁２０の湾曲部２４）は、アルミニウム膜３
４とクロム膜３６に残留した引っ張り応力の差に応じて
上方に湾曲し、可動部１６を構成する各梁２０が形成さ
れる（図３（ｄ））。

【００３３】尚、プラズマエッチングは、等方性エッチ
ングであり、その等方性は、エッチング時のガスの流量
比、ガス圧、高周波電力等によって変化するが、発明者
の実験によれば、ガス流量の最高の状態は、ＣＦ₄：５
０ml／min 、Ｏ₂：１０ml／min であり、ガス圧，高周
波電力は、夫々、０．４torr，５０Ｗにすればよいこと
がわかった。

【００３４】そして、このように本実施例では、静電ア
クチュエータ１を半導体製造時の表面マイクロ加工技術
を利用して作製しており、しかも、可動部１６をシリコ
ンウエハ１０側から解放する際には、プラズマエッチン
グを利用するため、ウエットエッチングを利用する場合
に比べて、可動部１６を良好に形成できる。つまり、ウ
エットエッチングによる解放では、しばしば、エッチン
グ液の付着力にてマイクロ機構の表面をお互いにくっつ
けてしまうという問題を引き起こすが、本実施例の製造
方法によれば、こうした問題を生じることがない。 ［設計］以上本実施例の静電アクチュエータ１の構成・
動作・製造手順について説明したが、本実施例のように
梁を多数連結した可動部１６を有する静電アクチュエー
タ１の動作特性は、可動部１６を構成する一つの梁２０
の長さ（図３（ｃ）に示す直線部２２の長さＬｓ及び湾
曲部２４の長さＬｃ）や、梁２０の湾曲部２４の曲率半
径（図３（ｄ）に示すρ）によって決まる。

【００３５】そこで次に、本実施例のように梁を多数連
結した可動部１６を有し、かつ良好な動作特性が得られ
る静電アクチュエータを作製する際の梁２０の設計手法
について説明する。まず、梁２０の湾曲部２４の曲率半
径ρは、以下の関係式を用いて計算できる。

【００３６】ρ＝（ｘ²＋ｚ²）／２ｚ ここで、ｘは湾曲部２４の湾曲した状態での水平方向の
長さであり、ｚは湾曲部２４の垂直方向の高さ（厚みは
含まない）である（図３（ｄ）参照）。そして、上記各
値ｘ，ｚを顕微鏡下で測定して得られる曲率半径ρと、
湾曲部２４を構成するＡｌ薄膜の膜厚ｈ1 とＣｒ薄膜の
膜厚ｈ2 との比ｎ（ｎ＝ｈ2 ／ｈ1 )の関係を、実験に
より求めたところ、図５に黒丸で示す測定結果が得られ
た。尚、この測定は、Ａｌ薄膜の膜厚ｈ1 を０．８μｍ
に固定し、Ｃｒ薄膜の膜厚ｈ2 を変化させることにより
行った。

【００３７】一方、曲率半径ρを、各膜の厚さ（ｈ）、
ヤング率（Ｅ）、各膜の残留応力（σ）と関係づける方
程式は、次式のように表すことができる（１９９１年，
ＩＥＥＥ「マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システ
ムズ」の会報，５１〜５６頁参照）。

【００３８】

【数１】

【００３９】但し、上記方程式において、添え字「1」
はＡｌ薄膜に対する値を、添え字「2」 はＣｒ薄膜に対
する値を表す（図４参照）。そして、上記方程式におい
て、Ａｌ薄膜のヤング率Ｅ1 及びＣｒ薄膜のヤング率Ｅ
2 の値は、夫々、７０．３ＧPa、２５ＧPaであり、未知
の値である（ｍσ1−σ2 ）を０．３ＧPaと仮定する
と、曲率半径ρと膜厚比ｎとの関係式は、図５の実線に
示す如くなり、図５において黒丸で示した測定値に略一
致する。

【００４０】従って、上記関係式（図５に示す実線）か
ら、曲率半径ρの変化量は、湾曲部２４を構成するＡｌ
薄膜とＣｒ薄膜との膜厚比ｎが増加するに従って減少
し、しかも、膜厚比（ｎ）が０．０６以上であれば減少
の割合が小さく、製造時に膜厚比ｎに誤差が生じても曲
率半径を略一定にできることがわかる。

