JP2004242455A - 静電駆動型アクチュエータ及びそれを用いた光スイッチ - Google Patents
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Abstract
【課題】光スイッチ、特にマトリクス光スイッチに好適な小型・低電力の静電駆動型アクチュエータを提供する。
【解決手段】静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合してなる固定部材と、前記可動部材が吸引された状態で形状を保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、前記可動部材は、前記接合部に接合して変形する可動電極部と、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部と、を有し、前記磁力吸着部材は、前記可動電極部が静電吸引力で前記固定電極部に吸引された状態で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有する。
【選択図】 図１
【解決手段】静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合してなる固定部材と、前記可動部材が吸引された状態で形状を保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、前記可動部材は、前記接合部に接合して変形する可動電極部と、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部と、を有し、前記磁力吸着部材は、前記可動電極部が静電吸引力で前記固定電極部に吸引された状態で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電駆動型アクチュエータ及びそれを用いた光通信用光スイッチに関するものである。。
【０００２】
【従来の技術】
従来の静電駆動型アクチュエータを用いた光スイッチとして、特開２０００−１２１９６７号公報や特開２０００−２５８７０２号公報に開示されているものがあり、特開２０００−１２１９６７号公報のものの平面図と断面図を図１４（ａ）、（ｂ）に示す。この光スイッチは、シリコン基板７０１に座ぐり孔７０２を設けるとともに、この座ぐり孔の中央部にフレクチュア部７０４を介して可動電極板７０３を配置している。このシリコン基板と可動電極板との間に電圧を印加することで、両者の間に静電力を発生させ、可動電極板上に取り付けられているミラー７０５を上下させるものである。この結果として、入射側７０６から放射される光を出射側７０７又は他の出射側７０８に切替えることができる。しかし、この光スイッチでは、可動電極板のストロークが大きくなると、電極間の距離の略二乗に反比例して初期の静電吸引力は小さくなる。このため、スイッチングする光量を大きくするために、ミラーを大型化しようとすると、ストロークが大きくなり、この結果として駆動するための印加電圧を高くすることが必要となっていた。
【０００３】
他の静電駆動型アクチュエータの構造として、固定電極部を曲面とすることで、静電吸引力を大きくしてストロークを増大させたものが、特開平１０−３１２７３４号公報に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１２１９６７号公報（第４−６頁、図１）
【０００５】
【特許文献２】
特開２０００−２５８７０２号公報（第２−６頁、図１及び図２）
【０００６】
【特許文献３】
特開平１０−３１２７３４号公報（第４−６頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の静電駆動型アクチュエータでは、いずれも可動電極板は、シリコン基板の剛性で保持されているために、低電圧で駆動させるためには、これを薄化することにより、この見かけの弾性率を小さくする必要がある。この場合に、外部から振動等の影響を受けると、ミラーも振動して反射光が不安定となることがあった。また、可動電極板が固定電極部に吸引された状態を保持し続けるためには、電圧を印加し続ける必要があり、このための電力を消費していた。
【０００８】
本発明は、かかる事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、光スイッチ、特にマトリクス光スイッチに適した小型・低電力の静電駆動型アクチュエータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、略平板状であって静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合部を介して接合し前記可動部材を静電吸引力によって吸引する固定部材と、前記可動部材が吸引された状態で形状を保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、前記可動部材は、前記接合部に接合して静電吸引力で変形する可動電極部と、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部と、を有し、前記磁力吸着部材は、前記可動電極部が静電吸引力で前記固定電極部に吸引された状態で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有することを特徴としている。
【００１０】
請求項２に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、略平板状であって静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合部を介して接合し前記可動部材を静電吸引力によって吸引する固定部材と、前記可動部材を静電吸引力が働いていない静止位置に保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、前記可動部材は、前記接合部に接合して静電吸引力で変形する可動電極部と、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部と、を有し、前記磁力吸着部材は、前記可動部材を静電吸引力が働いていない静止位置で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有することを特徴としている。
【００１１】
請求項３に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１又は請求項２の静電駆動型アクチュエータであって、前記接合部と接合する前記可動電極部の可動電極接合部分の断面積が前記可動電極部の他の部分の断面積よりも小さいことを特徴としている。
【００１２】
請求項４に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項３の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極接合部分に開口部を有してなることを特徴としている。
【００１３】
請求項５に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至４の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部の表面を凹状に形成してなることを特徴としている。
【００１４】
請求項６に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項５の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動部材の対向辺を凹状又は凸状に形成してなることを特徴としている。
【００１５】
請求項７に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項６の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部に貫通孔を有してなることを特徴としている。
【００１６】
請求項８に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項７の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部の前記固定部材側の表面を粗状に形成してなることを特徴としている。
【００１７】
請求項９に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項８の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部が静電吸引力の除去後に急激に移動したときに、前記可動部材が静止位置から反対側にずれることを防止するように、前記可動部材に接触可能なストッパー部を備えてなることを特徴としている。
【００１８】
請求項１０に係る発明の光スイッチは、請求項１乃至請求項９の静電駆動型アクチュエータにおいて前記可動電極部の前記固定部材と反対側の表面上にミラーを取り付けてなるものと、前記ミラーに向かって光を放射する光出射部と、前記光出射部からの直接光または前記ミラーの反射光を外部に放射する光入射部と、を有することを特徴としている。
