JP2004246324A - 静電型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 櫛歯状電極の各電極板を異なる長さ寸法に形成することにより、可動体を円滑に駆動できるようにする。
【解決手段】 基板１には、各支持梁４を介して可動体２をＹ軸方向に変位可能に設ける。そして、可動体２を電極５，８間の静電力によって変位させることにより、ミラー部３を駆動して光学装置２０の光路を切換える。また、可動電極８の電極板１０〜１９は、Ｙ軸方向の長さ寸法が可動体２に近い位置から離れた位置に向けて段階的に小さくなるように形成する。これにより、可動体２を駆動するときには、電極板７と電極板１０〜１９とが噛合して重なり合う長さを必要最低限の寸法に抑えることができる。従って、これらの電極形状にばらつき等が存在する場合でも、可動体２がＸ軸方向の静電力によって傾くように変位するのを防止でき、その動作を安定させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば基板上に配置した可動体を電極間の静電力によって駆動するのに好適に用いられる静電型アクチュエータに関する。

一般に、静電型アクチュエータは、例えば光スイッチ、光シャッタ、光アッテネータ等の光通信用部品や、角速度センサ、共振器等に用いられている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第６３１５４６２号

この種の従来技術による静電型アクチュエータは、基板と、該基板に変位可能に支持された可動体と、複数の電極板からなる櫛歯状に形成されて前記基板に設けられた固定電極と、該固定電極の電極板に向けて突出する複数の電極板からなる櫛歯状に形成されて前記可動体に設けられ該固定電極との間で発生する静電力により前記可動体を変位させる可動電極とにより構成されている。

ここで、可動体は支持梁等を介して基板に設けられ、一定の方向に変位可能となっている。また、固定電極と可動電極とは、例えばシリコン材料にエッチング加工等を施すことにより、ほぼ等しい長さ寸法を有する複数の電極板が櫛歯状に並んで形成されている。そして、可動体を駆動するときには、固定電極と可動電極との間に電圧を印加すると、可動電極の電極板が静電力によって固定電極の各電極板の間に引込まれ、固定電極と可動電極とが噛合することにより、可動体が変位するものである。

この場合、固定電極と可動電極の各電極板が互いに噛合しているときには、両者が重なり合うように対向した状態となるため、静電力は、電極板の長さ方向（可動体の変位方向）だけでなく、これと直交する方向（電極板の幅方向）にも作用する。このため、固定電極と可動電極とは、例えば可動体の変位方向に延びる軸線を中心として左，右対称に形成され、各電極板に加わる幅方向の静電力を左，右の電極板間で打消す構成となっている。

そして、このように構成される静電型アクチュエータを、例えば角速度センサ、共振器等に適用する場合には、固定電極と可動電極との間に交流の電圧等を印加する。これにより、アクチュエータは、例えば数μｍ〜２０μｍ程度の変位量（振幅）をもって可動体を共振状態で振動させることができる。

また、例えば光スイッチ等に適用される静電型アクチュエータは、可動体に設けられたミラー部を光路に出入りさせ、光を反射または通過させることにより、光路の切換えを行う。この場合、アクチュエータは、例えば可動体（ミラー部）を光の口径よりも大きく変位させて切換動作を確実に行う必要があるため、その変位量は、例えば２０μｍ〜１００μｍ程度の大きさに設定されることが多い。

ところで、上述した従来技術では、例えば固定電極と可動電極の形状に対称性をもたせることにより、静電型アクチュエータの作動時には、可動体を所定の方向に変位させ、これと直交する幅方向の静電力を打消す構成としている。

しかし、固定電極や可動電極を形成するときには、例えば寸法誤差、加工誤差等によって電極形状のばらつきが生じ易く、これらの電極板は僅かに非対称な形状となっていることが多い。

この結果、アクチュエータの作動時には、可動電極の各電極板に加わる幅方向の静電力が十分に打消されず、この静電力により可動電極が傾くように変位して固定電極と接触することがある。このため、従来技術では、可動体が固定電極に引掛かって十分に変位しなかったり、アクチュエータの動作が不安定となることがあり、信頼性が低下するという問題がある。

特に、光スイッチ等の静電型アクチュエータは、角速度センサ等のように共振状態を利用することなく、可動体を静的な状態で大きく変位させる必要があるため、アクチュエータの作動時には、固定電極と可動電極の各電極板が比較的長い寸法範囲にわたって重なり合った状態となる。

このため、可動電極には、電極板の重なり長さに応じて幅方向の大きな静電力が加わるようになり、この静電力が電極形状のばらつき等によって少しでも打消されなくなると、アクチュエータの作動不良を招くという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、可動体を安定した状態で変位させることができ、可動体や可動電極の傾きを防止できると共に、信頼性を向上できるようにした静電型アクチュエータを提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために本発明は、基板と、該基板に変位可能に支持された可動体と、複数の電極板からなる櫛歯状に形成されて基板に設けられた固定電極と、該固定電極の電極板に向けて突出する複数の電極板からなる櫛歯状に形成されて可動体に設けられ該固定電極との間で発生する静電力により可動体を変位させる可動電極とを備えてなる静電型アクチュエータに適用される。

そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、固定電極と可動電極とを構成する少なくとも一方の電極板は、他方の電極板に向けて突出する長さ寸法を異ならしめる構成としたことにある。

また、請求項２の発明によると、固定電極の電極板と可動電極の電極板とは、いずれも異なる長さ寸法に形成する構成としている。

また、請求項３の発明によると、固定電極と可動電極とを構成する少なくとも一方の電極板は、段階的に異なる長さ寸法に形成する構成としている。

また、請求項４の発明によると、固定電極と可動電極とを構成する少なくとも一方の電極板は、可動体に近い位置から離れた位置に向けて長さ寸法を段階的に小さく形成する構成としている。