【００４１】つまり、膜厚比ｎが０．０６より小さい場
合には、曲率半径ρの減少の割合は大きく、湾曲部２４
の曲率、延いてはこの曲率により決定される梁２０の変
位量（図３（ｄ）に示すｄ）を、湾曲部２４を構成する
Ａｌ薄膜とＣｒ薄膜との膜厚比ｎにより設定することが
困難である。

【００４２】次に、図６は実際に作製した梁２０の変位
量ｄと駆動電圧との関係（静特性）をレーザ変位計で測
定した測定結果を表す。図６に示すように、梁２０は駆
動電圧が増加するに従い除々に変位し、駆動電圧が臨界
電圧Ｖｃに達すると、変位が突然増加し、最大変位量と
なる。また、このように梁２０が最大変位量にて変位し
ている状態で、駆動電圧を低下させても、駆動電圧が復
帰電圧Ｖｒに低下するまでは殆ど変位せず、駆動電圧が
復帰電圧Ｖｒまで低下すると、突然初期位置に近い場所
に戻る。つまり、静電アクチュエータ１の可動部１６を
構成する各梁２０は、駆動電圧に対して大きなヒステリ
シスを有し、これを最大変位量にて駆動するには、駆動
電圧を臨界電圧Ｖｃより大きい値に設定する必要があ
る。

【００４３】一方、臨界電圧Ｖｃは、梁２０の湾曲部２
４の曲率半径ρが一定であっても、梁２０の長さ（直線
部２２の長さＬｓ及び湾曲部２４の長さＬｃ）によって
変化する。即ち、図７は、梁２０の全体の長さを４００
μｍに固定し、直線部２２の長さＬｓと湾曲部２４の長
さＬｃとの関係を変化させた実験用の多数の梁を作製
し、各梁毎に臨界電圧Ｖｃを測定した測定結果を表す。
また、図８は、湾曲部２４の長さＬｃを４０μｍに固定
し、直線部２２の長さＬｓを変化させた実験用の多数の
梁を作製し、各梁毎に臨界電圧Ｖｃを測定した測定結果
を表す。

【００４４】図７の測定結果から、臨界電圧Ｖｃは、湾
曲部２４が長くなるに連れて増加することがわかる。従
って、臨界電圧Ｖｃ（延いては駆動電圧）を下げるため
には、静電アクチュエータを構成する梁２０の湾曲部２
４を短くした方がよいことがわかる。しかし、臨界電圧
Ｖｃを下げると、梁２０全体の変位量が小さくなるた
め、静電アクチュエータ１全体の変位量を大きくするた
めには、可動部１６において連続的に結合される梁２０
の数を増やす必要がある。

【００４５】一方、図８の測定結果から、湾曲部２４の
長さＬｃを固定した場合、臨界電圧Ｖｃは、直線部２２
が長くなるに連れて低下することがわかる。これは、直
線部２２が梁２０とシリコンウエハ１０との間で構成さ
れるコンデンサの面積を大きくしているためであると思
われる。従って、臨界電圧Ｖｃ（延いては駆動電圧）を
下げるためには、静電アクチュエータを構成する各梁２
０の直線部２２を十分長くすべきである。

【００４６】以上のことから、梁２０を多数連結した可
動部１６を有する本実施例の静電アクチュエータ１にお
いて、低い駆動電圧で所望の変位量が得られるようにす
るには、湾曲部２４を構成するＡｌ薄膜とＣｒ薄膜との
膜厚比ｎを０．０６以上にして製造上の誤差によって湾
曲部２４の曲率が変化しないようにし、駆動電圧と変位
量とに応じて各梁２０の長さ及び接続段数を決定すれば
よいことがわかる。

【００４７】そして、上記の点を踏まえて図１に示した
本実施例の静電アクチュエータ１の各部の寸法を決定
し、その静特性を測定したところ、図９に示す測定結果
が得られた。即ち、可動部１６を構成する９個の梁２０
の直線部２２及び湾曲部２４の長さは、夫々、４００μ
ｍ、４０μｍとし、直線部２２及び湾曲部２４を構成す
るＡｌ薄膜の厚さは、１．５μｍとし、湾曲部２４にお
いてＡｌ薄膜に積層されるＣｒ薄膜の厚さは、０．１μ
ｍとした。また、各梁２０の幅は、１０μｍとした。

【００４８】そして、このように構成した静電アクチュ
エータ１の変位量（第５の梁２２ｅの先端部の変位量）
ｄを、レーザ変位計を用いて、測定レンジ（数十μｍ）
で測定することにより、駆動電圧と変位量ｄとの関係を
測定した。この結果、可動部１６の各部の寸法を上記の
ように設定した静電アクチュエータ１の変位量は、最大
で２４５μｍとなり、この最大変位量を実現するための
臨界電圧Ｖｃは１１．８Ｖであり、復帰電圧は３．６Ｖ
であることがわかった。

