JP2006149093A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】不要な静電引力を低減させることで可動安定性が高く、可動制御が容易なアクチュエータを提供する。
【解決手段】複数の第１の電極指１３を有する第１の櫛歯型電極１１と、複数の第１の電極指１３と噛み合う複数の第２の電極指１４を有する第２の櫛歯型電極１２とを備えるアクチュエータであって、第１の櫛歯型電極１１の外側部において、第１及び第２の電極指１３、１４の電極面に垂直方向に生じる静電引力は、第１の櫛歯型電極１１の中央部において、第１及び第２の電極指１３、１４の電極面に垂直方向に生じる静電引力よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明はアクチュエータに関し、特に、静電駆動方式のアクチュエータに関する。

従来から、半導体製造プロセスを用いた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が知られており、この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、或いは磁気ディスク又は光ディスクのヘッド部などが実用化されている（例えば、特許文献１乃至４参照）。

例えば、特許文献４に開示された薄膜型櫛歯共鳴器は、基板に固定された２つの櫛歯型の固定電極と、固定電極の間に配置された櫛歯型の可動電極と、可動電極を支持する可撓性の支持部とを有し、固定電極及び可動電極の電極指（櫛歯）は互いに噛み合わされている。両電極間に電位差を生じさせることによって、可動電極は支持部に支持されながら電極指の側面に平行な方向に駆動される。

ＭＥＭＳ機構の駆動原理には、静電気による引力が利用される。電極指の側面に垂直な方向に働く静電引力を利用するギャップクロージング方式と、電極指の側面に平行な方向に働く静電引力を利用するコム方式に大別される。特許文献４に開示された薄膜型櫛歯共鳴器は、後者のコム方式を採用している。
特開平０３−２３０７７９号公報 特開平１１−３４１８３４号公報 特表２００２−５１００５９号公報 米国特許第５０２５３４６号明細書（特に、第１乃至第３図参照）

コム方式のアクチュエータにおいて、互いに噛み合う固定電極と可動電極の電極指は一定の距離をおいて交互に配列されている。しかし、可動電極の駆動時に、可動電極が電極指の側面に垂直な方向に変位して、この一定の距離が少しでもずれてしまうと、電極指の側面に垂直な方向にギャップクロージング方式による静電引力が生じて、可動電極が電極指の側面に垂直な方向に吸引されてしまい、故障の原因となる。

電極指の側面に垂直な方向の吸引力は、電極指間の距離の２乗に反比例にして急激に増加するため、電極指の側面に垂直な方向の吸引力を制御することは困難である。

本発明の第１の特徴は、複数の第１の電極指を有する第１の櫛歯型電極と、複数の第１の電極指と噛み合う複数の第２の電極指を有する第２の櫛歯型電極とを備えるアクチュエータであって、第１の櫛歯型電極の外側部における、第１及び第２の電極指の電極面に垂直方向に生じる静電引力は、第１の櫛歯型電極の中央部における、第１及び第２の電極指の電極面に垂直方向に生じる静電引力よりも小さいことを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、複数の第１の電極指を有する第１の櫛歯型電極と、複数の第１の電極指と噛み合う複数の第２の電極指を有する第２の櫛歯型電極とを備えるアクチュエータであって、隣接する第１の電極指と第２の電極指の間隔は、広い部分と狭い部分が交互に繰り返されていることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、複数の第１の電極指を有する第１の櫛歯型電極と、複数の第１の電極指と噛み合う複数の第２の電極指を有する第２の櫛歯型電極とを備えるアクチュエータであって、複数の第１の電極指及び複数の第２の電極指は、第１及び第２の櫛歯型電極の中央部に向かって傾斜していることを要旨とする。

本発明によれば、不要な静電引力を低減させることで可動安定性が高く、可動制御が容易なアクチュエータ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アクチュエータは、可動プレート１５と、可動プレート１５を支持し、一定方向に変位させる可撓な支持アーム１７と、可動プレート１５を一定方向に駆動する駆動部（１１、１２）とを有する。駆動部（１１、１２）は、アクチュエータ全体を支持する基板に固定された第１の櫛歯型電極（以後、「固定電極」という）１１と、可動プレート１５に接続された第２の櫛歯型電極（以後、「可動電極」という）１２とを有する。固定電極１１と可動電極１２は互いに対向して配置されている。固定電極１１は複数の第１の電極指１３と、複数の第１の電極指１３を支持する第１の櫛歯支持アーム１８とを有し、可動電極１２は、複数の第１の電極指１３と噛み合う複数の第２の電極指１４と、複数の第２の電極指１４を支持する第２の櫛歯支持アーム１９とを有する。支持アーム１７の一端は、固定部１６を介して基板に固定されており、支持アーム１７が撓むことにより、可動電極１２を一定方向に変位させることが出来る。ここで、「一定方向」とは、第１及び第２の電極指１３、１４の側面（電極面）に対して平行な方向、即ち「縦方向」を示す。