【００１９】
請求項１１に係る発明の光スイッチは、請求項１０の光スイッチにおいて、平面視で前記可動電極部の中心線に対して、前記ミラーの反射面が、略４５°となる状態で取り付けられてなることを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
実施形態１に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを図１〜６に基づいて説明する。図１は、静電駆動型アクチュエータに電圧を印加していない状態での斜視図であり、図２は、電圧を印加していない状態と電圧を印加した状態を重ねた側面図である。図３は、静電駆動型アクチュエータを用いたマトリクス光スイッチの上面図であり、また、図４〜６は、静電駆動型アクチュエータの製造手順を示す断面図である。なお、これらの図は、見やすくするために、縦方向の倍率を横方向の倍率よりも大きくしている。
【００２１】
固定部材１は、先端に行くほど断面の曲率が大きくなるような曲面を有している固定電極部１１と、この上端に形成されている接合部１５とからなっている。また、固定電極部１１は、シリコン基板を形成してなる主要部の固定基部１２と、この表面を覆っている固定導電部１３と、さらに、この表面を覆っている絶縁部１４と、からなっている。ここで、固定導電部１３は金属の薄膜からなり、絶縁部１４は酸化物の薄膜からなっている。また、接合部１５は、後述する可動部材２に連接されていて、固定部材１と可動部材２とを接合している。
【００２２】
可動部材２は、薄板のシリコン基板を形成してなるものであり、平面が略長方形の可動電極部２１と、接合部１５の反対側の先端に形成されているパーマロイ等の軟磁性板からなる磁性部２２と、可動電極部２１の固定部材１と反対側の表面上に配設されているミラー２３とからなっている。ここで、固定部材１の接合部１５と可動電極部２１とは、同一のシリコン基板から形成されている。また、接合部１５と接合する固定導電部１３の部分である固定電極接続部分２４には、開口部２５が穿設されて、この部分の断面積は他部分の可動電極の断面積よりも小さくなっている。ただし、固定電極接続部分２４は、接合部１５と両辺で接合している。
【００２３】
磁力吸着部３は、可動電極部２１が固定電極部１１に吸引された時に磁性部２２に対向する位置に配設されている永久磁石部３１と、これと磁性部２２の反対側に配設されている電磁石部３２とからなっている。永久磁石部３１は、直方体の希土類磁石であり、磁性部２２と対向する面と、電磁石部３２と対向する面とに磁極が発生するように着磁されている。また、電磁石部３２は、直方体の軟鉄等の軟磁性体に電線を巻回して、外部の直流電源（図示せず）に接続している。ここで、永久磁石部３１と対向する面に磁極が発生するように電線を巻回している。また、永久磁石部３１と電磁石部３２とは、非磁性体の金具（図示せず）によって、固定部材１に取り付けられている。
【００２４】
本静電駆動型アクチュエータの動作について説明する。両方の電極に電圧が印加されていない状態では、可動電極部２１の剛性により、図１及び図２の実線で示すように、可動電極部２１は略平面を保持した状態（アクチュエータＯＦＦ状態）で静止している。ここで、本静電駆動型アクチュエータに電源を入力して、電圧が印加されると、両方の電極に静電力が発生し、可動電極部２１は固定電極部１１に吸引されて変形する。最終的には、図２の点線で示すように、固定部材１の曲面に略一致する形状（アクチュエータＯＮ状態）となって静止する。このときに、磁性部１２は、前述したように、永久磁石部３１と対向する位置で静止して、永久磁石部３１と吸引するように磁化される。この状態で、本静電駆動型アクチュエータの電源を切断しても、磁性部１２と永久磁石部３１との間の磁気吸引力により，可動電極部２１は変形したままとなり、アクチュエータＯＮ状態が保持され続ける。ここで、アクチュエータＯＦＦ状態に戻すには、電磁石部３２の電線に電流を通電して、磁性部１２の位置での外部磁場を弱めるように電磁石部３２を磁化させる。磁性部１２は軟磁性体なので、磁化が小さくなり、永久磁石部３１との間の磁気吸引力も小さくなる。この結果として、可動電極部２１は、弾性により、もとの平面にもどり、アクチュエータＯＦＦ状態となる。
【００２５】
また、可動電極部２１に取り付けられているミラー２３は、アクチュエータＯＦＦ状態とアクチュエータＯＮ状態とに応じて移動する。ここで、本静電駆動型アクチュエータの外に、光入射部と光出射部を取り付けて、ミラーによって入射光を反射して切替える構造とすれば、アクチュエータＯＮ、ＯＦＦ状態によって、光を切替える光スイッチとすることができる。さらに、この静電駆動型アクチュエータを複数個、図３のようにマトリクス状に並べることにより、複数の入射光を切替えることのできるマトリクス光スイッチとすることができる。
【００２６】
次に、本静電駆動型アクチュエータの形成手順の一例について説明する。
まず、可動部材２の形成手順を図４（ａ）〜（ｇ）に基づいて説明する。このものの原材料は、図４（ａ）に示したシリコン活性層６１、６２の内部に酸化層６３を有するＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板である。図４（ｂ）に示すように、このシリコン活性層６１、６２の表面に熱酸化により、酸化膜６４、６５を形成し、フォトリソグラフィとエッチングにより、下面側の酸化膜６５で可動電極部２１の開口部２５となる部分に該当する部分６６の酸化膜を除去する。次に、図４（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより、上面側の酸化膜６４でミラー２３になる部分に該当する部分以外について酸化膜を除去した後、ＤＲＩＥ（ｄｅｅｐ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）プロセスにより、シリコン活性層６１からミラー部分２３を形成する。次に、図４（ｄ）に示すように、この表面にＡｌ又はＡｕ等の反射金属層を形成することでミラー２３とする。次に、図４（ｅ）に示すように、ＤＲＩＥプロセスにより、シリコン活性層６２から開口部２５を形成する。次に、図４（ｆ）に示すように、酸化物エッチングにより、酸化層６３、６４を除去し、可動電極部２１を形成し、この部分に不純物を混入して、導電性を与える。また、同時に形成された接合部１５の下面にメタルマスク蒸着により、Ａｕ／Ｃｒ薄膜６７を堆積させる。そして、図４（ｇ）に示すように、パーマロイを蒸着することで、磁性部２２を形成する。
【００２７】
また、固定部材１の形成手順を図５（ａ）〜（ｄ）に基づいて説明する。このものの原材料は、図５（ａ）に示したシリコン基板７１であり、この上面に固定基部の形状を有する有機物レジスト層７２を設ける。次に、図５（ｂ）に示すように、ＤＲＩＥプロセスにより、有機物レジスト層７２を完全に除去するまで、有機物レジスト層７２とシリコン基板７１とをエッチングすることにより、曲面の表面を有する固定基部１２を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、固定基部１２の表面にＡｌ又はＡｕ等の導電性金属薄膜を形成し、固定導電部１３とする。次に、図４（ｄ）に示すように、固定導電部１３の表面に、絶縁物であるシリコン酸化物を堆積させて、絶縁部１４を形成して、前述した接合部１５と接合する部分にメタルマスク蒸着により、Ａｕ／Ｃｒ薄膜７３を堆積させる。図６に示すように、こうして作成された部材で、それぞれのＡｕ／Ｃｒ薄膜６７と７３とを拡散接合することにより、可動部材２と固定部材１とを接合する。
【００２８】
なお、本実施形態では、固定基部１２の表面に固定導電部１３を形成しているが、固定基部１２に不純物を拡散することにより、この部分に導電性を付与しても同様の効果を得ることができる。
【００２９】
本実施形態では、固定電極部１１は、その断面が先端に行くほど曲率が大きくなるような曲面を有していて、可動電極部２１の長さ方向の先端に向かうほど可動電極部２１との距離が長くなる形状を有しているので、静電駆動型アクチュエータの両電極に一定電圧を印加した時に、可動電極部２１の先端のストロークが従来のものよりも大きくなる。また、固定電極部２２の表面を絶縁部２３が覆っているので、両電極部が密着した場合でも、電気的に短絡することがなく、可動電極部２１のストロークを大きくすることができる。なお、本実施形態では、絶縁部１４を固定電極１２側に設けているが、可動電極部２１の表面に設けても同様の効果が得られる。
【００３０】
ここで、絶縁部１４と可動電極部２１の固定部材１側の表面とが共に極めて平滑であって、アクチュエータＯＮ状態で両者が密着してしまうと、本静電駆動型アクチュエータの電源を切断しても、アクチュエータＯＦＦ状態へ戻りにくくなる。そこで、可動電極部２１の固定部材１側の表面上を反応性ガス又はプラズマによるエッチング処理等により高低差数１０〜数１００ｎｍ程度の凹凸を形成することにより、この表面を粗状にすると、可動電極部２１が絶縁部２３に密着ししても、アクチュエータＯＦＦ状態へと容易にリセットすることができるようになる。
【００３１】