【００４９】従って、本実施例の静電アクチュエータ１
は、駆動電圧を１１．８Ｖ以上に設定し、例えば、シリ
コンウエハ１０と上部電極１４との間にこの駆動電圧を
印加するか、その間を短絡するかを所定の駆動回路を用
いて切り換えるようにすれば、良好に駆動できることに
なる。

【００５０】そして、この駆動電圧は、ＣＭＯＳ素子を
用いた駆動回路にて十分発生し得る電圧値であることか
ら、従来のように、駆動回路として、専用の高電圧回路
（電流増幅用のパワーＩＣ等）を用いる必要はない。 ［駆動システム］このように本実施例の静電アクチュエ
ータ１によれば、駆動回路をＣＭＯＳ素子を用いて構成
できる。

【００５１】従って、静電アクチュエータ１を用いた駆
動システムを実際に構築する際には、例えば、図１０に
示す如く、静電アクチュエータ１の駆動回路として、Ｃ
ＭＯＳ素子からなるＡＮＤゲートを使用し、ＡＮＤゲー
トの出力に静電アクチュエータ１の上部電極１４を接続
し、下部電極となるシリコンウエハ１０をグランドライ
ンＧＮＤに接地し、外部スイッチを介して、ＡＮＤゲー
トの各入力に直流電圧（１２Ｖ）を印加するか、ＡＮＤ
ゲートの各入力をグランドＧＮＤに接地するかを切り換
えるようにすれば、静電アクチュエータ１を簡単に駆動
できる。

【００５２】そして、ＡＮＤゲートのようなＣＭＯＳ回
路は、周知の半導体プロセスにてシリコン基板上に形成
することができることから、静電アクチュエータ１と一
緒に同一のシリコン基板上に形成できる。従って、本実
施例の静電アクチュエータ１によれば、駆動回路を内蔵
した１チップの駆動システムを構成することができ、駆
動システムの小型・軽量化を図ることができる。

【００５３】また、本実施例の静電アクチュエータ１に
よれば、駆動電圧が低いので、太陽電池からでも駆動用
電力を供給できる。そこで、上記のように作製した本実
施例の静電アクチュエータ１を、数枚のアモルファス太
陽電池に直接結合したところ、５毎の太陽電池で駆動す
ることができた。尚、太陽電池は、オープン回路で２．
４Ｖの電圧を発生し、ショート回路で３．４μＡの電流
を流すものである。

【００５４】そして、太陽電池も、静電アクチュエータ
１と同様に、シリコン基板上に形成することができるこ
とから、太陽電池と静電アクチュエータ１を同一のシリ
コン基板上に形成するようにすれば、電源内蔵型の静電
アクチュエータ１を構成することができ、駆動システム
の小型・軽量化を図ることができる。

【００５５】また、同様に、静電アクチュエータ１と太
陽電池とＣＭＯＳ素子からなる駆動回路とを同一のシリ
コン基板上に形成することもでき、この場合には、静電
アクチュエータ１を用いた駆動システムをより簡単に実
現できることになる。尚、太陽電池やＣＭＯＳ素子から
なる駆動回路を静電アクチュエータ１と一緒に同一のシ
リコン基板上に形成する際の製造手順等については、従
来よりＣＭＯＳ集積回路を構成するのに利用されている
半導体プロセスを利用すればよいので、説明を省略す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の静電アクチュエータの構成を表す説
明図である。