また、請求項５の発明によると、固定電極と可動電極とを構成する少なくとも一方の電極板は、複数本を１組として複数組に形成し、前記各組内の電極板を等しい長さ寸法に形成すると共に異なる組毎に前記電極板の長さ寸法を異ならしめる構成としている。

また、請求項６の発明によると、固定電極と可動電極とを構成する少なくとも他方の電極板は、一方の電極板の各組間に噛合する当該他方の電極板を周囲の電極板よりも大きな幅寸法に形成する構成としている。

また、請求項７の発明によると、固定電極と可動電極とを構成する一方または両方の電極板は、少なくとも一部の電極板を等しい長さ寸法に形成する構成としている。

請求項１の発明によれば、固定電極と可動電極とを構成する少なくとも一方の電極板は、長さ寸法を異ならしめる構成としたので、可動体を駆動するときには、まず固定電極と可動電極とを構成する一方の電極板のうち長さ寸法が大きな電極板と、他方の電極板との間に静電力を発生し、この静電力によって可動体を変位させることができる。これにより、固定電極の電極板と可動電極の電極板とを、長さ寸法が大きな電極板から小さな電極板へと可動体の変位量に応じて順次噛合させることができ、例えば全ての電極板が噛合するまで可動体を大きく変位させることができる。

この場合、可動体がいずれの位置で変位する場合でも、固定側と可動側の各電極板が噛合する（重なり合う）長さの総和を、その位置で可動体を駆動するのに必要な最低限の寸法に抑えることができる。これにより、各電極板の重なり位置で可動体の変位方向と異なる方向の静電力が発生するのを抑制でき、可動体を所定の方向に安定的に変位させることができる。従って、可動体の変位量を十分に確保しつつ、信頼性を向上させることができる。

また、請求項２の発明によれば、固定電極の電極板と可動電極の電極板とは、いずれも異なる長さ寸法に形成する構成としたので、固定電極と可動電極とを構成する一方の電極板だけでなく、他方の電極板にも長さ寸法の寸法差を形成することができる。この結果、可動体が静電力によって変位するときには、固定側と可動側の各電極板が噛合して重なり合う長さを、両者の寸法差を加算した寸法分だけ大きく増加させることができ、これらの間に発生する静電力を可動体の変位量に応じて十分に増大させることができる。

これにより、静電力の大きさを十分に確保しつつ、固定電極の隣合う電極板同士の寸法差と、可動電極の隣合う電極板同士の寸法差とをそれぞれ小さく設定することができる。このため、例えば隣接する２本の電極板間に相手方の電極板が噛合するときには、両側の電極板の寸法差によって相手方の電極板が傾くような静電力を受けるのを抑制することができる。従って、両側の電極板から相手方の電極板に加わる静電力の釣合いバランスを良好に保持でき、可動体の動作を安定させることができる。

また、請求項３の発明によれば、電極板の長さ寸法を段階的に異ならしめる構成としたので、例えば隣接する電極板同士の寸法差を小さく設定でき、これらの電極板間に相手方の電極板が噛合するときには、両側の電極板の寸法差によって相手方の電極板が傾くような静電力を受けるのを抑制することができる。従って、両側の電極板から相手方の電極板に加わる静電力の釣合いバランスを良好に保持でき、可動体の動作を安定させることができる。

また、請求項４の発明によれば、電極板の長さ寸法は、可動体に近い位置から離れた位置に向けて段階的に小さくする構成としたので、固定側と可動側の各電極板が重なり合う長さを可動体から離れた位置で小さくすることができる。これにより、各電極板が重なり合う位置で可動体を傾ける方向の静電力が発生する場合でも、この静電力が可動体から離れた位置で大きな回転モーメントとなって可動体に加わるのを防止でき、可動体を所定の変位方向へと安定的に変位させることができる。

また、請求項５の発明によれば、電極板を複数本ずつ組にして各組毎に等しい長さ寸法に形成し、異なる組毎に電極板の長さ寸法を異ならしめる構成としたので、例えば可動体を初期位置から中間位置を介して切換位置へと変位させるときには、それぞれの位置で噛合する電極板の本数を必要に応じて異なる本数に設定することができる。これにより、可動体の位置に応じて適切な大きさの静電力を発生でき、設計自由度を高めることができる。

また、請求項６の発明によれば、少なくとも一方の電極板の各組間に噛合する他方の電極板は、周囲の電極板よりも大きな幅寸法に形成する構成としたので、一方の電極板の各組間（長さ寸法が異なる２本の電極板間）に噛合する他方の電極板を高い強度に形成することができる。従って、長さ寸法が互いに異なる両側の電極板から相手方の電極板に加わる静電力の大きさに差がある場合でも、例えば相手方の電極板が傾くように撓み変形するのを防止でき、可動体を安定的に駆動することができる。

また、請求項７の発明によれば、固定電極と可動電極とを構成する一方または両方の電極板は、少なくとも一部の電極板を等しい長さ寸法に形成する構成としたので、例えば固定電極または可動電極を構成する複数本の電極板のうち一部の電極板を等しい長さ寸法に形成したり、他の電極板を必要に応じて異なる長さ寸法に形成でき、設計自由度を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態による静電型アクチュエータを、添付図面を参照して詳細に説明する。

ここで、図１ないし図９は第１の実施の形態を示し、本実施の形態では、静電型アクチュエータを光スイッチ装置に適用した場合を例に挙げて述べる。

図中、１は光スイッチ装置のベースとなる基板で、該基板１は、例えばガラス板等により数ミリ程度の大きさの四角形状に形成され、互いに直交するＸ軸およびＹ軸に沿って水平方向に延びている。

そして、基板１の表面側には、例えば低抵抗なシリコン材料等にエッチング加工を施すことにより、後述の可動体２、ミラー部３、支持梁４、固定電極５、可動電極８等が形成されている。

