JP2006340531A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】変位量が大きく且つ位置精度が高い静電駆動方式を用いたアクチュエータを提供する。
【解決手段】基板と、基板に固定された固定電極２ａ、２ｂと、固定電極２ａ、２ｂに対向して配置され、固定電極２ａ、２ｂに対して変位可能な可動電極１と、基板に固定された軸により支持され、可動電極１に形成された穴３に挿入された連結柱５を有する揺動可能な可動板４とを備えるアクチュエータであって、連結柱５により可動電極１の変位に連動して可動板４が揺動する。
【選択図】図１

Description

本発明はアクチュエータに関し、特に、微小電気機械システムによる光デバイスに用いられるアクチュエータに関する。

光デバイスの１つである光スイッチは主として、機械式、導波路式、微小電気機械システム（micro-electro-mechanical system：ＭＥＭＳ）式の３つに区別される。この中でＭＥＭＳ式は、半導体プロセスで形成されるマイクロマシニング技術を用いることにより、光導波路、ミラー及び駆動機構を１つのシリコンチップ上に一体形成することができる。また、光通信に使用される光ファイバのコア径は９μｍと小さく、ＭＥＭＳ式はサイズとコストの面から光スイッチへの応用が期待されてきた。

ところで、入射光をミラーの位置に依存して選ばれた方向へ選択的に変調させる空間光変調器が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１において、ミラーは捩りトーションバーによって基板に支持されている。ミラーの駆動原理には、静電気による引力が利用されている。２枚の電極間の面方向引力を利用する方式と、相対して配置された櫛歯型電極の面平行方向の引力を利用する方式に大別される。長ストロークを得るには後者の方式が優れている。
特開平９−１０１４６７号公報

上述したミラーの静電駆動方式では、変位を大きくするために電極間のギャップを広げると、静電引力が小さくなるため必要な駆動力の確保が困難となる。よって、消費電力の大きな圧電方式や電磁方式にならざるを得ない。

本発明は、変位量が大きく且つ位置精度が高い静電駆動方式を用いたアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の特徴は、基板と、前記基板に固定された固定電極と、前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極に対して変位可能な可動電極と、前記基板に固定された軸により支持され、前記可動電極に形成された穴に挿入された連結柱を有する揺動可能な可動板とを備えるアクチュエータであって、前記連結柱により可動電極の変位に連動して可動板が揺動することである。

本発明によれば、変位量が大きく且つ位置精度が高い静電駆動方式を用いたアクチュエータを提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

＜第１の実施の形態＞
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータを用いたチルトミラーデバイスを示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ切断面に沿った断面図である。図１（ａ）において、可動板４及び連結柱５を省略して記載している。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータは、基板に固定された導電性の固定電極２ａ、２ｂと、固定電極２ａ、２ｂに対向して配置された可動電極１と、基板に固定された軸により支持され、可動電極１に形成された穴３に挿入された連結柱５を有する揺動可能な可動板４とを備える。

固定電極２ａ、２ｂ及び可動電極１は、それぞれ櫛歯型電極である。固定電極２ａ、２ｂの櫛歯は、互いに対向して配置され、可動電極１は、固定電極２ａ、２ｂの間に配置されている。可動電極１の櫛歯は電極の両側に形成されており、固定電極２ａ及び固定電極２ｂに対して静電引力が形成される。対向する櫛歯は互いに噛み合うようにして配置され、櫛歯の方向に平行に生じる静電引力により可動電極１を揺動させる。可動電極１の中央部分には、所定の大きさの穴３が形成されている。

固定電極２ａ、２ｂは、可動電極１を駆動させるものであればよく、必ずしも固定されていなくてもよい。例えば、この出願の出願人による先願（特開２００５−９６０６９号公報）に開示された第１及び第２の側電極は、自らが可動することでラッチ機能を実現しているが、固定電極２ａ、２ｂは、第１及び第２の側電極を含む概念である。

図１（ｂ）に示すように、可動板４は、固定電極２ａ、２ｂ及び可動電極１よりも上層に配置されている。可動板４は平板状の形状を有し、その中央部分においてトーションバネ等の軸を介して基板に固定されている。可動板４は、その中央部分から可動電極１の穴３に向けて伸ばされた連結柱５を備える。連結柱５は、穴３に接続或いは勘合されている。また、可動板４は、軸が捩れることにより、当該軸を中心として回転方向に変位することが出来る。