また、固定部材１の接合部１５と接合する可動電極部２１の可動電極接合部分２４の断面積が、他の可動電極部よりも小さくなっているので、この部分の見かけの弾性率が小さくなり、この結果として、より低い電圧で、可動電極部２１を変形させることができ、静電駆動型アクチュエータの低電圧化がはかられる。さらに、可動電極接合部分２４には開口部２５が設けられて、両辺は接合部１５と接合しているので、横方向の振動の影響を受けにくい構造となっている。
【００３２】
さらに、磁性部２４と磁力吸着部３とを有しているので、静電吸引力で可動電極部２１が変形して、アクチュエータＯＮ状態になった後に、静電駆動型アクチュエータの電圧を切断しても、磁気吸引力によりアクチュエータＯＮ状態を保持する自己保持機能を有している。したがって、低電力化がはかられる。
【００３３】
（実施形態２）
実施形態２に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを、図７の断面図に基づいて説明する。本実施形態の固定部材１と可動部材２との構造は、実施形態１と同じである。磁力吸着部３の構成物である永久磁石部３１と電磁石部３２とは同じ物であるが、取付け場所が、アクチュエータＯＦＦ状態で磁性部２２と対向する位置となっている。
【００３４】
本実施形態の静電駆動型アクチュエータでは、両電極部に電圧を印加していない状態では、磁性部２２は磁化されていて、永久磁石部３１との間に磁気吸引力が働いている。このために、電圧を印加して可動電極部２１を変形させるときには、電磁石部３２に電流を通電して磁性部２２での外部磁場を小さくしておく必要がある。また、可動電極部２１が変形して、アクチュエータＯＮ状態となった後も、両電極部に電圧を印加し続けないと、この状態を保持することができない。しかし、電圧を切断して、アクチュエータＯＦＦ状態にリセットするときに、磁性部２２と永久磁石部３１との間の磁気吸引力により、可動電極部２１は、リバウンドすることなく、アクチュエータＯＦＦ状態で静止する。また、磁気吸引力によって、可動電極部２１は外部からの振動を受けにくい構造となっている。特に、静電駆動型アクチュエータを低電圧化するために、可動電極部２１を薄くした場合に、この部分の剛性が弱くなり、外部の振動の影響を受けやすくなるので、本実施形態の効果は大きくなる。
【００３５】
なお、本実施形態の構成とあわせて、実施形態１で記載した場所にも、磁力吸着部材３を取り付けると、本実施形態の効果と併せて、アクチュエータＯＮ状態での自己保持機能が付加される。
【００３６】
（実施形態３）
実施形態３に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを、図８に基づいて説明する。図８（ａ）は、本実施形態の可動部材の上面部、図８（ｂ）は、断面図である。本実施形態の固定部材１と磁力吸着部材３との構成は、実施形態１又は実施形態２と同じである。本実施形態では、図８に示すように、可動部材２の可動電極部２１の表面を凹状に形成している部分を多数設けている。このために、可動電極部２１の見かけの弾性率が小さくなり、低電圧で静電駆動型アクチュエータを駆動することができる。
【００３７】
（実施形態４）
実施形態４に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを、図９に示した可動部材の上面図に基づいて説明する。本実施形態の固定部材１と磁力吸着部材３との構成は、実施形態１又は実施形態２と同じである。本実施形態では、図９に示すように、可動部材２の可動電極部２１の対向辺を凹状に形成している部分を多数設けている。このために、この部分のコーナー部に電荷が局在し、静電吸引力が大きくなり、低電圧で静電駆動型アクチュエータを駆動することができる。なお、可動部材２の可動電極部２１の対向辺を凸状に形成していも、略同様の効果を得ることができる。
【００３８】
（実施形態５）
実施形態５に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを、図１０に示した可動部材の上面図に基づいて説明する。本実施形態の固定部材１と磁力吸着部材３との構成は、実施形態１又は実施形態２と同じである。本実施形態では、図１０に示すように、可動部材２の可動電極部２１に貫通孔２６を多数設けている。このために、可動電極部２１が、変形するときに発生する空気抵抗が小さくなり、低電圧で静電駆動型アクチュエータを駆動することができる。
【００３９】
なお、実施形態３〜５に係る静電駆動型アクチュエータの可動電極部２１の効果は、独立したものである。したがって、可動電極部２１を、これの実施形態の形状を組み合わせたものとすれば、さらに、低電圧で静電駆動型アクチュエータを駆動することができる。
【００４０】
（実施形態６）
実施形態６に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを、図１１の静電駆動型アクチュエータの斜視図に基づいて説明する。本実施形態の静電駆動型アクチュエータは、実施形態１の静電駆動型アクチュエータにストッパー部４１、４２を取り付けた構造となっている。これらは、シリコン酸化物等の絶縁物からなり、可動電極部２１が静止位置から反対側にずれることを防止することを目的として、前記可動部材に接触可能な状態で配設されている。アクチュエータＯＮ状態で電圧を切断して、アクチュエータＯＦＦ状態にリセットするときに、可動電極部２１は、ストッパー部４１、４２に接触して、リバウンドすることなく、アクチュエータＯＦＦ状態で静止する。
【００４１】
ここで、可動電極部２１の見かけの弾性率が小さい場合には、可動電極部２１は変形してストッパー部４１、４２をすり抜けないように、可動電極部２１とストッパー部４１、４２との接触面積を十分にとることが必要となる。なお、本実施形態のストッパー部４１、４２は、可動電極部２１の上面で接触するが、側面で接触するものであっても、同様の効果が得られる。また、ストッパー部の数は、２個に限らず、１個や３個以上であってもよい。
【００４２】
（実施形態７）
実施形態７に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータ及びこれを用いたマトリクス光スイッチを、図１２、１３に基づいて説明する。図１２は、本実施形態の可動部材の上面図であり、図１３は、これを用いてマトリクス光スイッチの上面図である。本実施形態の静電駆動型アクチュエータは、実施形態１の構成と略同じであるが、前記可動電極部２１の中心線に対して、ミラー２３の反射面が、略４５°となる状態で取り付けられている。
【００４３】
図１３は、本実施形態の静電駆動型アクチュエータを縦及び横に４個ずつ、合計１６個並べてマトリクス光スイッチとしたものである。これを、実施形態１の静電駆動型アクチュエータを同数並べたマトリクス光スイッチ（図３）と比較すると、本実施形態の静電駆動型アクチュエータは、ミラー面が変位部長さ方向に４５°傾いているために、充填密度が高くなり、マトリクス光スイッチを小型化することができる。
【００４４】
本発明は、実施形態１〜７に示した静電駆動型アクチュエータと光スイッチだけに限定されるものではない。例えば、可動電極部上に取り付けるものをミラーではなく、光吸収板とすれば、光信号のＯＮとＯＦＦとを切替える光スイッチとすることができる。また、ミラーの代りに、電気接点を取り付け、これと対向する位置にある他の電気接点との接触を切替えるようにすれば、静電型リレーとすることもできる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、略平板状であって静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合部を介して接合し前記可動部材を静電吸引力によって吸引する固定部材と、前記可動部材が吸引された状態で形状を保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、前記可動部材は、前記接合部に接合して静電吸引力で変形する可動電極部と、を有しているので、前記可動電極部のストロークが大きくなり、静電駆動型アクチュエータを小型化できる。また、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部を有し、前記磁力吸着部材は、前記可動電極部が静電吸引力で前記固定電極部に吸引された状態で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有しているので、一度電圧を印加後に、電圧を切断しても、静電駆動型アクチュエータが動作状態を保持する機能を有し、このために、低電力で静電駆動型アクチュエータを駆動することができる。
【００４６】
請求項２に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、略平板状であって静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合部を介して接合し前記可動部材を静電吸引力によって吸引する固定部材と、前記可動部材を静電吸引力が働いていない静止位置に保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、前記可動部材は、前記接合部に接合して静電吸引力で変形する可動電極部と、を有しているので、前記可動電極のストロークが大きくなり、静電駆動型アクチュエータを小型化できる。また、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部を有し、前記磁力吸着部材は、前記可動部材を静電吸引力が働いていない静止位置で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有しているので、急減な可動電極部の移動や外部振動の影響を低減することができる。