２は基板１上に設けられた可動体で、該可動体２は、図１、図２に示す如く、例えば細長い棒状体として形成され、Ｙ軸方向に延びている。また、可動体２は、基板１に各支持梁４を介してＹ軸方向に変位可能に支持され、ミラー部３、可動電極８と共に基板１に対して離間した状態に保持されている。

３は可動体２の端部側に設けられたミラー部で、該ミラー部３は、後述する光学装置２０の光路に対して進退可能に配置され、光路の切換えを行うものである。また、ミラー部３の表面は、例えばメッキ、蒸着、スパッタ等の手段を用いて金属膜を形成することにより、鏡面仕上げされている。

そして、ミラー部３は、図１に示す如く、固定電極５と可動電極８との間に電圧を印加していないときに、各支持梁４の弾性力（ばね力）によって可動体２と一緒に初期位置に保持されている。また、固定電極５と可動電極８との間に電圧を印加したときには、図５に示す如く、これらの電極間に静電力が発生することにより、可動体２、ミラー部３および可動電極８がＹ軸方向に変位しつつ、各支持梁４が撓み変形する。これにより、ミラー部３は切換位置に移動し、光学装置２０の光路を切換える構成となっている。

４は基板１上に設けられた例えば４本の支持梁で、該各支持梁４は、例えば略コ字状に屈曲して形成され、Ｙ軸方向に撓み変形可能となっている。また、各支持梁４の基端側には、例えば陽極接合等の手段によって基板１に固定された固定部４Ａが設けられ、各支持梁４の先端側は、可動体２に固着されている。そして、各支持梁４は、可動体２の左，右両側に位置して前，後方向に離間し、これらの４箇所で可動体２をＹ軸方向に変位可能に支持するものである。

５は基板１上に設けられた例えば６個の固定電極で、該各固定電極５は、図３に示す如く、例えば低抵抗なシリコン材料等により櫛歯状電極として形成され、後述の支持部６と、各固定側電極板７とにより構成されている。また、各固定電極５は、可動体２の左，右両側に３個ずつ配置され、可動体２を中心として左，右で対称（線対称）に形成されている。

６は各固定電極５にそれぞれ形成された例えば６個の支持部で、該各支持部６は、基板１上に一定の高さをもって突設され、Ｘ軸方向に延びると共に、固定側電極板７を支持している。また、各支持部６のうち、例えば可動体２の他端側に位置する２個の支持部６は互いに連結されている。

ここで、支持部６のうち可動電極８に面した側面部位には、例えばＸ軸方向に対して斜めに傾斜した傾斜面部６Ａが形成されている。これにより、可動電極８が静電力によって変位するときには、図７に示す如く、その可動側電極板１０〜１９の突出端に対して傾斜面部６Ａが近い位置に配置されるため、これらの突出端と支持部６との間にもＹ軸方向の静電力が発生する構成となっている。

７は各固定電極５をそれぞれ構成する複数の固定側電極板で、該各固定側電極板７は、基板１と支持部６とに設けられ、Ｘ軸方向に一定の間隔をもって櫛歯状に並んでいる。この場合、各固定側電極板７は、支持部６から可動側電極板１０〜１９に向けてＹ軸方向（可動体２の変位方向）に突出すると共に、基板１と垂直な方向に一定の高さを有し、これらの２方向に延びる四角形の平板状に形成されている。また、各固定側電極板７の突出端側は、個々の固定電極５毎にＹ軸方向の等しい位置に配置されている。

また、例えば各固定側電極板７のうちＸ軸方向の左端に位置する電極板７に着目すると、固定電極５と可動電極８とが噛合したときには、図７に示す如く、この固定側電極板７に対して可動側電極板１９から右向きの静電力が加わる。また、Ｘ軸方向の右端に位置する電極板７には、可動側電極板１０から左向きの静電力が加わる。これに対し、他の固定側電極板７は、左，右両側に噛合する可動側電極板１０〜１９から互いに反対向きの静電力を受けるようになり、Ｘ軸方向の静電力が打消し合って比較的小さくなる。

このため、左，右両端側に位置する２個の固定側電極板７は、Ｘ軸方向に対して他の固定側電極板７よりも大きな幅寸法に形成されている。これにより、両端側の電極板７を高い強度に形成できると共に、これらを陽極接合等の手段によって基板１に広い面積で接合でき、両端側の電極板７がＸ軸方向の片側から加わる静電力によって撓み変形するのを防止することができる。

８は各固定電極５と対向して可動体２に設けられた例えば６個の可動電極で、該各可動電極８は、例えば低抵抗なシリコン材料等により櫛歯状電極として形成され、後述の支持部９と、可動側電極板１０〜１９とにより構成されている。また、各可動電極８は、可動体２の左，右両側に３個ずつ配置されると共に、可動体２を中心として左，右で対称（線対称）に形成されている。

９は各可動電極８をそれぞれ構成する例えば６個の支持部で、該各支持部９は、例えば可動体２からＸ軸方向に突出する棒状体として形成されている。

１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９は各可動電極８をそれぞれ構成する複数の可動側電極板で、該可動側電極板１０〜１９は、支持部９から固定側電極板７に向けてＹ軸方向に突出すると共に、基板１と垂直な方向に一定の高さを有し、これらの２方向に延びる四角形の平板状に形成されている。また、可動側電極板１０〜１９は、固定側電極板７と等しい一定の間隔をもって配置され、Ｘ軸方向に櫛歯状に並んでいる。

ここで、可動側電極板１０〜１９のうち、例えば可動体２に最も近い電極板１０は、図３に示す如く、Ｙ軸方向の長さ寸法Ｌａをもって形成され、可動体２から最も離れた電極板１９は、この長さ寸法Ｌａよりも小さい長さ寸法Ｌｂをもって形成されている（Ｌａ＞Ｌｂ）。また、電極板１０〜１９は、可動体２に近い位置から離れた位置に向けて長さ寸法が段階的に変化するように形成され、これらの長さ寸法は、電極板１０から電極板１９に向けて例えば１〜１０μｍ程度の寸法差ΔＬ₁ずつ小さくなっている。

