JP2005271187A - マイクロデバイス及び光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】小型且つ単純な動作でラッチ機能を実現するマイクロデバイス及び光スイッチを提供する。
【解決手段】可動プレート３と、可動プレート３を支持する可撓な支持アーム２と、可動プレート３を第１の方向及び第１の方向に対向する第２の方向に駆動するアクチュエータ（４、６、７）と、可動プレート３に接続された第１の部材５と、第１の方向に変位した状態で第１の部材５と嵌合して可動プレート３を保持する第２の部材１０と、第２の部材１０を第１の方向に略垂直な方向に変位させる可撓部材９とを有するマイクロデバイスであって、第１の部材５と第２の部材１０は互いに対向するテーパー構造を第１及び第２の方向の両方にそれぞれ有する。
【選択図】図１

Description

本発明はマイクロデバイス及び光スイッチに関し、特に、微小電気機械システムによるマイクロデバイス及び光スイッチに関する。

近年、微小電気機械システム（micro-electro-mechanical system：ＭＥＭＳ）による静電マイクロアクチュエータを用いた光スイッチ或いは光シャッター等の光デバイスが実用化されている。これらの光デバイスは、消費電力を小さくするために、状態を切り替える時以外は静電マイクロアクチュエータに電圧を印加する必要がないラッチ機能を有することが望ましい（例えば、特許文献１及び２参照）。

図６に示すように、背景技術に係わるラッチ機能付き静電マイクロアクチュエータは、第１の駆動ユニット５１ａと第２の駆動ユニット５２ａとを有する。第１の駆動ユニット５１ａは、アンカー部６４で基板に拘束された折り返しバネ（支持アーム）６２と、折り返しバネ６２に接続された直線状の軸（可動プレート）６１と、可動プレート６１に接続された第１の可動櫛歯電極６３と、可動プレート６１に接続された第１の嵌合部材６６とを備える第１の可動部と、第１の可動櫛歯電極６３に対向する第１の固定櫛歯電極６５とを有する。第１の可動部は、可動プレート６１の軸方向（一定方向）に変位することができる。第２の駆動ユニット５２ａは、第１の嵌合部材６６と嵌合して、第１の可動部をこの一定方向に変位した状態に保持する第２の嵌合部材６７と、アンカー部７１で基板に拘束された可撓ビーム６９と、第２の嵌合部材６７に接続され、上述した一定方向に略垂直方向に配置された第２の可動櫛歯電極６８とを備える第２の可動部と、第２の可動櫛歯電極６８に対向する第２の固定櫛歯電極７０とを有する。

第２の固定櫛歯電極７０に第２の可動櫛歯電極６８に対して電圧を印加すると、第２の固定櫛歯電極７０と第２の可動櫛歯電極６８の間に静電引力が発生し、図７に示すように、第２の可動櫛歯電極６８が第２の固定櫛歯電極７０の方へ引き込まれる。次に、第１の固定櫛歯電極６５に第１の可動櫛歯電極６３に対して電圧を印加すると、静電引力が発生し、第１の可動櫛歯電極６３が第１の固定櫛歯電極６５の方へ引き寄せられ、図８に示ように、静電引力と折り返しバネ６２の復元力が釣り合うところで停止する。次に、第２の固定櫛歯電極７０の電圧を切ると、図９に示すように、可撓ビーム６９の復元力により第２の可動部は元の位置に戻る。この後、第１の固定櫛歯電極６５の電圧を切ると、第１の嵌合部材６６が第２の嵌合部材６７に引っかかり、第１の可動部はこの状態を保持する。次に、第２の固定櫛歯電極７０に電圧を印加すると、静電引力により第２の可動部は再び第２の固定櫛歯電極７０の方に移動し、第１の可動部は折りたたみバネ６２の復元力で元の位置に戻るので、第２の固定櫛歯電極７０の電圧を切り、図６に示す状態に戻る。
特開平５−２２０６８０号公報 特開２００３−２７９８６４号公報