図２（ａ）は従来技術に係わる第１及び第２の櫛歯型電極の部分を模式的に示し、図２（ｂ）は図１の固定電極１１及び可動電極１２の部分を模式的に示したものである。

図２（ａ）に示すように、第１の櫛歯型電極６１は、互いに平行に配置された複数の第１の電極指６３と、複数の第１の電極指６３を支持する第１の櫛歯支持アーム６８とを有し、第２の櫛歯型電極６２は、互いに平行に配置された複数の第２の電極指６４と、複数の第２の電極指６４を支持する第２の櫛歯支持アーム６９とを有する。隣接する第１の電極指６３の間隔、隣接する第２の電極指６４の間隔は総て等しい。そして、噛み合った状態で隣接する第１の電極指６３と第２の電極指６３の間隔も総て等しい。つまり、第１の櫛歯型電極６１の外側部において隣接する第１の電極指６３と第２の電極指６３の間隔と、第１の櫛歯型電極６１の中央部において隣接する第１の電極指６３と第２の電極指６３の間隔は、等しい。

これに対して、図２（ｂ）に示すように、固定電極１１の外側部において隣接する第１の電極指１３の間隔は、固定電極１１の中央部において隣接する第１の電極指１３の間隔よりも広く、可動電極１２の外側部において隣接する第２の電極指１４の間隔は、可動電極１２の中央部において隣接する第２の電極指１４の間隔よりも広い。したがって、固定電極１１の外側部において隣接する第１の電極指１３と第２の電極指１３の間隔は、固定電極１１の中央部において隣接する第１の電極指１３と第２の電極指１３の間隔よりも広い。

電極指１３、１４の側面（電極面）に垂直な方向の静電引力（吸引力）は、電極指間の距離の２乗に反比例にして急激に増加するため、固定電極１１の外側部において第１及び第２の電極指１３、１４の電極面に垂直方向（横方向）に生じる静電引力Ｆ’は、固定電極１１の中央部において横方向に生じる静電引力よりも小さくなる。

固定電極１１及び可動電極１２に対して任意の力Ｆが加わった時に固定電極１１及び可動電極１２に働くトルクはＮ＝ｒ×Ｆで表される。ｒはトルクが加わる位置のアクチュエータ中心（可動プレート１５）からの距離を示す。つまり、トルクＮが大きければアクチュエータが回転しやすくなり短絡故障の原因となる。しかし、隣接する電極指間隔が外側ほど広くなる構造であれば、アクチュエータ全体に働くトルクＮが減少し、回転し難くなる。

このように、不要な横方向への吸引力が減少するため、可動電極１２の横方向への変位に対する安定性、特に回転方向に対する安定性が向上し、隣接する電極指間のショートを回避できる。

（第１の変形例）
第１の実施の形態では、隣接する電極指間の距離を中央部と外側部とで変化させることにより、横方向の静電引力を変化させたが、第１及び第２の電極指が噛み合う長さを変化させることによっても、横方向の静電引力を変化させることができる。

第１の実施の形態の第１及び第２の変形例では、第１及び第２の電極指が噛み合う長さを変化させることによって、横方向の静電引力を変化させる２つのアクチュエータについて図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して説明する。

図３（ａ）に示すように、複数の第１の電極指１３の長さは互いに等しく、複数の第２の電極指１４の長さも互いに等しい。第１の櫛歯支持アーム１８は、直線状又は平面状であり、可動電極１２の可動方向ａ１に対して垂直に配置されている。一方、第２の櫛歯支持アーム１９は、可動電極１２の中央部、つまり可動プレート１５が接続されている部分において固定電極１１側へ折れ曲がった形状を有する。