また、可動体２が初期位置にあるときに、可動側電極板１０〜１９のうち可動体２寄りに位置する一部の電極板（例えば、電極板１０〜１３）は、各固定側電極板７間の中間位置に噛合し、これらの電極板７とＹ軸方向に沿って重なり合うように配置されている。この場合、可動側電極板１０は、図４に示す如く、例えば固定側電極板７との重なり長さＬが１〜１０μｍ程度の寸法値に設定されている。また、可動側電極板１０〜１３と各固定側電極板７との間には、例えば１〜５μｍ程度のＸ軸方向の間隔ｄが電極板１０〜１３の左，右両側にそれぞれ形成されている。一方、他の可動側電極板（例えば、電極板１４〜１９）は、固定側電極板７と噛合しない位置（重なり長さが零となる位置）に配置されている。

そして、可動体２を切換位置に駆動するときには、例えば５０〜１００Ｖ程度の直流電圧を固定電極５と可動電極８との間に印加する。これにより、可動側電極板１０〜１９は、後述の図６、図７に示す如く、静電力によって各固定側電極板７の間に順次噛合し、電極５，８間に発生する静電力は、支持梁４の復元力（反力）よりも大きくなるように徐々に増大するため、可動体２は、例えば５０〜８０μｍ程度の大きな変位量をもって切換位置に変位する構成となっている。

この場合、可動側電極板１０〜１９の長さ寸法は、段階的に小さくなるように形成されているため、可動体２が変位するときには、後述の如く可動側電極板１０〜１９と固定側電極板７との重なり長さの総和を、可動体２を駆動するのに必要最低限の寸法に抑えることができ、例えば電極板７，１０〜１９の形状ばらつき等によってＸ軸方向の静電力が可動体２に加わるのを抑制できるものである。

２０は基板１上に設けられた光学装置で、該光学装置２０は、図１、図５に示す如く、発光部２０Ａ，２０Ｂと受光部２０Ｃ，２０Ｄとからなり、これらには光ファイバ（図示せず）等がそれぞれ接続されている。そして、可動体２が初期位置にあるときには、発光部２０Ａから発射される光ビームがミラー部３により反射されて受光部２０Ｃで受光され、発光部２０Ｂの光ビームが受光部２０Ｄで受光される。また、可動体２が切換位置にあるときには、発光部２０Ａの光ビームがミラー部３の外側を通過して受光部２０Ｄで受光され、発光部２０Ｂの光ビームが受光部２０Ｃで受光される構成となっている。

本実施の形態による光スイッチ装置は上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。

まず、固定電極５と可動電極８との間に印加すると、例えば可動側電極板１０〜１３と各固定側電極板７との間に静電力が発生する。このとき、可動電極８に加わるＹ軸方向の静電力Ｆは、下記数１の式のように表すことができる。

この場合、可動側電極板１０〜１３のうち固定側電極板７と重なり合う部位には、Ｙ軸方向の静電力だけでなく、Ｘ軸方向の静電力も加わる。しかし、可動側電極板１０〜１３は、図４に示す如く、両側の固定側電極板７に対する間隔ｄが等しく形成されているため、Ｘ軸方向の静電力は互いに打消され、Ｙ軸方向の静電力Ｆのみが可動側電極板１０〜１３に加わる。

そして、可動体２は、図６に示す如く、この静電力ＦによりＹ軸方向に変位しつつ、支持梁４が撓み変形するため、支持梁４の撓み変形量に応じた復元力（反力）を受けるようになる。しかし、本実施の形態では、可動側電極板１０〜１９の長さ寸法が段階的に小さく形成されているため、可動体２が変位すると、その変位量に応じて可動側電極板１４〜１９が各固定側電極板７の間に順次噛合し、この噛合する電極数の増加は、前記数１の式中の本数ｎが増加することに相当する。このため、可動電極８全体に加わるＹ軸方向の静電力Ｆは、図８中に実線で示す如く、可動体２の変位量に応じて徐々に増大し、支持梁４の復元力Ｆ′よりも少し大きな値、即ち可動体２を駆動するのに必要最低限の値を保持する。

この場合、図８中に実線で示した電極５，８間の静電力Ｆは、可動体２の初期位置（変位量＝０の位置）において、ある大きさの切片ａをもつように設定されている。この切片ａは、初期位置で噛合する電極板（例えば、可動側電極板１０〜１３と各固定側電極板７）の本数に応じて設定され、この本数が多くなるほど大きくなるものである。

そして、本実施の形態では、図８に示す如く、例えば可動体２の変位量に対する静電力Ｆの傾きを、支持梁４の復元力Ｆ′の傾きよりも小さく（緩やかに）設定しているため、例えば可動体２に必要な最大変位量を６０μｍとした場合に、この最大変位量の範囲内で常に静電力Ｆを復元力Ｆ′よりも大きくすることができるような切片ａが必要となっている。

従って、例えば支持梁４をより柔らかなばねとして形成することにより、復元力Ｆ′の傾きを図８と比較して小さく設定したり、電極５，８間の静電力Ｆの傾きをより大きく設定する構成とした場合には、初期位置で噛合する電極板の本数を少なくすることができ、これによって静電力Ｆの切片ａを小さくする設計も可能である。

このように変位する可動体２は、図７に示す如く、全ての可動側電極板１０〜１９が各固定側電極板７の間に噛合し、例えば電極５，８間の静電力Ｆと支持梁４の復元力Ｆ′とが等しくなるまでＹ軸方向に変位し続け、所定の切換位置に達する。