【００４７】
請求項３に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１又は請求項２の静電駆動型アクチュエータであって、前記接合部と接合する前記可動電極部の可動電極接合部分の断面積が前記可動電極部の他の部分の断面積よりも小さいので、請求項１又は請求項２記載の効果に加えて、静電駆動型アクチュエータを低電圧で駆動することができる。
【００４８】
請求項４に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項３の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極接合部分に開口部を有しているので、請求項３記載の効果に加えて、外部振動の影響を低減することができる。
【００４９】
請求項５に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至４の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部の表面を凹状に形成してなるので、請求項１乃至請求項４記載の効果に加えて、静電駆動型アクチュエータを低電圧で駆動することができる。
【００５０】
請求項６に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項５の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動部材の対向辺を凹状又は凸状に形成してなるので、請求項１乃至請求項５記載の効果に加えて、静電駆動型アクチュエータを低電圧で駆動することができる。
【００５１】
請求項７に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項６の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部に貫通孔を有しているので、請求項１乃至請求項６記載の効果に加えて、静電駆動型アクチュエータを低電圧で駆動することができる。
【００５２】
請求項８に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項７の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部の前記固定部材側の表面を粗状に形成してなるので、請求項１乃至請求項７記載の効果に加えて、前記可動電極部が前記固定電極部に密着した状態でも容易にリセットすることができる。
【００５３】
請求項９に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項８の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部が静電吸引力の除去後に急激に移動したときに、前記可動部材が静止位置から反対側にずれることを防止するように、前記可動部材に接触可能なストッパー部を備えてなるので、請求項１乃至請求項８記載の効果に加えて、急減な可動電極部の移動や外部振動の影響をさらに低減することができる。
【００５４】
請求項１０に係る発明の光スイッチは、請求項１乃至請求項９の静電駆動型アクチュエータにおいて前記可動電極部の前記固定部材と反対側の表面上にミラーを取り付けてなるものと、前記ミラーに向かって光を放射する光出射部と、前記光出射部からの直接光または前記ミラーの反射光を外部に放射する光入射部と、を有するので、低電圧で光信号を切替える光スイッチとして用いることができる。
【００５５】
請求項１１に係る発明の光スイッチは、請求項１０の光スイッチにおいて、平面視で前記可動電極部の中心線に対して、前記ミラーの反射面が、略４５°となる状態で取り付けられているので、請求項１０記載の効果に加えて、光スイッチを高充填密度でマトリクス状に並べることができ、マトリクス光スイッチの小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータを示す斜視図である。
【図２】同上のものを示す断面図である。
【図３】実施形態１のマトリクス光スイッチを示す上面図である。
【図４】実施形態１の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータの可動部材を形成する手順を説明する断面図である。
【図５】同上のものの固定部材を形成する手順を説明する断面図である。
【図６】同上のものの固定部材と可動部材との接合状態を示す断面図である。
【図７】実施形態２の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータを示す断面図である。
【図８】実施形態３の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータの可動部材を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図９】実施形態４の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータの可動部材を示す上面図である。
【図１０】実施形態５の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータの可動部材を示す上面図である。
【図１１】実施形態６の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータを示す斜視図である。
【図１２】実施形態７の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータの可動部材を示す上面図である。
【図１３】実施形態７のマトリクス光スイッチを示す上面図である。
【図１４】従来の光スイッチで、（ａ）は平面図で、（ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１ 固定部材
１１ 固定電極部
１２ 固定基部
１３ 固定導電部
１４ 絶縁部
１５ 接合部
２ 可動部材
２１ 可動電極部
２２ 磁性部
２３ ミラー
２４ 可動電極接合部分
２５ 開口部
２６ 貫通孔
３ 磁気吸着部
３１ 永久磁石部
３２ 電磁石部
４１、４２ ストッパー部
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電駆動型アクチュエータ及びそれを用いた光通信用光スイッチに関するものである。。
【０００２】
【従来の技術】
従来の静電駆動型アクチュエータを用いた光スイッチとして、特開２０００−１２１９６７号公報や特開２０００−２５８７０２号公報に開示されているものがあり、特開２０００−１２１９６７号公報のものの平面図と断面図を図１４（ａ）、（ｂ）に示す。この光スイッチは、シリコン基板７０１に座ぐり孔７０２を設けるとともに、この座ぐり孔の中央部にフレクチュア部７０４を介して可動電極板７０３を配置している。このシリコン基板と可動電極板との間に電圧を印加することで、両者の間に静電力を発生させ、可動電極板上に取り付けられているミラー７０５を上下させるものである。この結果として、入射側７０６から放射される光を出射側７０７又は他の出射側７０８に切替えることができる。しかし、この光スイッチでは、可動電極板のストロークが大きくなると、電極間の距離の略二乗に反比例して初期の静電吸引力は小さくなる。このため、スイッチングする光量を大きくするために、ミラーを大型化しようとすると、ストロークが大きくなり、この結果として駆動するための印加電圧を高くすることが必要となっていた。
【０００３】
他の静電駆動型アクチュエータの構造として、固定電極部を曲面とすることで、静電吸引力を大きくしてストロークを増大させたものが、特開平１０−３１２７３４号公報に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１２１９６７号公報（第４−６頁、図１）
【０００５】
【特許文献２】
特開２０００−２５８７０２号公報（第２−６頁、図１及び図２）
【０００６】
【特許文献３】
特開平１０−３１２７３４号公報（第４−６頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の静電駆動型アクチュエータでは、いずれも可動電極板は、シリコン基板の剛性で保持されているために、低電圧で駆動させるためには、これを薄化することにより、この見かけの弾性率を小さくする必要がある。この場合に、外部から振動等の影響を受けると、ミラーも振動して反射光が不安定となることがあった。また、可動電極板が固定電極部に吸引された状態を保持し続けるためには、電圧を印加し続ける必要があり、このための電力を消費していた。