したがって、固定電極１１の外側部における第１の櫛歯支持アーム１８と第２の櫛歯支持アーム１９の距離は、固定電極１１の中央部における第１の櫛歯支持アーム１８と第２の櫛歯支持アーム１９の距離よりも長くなる。よって、複数の第１の電極指１３の先端は直線状に配置されるが、複数の第２の電極指１４の先端は、第２の櫛歯支持アーム１９と同様にして、可動電極１２の中央部において固定電極１１側へ折れ曲がって配置される。

したがって、複数の第１の電極指１３と複数の第２の電極指１４が噛み合っている時に、固定電極１１の外側部における第１及び第２の電極指１３、１４が噛み合う長さは、固定電極１１の中央部における第１及び第２の電極指１３、１４が噛み合う長さよりも短くなる。

よって、電極指１３、１４の側面（電極面）に垂直な方向の静電引力（吸引力）は、第１及び第２の電極指１３、１４が噛み合う長さが長くなるほど増加するため、固定電極１１の外側部において第１及び第２の電極指１３、１４の電極面に垂直方向（横方向）に生じる静電引力Ｆ’は、固定電極１１の中央部において横方向に生じる静電引力よりも小さくなる。

このように、不要な横方向への吸引力が減少するため、可動電極１２の横方向への変位に対する安定性、特に回転方向に対する安定性が向上し、隣接する電極指間のショートを回避できる。

図３（ｂ）は、可動電極１２を縦方向ａ１に変位させた時の縦方向の吸引力の変化を示す。従来の櫛歯構造の場合、初期の変位時に急激な縦方向の吸引力が生じて稼動しているのに対して、図３（ａ）に示す新規構造の場合、初期の変位時に縦方向の吸引力は緩やかに立上がる。したがって、第１の変形例に係わるアクチュエータによれば、変位初期の縦方向の吸引力が緩やかに立上り、初期の縦方向変位時に過剰な応力が働かないため、アクチュエータの初期動作が安定する。

（第２の変形例）
図４に示すように、複数の第１の電極指１３の長さは互いに等しい。しかし、固定電極１１の外側部における複数の第２の電極指１４の長さは、固定電極１１の中央部における複数の第２の電極指１４の長さよりも短い。なお、第１の櫛歯支持アーム１８及び第２の櫛歯支持アーム１９は、それぞれ直線状又は平面状の形状を有し、可動電極１２の可動方向ａ２に対して垂直に配置されている。

よって、第１の変形例と同様に、複数の第１の電極指１３の先端は直線状に配置されるが、複数の第２の電極指１４の先端は、可動電極１２の中央部において固定電極１１側へ折れ曲がって配置される。したがって、複数の第１の電極指１３と複数の第２の電極指１４が噛み合っている時に、固定電極１１の外側部における第１及び第２の電極指１３、１４が噛み合う長さは、固定電極１１の中央部における第１及び第２の電極指１３、１４が噛み合う長さよりも短くなる。

よって、電極指１３、１４の側面（電極面）に垂直な方向の静電引力（吸引力）は、第１及び第２の電極指１３、１４が噛み合う長さが長くなるほど増加するため、固定電極１１の外側部において第１及び第２の電極指１３、１４の電極面に垂直方向（横方向）に生じる静電引力Ｆ’は、固定電極１１の中央部において横方向に生じる静電引力よりも小さくなる。

このように、不要な横方向への吸引力が減少するため、可動電極１２の横方向への変位に対する安定性、特に回転方向に対する安定性が向上し、隣接する電極指間のショートを回避できる。

図３（ｂ）に示したように、図４に示す新規構造の場合、初期の変位時に縦方向の吸引力は緩やかに立上がる。したがって、第２の変形例に係わるアクチュエータによれば、変位初期の縦方向の吸引力が緩やかに立上り、初期の縦方向変位時に過剰な応力が働かないため、アクチュエータの初期動作が安定する。

（第２の実施の形態）
図５（ａ）は、図２（ａ）のアクチュエータの電極指が噛み合った状態において、第２の櫛歯型電極を横方向ａ３に移動させた場合を示す。櫛歯電極に液体が付加されていた状態では、櫛歯間隔の狭いところほど電極指に働く表面張力が大きい。よって、図５（ａ）の従来構造では、微小変位方向ａ３に対して、櫛歯全体に一様に表面張力が働くことにより、櫛歯全体がスティキングする。