ここで、本実施の形態に対する比較例として、図１０に示す静電型アクチュエータを例に挙げて説明する。この比較例では、基板１００上に可動体１０１、固定電極１０２が配置され、可動体１０１に可動電極１０３が設けられている。また、固定電極１０２には、従来技術とほぼ同様に、長さ寸法が等しい複数の固定側電極板１０２Ａが櫛歯状に形成され、可動電極１０３にも、長さ寸法が等しい複数の可動側電極板１０３Ａが櫛歯状に形成されている。

そして、これらの電極板１０２Ａ，１０３Ａは初期状態から噛合しているため、電極１０２，１０３間に発生するＹ軸方向の静電力Ｆ″は、図８中に仮想線で示す如く、可動体１０１の変位に対してほぼ一定の値となる。また、個々の電極板１０２Ａ，１０３Ａの重なり長さを電極１０２，１０３全体で加算した総和は、図９中に仮想線で示す如く、可動体１０１の変位量に応じて比例的に増加する。

これに対し、本実施の形態では、図６に示す如く、可動体２の変位量に応じて可動側電極板１０〜１９と固定側電極板７とが順次噛合する構成としているため、これらの電極板７，１０〜１９は、可動体２の変位量が小さいときに、例えば図１０中の部位Ａで余分に重なり合うことがなくなる。この結果、可動側電極板１０〜１９と固定側電極板７との重なり長さを電極５，８全体で加算した総和を、図９中に実線で示す如く、例えば従来技術と比較して２／３程度の値に減少させることができる。

これにより、可動側電極板１０〜１９のうちＸ軸方向の静電力を受ける部位を可能な限り小さくできるから、電極板７，１０〜１９の形状ばらつき等によってＸ軸方向の静電力が打消されずに残る場合でも、可動体２が傾くように変位するのを防止することができる。

かくして、本実施の形態によれば、可動電極８の可動側電極板１０〜１９を異なる長さ寸法に形成する構成としたので、可動側電極板１０〜１９のうち、例えば長さ寸法が小さな電極板１４〜１９を相手方の固定側電極板７と噛合しない位置に配置することができる。

そして、可動体２を駆動するときには、例えば長さ寸法が大きな電極板１０〜１３と固定側電極板７との間に静電力を発生でき、これらの静電力によって可動体２を変位させることにより、長さ寸法が小さな電極板１４〜１９と固定側電極板７とを可動体２の変位量に応じて順次噛合させることができる。

これにより、固定電極５と可動電極８との間に発生する静電力を、電極板１４〜１９が噛合するのに伴って徐々に増大させることができ、例えば全ての可動側電極板１０〜１９が固定側電極板７と噛合するまで可動体２を大きく変位させることができる。そして、可動体２がいずれの位置で変位する場合でも、可動側電極板１０〜１９と固定側電極板７との重なり長さの総和を、個々の位置で可動体２を駆動するのに必要な最低限の寸法に抑えることができる。

従って、従来技術のように各電極板１０２Ａ，１０３Ａが不要な部位Ａ等で重なり合うことがなくなり、電極板７，１０〜１９の重なり位置で生じるＸ軸方向の静電力を可能な限り小さくすることができる。この結果、例えば光スイッチ装置等のように大きな変位量が必要なアクチュエータ等においても、可動体２、ミラー部３および可動電極８をＹ軸方向に安定的に変位させることができ、これらがＸ軸方向の静電力により傾くのを防止できると共に、十分に大きな変位量を確保しつつ、信頼性を向上させることができる。

また、従来技術のように支持梁４の反力よりも過度に大きな静電力を発生させることがなくなり、可動体２の変位量に対応して支持梁４の反力よりも少し大きな静電力Ｆを容易に発生できるから、電極５，８としての機能を維持しつつ、可動体２を効率よく駆動することができる。

この場合、可動側電極板１０〜１９の長さ寸法を段階的に異なるように形成したので、隣接する電極板１０〜１９間の寸法差ΔＬ₁を小さく設定することができる。これにより、例えば１組の可動側電極板（例えば、電極板１０，１１）の間に相手方の固定側電極板７が噛合するときには、両側の電極板１０，１１から固定側電極板７に加わるＸ軸方向の静電力の釣合いバランスを良好に保持することができる。このため、例えば可動側電極板１０，１１の寸法差によって電極板１０，１１から固定側電極板７に加わるＸ軸方向の静電力に大きな差が生じ、電極板７がＸ軸方向に傾くように撓み変形するのを防止することができる。

また、可動側電極板１０〜１９の長さ寸法を可動体２から離れた位置で小さく形成したので、固定側電極板７と可動側電極板１０〜１９との重なり長さを可動体２から離れた位置で小さくすることができる。従って、電極板７，１０〜１９が重なり合う位置で可動体２を傾ける方向の静電力が発生する場合でも、この静電力が可動体２から離れた位置で大きな回転モーメントとなって可動体２に加わるのを防止でき、可動体２をＹ軸方向に安定的に駆動することができる。

さらに、可動側電極板１０〜１９の長さ寸法を小さくすることにより、可動体２、ミラー部３および可動電極８からなる可動部位全体の質量を小さく形成することができる。従って、この可動部位を静電力によって切換位置に変位させたり、支持梁４の復元力によって初期位置に復帰させるときの応答性を高めることができ、光スイッチ装置の切換動作をスムーズに行うことができる。

次に、図１１は本発明による第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、固定電極と可動電極の電極板をいずれも異なる長さ寸法に形成する構成としたことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

２１は光スイッチ装置を構成する固定電極で、該固定電極２１は、第１の実施の形態とほぼ同様に、基板１上に設けられ、Ｘ軸方向に延びる支持部２２と、後述の固定側電極板２３〜３３とにより構成されている。

２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３は複数の固定側電極板で、該固定側電極板２３〜３３は、第１の実施の形態とほぼ同様に、支持部２２から後述の可動側電極板３６〜４５に向けてＹ軸方向に突出し、Ｘ軸方向に一定の間隔をもって櫛歯状に並んでいる。

