JP2005043674A - くし型静電アクチュエータ及びくし型静電アクチュエータを用いた光制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 作動部を安定に運動させることができ，しかもそのストロークを大きくすることができ，またマイクロマシン技術を適用することにより，非常に小形化した，くし型静電アクチュエータを提供する。
【解決手段】 本発明では、平行に配置した複数の内側懸架弾性ビーム１ａ，１ｂの外側に外側懸架弾性ビーム２ａ，２ｂを平行に配置すると共に，これらの内側懸架弾性ビームと外側懸架弾性ビームの両端を端連結ビーム３ａ，３ｂに連結し，外側懸架弾性ビームの中央側を基板５に支持すると共に，複数の内側懸架弾性ビームの中央側を作動部６により連結し，作動部に可動くし型電極７を支持すると共に，基板に固定くし型電極８を支持したくし型静電アクチュエータにより，上記課題を解決した。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明では、平行に配置した複数の内側懸架弾性ビーム１ａ，１ｂの外側に外側懸架弾性ビーム２ａ，２ｂを平行に配置すると共に，これらの内側懸架弾性ビームと外側懸架弾性ビームの両端を端連結ビーム３ａ，３ｂに連結し，外側懸架弾性ビームの中央側を基板５に支持すると共に，複数の内側懸架弾性ビームの中央側を作動部６により連結し，作動部に可動くし型電極７を支持すると共に，基板に固定くし型電極８を支持したくし型静電アクチュエータにより，上記課題を解決した。
【選択図】 図１
Description
本発明は、くし型静電アクチュエータ，特にマイクロマシン技術を用いたくし型静電アクチュエータ及び，そのくし型静電アクチュエータを用いた光制御装置に関するものである。
近来，半導体微細加工技術を応用したマイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro
Electro Mechanical System）技術の発展により，各種の応用分野においてマイクロマシンが利用されつつある。例えば光技術に対してのマイクロマシンの応用，いわゆる光マイクロマシンは，近年，著しい進展が見られ，光の操作を機械的な運動により行えるようにした，小形，高性能，高機能な光制御装置が実現されつつある。
Electro Mechanical System）技術の発展により，各種の応用分野においてマイクロマシンが利用されつつある。例えば光技術に対してのマイクロマシンの応用，いわゆる光マイクロマシンは，近年，著しい進展が見られ，光の操作を機械的な運動により行えるようにした，小形，高性能，高機能な光制御装置が実現されつつある。
例えば特許文献１には，送信側光ファイバは受信側光ファイバの間にシャッター又はミラーを移動可能に位置させて，送信側から受信側に伝送される際の光の減衰量を可変とした可変光減衰器が記載されている。
この可変光減衰器は，シャツター又はミラー等の作動部を，くし型静電アクチュエータにより駆動する構成であり，可動くし型電極と一体に構成された作動部はスプリングにより懸架支持されていて，通電されていない時にはスプリングの弾性により初期位置に戻るように構成されている。
このような１枚のスプリングによる懸架支持構造では，作動部の動作が不安定であり，これを防止するために，例えば図８に示すように作動部を一対の平行に配置したスプリングで支持する構造が考えられる。
図８において，符号ａは光ビームｂを遮断可能なシャッター部ｃを備えた作動部であり，この作動部ａは，図中左右一対の平行に配置されたスプリングｄにより懸架支持されており，これらのスプリングの端部ｅは図示を省略している基板に移動不能に支持されている。また，作動部ａは図示を省略している可動くし型電極と一体に移動可能に構成されており，この可動くし型電極と共に，くし型静電アクチュエータを構成する固定くし型電極は上記基板に固定されている。
上述した図８に示すような懸架支持構造においては，作動部は，左右一対の平行に配置されたスプリングにより平行リンク機構的に運動するため，安定した動作が可能である。