このように、図６乃至図９に示すラッチ機能付き静電マイクロアクチュエータは、多くの櫛歯電極を並列に並べる静電コムアクチュエータ（第１及び第２の駆動ユニット５１ａ、５２ａ）を２つ使用して、第１及び第２の嵌合部材６６、６７の嵌合によるラッチ機能を実現している。このため、アクチュエータ全体が大きな面積を占有することになり、アクチュエータの小型化が困難となる。

本発明の第１の特徴は、可動プレートと、可動プレートを支持する可撓な支持アームと、可動プレートを第１の方向及び第１の方向に対向する第２の方向に駆動するアクチュエータと、可動プレートに接続された第１の部材と、第１の方向に変位した状態で第１の部材と嵌合して可動プレートを保持する第２の部材と、第２の部材を第１の方向に略垂直な方向に変位させる可撓部材とを有するマイクロデバイスであって、第１の部材と第２の部材は互いに対向するテーパー構造を第１及び第２の方向の両方にそれぞれ有することを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、第１の特徴に係るマイクロデバイスと、可動プレートに接続された光学部材と、光学部材の近傍において互いに交差する１対の光導波路とを有する光スイッチであることを要旨とする。

本発明によれば、小型且つ単純な動作でラッチ機能を実現するマイクロデバイス及び光スイッチを提供することができる。

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に示すように、第１の実施の形態に係るマイクロスイッチは、可動プレート３と、可動プレート３を支持する可撓な支持アーム２と、可動プレート３を第１の方向及び第１の方向に対向する第２の方向に駆動するアクチュエータ（４、６、７）と、可動プレート３に接続された第１の部材５と、第１の方向に変位した状態で第１の部材５と嵌合して可動プレート３を保持する第２の部材１０と、第２の部材１０を第１の方向に略垂直な方向に変位させる可撓部材９とを有する。

支持アーム２は第１のアンカー部１で基板に拘束され、可撓部材９は第２のアンカー部８で基板に拘束されている。アクチュエータは、第１及び第２の方向にそれぞれ電極指を有する櫛歯型可動電極４と、櫛歯型可動電極４を第１及び第２の方向から挟むように配置された２つの櫛歯型固定電極（第１の櫛歯型固定電極７及び第２の櫛歯型固定電極６）とを有する。ここで、「第１の方向」とは第１の部材５から第２の部材１０へ向かう方向であり、「第２の方向」とは第２の部材１０から第１の部材５へ向かう方向である。よって、櫛歯型可動電極４の第１の方向に配置された電極指は、第１の櫛歯型固定電極７の電極指と噛み合い、櫛歯型可動電極４の第２の方向に配置された電極指は、第２の櫛歯型固定電極６の電極指と噛み合っている。可動プレート３は直線状の軸からなり、その一端に第１の部材５が配置されている。第１及び第２のアンカー部１、８は、それぞれ可動プレート３に対して対称に１対づつで配置されている。

第１の部材５と第２の部材１０は互いに対向するテーパー構造を第１及び第２の方向の両方にそれぞれ有する。可撓部材９は円又は円の一部分（円弧状）の形状を有し、可撓部材９の両端部分はアンカー部８に接続されている。第２の部材１０は、円弧の途中の可撓部材９に接続されている。１対の第２の部材１０の間隔は、第１の部材５の幅よりも狭い。円形状の可撓部材９が撓むことにより、第２の部材１０は第１の方向に略垂直な方向に変位して、１対の第２の部材１０の間隔が広がる。なお、可撓部材９は、円又は円の一部分の形状に限らず、多段に押し返したビームであっても構わない。この場合については図４を参照して説明する。

図２に示すように、図１のＡ−Ａ’切断面において、第２のアンカー部８は、シリコン酸化膜或いは接着剤などからなる中間層１２を介してシリコン或いはガラスなどからなる基板１１の上に積層され、同時に拘束されている。一方、１対の第２のアンカー部８の内側に配置された１対の可撓部材９及び可動プレート３は、基板１１の上方に積層されているが、拘束されていないため、基板１１に対して自由に変位することが出来る。