ここで、固定側電極板２３〜３３のＹ軸方向の長さ寸法は、可動体２に最も近い電極板２３が大きく形成され、可動体２から最も離れた電極板３３が小さく形成されている。そして、電極板２３〜３３は、可動体２に近い位置から離れた位置に向けて長さ寸法が段階的に変化するように形成され、これらの長さ寸法は、電極板２３から電極板３３に向けて所定の寸法差ΔＬ₂ずつ小さくなっている。

３４は固定電極２１と対向する位置で可動体２に設けられた可動電極で、該可動電極３４は、第１の実施の形態とほぼ同様に、可動体２からＸ軸方向に突出する棒状体として形成された支持部３５と、後述の可動側電極板３６〜４５とにより構成されている。

３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５は複数の可動側電極板で、該可動側電極板３６〜４５は、第１の実施の形態とほぼ同様に、支持部３５から固定側電極板２３〜３３に向けてＹ軸方向に突出し、これらの電極板２３〜３３と等しい一定の間隔をもってＸ軸方向に櫛歯状に並んでいる。

ここで、可動側電極板３６〜４５のＹ軸方向の長さ寸法は、可動体２に最も近い電極板３６が大きく形成され、可動体２から最も離れた電極板４５が小さく形成されている。そして、電極板３６〜４５は、可動体２に近い位置から離れた位置に向けて長さ寸法が段階的に変化するように形成され、これらの長さ寸法は、電極板３６から電極板４５に向けて所定の寸法差ΔＬ₃ずつ小さくなっている。

また、可動体２が初期位置にあるときに、可動側電極板３６〜４５のうち可動体２寄りに位置する一部の電極板（例えば、電極板３６，３７）は、固定側電極板２３，２４の間に噛合し、他の可動側電極板（電極板３８〜４５）は、固定側電極板２５〜３３と噛合しない位置に保持されている。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、固定側電極板２３〜３３と可動側電極板３６〜４５の長さ寸法をそれぞれ可動体２に近い位置から離れた位置に向けて段階的に小さくなるように構成したので、これら両方の電極板２３〜３３，３６〜４５にそれぞれ寸法差ΔＬ₂，ΔＬ₃を形成することができる。

これにより、可動体２を駆動するときには、可動体２が静電力によって変位するときには、固定側電極板２３〜３３と可動側電極板３６〜４５とが重なり合う長さを、両者の寸法差ΔＬ₂，ΔＬ₃を加算した寸法分だけ大きく増加させることができる。このため、例えば寸法差ΔＬ₂，ΔＬ₃を第１の実施の形態における寸法差ΔＬ_１の半分程度の大きさに設定したとしても、電極２１，３４間に発生する静電力を可動体２の変位量に応じて十分に増大させることができる。

従って、これらの寸法差ΔＬ₂，ΔＬ₃をそれぞれ小さく設定できるので、隣接する２本の電極板（例えば、固定側電極板２３，２４）の間に相手方の電極板（可動側電極板３６）が噛合するときには、両側の電極板２３，２４から相手方の電極板３６に加わるＸ軸方向の静電力の釣合いバランスを良好に保持することができる。このため、可動側電極板３６がＸ軸方向に傾くような静電力を受けるのを抑制でき、可動体２を安定的に駆動することができる。

次に、図１２は本発明による第３の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、電極板を複数本ずつ組にして各組の長さ寸法を異ならしめる構成としたことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

５１は光スイッチ装置を構成する固定電極で、該固定電極５１は、第１の実施の形態とほぼ同様に、基板１上に設けられ、Ｘ軸方向に延びる支持部５２と、後述の固定側電極板５３，５４とにより構成されている。

５３，５４は固定電極５１を構成する複数の固定側電極板で、該各固定側電極板５３，５４は、第１の実施の形態とほぼ同様に、支持部５２から後述の可動側電極板５７〜５９に向けてＹ軸方向に突出し、Ｘ軸方向に一定の間隔をもって櫛歯状に並んでいる。

ここで、各固定側電極板５３は、可動側電極板５７〜５９のうち長さ寸法が互いに等しい各電極板５７の間、各電極板５８の間および各電極板５９の間に噛合する電極板として形成され、Ｘ軸方向に対して所定の幅寸法Ｗａを有している。

また、各固定側電極板５４は、長さ寸法が異なる電極板５７，５８の間および電極板５８，５９の間（即ち、可動側電極板５７，５８，５９の各組間）に噛合する構成となっているため、左，右の電極板５７，５８（または電極板５８，５９）から受けるＸ軸方向の静電力が後述の寸法差ΔＬ₄によって異なる大きさとなる。このため、各固定側電極板５４は、固定側電極板５３の幅寸法Ｗａよりも大きな幅寸法Ｗｂをもって高い強度に形成され（Ｗａ＜Ｗｂ）、Ｘ軸方向の静電力を受けた場合でも、電極板５４の撓み変形を防止できる構成となっている。

５５は固定電極５１と対向する位置で可動体２に設けられた可動電極で、該可動電極５５は、第１の実施の形態とほぼ同様に、可動体２からＸ軸方向に突出する棒状体として形成された支持部５６と、後述の可動側電極板５７，５８，５９とにより構成されている。

５７，５８，５９は可動電極５５を構成する複数の可動側電極板で、該各可動側電極板５７，５８，５９は、第１の実施の形態とほぼ同様に、支持部５６から固定側電極板５３，５４に向けてＹ軸方向に突出し、ほぼ一定の間隔をもってＸ軸方向に櫛歯状に並んでいる。

ここで、可動側電極板５７〜５９は、例えば可動体２に近い３本の電極板５７と、該各電極板５７よりも可動体２から離れた３本の電極板５８と、該各電極板５８よりも可動体２から離れた４本の電極板５９とからなる３つの組に分けて形成され、各組内の電極板は、Ｙ軸方向の長さ寸法が互いに等しくなっている。