【図２】 実施例の静電アクチュエータの動作を表す説
明図である。

【図３】 実施例の静電アクチュエータの製造手順を表
す説明図である。

【図４】 湾曲部を構成するＡｌ薄膜とＣｒ薄膜の厚み
及び残留応力を表す説明図である。

【図５】 湾曲部の膜厚比と曲率半径との関係を表すグ
ラフである。

【図６】 可動部を構成する各梁の変位量ｄと駆動電圧
との関係を表すグラフである。

【図７】 梁全体の長さを一定にしたときの湾曲部の長
さと臨界電圧との関係を表すグラフである。

【図８】 湾曲部の長さを一定にしたときの直線部の長
さと臨界電圧との関係を表すグラフである。

【図９】 実施例の静電アクチュエータの駆動電圧と変
位量との関係を表すグラフである。

【図１０】 実施例の静電アクチュエータを用いた駆動
システムの回路構成の一例を表す説明図である。

【符号の説明】 １…静電アクチュエータ １０…シリコンウエハ
１２…絶縁層 １４…上部電極 １６…可動部 ２０，２０ａ〜２
０ｅ…梁 ２２…直線部 ２４…湾曲部 ２６ａ〜２６ｄ…連
結部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 591263488 三浦 宏文 東京都町田市玉川学園７−23−２ (72)発明者 金山 斎 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 鶴沢 直 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 井戸垣 孝治 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 安田 隆 東京都世田谷区太子堂５−24−10 スター ハイツ103 (72)発明者 下山 勲 東京都練馬区光が丘３−９−２−908 (72)発明者 三浦 宏文 東京都町田市玉川学園７−23−２

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面状に形成された下部電極と、 該下部電極の片側面に形成された絶縁層と、 該絶縁層の前記下部電極とは反対側面に形成された上部
   電極と、 該上部電極に一端が支持され、他端が開放された片持梁
   であって、前記上部電極側が、該上部電極から離れる程
   前記絶縁層との間の距離が長くなるように湾曲した湾曲
   部として形成され、開放端側が、該湾曲部から真っ直ぐ
   延びる直線部として形成された第１の梁と、 を備え、前記下部電極と前記上部電極との間に所定電圧
   を印加したとき、前記第１の梁が静電気力にて前記絶縁
   層側に変位するよう構成された静電アクチュエータにお
   いて、 前記第１の梁の直線部に該第１の梁と同形状の第２の梁
   の湾曲部を接続することにより、前記上部電極に対して
   複数の梁を連続的に結合してなることを特徴とする静電
   アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記上部電極に連続的に結合される各梁
   の直線部は、一種類の金属薄膜からなり、湾曲部は、残
   留応力の異なる二種類の金属薄膜の積層体からなること
   を特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記下部電極は導電性のシリコンウエハ
   であり、前記絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴
   とする請求項２に記載の静電アクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記各梁の直線部を構成する金属薄膜は
   アルミニウム薄膜であり、湾曲部を構成する二種類の金
   属薄膜はアルミニウム薄膜とクロム薄膜であることを特
   徴とする請求項２又は請求項３に記載の静電アクチュエ
   ータ。
5. 【請求項５】 前記各梁の湾曲部を構成するアルミニウ
   ム薄膜の膜厚ｈ1 とクロム薄膜の膜厚ｈ2 との比ｈ2 ／
   ｈ1 が、０．０６以上であることを特徴とする請求項４
   に記載の静電アクチュエータ。
6. 【請求項６】 請求項４又は請求項５に記載の静電アク
   チュエータの製造方法であって、 前記導電性のシリコンウエハ上に、二酸化シリコン膜、
   ポリシリコン膜、アルミニウム膜、及びクロム膜を、ス
   パッタにより順番に堆積させ、 次に、前記クロム膜を前記各梁の湾曲部の形状に合わせ
   てエッチングし、 次に、前記アルミ膜を前記上部電極及び該上部電極から
   連続的に延びる前記各梁の形状に合わせてエッチング
   し、 最後に、前記アルミ膜により形成される各梁の下にある
   ポリシリコン膜をプラズマエッチングすることを特徴と
   する静電アクチュエータの製造方法。
7. 【請求項７】 請求項１〜請求項５いずれか記載の静電
   アクチュエータを使用して対象物を駆動・変位させる駆
   動システムであって、 前記静電アクチュエータと駆動回路とをシリコン基板上
   に形成し、該駆動回路により前記静電アクチュエータを
   駆動するよう構成してなることを特徴とする駆動システ
   ム。
8. 【請求項８】 請求項１〜請求項５いずれか記載の静電
   アクチュエータを使用して対象物を駆動・変位させる駆
   動システムであって、 前記静電アクチュエータと太陽電池とをシリコン基板上
   に形成し、該太陽電池を電源として前記静電アクチュエ
   ータを駆動するよう構成してなることを特徴とする駆動
   システム。
9. 【請求項９】 請求項１〜請求項５いずれか記載の静電
   アクチュエータを使用して対象物を駆動・変位させる駆
   動システムであって、 前記静電アクチュエータと太陽電池と駆動回路とをシリ
   コン基板上に形成し、前記太陽電池を電源として前記駆
   動回路により前記静電アクチュエータを駆動するよう構
   成してなることを特徴とする駆動システム。