図３を参照して、図１のマイクロスイッチのラッチ動作を説明する。図１においては、第１の部材５と第２の部材１０とが嵌合していない状態（非ラッチ状態）を示している。これに対して、図３は、第１の部材５と第２の部材１０とが嵌合している状態（ラッチ状態）を示している。

（イ）先ず、図１の状態から、第１の櫛歯型固定電極７に櫛歯型可動電極４に対して電圧を印加する。これにより、第１の櫛歯型固定電極７と櫛歯型可動電極４の間に静電引力が生じ、支持アーム２が撓むことにより、櫛歯型可動電極４が第１の櫛歯型固定電極７の方向（第１の方向）に引き寄せられる。これと同時に、櫛歯型可動電極４に接続された可動プレート３及び第１の部材５が第１の方向に変位する。そして、第１の部材５のテーパー構造が第２の部材１０のテーパー構造と接触し、第１の部材５は、第２の部材１０を押し広げて図３に示すように第２の部材１０よりも第１の方向に変位する。

（ロ）その後、第１の櫛歯型固定電極７への電圧の印加を停止すると、支持アーム２の復元力により可動プレート３、櫛歯型可動電極４及び第１の部材５は第２の方向に移動する。しかし、第２の部材１０は第１の部材５と嵌合するため、可動プレート３、櫛歯型可動電極４及び第１の部材５は、図３に示すように、第２の部材１０と第１の部材５が接触した状態で保持される。この状態を「ラッチ状態」と呼ぶ。

（ハ）次に、図３の状態から、第２の櫛歯型固定電極６に櫛歯型可動電極４に対して電圧を印加する。これにより、第２の櫛歯型固定電極６と櫛歯型可動電極４の間に静電引力が生じ、櫛歯型可動電極４が第２の櫛歯型固定電極６の方向（第２の方向）に引き寄せられる。これと同時に、櫛歯型可動電極４に接続された可動プレート３及び第１の部材５が第２の方向に引き寄せられる。したがって、第１の部材５及び第２の部材１０の嵌合部分に対して、第２の方向に、第２の櫛歯型固定電極６と櫛歯型可動電極４の間に静電引力及び支持アーム２の復元力が印加されることになる。そして、再び第１の部材５は、第２の部材１０を押し広げて第２の部材１０よりも第２の方向に変位し、図１の状態（非ラッチ状態）に戻る。

以上説明したように、アクチュエータ（４、６、７）は、第１及び第２の櫛歯型固定電極７、６及び櫛歯型可動電極４を備えることで第１及び第２の方向に駆動することが出来る。この１つの双方向静電コムアクチュエータのみを用いて上述したラッチ動作及びラッチ解除動作が実現されるため、図６乃至図９に示した第１及び第２の駆動ユニット５１ａ、５２ａを有するラッチ機能付き静電マイクロアクチュエータに比べて、小型且つシンプルな動作でラッチ動作を実現できる。

（第１の実施の形態の変形例）
図４に示すように、第１の実施の形態の変形例に係わるマイクロスイッチは、図１に示したマイクロスイッチと比べて、円又は円の一部分の形状の可撓部材９の替わりに、多段に押し返したビーム（折り返し多段ビーム１３）を有する。折り返し多段ビーム１３の一端は第３のアンカー部１４で基板に拘束され、他端には第２の部材１０が図１の同様にして接続されている。折り返し多段ビーム１３が撓むことにより、第２の部材１０は第１の方向に略垂直な方向に変位する。

第１の実施の形態の変形例に係わるマイクロスイッチのその他の構成は、図１のマイクロスイッチと同じであるため、その説明を省略する。また、マイクロスイッチの動作についても、図１のそれと同じであるため、図示及び説明を省略する。

円又は円の一部分の形状の可撓部材９の替わりに、折り返し多段ビーム１３を使用しても、上述した第１の実施の形態と同様な作用を得ることが出来、小型且つシンプルな動作でラッチ動作を実現できる。