【０００８】
本発明は、かかる事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、光スイッチ、特にマトリクス光スイッチに適した小型・低電力の静電駆動型アクチュエータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、略平板状であって静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合部を介して接合し前記可動部材を静電吸引力によって吸引する固定部材と、前記可動部材が吸引された状態で形状を保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、前記可動部材は、前記接合部に接合して静電吸引力で変形する可動電極部と、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部と、を有し、前記磁力吸着部材は、前記可動電極部が静電吸引力で前記固定電極部に吸引された状態で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有することを特徴としている。
【００１０】
請求項２に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、略平板状であって静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合部を介して接合し前記可動部材を静電吸引力によって吸引する固定部材と、前記可動部材を静電吸引力が働いていない静止位置に保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、前記可動部材は、前記接合部に接合して静電吸引力で変形する可動電極部と、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部と、を有し、前記磁力吸着部材は、前記可動部材を静電吸引力が働いていない静止位置で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有することを特徴としている。
【００１１】
請求項３に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１又は請求項２の静電駆動型アクチュエータであって、前記接合部と接合する前記可動電極部の可動電極接合部分の断面積が前記可動電極部の他の部分の断面積よりも小さいことを特徴としている。
【００１２】
請求項４に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項３の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極接合部分に開口部を有してなることを特徴としている。
【００１３】
請求項５に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至４の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部の表面を凹状に形成してなることを特徴としている。
【００１４】
請求項６に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項５の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動部材の対向辺を凹状又は凸状に形成してなることを特徴としている。
【００１５】
請求項７に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項６の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部に貫通孔を有してなることを特徴としている。
【００１６】
請求項８に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項７の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部の前記固定部材側の表面を粗状に形成してなることを特徴としている。
【００１７】
請求項９に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項８の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部が静電吸引力の除去後に急激に移動したときに、前記可動部材が静止位置から反対側にずれることを防止するように、前記可動部材に接触可能なストッパー部を備えてなることを特徴としている。
【００１８】
請求項１０に係る発明の光スイッチは、請求項１乃至請求項９の静電駆動型アクチュエータにおいて前記可動電極部の前記固定部材と反対側の表面上にミラーを取り付けてなるものと、前記ミラーに向かって光を放射する光出射部と、前記光出射部からの直接光または前記ミラーの反射光を外部に放射する光入射部と、を有することを特徴としている。
【００１９】
請求項１１に係る発明の光スイッチは、請求項１０の光スイッチにおいて、平面視で前記可動電極部の中心線に対して、前記ミラーの反射面が、略４５°となる状態で取り付けられてなることを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
実施形態１に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを図１〜６に基づいて説明する。図１は、静電駆動型アクチュエータに電圧を印加していない状態での斜視図であり、図２は、電圧を印加していない状態と電圧を印加した状態を重ねた側面図である。図３は、静電駆動型アクチュエータを用いたマトリクス光スイッチの上面図であり、また、図４〜６は、静電駆動型アクチュエータの製造手順を示す断面図である。なお、これらの図は、見やすくするために、縦方向の倍率を横方向の倍率よりも大きくしている。
【００２１】
固定部材１は、先端に行くほど断面の曲率が大きくなるような曲面を有している固定電極部１１と、この上端に形成されている接合部１５とからなっている。また、固定電極部１１は、シリコン基板を形成してなる主要部の固定基部１２と、この表面を覆っている固定導電部１３と、さらに、この表面を覆っている絶縁部１４と、からなっている。ここで、固定導電部１３は金属の薄膜からなり、絶縁部１４は酸化物の薄膜からなっている。また、接合部１５は、後述する可動部材２に連接されていて、固定部材１と可動部材２とを接合している。
【００２２】
可動部材２は、薄板のシリコン基板を形成してなるものであり、平面が略長方形の可動電極部２１と、接合部１５の反対側の先端に形成されているパーマロイ等の軟磁性板からなる磁性部２２と、可動電極部２１の固定部材１と反対側の表面上に配設されているミラー２３とからなっている。ここで、固定部材１の接合部１５と可動電極部２１とは、同一のシリコン基板から形成されている。また、接合部１５と接合する固定導電部１３の部分である固定電極接続部分２４には、開口部２５が穿設されて、この部分の断面積は他部分の可動電極の断面積よりも小さくなっている。ただし、固定電極接続部分２４は、接合部１５と両辺で接合している。
【００２３】
磁力吸着部３は、可動電極部２１が固定電極部１１に吸引された時に磁性部２２に対向する位置に配設されている永久磁石部３１と、これと磁性部２２の反対側に配設されている電磁石部３２とからなっている。永久磁石部３１は、直方体の希土類磁石であり、磁性部２２と対向する面と、電磁石部３２と対向する面とに磁極が発生するように着磁されている。また、電磁石部３２は、直方体の軟鉄等の軟磁性体に電線を巻回して、外部の直流電源（図示せず）に接続している。ここで、永久磁石部３１と対向する面に磁極が発生するように電線を巻回している。また、永久磁石部３１と電磁石部３２とは、非磁性体の金具（図示せず）によって、固定部材１に取り付けられている。
【００２４】
本静電駆動型アクチュエータの動作について説明する。両方の電極に電圧が印加されていない状態では、可動電極部２１の剛性により、図１及び図２の実線で示すように、可動電極部２１は略平面を保持した状態（アクチュエータＯＦＦ状態）で静止している。ここで、本静電駆動型アクチュエータに電源を入力して、電圧が印加されると、両方の電極に静電力が発生し、可動電極部２１は固定電極部１１に吸引されて変形する。最終的には、図２の点線で示すように、固定部材１の曲面に略一致する形状（アクチュエータＯＮ状態）となって静止する。このときに、磁性部１２は、前述したように、永久磁石部３１と対向する位置で静止して、永久磁石部３１と吸引するように磁化される。この状態で、本静電駆動型アクチュエータの電源を切断しても、磁性部１２と永久磁石部３１との間の磁気吸引力により，可動電極部２１は変形したままとなり、アクチュエータＯＮ状態が保持され続ける。ここで、アクチュエータＯＦＦ状態に戻すには、電磁石部３２の電線に電流を通電して、磁性部１２の位置での外部磁場を弱めるように電磁石部３２を磁化させる。磁性部１２は軟磁性体なので、磁化が小さくなり、永久磁石部３１との間の磁気吸引力も小さくなる。この結果として、可動電極部２１は、弾性により、もとの平面にもどり、アクチュエータＯＦＦ状態となる。