また、各可動側電極板５７〜５９の長さ寸法は、異なる組毎に異なる大きさに形成され、可動体２に近い位置から離れた位置に向けて電極板５７，５８，５９の順に所定の寸法差ΔＬ₄ずつ段階的に小さくなっている。

また、可動体２が初期位置にあるときに、可動側電極板５７〜５９のうち可動体２寄りに位置する一部の電極板（例えば、各電極板５７）は、固定側電極板５３，５４の間に噛合し、他の可動側電極板（各電極板５８，５９）は、固定側電極板５３，５４と噛合しない位置に保持されている。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、例えば３つの組からなる可動側電極板５７，５８，５９の長さ寸法を各組毎に異ならしめる構成としたので、例えば可動体２を初期位置から中間位置を介して切換位置へと変位させるときには、それぞれの位置で固定側電極板５３，５４と噛合する可動側電極板５７〜５９の本数を必要に応じて異なる本数に設定することができる。これにより、可動体２の位置に応じて適切な大きさの静電力を発生でき、設計自由度を高めることができる。

また、可動側電極板５７，５８，５９の各組間に噛合する各固定側電極板５４の幅寸法Ｗｂを他の固定側電極板５３の幅寸法Ｗａよりも大きく形成したので、固定側電極板５４が両側の電極板５７，５８（または電極板５８，５９）からＸ軸方向の静電力を受けるときに、これらの静電力が寸法差ΔＬ₄によって異なる大きさとなる場合でも、固定側電極板５４が静電力によって撓み変形するのを防止でき、アクチュエータとしての動作を安定させることができる。

次に、図１３は本発明による第４の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、固定電極と可動電極の両方で電極板を複数本ずつ組にして各組の長さ寸法を異ならしめる構成としたことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

６１は光スイッチ装置を構成する固定電極で、該固定電極６１は、第１の実施の形態とほぼ同様に、基板１上に設けられ、Ｘ軸方向に延びる支持部６２と、後述の固定側電極板６３，６４，６５とにより構成されている。

６３，６４，６５は固定電極６１を構成する複数の固定側電極板で、該各固定側電極板６３，６４，６５は、第１の実施の形態とほぼ同様に、支持部６２から後述の可動側電極板６８〜７０に向けてＹ軸方向に突出し、Ｘ軸方向に一定の間隔をもって櫛歯状に並んでいる。

ここで、固定側電極板６３〜６５は、例えば可動体２に近い３本の電極板６３と、該各電極板６３よりも可動体２から離れた４本の電極板６４と、該各電極板６４よりも可動体２から離れた３本の電極板６５とからなる３つの組に分けて形成され、各組内の電極板は、Ｙ軸方向の長さ寸法が互いに等しくなっている。

また、各固定側電極板６３〜６５の長さ寸法は、異なる組毎に異なる大きさに形成され、可動体２に近い位置から離れた位置に向けて電極板６３，６４，６５の順に所定の寸法差ΔＬ₅ずつ段階的に小さくなっている。

６６は固定電極６１と対向する位置で可動体２に設けられた可動電極で、該可動電極６６は、第１の実施の形態とほぼ同様に、可動体２からＸ軸方向に突出する棒状体として形成された支持部６７と、後述の可動側電極板６８，６９，７０とにより構成されている。

６８，６９，７０は可動電極６６を構成する複数の可動側電極板で、該各可動側電極板６８，６９，７０は、支持部６７から固定側電極板６３〜６５に向けてＹ軸方向に突出し、これらの電極板６３〜６５と等しい一定の間隔をもってＸ軸方向に櫛歯状に並んでいる。

また、可動側電極板６８〜７０は、前記第３の実施の形態とほぼ同様に、例えば可動体２に近い３本の電極板６８と、該各電極板６８よりも可動体２から離れた４本の電極板６９と、該各電極板６９よりも可動体２から離れた３本の電極板７０とからなる３つの組に分けて形成され、これらのＹ軸方向の長さ寸法は各組毎に等しくなっている。そして、各可動側電極板６８〜７０の長さ寸法は、電極板６８，６９，７０の順に所定の寸法差ΔＬ₆ずつ段階的に小さくなっている。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１ないし第３の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。

なお、前記各実施の形態では、電極板１０〜１９，２３〜３３，３６〜４５，５７〜５９，６３〜６５，６８〜７０の長さ寸法を可動体２に近い位置から離れた位置に向けて段階的に変化させる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば図１４に示す第１の変形例のように構成してもよい。この場合、可動電極７１を構成する各可動側電極板７２，７３，７４の長さ寸法は、例えば可動体２に近い位置から離れた位置に向けて山形状に変化するように形成されている。即ち、可動電極７１は、可動体２に近い各電極板７２と、可動体２から離れた各電極板７２の長さ寸法とが小さく形成され、これらの中間に位置する各電極板７４の長さ寸法が大きく形成されると共に、両側の各電極板７２から中間位置の各電極板７４に向けて長さ寸法が段階的に大きくなるように構成されている。

また、第１の実施の形態では、可動側電極板１０〜１９の長さ寸法を互いに寸法差ΔＬ₁ずつ異ならしめる構成とした。しかし、本発明は、全ての電極板を異なる長さ寸法に形成しなくてもよいものであり、例えば図１５に示す第２の変形例のように、複数本の電極板のうち少なくとも一部の電極板を等しい長さ寸法に形成し、他の電極板の長さ寸法を異ならしめる構成としてもよい。この場合、可動電極８′は、可動体２寄りに位置する電極板１０′と電極板１１とが等しい長さ寸法Ｌａ′に形成されている。また、例えばＹ軸方向の中間に位置する電極板１４′と電極板１５とを等しい長さ寸法に形成する構成としてもよい。これにより、設計自由度を高めることができる。