（第２の実施の形態）
図５に示すように、第２の実施の形態に係る光スイッチは、図１に示したマイクロスイッチと、可動プレート３に接続された光学部材（ここでは、ミラー２３）と、ミラー２３の近傍において互いに交差する１対の光導波路（ここでは、光ファイバ）２４〜２７とを有する。即ち、図５の光スイッチは、可動プレート３と、可動プレート３を支持する可撓な支持アーム２と、可動プレート３を第１の方向及び第１の方向に対向する第２の方向に駆動するアクチュエータ（４、６、７）と、可動プレート３に接続された第１の部材５と、第１の方向に変位した状態で第１の部材５と嵌合して可動プレート３を保持する第２の部材１０と、第２の部材１０を第１の方向に略垂直な方向に変位させる可撓部材９と、可動プレート３に接続されたミラー２３と、光ファイバ２４〜２７とを有する。第１の部材５と第２の部材１０は互いに対向するテーパー構造を第１及び第２の方向の両方にそれぞれ有する。可撓部材９は円又は円の一部分（円弧状）の形状を有し、可撓部材９の両端部分はアンカー部８に接続されている。なお、図示は省略するが、可撓部材９は、円又は円の一部分の形状に限らず、多段に押し返したビームであっても構わない。

ミラー２３の表面は金属で被覆されている。ミラー２３の近傍に第１の入力光ファイバ２４の一端と、第２の入力光ファイバ２６の一端と、第１の出力光ファイバ２５の一端と、第２の出力光ファイバ２７の一端とが配置されている。第１の入力光ファイバ２４と第２の出力光ファイバ２７とは一直線上に配置され、第１の出力光ファイバ２５と第２の入力光ファイバ２６とは前述の一直線に交差する他の一直線上に配置されている。一直線及び他の一直線の交差部分にミラー２３が配置されている。第１の入力光ファイバ２４とミラー２３の成す角度は、第１の出力光ファイバ２５とミラー２３の成す角度と等しく、第２の入力光ファイバ２６とミラー２３の成す角度は、第２の出力光ファイバ２７とミラー２３の成す角度と等しい。

図５に示す光スイッチのうち、マイクロスイッチの部分（１〜１０）の動作は、図１に示したマイクロスイッチと同じであり、図示及び説明を省略する。

図５に示すように、第２の部材１０と第１の部材５とが嵌合していない「非ラッチ状態」において、ミラー２３は、光ファイバ２４〜２７の交差部分に挿入されている。このミラー２３の位置を「初期位置」という。ミラー２３が初期位置にあるとき、第１の入力光ファイバ２４から入射した光はミラー２３で反射され第１の出力光ファイバ２５へ出力され、第２の入力光ファイバ２６から入射した光はミラー２３で反射され第２の出力光ファイバ２７へ出力される。これに対して、図３に示したように、第２の部材１０と第１の部材５とが嵌合している「ラッチ状態」において、ミラー２３は、光ファイバ２４〜２７の交差部分に挿入されずに、この交差部分よりも第１の方向に変位している。このミラー２３の位置を「変位位置」という。ミラー２３が変位位置にあるとき、第１の入力光ファイバ２４から入射した光はミラー２３で反射されずにそのまま直進して第２の出力光ファイバ２７へ出力され、第２の入力光ファイバ２６から入射した光はミラー２３で反射されずにそのまま直進して第１の出力光ファイバ２５へ出力される。

以上説明したように、第１及び第２の櫛歯型固定電極７、６及び櫛歯型可動電極４を備えることで第１及び第２の方向に駆動することが出来る双方向静電コムアクチュエータのみを用いてミラー２３を上述した初期位置及び変位位置に保持（ラッチ）することが出来る。したがって、図６乃至図９に示した第１及び第２の駆動ユニット５１ａ、５２ａを有するラッチ機能付き静電マイクロアクチュエータを用いた光スイッチに比べて、小型且つシンプルな動作でラッチ動作を実現できる２×２の光スイッチを提供することが出来る。