具体的には、図１（ｃ）に示すように、可動電極１と固定電極２ａ、２ｂとの間に所定の電圧を印加することにより静電引力を加えて、可動電極１を固定電極２ｂの方へ水平方向に変位させると、穴３に挿入されている連結柱５が可動電極１から水平方向に応力を受け、可動板４は中心部分の軸を中心として時計回りの方向に角度θで傾動する。

図１（ｄ）に示すように、可動電極１と固定電極２ａ、２ｂとの間に逆極性の電圧を印加することにより逆方向の静電引力を加えて、可動電極１を固定電極２ｂの方へ変位させると、穴３に挿入されている連結柱５が可動電極１から水平方向に応力を受け、可動板４は中心部分の軸を中心として逆時計回りの方向に角度−θで傾動する。このようにして可動電極１と可動板４は連動する。

なお、図２に示すように、可動電極１は、可撓性のあるヒンジ８ａ、８ｂの一端に接続され、ヒンジ８ａ、８ｂの他端は、基板に固定された固定部７ａ、７ｂに接続されている。電極間に生じる静電引力により、ヒンジ８ａ、８ｂが撓み、図２の矢印の方向に可動電極１が駆動される。

また、可動電極１及び固定電極２ａ、２ｂは、図１（ａ）のように櫛歯型の形状を有しているものに限定されることは無く、図２に示すように、平板状の形状であっても構わない。この場合、平板間に生じる静電引力により可動電極１が駆動される。

また、可動板４の表面は、光の反射率が高い処理が施されていてもよい。つまり、ミラー面を形成していてもよい。この場合、可動板４が反射板として機能することが出来る。

以上説明したように、基板に固定された軸により支持され、可動電極１に形成された穴３に挿入された連結柱５を備える揺動可能な可動板４を備え、連結柱５により可動電極１の変位に連動して可動板４が揺動する。これにより、可動電極１の水平方向の駆動力を、可動板４の回転方向の運動に変換して、可動板４を傾動させることが出来る。したがって、効率的にアクチュエータの静電引力を伝導し、低消費電力で大きな変位が可能となる。

固定電極２ａ、２ｂと可動電極１は、それぞれ櫛歯型電極である。これにより、大きな静電引力を発生することが出来、可動電極１及び可動板４のより大きな変位が可能となる。なお、櫛歯の数の増減によって静電引力を所望値に制御することが出来る。

＜実施例＞
チルトミラーデバイスの具体的な寸法を図１及び図３（ａ）を参照して説明する。可動電極１及び固定電極２ａは、互いに噛み合う櫛歯を有する。なお、固定電極２ｂとの間でもどうような構成を備えるため、図示及び説明を省略する。デバイスの横長さｗｍ、デバイスの縦長さｌｍ、ヒンジ８の長さｌ、ヒンジ８の幅ｗ、可動板４の厚さｔｍ、可動板４の基板からの高さｔｐ、可動板４の最大傾きθ、櫛歯の長さｌｃ、櫛歯の間隔ｇｃ、櫛歯の幅ｗｃは、以下のとおりである。

ｗｍ＝7000μm
ｌｍ＝5000μm
ｌ＝10000μm
ｗ＝10μm
ｔｍ＝18μm
ｔｐ＝220μm
θ＝20deg
ｌｃ＝85μm
ｇｃ＝4.5μm
ｗｃ＝3μm
また、ヒンジ８の幅ｗが10μm及び20μmである時の、ヒンジ８の厚さとミラー動作推力との関係を図３（ｂ）に示す。動作可能範囲はおよそ１５０μＮ以下であって、ヒンジ８の幅ｗが10μmの時の厚さは約１８μm以下、ヒンジ８の幅ｗが20μmの時の厚さは約１２μm以下である。

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態で述べたチルトミラーデバイスにおいて、可動電極１が稼動している時に、可動板４に当接して、可動板４が傾動した状態で位置決めすることが出来るストッパを備えていても構わない。

即ち、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、チルトミラーデバイスは、可動電極１が変位した時に可動板４と当接することにより、可動板４が揺動する角度を定めるストッパ９ａ、９ｂを更に備えていてもよい。ストッパ９ａ、９ｂは、図４（ｂ）では基板上に形成されているが、可動板４の下に形成されていても構わない。