そこで、図５（ｂ）に示すように、本発明の第２の実施の形態に係わるアクチュエータにおいて、隣接する第１の電極指１３と第２の電極指１４の間隔は、広い部分と狭い部分が交互に繰り返されている。これにより、両側に第２の電極指１４が比較的近接して表面張力が大きくなる第１の電極指１３と、両側の第２の電極指１４が遠く離れて表面張力が小さくなる第１の電極指１３とが、交互に繰り返されることになる。局所的に表面張力が大きくなる部分と小さくなる部分が出てきてアクチュエータ全体としてキャンセルされるため、櫛歯全体がスティキングすることが無くなる。よって、アクチュエータの信頼性と歩留まりが向上する。

（第３の実施の形態）
図６に示すように、本発明の第３の実施の形態に係わるアクチュエータは、複数の第１の電極指１３を有する固定電極１１と、複数の第１の電極指１３と噛み合う複数の第２の電極指１４を有する可動電極１２とを備える。複数の第１の電極指１３及び複数の第２の電極指１４は、固定電極１１及び可動電極１２の中央部、つまり可動プレート１５が固定電極１１に接続された部分に向かって傾斜している。従来のコム型アクチュエータにおいて、複数の第１の電極指１３及び複数の第２の電極指１４の電極面は、横方向ａ４（駆動方向に対して垂直な方向）に垂直に向いている。

これに対して、第３の実施の形態では、複数の第１の電極指１３及び複数の第２の電極指１４の配置方向を、駆動方向（縦方向）に対して傾斜させている。これにより、アクチュエータの駆動時において、固定電極１１及び可動電極１２の中央部に向かった方向ａ４に吸引力が働く。この吸引力が復元力として働くので、横ぶれに強い構造となる。即ち、不要な静電引力を低減させることで可動安定性が高くなり、可動制御が容易となる。

（第４の実施の形態）
図７に示すように、本発明の第４の実施の形態に係わる光スイッチは、図１に示したアクチュエータと、可動プレート１５を介して可動電極１２に接続された光学部材（例えば、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（例えば、光ファイバ２４ａ〜２４ｄ）とを備える。具体的には、図１に示したアクチュエータの可動プレート１５の一端にミラー２３が接続され、ミラー２３の近傍に光ファイバ２４ａ〜２４ｄの一端が配置されている。光ファイバ２４ａと光ファイバ２４ｄは一直線上に配置され、光ファイバ２４ｂと光ファイバ２４ｃは一直線上に配置されている。また、光ファイバ２４ａとミラー２３との成す角度は、光ファイバ２４ｂとミラー２３との成す角度と等しく、光ファイバ２４ｃとミラー２３との成す角度は、光ファイバ２４ｄとミラー２３との成す角度と等しい。

その他の構成は、図１のアクチュエータと同じであり、説明を省略する。また、固定電極１１及び可動電極１２の形状及び固定電極１１及び可動電極１２の各電極指１３、１４の形状は、図２（ｂ）、図３（ａ）、図４、図５（ｂ）、或いは図６の何れであっても構わない。

可動電極１２が変位していない定常状態において、光ファイバ２４ａから入射した光は、ミラー２３によって反射されて光ファイバ２４ｂへ出射される。光ファイバ２４ｃから入射した光は、ミラー２３によって反射されて光ファイバ２４ｄへ出射される。また、可動電極１２が変位した状態において、光ファイバ２４ａから入射した光は、ミラー２３によって反射されずに光ファイバ２４ｄへ出射される。光ファイバ２４ｃから入射した光は、ミラー２３によって反射されずに光ファイバ２４ｂへ出射される。このようにして、２×２の光スイッチが実現される。

第４の実施の形態に係わる光スイッチは、第１乃至第３の実施の形態に係わるアクチュエータを用いることにより、動作の安定性が高く、容易に動作を制御することが出来る。

（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。

アクチュエータの他の実施の形態として、図２（ｂ）、図３（ａ）、図４、図５（ｂ）、及び図６を組み合わせてアクチュエータを構成しても構わない。例えば、図２（ｂ）と図４とを組み合わせて、櫛歯型電極の外側に行くほど電極指の間隔が広がり、同時に第２の電極指１４が短くなっても構わない。そのほか、これに限定されること無く、様々な組み合わせが可能である。