【００２５】
また、可動電極部２１に取り付けられているミラー２３は、アクチュエータＯＦＦ状態とアクチュエータＯＮ状態とに応じて移動する。ここで、本静電駆動型アクチュエータの外に、光入射部と光出射部を取り付けて、ミラーによって入射光を反射して切替える構造とすれば、アクチュエータＯＮ、ＯＦＦ状態によって、光を切替える光スイッチとすることができる。さらに、この静電駆動型アクチュエータを複数個、図３のようにマトリクス状に並べることにより、複数の入射光を切替えることのできるマトリクス光スイッチとすることができる。
【００２６】
次に、本静電駆動型アクチュエータの形成手順の一例について説明する。
まず、可動部材２の形成手順を図４（ａ）〜（ｇ）に基づいて説明する。このものの原材料は、図４（ａ）に示したシリコン活性層６１、６２の内部に酸化層６３を有するＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板である。図４（ｂ）に示すように、このシリコン活性層６１、６２の表面に熱酸化により、酸化膜６４、６５を形成し、フォトリソグラフィとエッチングにより、下面側の酸化膜６５で可動電極部２１の開口部２５となる部分に該当する部分６６の酸化膜を除去する。次に、図４（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより、上面側の酸化膜６４でミラー２３になる部分に該当する部分以外について酸化膜を除去した後、ＤＲＩＥ（ｄｅｅｐ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）プロセスにより、シリコン活性層６１からミラー部分２３を形成する。次に、図４（ｄ）に示すように、この表面にＡｌ又はＡｕ等の反射金属層を形成することでミラー２３とする。次に、図４（ｅ）に示すように、ＤＲＩＥプロセスにより、シリコン活性層６２から開口部２５を形成する。次に、図４（ｆ）に示すように、酸化物エッチングにより、酸化層６３、６４を除去し、可動電極部２１を形成し、この部分に不純物を混入して、導電性を与える。また、同時に形成された接合部１５の下面にメタルマスク蒸着により、Ａｕ／Ｃｒ薄膜６７を堆積させる。そして、図４（ｇ）に示すように、パーマロイを蒸着することで、磁性部２２を形成する。
【００２７】
また、固定部材１の形成手順を図５（ａ）〜（ｄ）に基づいて説明する。このものの原材料は、図５（ａ）に示したシリコン基板７１であり、この上面に固定基部の形状を有する有機物レジスト層７２を設ける。次に、図５（ｂ）に示すように、ＤＲＩＥプロセスにより、有機物レジスト層７２を完全に除去するまで、有機物レジスト層７２とシリコン基板７１とをエッチングすることにより、曲面の表面を有する固定基部１２を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、固定基部１２の表面にＡｌ又はＡｕ等の導電性金属薄膜を形成し、固定導電部１３とする。次に、図４（ｄ）に示すように、固定導電部１３の表面に、絶縁物であるシリコン酸化物を堆積させて、絶縁部１４を形成して、前述した接合部１５と接合する部分にメタルマスク蒸着により、Ａｕ／Ｃｒ薄膜７３を堆積させる。図６に示すように、こうして作成された部材で、それぞれのＡｕ／Ｃｒ薄膜６７と７３とを拡散接合することにより、可動部材２と固定部材１とを接合する。
【００２８】
なお、本実施形態では、固定基部１２の表面に固定導電部１３を形成しているが、固定基部１２に不純物を拡散することにより、この部分に導電性を付与しても同様の効果を得ることができる。
【００２９】
本実施形態では、固定電極部１１は、その断面が先端に行くほど曲率が大きくなるような曲面を有していて、可動電極部２１の長さ方向の先端に向かうほど可動電極部２１との距離が長くなる形状を有しているので、静電駆動型アクチュエータの両電極に一定電圧を印加した時に、可動電極部２１の先端のストロークが従来のものよりも大きくなる。また、固定電極部２２の表面を絶縁部２３が覆っているので、両電極部が密着した場合でも、電気的に短絡することがなく、可動電極部２１のストロークを大きくすることができる。なお、本実施形態では、絶縁部１４を固定電極１２側に設けているが、可動電極部２１の表面に設けても同様の効果が得られる。
【００３０】
ここで、絶縁部１４と可動電極部２１の固定部材１側の表面とが共に極めて平滑であって、アクチュエータＯＮ状態で両者が密着してしまうと、本静電駆動型アクチュエータの電源を切断しても、アクチュエータＯＦＦ状態へ戻りにくくなる。そこで、可動電極部２１の固定部材１側の表面上を反応性ガス又はプラズマによるエッチング処理等により高低差数１０〜数１００ｎｍ程度の凹凸を形成することにより、この表面を粗状にすると、可動電極部２１が絶縁部２３に密着ししても、アクチュエータＯＦＦ状態へと容易にリセットすることができるようになる。
【００３１】
また、固定部材１の接合部１５と接合する可動電極部２１の可動電極接合部分２４の断面積が、他の可動電極部よりも小さくなっているので、この部分の見かけの弾性率が小さくなり、この結果として、より低い電圧で、可動電極部２１を変形させることができ、静電駆動型アクチュエータの低電圧化がはかられる。さらに、可動電極接合部分２４には開口部２５が設けられて、両辺は接合部１５と接合しているので、横方向の振動の影響を受けにくい構造となっている。
【００３２】
さらに、磁性部２４と磁力吸着部３とを有しているので、静電吸引力で可動電極部２１が変形して、アクチュエータＯＮ状態になった後に、静電駆動型アクチュエータの電圧を切断しても、磁気吸引力によりアクチュエータＯＮ状態を保持する自己保持機能を有している。したがって、低電力化がはかられる。
【００３３】
（実施形態２）
実施形態２に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを、図７の断面図に基づいて説明する。本実施形態の固定部材１と可動部材２との構造は、実施形態１と同じである。磁力吸着部３の構成物である永久磁石部３１と電磁石部３２とは同じ物であるが、取付け場所が、アクチュエータＯＦＦ状態で磁性部２２と対向する位置となっている。
【００３４】
本実施形態の静電駆動型アクチュエータでは、両電極部に電圧を印加していない状態では、磁性部２２は磁化されていて、永久磁石部３１との間に磁気吸引力が働いている。このために、電圧を印加して可動電極部２１を変形させるときには、電磁石部３２に電流を通電して磁性部２２での外部磁場を小さくしておく必要がある。また、可動電極部２１が変形して、アクチュエータＯＮ状態となった後も、両電極部に電圧を印加し続けないと、この状態を保持することができない。しかし、電圧を切断して、アクチュエータＯＦＦ状態にリセットするときに、磁性部２２と永久磁石部３１との間の磁気吸引力により、可動電極部２１は、リバウンドすることなく、アクチュエータＯＦＦ状態で静止する。また、磁気吸引力によって、可動電極部２１は外部からの振動を受けにくい構造となっている。特に、静電駆動型アクチュエータを低電圧化するために、可動電極部２１を薄くした場合に、この部分の剛性が弱くなり、外部の振動の影響を受けやすくなるので、本実施形態の効果は大きくなる。
【００３５】
なお、本実施形態の構成とあわせて、実施形態１で記載した場所にも、磁力吸着部材３を取り付けると、本実施形態の効果と併せて、アクチュエータＯＮ状態での自己保持機能が付加される。
【００３６】
（実施形態３）
実施形態３に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを、図８に基づいて説明する。図８（ａ）は、本実施形態の可動部材の上面部、図８（ｂ）は、断面図である。本実施形態の固定部材１と磁力吸着部材３との構成は、実施形態１又は実施形態２と同じである。本実施形態では、図８に示すように、可動部材２の可動電極部２１の表面を凹状に形成している部分を多数設けている。このために、可動電極部２１の見かけの弾性率が小さくなり、低電圧で静電駆動型アクチュエータを駆動することができる。
【００３７】
（実施形態４）
実施形態４に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを、図９に示した可動部材の上面図に基づいて説明する。本実施形態の固定部材１と磁力吸着部材３との構成は、実施形態１又は実施形態２と同じである。本実施形態では、図９に示すように、可動部材２の可動電極部２１の対向辺を凹状に形成している部分を多数設けている。このために、この部分のコーナー部に電荷が局在し、静電吸引力が大きくなり、低電圧で静電駆動型アクチュエータを駆動することができる。なお、可動部材２の可動電極部２１の対向辺を凸状に形成していも、略同様の効果を得ることができる。
【００３８】
（実施形態５）
実施形態５に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを、図１０に示した可動部材の上面図に基づいて説明する。本実施形態の固定部材１と磁力吸着部材３との構成は、実施形態１又は実施形態２と同じである。本実施形態では、図１０に示すように、可動部材２の可動電極部２１に貫通孔２６を多数設けている。このために、可動電極部２１が、変形するときに発生する空気抵抗が小さくなり、低電圧で静電駆動型アクチュエータを駆動することができる。