図１（ｃ）に示したように、可動電極１と固定電極２ａ、２ｂとの間に印加された静電引力によって、可動電極１を固定電極２ｂの方へ水平方向に変位させると、穴３に挿入されている連結柱５が可動電極１から水平方向に応力を受け、可動板４は中心部分の軸を中心として時計回りの方向に角度θで傾動する。角度θで傾動した状態で、可動板４の右端はストッパ９ａと当接し、可動板４の位置が保持される。

図１（ｄ）に示したように、可動電極１と固定電極２ａ、２ｂとの間に印加された静電引力によって、可動電極１を固定電極２ａの方へ水平方向に変位させると、穴３に挿入されている連結柱５が可動電極１から水平方向に応力を受け、可動板４は中心部分の軸を中心として時計回りの方向に角度−θで傾動する。角度−θで傾動した状態で、可動板４の左端はストッパ９ｂと当接し、可動板４の位置が保持される。

以上説明したように、可動電極１が変位した時に可動板４と当接することにより、可動板４が揺動する角度を定めるストッパ９ａ、９ｂを更に備えることにより、精密な位置決め、特に精密な可動板４の傾斜角度θの設定が可能となる。

なお、ここでは、可動板４と当接するストッパ９ａ、９ｂについて例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。これ以外でも、例えば、可動電極１が変位した時に可動電極１と当接するストッパを備えていても構わない。この場合も、可動板４と当接するストッパ９ａ、９ｂと同様に、可動電極１の精密な位置決め、ひいては可動板４の精密な位置決めが可能となるという効果が得られる。

次に、図５（ａ）〜図５（ｈ）を参照して、図４（ａ）及び図４（ｂ）のチルトミラーデバイスの製造方法を説明する。

（イ）先ず、図５（ａ）に示すように、単結晶シリコンからなる基板１１の表面に所定の形状を有するエッチングマスク１２を形成する。

（ロ）エッチングマスク１２を介して、基板１１の表面に対して異方性エッチング処理を施し、エッチングマスク１２が形成されていない基板１１を選択的に除去する。所定深さまで掘り終り溝が形成された後、エッチングを終了し、図５（ｂ）に示すように新たなエッチングマスク１３を溝の底面に形成する。

（ハ）エッチングマスク１２及び１３を用いて、更に異方性エッチング処理を継続し、図５（ｃ）に示すように、可動板４及び連結柱５を作成する。そして、図５（ｄ）に示すように、表裏面を反転させる。

（ニ）一方、これとは別に、図５（ｅ）に示すように、上層１５、中間層１６、下層１７からなるＳＯＩ基板を用意して、所定の形状を有するエッチングマスク１４を上層１５の上に形成する。エッチングマスク１４を介して、上層１５の表面に対して異方性エッチング処理を施し、エッチングマスク１４が形成されていない上層１５を選択的に除去する。その後、エッチングマスク１４を除去する。これにより、図５（ｆ）に示すような可動電極１及び固定電極２ａ、２ｂを有するアクチュエータの一部が形成される。

（ホ）図５（ｇ）に示すように、これら２つの構造物を接合する。図５（ｈ）に示すように、基板１１及び上層１５及び下層１７に対する中間層１６のエッチングレートが高いエッチング液を用いて、ウェットエッチング処理を施し、可動電極１及び固定電極２ａ、２ｂに相当する上層１５を、下層１７（基板１０）から分離する。以上の工程により、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示したチルトミラーデバイスが完成する。

このように、２つの基板を重ね合わせて接合することにより、可動板４の連結柱５と可動電極１の穴３とが接続或いは嵌合される。可動板４とアクチュエータ部分とを別の基板を用いて製造することにより、各構造体の製造歩留まりが向上する。

＜第３の実施の形態＞
第１の実施の形態で述べたチルトミラーデバイスにおいて、固定電極２ａ、２ｂ及び可動電極１上に形成されたラッチ部であって、ラッチ部は、可動電極１が静止している時に互いに嵌合して、固定電極２ａ、２ｂと可動電極１とを位置決めするようにしても構わない。ラッチ部は、この出願の出願人による先願（特開２００５−９６０６９号公報）に開示されたラッチ部と同じ機能を備える。

即ち、固定電極２ａ、２ｂと可動電極１は、それぞれ、静止時の可動電極１の状態を保持するラッチ部を備えていても構わない。可動電極１が駆動している時にラッチ部が勘合することで可動電極１を変位した状態で自己保持することが出来る。例えば、図２のヒンジ８ａ、８ｂが撓んだ状態においてラッチ部が勘合することで、可動／固定電極間に電位差を印加していなくても、ヒンジ８ａ、８ｂが撓んだ状態、即ち可動電極１を変位した状態を維持することが出来る。