しかしながらこのような懸架支持構造では，作動部の運動は，スプリングの長さ方向の弾性変形によってのみ行われるので，作動部の運動範囲，即ちストローク大きくすることはできず，上述した可変光減衰器においては，調節可能な減衰量の範囲を大きくすることはできない。
本発明は、以上のような課題を解決し，作動部を安定に運動させることができ，しかもそのストロークを大きくすることができるくし型静電アクチュエータを提供することを目的としている。
また本発明では，上記課題を解決したくし型静電アクチュエータを利用して，安定した動作の，小形の光制御装置を提供することを目的としている。
しかしながら，本発明のくし型静電アクチュエータを利用した装置は，このような光制御装置に限らず，小形のアクチュエータを用いる各種の装置に用いることができることはいうまでもない。
以上の課題を解決するために，本発明は，まず，請求項１において、平行に配置した複数の内側懸架弾性ビームの外側に外側懸架弾性ビームを平行に配置すると共に，これらの内側懸架弾性ビームと外側懸架弾性ビームの両端を端連結ビームに連結し，外側懸架弾性ビームの中央側を基板に支持すると共に，複数の内側懸架弾性ビームの中央側を作動部により連結し，作動部に可動くし型電極を支持すると共に，基板に固定くし型電極を支持したことを特徴とするくし型静電アクチュエータを提案している。
次いで請求項２では、請求項１の構成において、くし型電極への通電により作動部が移動する側の内側懸架弾性ビームと外側懸架弾性ビーム間の間隔を，他の側の内側懸架弾性ビームと外側懸架弾性ビーム間の間隔よりも広く構成することを提案している。
次いで請求項３では、以上の構成において，可動くし型電極に，曲げ剛性を高くする補強を施すことを提案している。
次いで請求項４では、以上の構成において，基板には，通電による作動部の移動を，可動くし型電極と固定くし型電極が当接しない範囲に制限するためのストッパーを構成することを提案する。
次いで請求項５では、以上の構成において，固定くし型電極への通電は基板に構成した配線パターンから外側懸架弾性ビームの中央側の支持部を介して行う構成とし，配線パターンの一部を上記支持部と基板により挟持して電気的接続を行う構成とすることを提案している。
また本発明では，請求項６において、以上のくし型静電アクチュエータの作動部に光学素子を構成した光制御装置を提案している。
また請求項７では、請求項６の構成において、光学素子をシャッターとすることを提案している。
更に請求項８では、請求項７の構成において、シャッターに戻り光防止用Ｖ字状溝を形成することを提案している。
以上の本発明によれば、くし型静電アクチュエータの固定くし型電極と可動くし型電極に通電すると，それらの間に働く静電引力により，可動くし型電極が固定くし型電極方向に移動し，可動くし型電極と共に作動部が移動する。
この際，作動部は，複数の内側懸架弾性ビームによって平行リンク機構的に支持されるので，安定して移動が行われる。この移動において，内側懸架弾性ビームの両端は，端連結ビームに引張力を加えるので，この端連結ビームは外側懸架弾性ビームの両端を引っ張り，その中央側の支持部に支持された状態で弾性変形する。こうして，作動部は，内側懸架弾性ビームの弾性変形量に外側懸架弾性ビームの変形量を加えた全体の変形量に対応して移動可能であるため，従来と比較して，くし型静電アクチュエータによる作動部の移動範囲を大きくすることができる。
そして上記固定くし型電極と可動くし型電極への通電を停止すると，作動部は，内側懸架弾性ビームと外側懸架弾性ビームの弾性戻り力により，固定くし型電極と共に元の位置に復帰することができる。
こうして本発明のくし型静電アクチュエータでは，作動部の動作を安定に維持しつつ，ストロークを大きくすることができる。
請求項２のように，くし型電極への通電により作動部が移動する側の内側懸架弾性ビームと外側懸架弾性ビーム間の間隔を，他の側の内側懸架弾性ビームと外側懸架弾性ビーム間の間隔よりも広く構成すれば，無駄なスペースを防ぐことができる。