【００３９】
なお、実施形態３〜５に係る静電駆動型アクチュエータの可動電極部２１の効果は、独立したものである。したがって、可動電極部２１を、これの実施形態の形状を組み合わせたものとすれば、さらに、低電圧で静電駆動型アクチュエータを駆動することができる。
【００４０】
（実施形態６）
実施形態６に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータを、図１１の静電駆動型アクチュエータの斜視図に基づいて説明する。本実施形態の静電駆動型アクチュエータは、実施形態１の静電駆動型アクチュエータにストッパー部４１、４２を取り付けた構造となっている。これらは、シリコン酸化物等の絶縁物からなり、可動電極部２１が静止位置から反対側にずれることを防止することを目的として、前記可動部材に接触可能な状態で配設されている。アクチュエータＯＮ状態で電圧を切断して、アクチュエータＯＦＦ状態にリセットするときに、可動電極部２１は、ストッパー部４１、４２に接触して、リバウンドすることなく、アクチュエータＯＦＦ状態で静止する。
【００４１】
ここで、可動電極部２１の見かけの弾性率が小さい場合には、可動電極部２１は変形してストッパー部４１、４２をすり抜けないように、可動電極部２１とストッパー部４１、４２との接触面積を十分にとることが必要となる。なお、本実施形態のストッパー部４１、４２は、可動電極部２１の上面で接触するが、側面で接触するものであっても、同様の効果が得られる。また、ストッパー部の数は、２個に限らず、１個や３個以上であってもよい。
【００４２】
（実施形態７）
実施形態７に係る光スイッチ用の静電駆動型アクチュエータ及びこれを用いたマトリクス光スイッチを、図１２、１３に基づいて説明する。図１２は、本実施形態の可動部材の上面図であり、図１３は、これを用いてマトリクス光スイッチの上面図である。本実施形態の静電駆動型アクチュエータは、実施形態１の構成と略同じであるが、前記可動電極部２１の中心線に対して、ミラー２３の反射面が、略４５°となる状態で取り付けられている。
【００４３】
図１３は、本実施形態の静電駆動型アクチュエータを縦及び横に４個ずつ、合計１６個並べてマトリクス光スイッチとしたものである。これを、実施形態１の静電駆動型アクチュエータを同数並べたマトリクス光スイッチ（図３）と比較すると、本実施形態の静電駆動型アクチュエータは、ミラー面が変位部長さ方向に４５°傾いているために、充填密度が高くなり、マトリクス光スイッチを小型化することができる。
【００４４】
本発明は、実施形態１〜７に示した静電駆動型アクチュエータと光スイッチだけに限定されるものではない。例えば、可動電極部上に取り付けるものをミラーではなく、光吸収板とすれば、光信号のＯＮとＯＦＦとを切替える光スイッチとすることができる。また、ミラーの代りに、電気接点を取り付け、これと対向する位置にある他の電気接点との接触を切替えるようにすれば、静電型リレーとすることもできる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、略平板状であって静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合部を介して接合し前記可動部材を静電吸引力によって吸引する固定部材と、前記可動部材が吸引された状態で形状を保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、前記可動部材は、前記接合部に接合して静電吸引力で変形する可動電極部と、を有しているので、前記可動電極部のストロークが大きくなり、静電駆動型アクチュエータを小型化できる。また、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部を有し、前記磁力吸着部材は、前記可動電極部が静電吸引力で前記固定電極部に吸引された状態で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有しているので、一度電圧を印加後に、電圧を切断しても、静電駆動型アクチュエータが動作状態を保持する機能を有し、このために、低電力で静電駆動型アクチュエータを駆動することができる。
【００４６】
請求項２に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、略平板状であって静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合部を介して接合し前記可動部材を静電吸引力によって吸引する固定部材と、前記可動部材を静電吸引力が働いていない静止位置に保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、前記可動部材は、前記接合部に接合して静電吸引力で変形する可動電極部と、を有しているので、前記可動電極のストロークが大きくなり、静電駆動型アクチュエータを小型化できる。また、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部を有し、前記磁力吸着部材は、前記可動部材を静電吸引力が働いていない静止位置で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有しているので、急減な可動電極部の移動や外部振動の影響を低減することができる。
【００４７】
請求項３に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１又は請求項２の静電駆動型アクチュエータであって、前記接合部と接合する前記可動電極部の可動電極接合部分の断面積が前記可動電極部の他の部分の断面積よりも小さいので、請求項１又は請求項２記載の効果に加えて、静電駆動型アクチュエータを低電圧で駆動することができる。
【００４８】
請求項４に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項３の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極接合部分に開口部を有しているので、請求項３記載の効果に加えて、外部振動の影響を低減することができる。
【００４９】
請求項５に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至４の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部の表面を凹状に形成してなるので、請求項１乃至請求項４記載の効果に加えて、静電駆動型アクチュエータを低電圧で駆動することができる。
【００５０】
請求項６に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項５の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動部材の対向辺を凹状又は凸状に形成してなるので、請求項１乃至請求項５記載の効果に加えて、静電駆動型アクチュエータを低電圧で駆動することができる。
【００５１】
請求項７に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項６の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部に貫通孔を有しているので、請求項１乃至請求項６記載の効果に加えて、静電駆動型アクチュエータを低電圧で駆動することができる。
【００５２】
請求項８に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項７の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部の前記固定部材側の表面を粗状に形成してなるので、請求項１乃至請求項７記載の効果に加えて、前記可動電極部が前記固定電極部に密着した状態でも容易にリセットすることができる。
【００５３】
請求項９に係る発明の静電駆動型アクチュエータは、請求項１乃至請求項８の静電駆動型アクチュエータであって、前記可動電極部が静電吸引力の除去後に急激に移動したときに、前記可動部材が静止位置から反対側にずれることを防止するように、前記可動部材に接触可能なストッパー部を備えてなるので、請求項１乃至請求項８記載の効果に加えて、急減な可動電極部の移動や外部振動の影響をさらに低減することができる。
【００５４】
請求項１０に係る発明の光スイッチは、請求項１乃至請求項９の静電駆動型アクチュエータにおいて前記可動電極部の前記固定部材と反対側の表面上にミラーを取り付けてなるものと、前記ミラーに向かって光を放射する光出射部と、前記光出射部からの直接光または前記ミラーの反射光を外部に放射する光入射部と、を有するので、低電圧で光信号を切替える光スイッチとして用いることができる。
【００５５】