＜第４の実施の形態＞
第１の実施の形態で述べたチルトミラーデバイスにおいて、可動板４及び基板上に形成されたラッチ部であって、当該ラッチ部は、可動板４が傾動している状態で嵌合して、可動板４と可動電極１とを位置決めするようにしても構わない。

即ち、可動板４は、静止している状態を保持するラッチ部を備えていても構わない。

これにより、可動板４が傾動した時の傾斜角度が決定され、所定の傾斜角度で静止させることが出来る。よって、可動／固定電極間に電位差を印加していなくても、可動板４を自己保持させることが出来る。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１乃至第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

第１乃至第５の実施の形態で述べたチルトミラーデバイスにおいて、連結柱５と穴３の接触部は、点接触又は線接触であることが望ましい。これにより、可動電極１及び可動板４が駆動する時に、連結柱５と穴３の接触部は、面接触ではなく、点接触又は線接触となるため、連結柱５と穴３の接触部の固着を回避することが出来る。

各構造体に対してＳＡＭコーティングなどの撥水処理を施しても構わない。この場合、各構造体の表面に単分子層が被膜されるため、表面エネルギーが低下して固着し難くなる。よって、連結柱５と穴３の接触部、ストッパ９ａ、９ｂ、及びラッチ部の固着を回避することが出来る。

可動板４の表面に金属をコートしても構わない。反射率の高い金属を平坦な可動板４の表面に被膜することにより、入射する光を可動板４の状態に応じて所望の角度で反射することが出来、反射型の空間光変調器として実用化することが出来る。なお、使用する光の波長に応じてコートする金属の種類を選択することが望ましい。

可動板４の表面に回折格子を形成しても構わない。この場合、回折格子のピッチを所定の値に設計することにより、回折格子に入射した光を分光することが出来る。このようにＲＧＢに対応したミラーを可動板４上に形成することにより、単板でカラー投影が可能となる。

可動板４或いは可動電極１に光学部品を接続することにより、上述したアクチュエータを用いた光デバイスを実現することが出来る。ここでの「光学部品」には、入射した光を反射させる反射面を備えるミラーや、上述した回折格子、プリズム、その他、入射した光に対して何らかの処理を加え、その結果を出力光として放出するものが含まれる。ミラーの場合、レーザ光などの入射光の光路を切り替えることが出来る。これにより、上述したアクチュエータが備える特徴を生かして、大きな面積を備える光学部品を大きく変位させることが出来る。よって、大きなビーム径の光を扱うことが出来るようになり、しかも、駆動角度が大きいので、多ポートの光デバイスを提供することが出来る。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明は、光通信に使用される光デバイスにおける、光路切換を行う光スイッチに利用することができる。

図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータを用いたチルトミラーデバイスを示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ切断面に沿った断面図である。図１（ｃ）及び図１（ｄ）は可動電極及び可動板の動作を示す断面図である。 可動電極及び固定電極が平板状の形状を有する場合を示す平面図である。 図３（ａ）は櫛歯電極の構造及び寸法を示す平面図であり、図３（ｂ）はヒンジの厚さとミラー動作推力との関係を示すグラフである。 図４（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータを用いたチルトミラーデバイスを示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面図である。 図５（ａ）乃至図５（ｈ）は本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータを用いたチルトミラーデバイスの主要な製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１…可動電極
２ａ、２ｂ…固定電極
３…穴
４…可動板
５…連結柱
７ａ、７ｂ…固定部
８ａ、８ｂ…ヒンジ
９ａ、９ｂ…ストッパ
１０、１１…基板
１２〜１４…エッチングマスク
１５…上層
１６…中間層
１７…下層

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板に固定された固定電極と、
   前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極に対して変位可能な可動電極と、
   前記基板に固定された軸により支持され、前記可動電極に形成された穴に挿入された連結柱を有する揺動可能な可動板とを備え、
   前記連結柱により可動電極の変位に連動して可動板が揺動することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記固定電極と前記可動電極は、それぞれ櫛歯型電極であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記固定電極と前記可動電極は、それぞれ、静止時の前記可動電極の状態を保持するラッチ部を備えることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
4. 前記可動電極が変位した時に前記可動板と当接することにより、前記可動板が揺動する角度を定めるストッパを更に備えることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載のアクチュエータ。

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