本発明の第１乃至第４の実施の形態では、第１及び第２の櫛歯型電極１１、１２の何れか一方が基板に対して固定された固定電極である例について説明した。しかし、第１及び第２の櫛歯型電極の双方が基板に対して変位し得る可動電極であっても構わない。この例においても、同様な作用効果を得ることが出来る。

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。

本発明の第１乃至第３の実施の形態に係わるアクチュエータの全体構成を示す平面図である。 図２（ａ）は従来技術に係わる第１及び第２の櫛歯型電極の部分を模式的に示した平面図であり、図２（ｂ）は図１の第１及び第２の櫛歯型電極の部分を模式的に示した平面図である。 図３（ａ）は第１の実施の形態の第１の変形例に係わるアクチュエータを模式的に示した平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のアクチュエータの可動変位量と可動方向の吸引力との関係を示すグラフである。 第１の実施の形態の第２の変形例に係わるアクチュエータを模式的に示した平面図である。 図５（ａ）は図２（ａ）のアクチュエータの電極指が噛み合った状態において、第２の櫛歯型電極が横方向ａ３に微小変位した場合を示す平面図であり、図５（ｂ）は本発明の第２の実施の形態に係わるアクチュエータを模式的に示した平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係わるアクチュエータを模式的に示した平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係わる光デバイスの一例としての光スイッチの全体構成を示す平面図である。

符号の説明

１１、６１…第１の櫛歯型電極（固定電極）
１２、６２…第２の櫛歯型電極（可動電極）
１３、６３…第１の電極指
１４、６４…第２の電極指
１５…可動プレート
１６…固定部
１７…支持アーム
１８、６９…第１の櫛歯支持アーム
１９、６９…第２の櫛歯支持アーム
２３…ミラー
２４ａ〜２４ｄ…光ファイバ

Claims (7)

1. 複数の第１の電極指を有する第１の櫛歯型電極と、
   前記複数の第１の電極指と噛み合う複数の第２の電極指を有する第２の櫛歯型電極とを備え、
   前記第１の櫛歯型電極の外側部における、前記第１及び第２の電極指の電極面に垂直方向に生じる静電引力は、前記第１の櫛歯型電極の中央部における前記静電引力よりも小さいことを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記第１の櫛歯型電極の外側部における、隣接する前記第１の電極指と前記第２の電極指の間隔は、前記第１の櫛歯型電極の中央部における前記間隔よりも広いことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記複数の第１の電極指と前記複数の第２の電極指が噛み合っている時に、前記第１の櫛歯型電極の外側部における前記第１及び第２の電極指が噛み合う長さは、前記第１の櫛歯型電極の中央部における前記長さよりも短い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. 前記複数の第１の電極指の長さは互いに等しく、前記複数の第２の電極指の長さは互いに等しく、前記第１の櫛歯型電極は、前記複数の第１の電極指を支持する第１の櫛歯支持アームを有し、前記第２の櫛歯型電極は、前記複数の第２の電極指を支持する第２の櫛歯支持アームを有し、前記第１の櫛歯型電極の外側部における前記第１の櫛歯支持アームと前記第２の櫛歯支持アームの距離は、前記第１の櫛歯型電極の中央部における前記距離よりも長いことを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
5. 前記第１の櫛歯型電極は、前記複数の第１の電極指を支持する第１の櫛歯支持アームを有し、前記第２の櫛歯型電極は、前記第１の櫛歯支持アームに並行に配置された、前記複数の第２の電極指を支持する第２の櫛歯支持アームを有し、
   前記複数の第１の電極指の長さは互いに等しく、前記第１の櫛歯型電極の外側部における前記複数の第２の電極指の長さは、前記第１の櫛歯型電極の中央部における前記複数の第２の電極指の長さよりも短いことを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
6. 複数の第１の電極指を有する第１の櫛歯型電極と、
   前記複数の第１の電極指と噛み合う複数の第２の電極指を有する第２の櫛歯型電極とを備え、
   隣接する前記第１の電極指と前記第２の電極指の間隔は、広い部分と狭い部分が交互に繰り返されていることを特徴とするアクチュエータ。
7. 複数の第１の電極指を有する第１の櫛歯型電極と、
   前記複数の第１の電極指と噛み合う複数の第２の電極指を有する第２の櫛歯型電極とを備え、
   前記複数の第１の電極指及び前記複数の第２の電極指は、前記第１及び第２の櫛歯型電極の中央部に向かって傾斜していることを特徴とするアクチュエータ。

Images