請求項１１に係る発明の光スイッチは、請求項１０の光スイッチにおいて、平面視で前記可動電極部の中心線に対して、前記ミラーの反射面が、略４５°となる状態で取り付けられているので、請求項１０記載の効果に加えて、光スイッチを高充填密度でマトリクス状に並べることができ、マトリクス光スイッチの小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータを示す斜視図である。
【図２】同上のものを示す断面図である。
【図３】実施形態１のマトリクス光スイッチを示す上面図である。
【図４】実施形態１の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータの可動部材を形成する手順を説明する断面図である。
【図５】同上のものの固定部材を形成する手順を説明する断面図である。
【図６】同上のものの固定部材と可動部材との接合状態を示す断面図である。
【図７】実施形態２の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータを示す断面図である。
【図８】実施形態３の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータの可動部材を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図９】実施形態４の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータの可動部材を示す上面図である。
【図１０】実施形態５の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータの可動部材を示す上面図である。
【図１１】実施形態６の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータを示す斜視図である。
【図１２】実施形態７の光スイッチ用静電駆動型アクチュエータの可動部材を示す上面図である。
【図１３】実施形態７のマトリクス光スイッチを示す上面図である。
【図１４】従来の光スイッチで、（ａ）は平面図で、（ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１ 固定部材
１１ 固定電極部
１２ 固定基部
１３ 固定導電部
１４ 絶縁部
１５ 接合部
２ 可動部材
２１ 可動電極部
２２ 磁性部
２３ ミラー
２４ 可動電極接合部分
２５ 開口部
２６ 貫通孔
３ 磁気吸着部
３１ 永久磁石部
３２ 電磁石部
４１、４２ ストッパー部
Claims (11)
- 略平板状であって静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合部を介して接合し前記可動部材を静電吸引力によって吸引する固定部材と、前記可動部材が吸引された状態で形状を保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、
前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、
前記可動部材は、前記接合部に接合して静電吸引力で変形する可動電極部と、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部と、を有し、
前記磁力吸着部材は、前記可動電極部が静電吸引力で前記固定電極部に吸引された状態で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有することを特徴とする静電駆動型アクチュエータ。 - 略平板状であって静電吸引力によって変形する可動部材と、前記可動部材と接合部を介して接合し前記可動部材を静電吸引力によって吸引する固定部材と、前記可動部材を静電吸引力が働いていない静止位置に保持する磁力吸着部材とを有する静電駆動型アクチュエータであって、
前記固定部材は、前記可動部材と接合する接合部と、前記接合部に接合して前記可動部材の長さ方向の先端に向かうほど前記可動部材との距離が長くなる形状を有する固定電極部と、を有し、
前記可動部材は、前記接合部に接合して静電吸引力で変形する可動電極部と、前記可動電極部の前記接合部の反対側の先端に取り付けられて軟磁性板からなる磁性部と、を有し、
前記磁力吸着部材は、前記可動部材を静電吸引力が働いていない静止位置で磁気吸引力によって前記磁性部を保持する永久磁石部と、前記永久磁石部の磁場を弱める電磁石部と、を有することを特徴とする静電駆動型アクチュエータ。 - 前記接合部と接合する前記可動電極部の可動電極接合部分の断面積が前記可動電極部の他の部分の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２の静電駆動型アクチュエータ。
- 前記可動電極接合部分に開口部を有してなることを特徴とする請求項３記載の静電駆動型アクチュエータ。
- 前記可動電極部の表面を凹状に形成してなることを特徴とする請求項１乃至請求項４の静電駆動型アクチュエータ。
- 前記可動部材の対向辺を凹状又は凸状に形成してなることを特徴とする請求項１乃至請求項５の静電駆動型アクチュエータ。
- 前記可動電極部に貫通孔を有してなることを特徴とする請求項１乃至請求項６の静電駆動型アクチュエータ。
- 前記可動電極部の前記固定部材側の表面を粗状に形成してなることを特徴とする請求項１乃至請求項７の静電駆動型アクチュエータ。
- 前記可動電極部が静電吸引力の除去後に急激に移動したときに、前記可動部材が静止位置から反対側にずれることを防止するように、前記可動部材に接触可能なストッパー部を備えてなることを特徴とする請求項１乃至８の静電駆動型アクチュエータ。
- 請求項１乃至請求項９に記載の静電駆動型アクチュエータにおいて前記可動電極部の前記固定部材と反対側の表面上にミラーを取り付けてなるものと、前記ミラーに向かって光を放射する光出射部と、前記光出射部からの直接光または前記ミラーの反射光を外部に放射する光入射部と、を有することを特徴とする光スイッチ。
- 平面視で前記可動電極部の中心線に対して、前記ミラーの反射面が、略４５°となる状態で取り付けられてなることを特徴とする請求項１０の光スイッチ。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003030505A JP2004242455A (ja) | 2003-02-07 | 2003-02-07 | 静電駆動型アクチュエータ及びそれを用いた光スイッチ |
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| JP2003030505A JP2004242455A (ja) | 2003-02-07 | 2003-02-07 | 静電駆動型アクチュエータ及びそれを用いた光スイッチ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004242455A true JP2004242455A (ja) | 2004-08-26 |
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| JP2003030505A Pending JP2004242455A (ja) | 2003-02-07 | 2003-02-07 | 静電駆動型アクチュエータ及びそれを用いた光スイッチ |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004242455A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100576016C (zh) * | 2007-11-23 | 2009-12-30 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 柔性悬臂微机械光开关制作方法 |
| JP2012196727A (ja) * | 2011-03-18 | 2012-10-18 | Fujitsu Ltd | Ｍｅｍｓ素子 |
| JP2018069368A (ja) * | 2016-10-27 | 2018-05-10 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | カンチレバー構造体及びこれを備えるセンサ並びに製造方法 |
| JP2018069369A (ja) * | 2016-10-27 | 2018-05-10 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | カンチレバー構造体及びこれを備えるセンサ並びに製造方法 |
-
2003
- 2003-02-07 JP JP2003030505A patent/JP2004242455A/ja active Pending
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| JP2018069368A (ja) * | 2016-10-27 | 2018-05-10 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | カンチレバー構造体及びこれを備えるセンサ並びに製造方法 |
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