なお、可動プレート３に接続された光学部材は、ミラー２３に限定されること無く、遮光板であっても構わない。

上記のように、本発明は、第１及び第２の実施の形態及びその変形例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。即ち、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。

本発明の第１の実施の形態に係わるマイクロデバイスの一例としてのマイクロスイッチを示す平面図である。 図１のＡ−Ａ’切断面に沿った断面図である。 図１のマイクロスイッチにおけるラッチ状態を示す平面図である。 第１の実施の形態の変形例に係わるマイクロデバイスの一例としてのマイクロスイッチを示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係わる光スイッチを示す平面図である。 背景技術に係わるラッチ機能付き静電マイクロアクチュエータを示す平面図である。 図６のラッチ機能付き静電マイクロアクチュエータの動作を示す平面図である（その１）。 図６のラッチ機能付き静電マイクロアクチュエータの動作を示す平面図である（その２）。 図６のラッチ機能付き静電マイクロアクチュエータの動作を示す平面図である（その３）。

符号の説明

１…第１のアンカー部
２…支持アーム
３…可動プレート
４…櫛歯型可動電極
５…第１の部材
６…第２の櫛歯型固定電極
７…第１の櫛歯型固定電極
８…第２のアンカー部
９…可撓部材
１０…第２の部材
１１…基板
１２…中間層
１３…多段ビーム
１４…第３のアンカー部
２３…ミラー
２４…第１の入力光ファイバ
２５…第１の出力光ファイバ
２６…第２の入力光ファイバ
２７…第２の出力光ファイバ
５１ａ…第１の駆動ユニット
５２ａ…第２の駆動ユニット
６１…可動プレート
６２…バネ
６３…第１の可動櫛歯電極
６４…アンカー部
６５…第１の固定櫛歯電極
６６…第１の嵌合部材
６７…第２の嵌合部材
６８…第２の可動櫛歯電極
６９…可撓ビーム
７０…第２の固定櫛歯電極
７１…アンカー部

Claims (5)

1. 可動プレートと、
   前記可動プレートを支持する可撓な支持アームと、
   前記可動プレートを第１の方向及び前記第１の方向に対向する第２の方向に駆動するアクチュエータと、
   前記可動プレートに接続された第１の部材と、
   前記第１の方向に変位した状態で前記第１の部材と嵌合して前記可動プレートを保持する第２の部材と、
   前記第２の部材を前記第１の方向に略垂直な方向に変位させる可撓部材とを有し、
   前記第１の部材と前記第２の部材は互いに対向するテーパー構造を前記第１及び第２の方向の両方にそれぞれ有することを特徴とするマイクロデバイス。
2. 前記可撓部材は円又は円の一部分の形状を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロデバイス。
3. 前記可撓部材は多段に押し返したビームからなることを特徴とする請求項１記載のマイクロデバイス。
4. 前記アクチュエータは、
   前記第１及び第２の方向にそれぞれ電極指を有する櫛歯型可動電極と、
   櫛歯型可動電極を前記第１及び第２の方向から挟むように配置された２つの櫛歯型固定電極
   とを有することを特徴とする請求項１記載のマイクロデバイス。
5. 可動プレートと、
   前記可動プレートを支持する可撓な支持アームと、
   前記可動プレートを第１の方向及び前記第１の方向に対向する第２の方向に駆動するアクチュエータと、
   前記可動プレートに接続された第１の部材と、
   前記第１の方向に変位した状態で前記第１の部材と嵌合して前記可動プレートを保持する第２の部材と、
   前記第２の部材を前記第１の方向に略垂直な方向に変位させる可撓部材と、
   前記可動プレートに接続された光学部材と、
   前記光学部材の近傍において互いに交差する１対の光導波路とを有し、
   前記第１の部材と前記第２の部材は互いに対向するテーパー構造を前記第１及び第２の方向の両方にそれぞれ有することを特徴とする光スイッチ。

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