マイクロマシン3

マイクロマシンに必要な技術

マイクロマシンを作るにあたっては､例えば天才的な細工師がμm単
位の細工物をつくりだすことも可能だろう。しかしこうしたいわば
"一品生産"では、｢作品｣と呼ぶようなものはできても、高価すぎて
一般的な製品として役立てることはできない。大事なことは、同一
の精度で安価に量産ができることである。これによってはじめて生
産物は個人的な作品ではなく、工業生産品としてさまざまな役割を
担いうるのである。

ここで注目されるのが､現在すでにμm単位で製品を生産し続けてい
る技術である。それが半導体製造プロセスである。これをフォトフ
ァブリケーションと呼ぶ。光製作とでも訳そう。この技術をきわめ
て大まかに述べれば以下のようになる。

まず基板の上にさまざまな膜を重ねていく。そしてその表面に感光
剤を塗布して写真の焼付けの要領でつくりたいもののパターンを光
で焼付ける。次に焼付け転写されたパターンを、エッチングなどさ
まざまな方法でいらない部分を除去していけば、目的のかたちをつ
くりだすことができる。この技術は、半導体の集積回路を精度よく
大量に生産するために編みだされた技術である。こうした技術を応
用して、マイクロマシンの製造はスタートした。

直径120μm、厚さ2μmの静電モーターがつくられた。十字架のよう
なローター(回転部分)を持ち、周囲に12個の電極が配され、ロータ
ーは中心軸の上下突起でつくられた溝に支えられて基板から浮いて
いる。このローターと周囲の電極に電圧を加えると、電極部分がロ
ーターを引き付けて回転させるというものだ。なるほどモーターと
しては理解できる。しかし理解しがたいのは、その直径が１mmの10
分の１程度しかないということだ。目に見えるかどうか程度の極小
のドットでしかない。こんな大きさのモーターを、一体全体、どう
やったらつくりだせるというのだろうか。

その仕掛けはこうである。モーターを多結晶シリコンでつくり込ん
でいきながら、それぞれの部品の間に燐珪素ガラスの層を挾み込み
最後にフッ素でエッチングしやすい燐珪素ガラスだけを取り除いて
つくりあげるのだという。こうした、構造部品の間に挿入しておい
て後にエッチングで除去してしまう層のことを犠牲層と呼ぶ。

このテクノロジーを聞いてあるエピソードを思い出した。夏目漱石
の『夢十夜』という作品だ。主人公が夢の中で運慶快慶が無心に金
剛力士像を彫り出している場面に出くわす。鑿捌(のみさば)きのあ
まりの卓抜さに、どうしたらそのように迷わずに鑿が打てるのかと
問う。答えて曰く。木の中にはすでに金剛力士像がある。ただ余計
な木を落とすのみと。ミクロマシンの世界は夢の世界に似ている。

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東京大学藤田研究室で製作された静電マイクロモーター

直径120μm、厚さ7μmの静電マイクロモーター。構造体と
してはメッキしたニッケル(Ni)が用いられている。左写真
の上に右の写真のような同心円状のローターが置かれ、こ
れを止めるものが冠されてモーターをかたち作っていく。

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上の写真も、静電マイクロモーターの写真である。このモーターも
同様の技術でつくられたものだ。これらの構造材と分離層、さらに
はこれらをエッチングするものの組み合わせは他に何種類もあって
つくりだすマイクロマシンの素材や形態にあわせて使われる。この
ようなマイクロマシンをつくりだしていく製作技法をマイクロマシ
ーニングと呼ぶ。その製作技法はきわめて興味深いが、紙数の関係
で詳述できない。末尾に示す「参考文献」には詳しく述べられてい
るので、興味のある方はお読みいただきたい。

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起き上がりはじめた多機能アクチュエータ

上左側の写真は、スイッチ等に用いられるために交互に振
動子をつくり込んだマイクロアクチュエータである。右の
２点は、さらに各種機能を持たせてつくり込んだもの。こ
れを基板から起き上がらせてつくり込めば多機能のアクチ
･ュエータが起き上がることでその働きは、さらに広がる。

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また上に掲げた写真は、マイクロマシンに必須の部品として開発が
進められているマイクロアクチュエータのひとつである。ちなみに
アクチュエータとはマシン内部の駆動部分を示す総称的な呼名であ
る。これもマイクロマシーニングの技術を使ってつくられていく。

アクチュエータとしては、例えば極微小の振動子をつくりだし、こ
こに加わる張力や表面に付着する物質の質量などによって振動子の
共振周波数が変化する性質を利用したセンサをつくることができる
という。さらには、両方向へ振動する振動子のうち一方の動きのみ
を取りだすことで、スイッチなどをつくることも可能だ。

では、こうしたマイクロマシーニングの技術を使ってつくりだされ
ていくマイクロマシンはどのような分野での活躍が期待されている
のだろうか。次に、その例のいくつかを眺めてみることにしよう。

[4]へ続く