また、第１の実施の形態では、図４に示すように、初期位置における固定側電極板７と可動側電極板１０との重なり長さＬを１〜１０μｍ程度の寸法値に設定する構成とした。しかし、本発明は重なり長さＬをこの寸法値に限定するものではなく、重なり長さＬをより大きな寸法に設定してもよい。また、電極５，８をＹ軸方向に小型化したいときには、重なり長さＬをより小さな寸法に設定する構成としてもよい。

また、これと同様に第２の実施の形態においても、固定側電極板２３〜３３のうち一部の電極板を等しい長さ寸法に形成すると共に、可動側電極板３６〜４５のうち一部の電極板を等しい長さ寸法に形成する構成としてもよい。

また、第１，第３の実施の形態では、可動側電極板１０〜１９，５７〜５９の長さ寸法を異なる寸法に形成し、固定側電極７，５３，５４の突出端はＹ軸方向の等しい位置に揃える構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば各可動側電極板の長さ寸法を等しく形成し、各固定側電極板の長さ寸法のみを異ならしめる構成としてもよい。

また、各実施の形態では、電極板１０〜１９，２３〜３３，３６〜４５，５７〜５９，６３〜６５，６８〜７０の長さ寸法を可動体２に近い位置から離れた位置に向けて段階的に小さくする構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、電極板の長さ寸法が可動体２に近い位置から離れた位置に向けて段階的に大きくなる構成としてもよい。

また、第３，第４の実施の形態では、電極板５７〜５９，６３〜６５，６８〜７０を３本または４本ずつ１組にして３つの組に分ける構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、各組を構成する電極板の本数、電極板の組数は自由に設定してよいものである。

また、第３の実施の形態では、可動側電極板５７〜５９を複数本ずつ組に形成し、固定側電極板５４の幅寸法Ｗｂを大きくする構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、固定側電極板を複数本ずつ組にして各組毎に異なる長さ寸法に形成し、これらの各組間に噛合する可動側電極板の幅寸法を大きくする構成としてもよい。

また、実施の形態では、静電型アクチュエータを光スイッチ装置に適用する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば角速度センサ、共振器等を含めて各種の静電型アクチュエータに適用できるのは勿論である。

本発明の第１の実施の形態による光スイッチ装置を示す正面図である。 図１中の矢示II-II方向からみた光スイッチ装置の断面図である。 図１中の固定電極と可動電極とを示す部分拡大図である。 図３中の固定側電極板と可動側電極板とを示す要部拡大図である。 可動体、ミラー部等が切換位置に駆動された状態を示す光スイッチ装置の正面図である。 可動電極が固定電極に向けて途中まで変位した状態を示す部分拡大図である。 可動電極が固定電極と最大に噛合した状態を示す部分拡大図である。 可動体の変位量と電極間の静電力との関係を示す特性線図である。 可動体の変位量と各電極の重なり長さの総和との関係を示す特性線図である。 本発明の実施の形態と比較する比較例の電極等を示す部分拡大図である。 本発明の第２の実施の形態による光スイッチ装置の電極等を示す部分拡大図である。 本発明の第３の実施の形態による光スイッチ装置の電極等を示す部分拡大図である。 本発明の第４の実施の形態による光スイッチ装置の電極等を示す部分拡大図である。 本発明の第１の変形例による光スイッチ装置の電極等を示す部分拡大図である。 本発明の第２の変形例による光スイッチ装置の電極等を示す部分拡大図である。

符号の説明

１ 基板
２ 可動体
３ ミラー部
４ 支持梁
４Ａ 固定部
５，２１，５１，６１ 固定電極
６，２２，５２，６２ 支持部
６Ａ 傾斜面部
７，２３〜３３，５３，５４，６３〜６５ 固定側電極板（電極板）
８，３４，５５，６６，７１ 可動電極
９，３５，５６，６７ 支持部
１０〜１９，３６〜４５，５７〜５９，６８〜７０，７２〜７４ 可動側電極板（電極板）
２０ 光学装置
２０Ａ，２０Ｂ 発光部
２０Ｃ，２０Ｄ 受光部

Claims (7)

1. 基板と、該基板に変位可能に支持された可動体と、複数の電極板からなる櫛歯状に形成されて前記基板に設けられた固定電極と、該固定電極の電極板に向けて突出する複数の電極板からなる櫛歯状に形成されて前記可動体に設けられ該固定電極との間で発生する静電力により前記可動体を変位させる可動電極とを備えてなる静電型アクチュエータにおいて、
   前記固定電極と可動電極とを構成する少なくとも一方の電極板は、他方の電極板に向けて突出する長さ寸法を異ならしめる構成としたことを特徴とする静電型アクチュエータ。
2. 前記固定電極の電極板と前記可動電極の電極板とは、いずれも異なる長さ寸法に形成してなる請求項１に記載の静電型アクチュエータ。
3. 前記固定電極と可動電極とを構成する少なくとも一方の電極板は、段階的に異なる長さ寸法に形成してなる請求項１または２に記載の静電型アクチュエータ。
4. 前記固定電極と可動電極とを構成する少なくとも一方の電極板は、前記可動体に近い位置から離れた位置に向けて長さ寸法を段階的に小さく形成してなる請求項１または２に記載の静電型アクチュエータ。
5. 前記固定電極と可動電極とを構成する少なくとも一方の電極板は、複数本を１組として複数組に形成し、前記各組内の電極板を等しい長さ寸法に形成すると共に異なる組毎に前記電極板の長さ寸法を異ならしめる構成としてなる請求項１，２，３または４に記載の静電型アクチュエータ。
6. 前記固定電極と可動電極とを構成する少なくとも他方の電極板は、前記一方の電極板の各組間に噛合する当該他方の電極板を周囲の電極板よりも大きな幅寸法に形成してなる請求項５に記載の静電型アクチュエータ。
7. 前記固定電極と可動電極とを構成する一方または両方の電極板は、少なくとも一部の電極板を等しい長さ寸法に形成してなる請求項１，２，３，４，５または６に記載の静電型アクチュエータ。

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