可動くし型電極及び固定くし型電極は，アスペクト比が高く，全体の長さを長くし，くし歯の間隔を狭く構成して，それらの数を多くすることにより，大きな静電引力を発生することができる。この場合には，請求項３のように，可動くし型電極に，曲げ剛性を高くする補強を施せば，静電引力により可動くし型電極が曲ることを防止することができ，こうして，可動くし型電極と固定くし型電極同士の接触を防止することができる。
また請求項４のように，基板に，通電による作動部の移動を，可動くし型電極と固定くし型電極が当接しない範囲に制限するためのストッパーを構成することにより，可動くし型電極と固定くし型電極との接触による不都合の発生を防止することができる。
また請求項５のように，固定くし型電極への通電は基板に構成した配線パターンから外側懸架弾性ビームの中央側の支持部を介して行う構成とし，配線パターンの一部を上記支持部と基板により挟持して電気的接続を行う構成とすれば，配線作業を効率的に行うことができる。
以上の構成のくし型静電アクチュエータを用い，例えば請求項６のように，作動部に光学素子を構成することにより，小形で高精度の可変光減衰器や光スイッチ等の光制御装置を構成することができる。
その場合，請求項７のように，光学素子をシャッターとした場合には，請求項８のように，シャッターに戻り光防止用Ｖ字状溝を形成することにより，光制御装置において，戻り光の悪影響を防止することができる。
次に本発明の詳細を，光制御装置として構成した実施例と共に添付図面を参照して説明する。
図１，図２は本発明のくし型静電アクチュエータを用いて構成した光制御装置，この場合，可変光減衰器の平面図であり，図３，図４は，構成を簡略化，模式化した斜視図である。
図１，図２は本発明のくし型静電アクチュエータを用いて構成した光制御装置，この場合，可変光減衰器の平面図であり，図３，図４は，構成を簡略化，模式化した斜視図である。
符号１ａ，１ｂは平行に配置した複数，この場合，一対の内側懸架弾性ビームであり，これらの外側に外側懸架弾性ビーム２ａ，２ｂを平行に配置すると共に，これらの内側懸架弾性ビーム１ａ，１ｂと外側懸架弾性ビーム２ａ，２ｂの両端を端連結ビーム３ａ，３ｂに連結する。
外側懸架弾性ビーム２ａ，２ｂの中央側を，支持部４ａ，４ｂにおいて基板５に支持する。また内側懸架弾性ビーム１ａ，１ｂの中央側を作動部６により連結する。この作動部６の構成は，用途により適宜に構成できるもので，この実施例の場合は，光素子としてのシャッターとして構成している。この構成は，後述する。
そして作動部６の下側には，可動くし型電極７を固定支持すると共に，基板５に固定くし型電極８を支持する。
可動くし型電極７は片持梁の構成で，アスペクト比が高く，長く形成しており，こうして固定くし型電極共に，くし歯の数を多くすることにより，通電時の静電引力を大きくする構成としている。そこで，この可動くし型電極７は曲げ剛性を高くするために，上面に屋根状の補強板９を一体に構成している。
図に示されるように，くし型電極７，８への通電により作動部４が移動する側の内側懸架弾性ビーム，即ち内側懸架弾性ビーム１ｂと外側懸架弾性ビーム２ｂ間の間隔は，他の側の内側懸架弾性ビーム１ａと外側懸架弾性ビーム２ａ間の間隔よりも広く構成している。
次に作動部４は上述したとおり，光素子としてのシャッターとして構成しており，図中鎖線円で示している光ビーム１０の通過部１１とシャッター部１２を構成しており，シャッター部１２には，光ビーム１０の戻り反射を防止するための戻り光防止用Ｖ字状溝１３を構成している。
以上の構成要素は，マイクロマシン技術を適用して，例えば硼珪酸ガラス等の基板５上にシリコンで構成することができる。
尚，上記戻り光防止用Ｖ字状溝１３は，例えばＡｕ／Ｃｒ成膜により形成することができる。
図中符号１４ａは固定くし型電極８への通電を行うために基板５に形成した配線パターンである。また符号１４ｂは可動くし型電極７への通電を行うために基板５に形成した配線パターンであり，可動くし型電極７への通電は，この配線パターン１４ｂから外側懸架弾性ビーム２ｂの中央側の支持部４ｂを介して行う構成としている。そしてこの構成において，電気的接続は，図５に示すとおり配線パターン１４ｂの一部を，上記支持部４ｂと基板５により挟持して行う構成としいる。このような接続構造は，固定くし型電極８と配線パターン１４ａにも適用でき，配線作業を効率的に行うことができる。
図５に示すように配線パターン１４ａ，１４ｂは，例えばＰｔ層１５ａとＴｉ層１５ｂの二重層により構成する他，適宜の構成とすることができる。
図３，図４に示すように，基板５には，通電による作動部６の移動，従って可動くし型電極７の移動を，可動くし型電極７と固定くし型電極８が当接しない範囲に制限するためのストッパー１６を構成している。
以上の構成において，固定くし型電極８と可動くし型電極７に通電されていない状態においては，作動部６と可動くし型電極７は，内側懸架弾性ビーム１ａ，１ｂと外側懸架弾性ビーム２ａ，２ｂの戻り弾性により，図１又は図３に示している静止位置に維持されており，この状態では，光ビーム１０はシャッター部１２に全く遮られない。
そこで，配線パターン１４ｂ，１４ａを介して，固定くし型電極８と可動くし型電極７に通電すると，それらの間に働く静電引力により，図２又は図４に示すように，可動くし型電極７が固定くし型電極８方向，即ち図１，図２中の右方向に移動し，可動くし型電極７と共に作動部６が移動する。
この際，作動部６は，一対の内側懸架弾性ビーム１ａ，１ｂによって平行リンク機構的に支持されるので，安定して移動が行われる。
そしてこの移動において，内側懸架弾性ビーム１ａ，１ｂの両端は，端連結ビーム３ａ，３ｂに引張力を加えるので，この端連結ビーム３ａ，３ｂは外側懸架弾性ビーム２ａ，２ｂの両端を引っ張り，その中央側の支持部４ａ，４ｂに支持された状態で弾性変形する。
こうして，作動部６は，内側懸架弾性ビーム１ａ，１ｂの弾性変形量に，外側懸架弾性ビーム２ａ，２ｂの変形量を加えた全体の変形量に対応して移動可能であるため，従来と比較して，くし型静電アクチュエータによる作動部６の移動範囲を大幅に大きくすることができる。
そして上記固定くし型電極８と可動くし型電極７への通電を停止すると，作動部６は，内側懸架弾性ビーム１ａ，１ｂと外側懸架弾性ビーム２ａ，２ｂの弾性戻り力により，固定くし型電極７と共に元の静止位置に復帰することができる。
この際，固定くし型電極８と可動くし型電極７の間に働く静電引力は，それらの印可電圧の二乗に比例するため，印可電圧を調節することにより，作動部６を静電引力と上記弾性戻り力の釣合い位置に維持することができ，こうしてシャッター部１２による光ビーム１０の遮光割合を調節して，減衰量を変化させることができる。
尚，実施例においては，作動部６は，シャッター部１２による光ビーム１０の遮光割合，従って光の減衰量が，印可電圧を高くするに従って大きくなるように構成しているが，これと逆に，光の減衰量が，印可電圧を高くするに従って小さくなるように構成することもできる。
こうして本発明のくし型静電アクチュエータでは，作動部６の動作を安定に維持しつつ，ストロークを大きくすることができる。
図に示すように，くし型電極７，８への通電により作動部６が移動する側の内側懸架弾性ビーム１ｂと外側懸架弾性ビーム２ｂ間の間隔を，他の側の内側懸架弾性ビーム１ａと外側懸架弾性ビーム２ａ間の間隔よりも広く構成しているので，当該他の側に無駄なスペースを生じない。
上述したとおり，可動くし型電極７及び固定くし型電極８は，アスペクト比が高く，全体の長さを長くし，くし歯の間隔を狭く構成して，それらの数を多くすることにより，大きな静電引力を発生することができる。
図６，図７は，この場合において，可動くし型電極７の曲げ剛性が十分で無い場合の動作を示すもので，この場合には，通電により大きな静電引力が働くと，可動くし型電極７が図７に示すように曲げられて，可動くし型電極７と固定くし型電極８のくし歯同士が接触するという不都合が生じる。
そこで，可動くし型電極７に，屋根状の補強板９等の，曲げ剛性を高くする補強を施せば，図２に示すように，静電引力により可動くし型電極７が曲ることを防止することができ，こうして，可動くし型電極７と固定くし型電極８のくし歯同士の接触を防止することができる。
一方，可動くし型電極７と固定くし型電極８間に印可する電圧が過大になる可能性がある場合には，図３，図４に示すように，基板５にストッパー１６を構成することにより，過大電圧が加わった場合においても，可動くし型電極７と固定くし型電極８との接触による不都合の発生を防止することができる。
本発明は、以上のとおりであるので，作動部を安定に運動させることができ，しかもそのストロークを大きくすることができ，またマイクロマシン技術を適用することにより，非常に小形化した，くし型静電アクチュエータを提供することができる。
このくし型静電アクチュエータは，実施例として説明した，可変光減衰器の他次のような各種の用途に利用することができる。
ａ．光軸に対して４５度の角度で設置して，シャッター表面で反射させてオンオフを行わせる光スイッチ
ｂ．光ファイバを直接に駆動する光スイッチ
ｃ．作動部に光学素子を固定して構成した，波長可変フィルターや可変共振器等
ｄ．静電容量測定による，加速度，角速度，振動，圧力等の各種センサ
ｅ．ＤＮＡチップやμＴＡＳ等によりくし歯電極を作成して，対象物の有無を測定するセンサ
ｆ．作動部に構成したシャッターにより，流路を開閉する流路開閉装置
ａ．光軸に対して４５度の角度で設置して，シャッター表面で反射させてオンオフを行わせる光スイッチ
ｂ．光ファイバを直接に駆動する光スイッチ
ｃ．作動部に光学素子を固定して構成した，波長可変フィルターや可変共振器等
ｄ．静電容量測定による，加速度，角速度，振動，圧力等の各種センサ
ｅ．ＤＮＡチップやμＴＡＳ等によりくし歯電極を作成して，対象物の有無を測定するセンサ
ｆ．作動部に構成したシャッターにより，流路を開閉する流路開閉装置
１ａ，１ｂ 内側懸架弾性ビーム
２ａ，２ｂ 外側懸架弾性ビーム
３ａ，３ｂ 端連結ビーム
４ａ，４ｂ 支持部
５ 基板
６ 作動部
７ 可動くし型電極
８ 固定くし型電極
９ 補強板
１０ 光ビーム
１１ 通過部
１２ シャッター部
１３ 戻り光防止用Ｖ字状溝
１４ａ，１４ｂ 配線パターン
１５ａ Ｐｔ層
１５ｂ Ｔｉ層
１６ ストッパー
２ａ，２ｂ 外側懸架弾性ビーム
３ａ，３ｂ 端連結ビーム
４ａ，４ｂ 支持部
５ 基板
６ 作動部
７ 可動くし型電極
８ 固定くし型電極
９ 補強板
１０ 光ビーム
１１ 通過部
１２ シャッター部
１３ 戻り光防止用Ｖ字状溝
１４ａ，１４ｂ 配線パターン
１５ａ Ｐｔ層
１５ｂ Ｔｉ層
１６ ストッパー
Claims (8)
- 平行に配置した複数の内側懸架弾性ビームの外側に外側懸架弾性ビームを平行に配置すると共に，これらの内側懸架弾性ビームと外側懸架弾性ビームの両端を端連結ビームに連結し，外側懸架弾性ビームの中央側を基板に支持すると共に，複数の内側懸架弾性ビームの中央側を作動部により連結し，作動部に可動くし型電極を支持すると共に，基板に固定くし型電極を支持したことを特徴とするくし型静電アクチュエータ
- くし型電極への通電により作動部が移動する側の内側懸架弾性ビームと外側懸架弾性ビーム間の間隔を，他の側の内側懸架弾性ビームと外側懸架弾性ビーム間の間隔よりも広く構成したことを特徴とする請求項１に記載のくし型静電アクチュエータ
- 可動くし型電極に，曲げ剛性を高くする補強を施したことを特徴とする請求項１又は２に記載のくし型静電アクチュエータ
- 基板には，通電による作動部の移動を，可動くし型電極と固定くし型電極が当接しない範囲に制限するためのストッパーを構成したことを特徴とする請求項１〜３までのいずれか１項に記載のくし型静電アクチュエータ
- 固定くし型電極への通電は基板に構成した配線パターンから外側懸架弾性ビームの中央側の支持部を介して行う構成とし，配線パターンの一部を上記支持部と基板により挟持して電気的接続を行う構成としたことを特徴とする請求項１〜４までのいずれか１項に記載のくし型静電アクチュエータ
- 請求項１〜５までのいずれかのくし型静電アクチュエータの作動部に光学素子を構成したことを特徴とするくし型静電アクチュエータを用いた光制御装置
- 光学素子は，シャッターであることを特徴とする請求項６に記載のくし型静電アクチュエータを用いた光制御装置
- シャッターに戻り光防止用Ｖ字状溝を形成したことを特徴とする請求項７に記載のくし型静電アクチュエータを用いた光制御装置
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