JP2006340531A - Actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はアクチュエータに関し、特に、微小電気機械システムによる光デバイスに用いられるアクチュエータに関する。 The present invention relates to an actuator, and more particularly to an actuator used in an optical device using a microelectromechanical system.
光デバイスの1つである光スイッチは主として、機械式、導波路式、微小電気機械システム(micro-electro-mechanical system:MEMS)式の3つに区別される。この中でMEMS式は、半導体プロセスで形成されるマイクロマシニング技術を用いることにより、光導波路、ミラー及び駆動機構を1つのシリコンチップ上に一体形成することができる。また、光通信に使用される光ファイバのコア径は9μmと小さく、MEMS式はサイズとコストの面から光スイッチへの応用が期待されてきた。 An optical switch which is one of optical devices is mainly classified into three types: a mechanical type, a waveguide type, and a micro-electro-mechanical system (MEMS) type. Among these, in the MEMS type, the optical waveguide, the mirror, and the driving mechanism can be integrally formed on one silicon chip by using a micromachining technology formed by a semiconductor process. Moreover, the core diameter of the optical fiber used for optical communication is as small as 9 μm, and the MEMS type has been expected to be applied to an optical switch in terms of size and cost.
ところで、入射光をミラーの位置に依存して選ばれた方向へ選択的に変調させる空間光変調器が従来から知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1において、ミラーは捩りトーションバーによって基板に支持されている。ミラーの駆動原理には、静電気による引力が利用されている。2枚の電極間の面方向引力を利用する方式と、相対して配置された櫛歯型電極の面平行方向の引力を利用する方式に大別される。長ストロークを得るには後者の方式が優れている。
上述したミラーの静電駆動方式では、変位を大きくするために電極間のギャップを広げると、静電引力が小さくなるため必要な駆動力の確保が困難となる。よって、消費電力の大きな圧電方式や電磁方式にならざるを得ない。 In the mirror electrostatic drive system described above, if the gap between the electrodes is widened in order to increase the displacement, the electrostatic attractive force becomes small, and it becomes difficult to ensure the necessary drive force. Therefore, it is necessary to use a piezoelectric method or an electromagnetic method with large power consumption.
本発明は、変位量が大きく且つ位置精度が高い静電駆動方式を用いたアクチュエータを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an actuator using an electrostatic drive system with a large amount of displacement and high positional accuracy.
本発明の特徴は、基板と、前記基板に固定された固定電極と、前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極に対して変位可能な可動電極と、前記基板に固定された軸により支持され、前記可動電極に形成された穴に挿入された連結柱を有する揺動可能な可動板とを備えるアクチュエータであって、前記連結柱により可動電極の変位に連動して可動板が揺動することである。 A feature of the present invention is that a substrate, a fixed electrode fixed to the substrate, a movable electrode disposed opposite to the fixed electrode and displaceable with respect to the fixed electrode, and a shaft fixed to the substrate And an oscillatable movable plate having a connecting column inserted into a hole formed in the movable electrode, the movable plate oscillating in conjunction with the displacement of the movable electrode by the connecting column. It is to be.
本発明によれば、変位量が大きく且つ位置精度が高い静電駆動方式を用いたアクチュエータを提供することが出来る。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the actuator using the electrostatic drive system with a large displacement amount and high position accuracy can be provided.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.
<第1の実施の形態>
図1(a)は、本発明の第1の実施の形態に係るアクチュエータを用いたチルトミラーデバイスを示す平面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A切断面に沿った断面図である。図1(a)において、可動板4及び連結柱5を省略して記載している。
<First Embodiment>
Fig.1 (a) is a top view which shows the tilt mirror device using the actuator based on the 1st Embodiment of this invention, FIG.1 (b) is AA cut surface of Fig.1 (a). FIG. In FIG. 1A, the
図1(a)及び図1(b)に示すように、本発明の第1の実施の形態に係るアクチュエータは、基板に固定された導電性の固定電極2a、2bと、固定電極2a、2bに対向して配置された可動電極1と、基板に固定された軸により支持され、可動電極1に形成された穴3に挿入された連結柱5を有する揺動可能な可動板4とを備える。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the actuator according to the first embodiment of the present invention includes conductive
固定電極2a、2b及び可動電極1は、それぞれ櫛歯型電極である。固定電極2a、2bの櫛歯は、互いに対向して配置され、可動電極1は、固定電極2a、2bの間に配置されている。可動電極1の櫛歯は電極の両側に形成されており、固定電極2a及び固定電極2bに対して静電引力が形成される。対向する櫛歯は互いに噛み合うようにして配置され、櫛歯の方向に平行に生じる静電引力により可動電極1を揺動させる。可動電極1の中央部分には、所定の大きさの穴3が形成されている。
The
固定電極2a、2bは、可動電極1を駆動させるものであればよく、必ずしも固定されていなくてもよい。例えば、この出願の出願人による先願(特開2005−96069号公報)に開示された第1及び第2の側電極は、自らが可動することでラッチ機能を実現しているが、固定電極2a、2bは、第1及び第2の側電極を含む概念である。
The
図1(b)に示すように、可動板4は、固定電極2a、2b及び可動電極1よりも上層に配置されている。可動板4は平板状の形状を有し、その中央部分においてトーションバネ等の軸を介して基板に固定されている。可動板4は、その中央部分から可動電極1の穴3に向けて伸ばされた連結柱5を備える。連結柱5は、穴3に接続或いは勘合されている。また、可動板4は、軸が捩れることにより、当該軸を中心として回転方向に変位することが出来る。
As shown in FIG. 1B, the
具体的には、図1(c)に示すように、可動電極1と固定電極2a、2bとの間に所定の電圧を印加することにより静電引力を加えて、可動電極1を固定電極2bの方へ水平方向に変位させると、穴3に挿入されている連結柱5が可動電極1から水平方向に応力を受け、可動板4は中心部分の軸を中心として時計回りの方向に角度θで傾動する。
Specifically, as shown in FIG. 1 (c), an electrostatic attractive force is applied by applying a predetermined voltage between the
図1(d)に示すように、可動電極1と固定電極2a、2bとの間に逆極性の電圧を印加することにより逆方向の静電引力を加えて、可動電極1を固定電極2bの方へ変位させると、穴3に挿入されている連結柱5が可動電極1から水平方向に応力を受け、可動板4は中心部分の軸を中心として逆時計回りの方向に角度−θで傾動する。このようにして可動電極1と可動板4は連動する。
As shown in FIG. 1 (d), a reverse polarity voltage is applied between the
なお、図2に示すように、可動電極1は、可撓性のあるヒンジ8a、8bの一端に接続され、ヒンジ8a、8bの他端は、基板に固定された固定部7a、7bに接続されている。電極間に生じる静電引力により、ヒンジ8a、8bが撓み、図2の矢印の方向に可動電極1が駆動される。
As shown in FIG. 2, the
また、可動電極1及び固定電極2a、2bは、図1(a)のように櫛歯型の形状を有しているものに限定されることは無く、図2に示すように、平板状の形状であっても構わない。この場合、平板間に生じる静電引力により可動電極1が駆動される。
Further, the
また、可動板4の表面は、光の反射率が高い処理が施されていてもよい。つまり、ミラー面を形成していてもよい。この場合、可動板4が反射板として機能することが出来る。
Further, the surface of the
以上説明したように、基板に固定された軸により支持され、可動電極1に形成された穴3に挿入された連結柱5を備える揺動可能な可動板4を備え、連結柱5により可動電極1の変位に連動して可動板4が揺動する。これにより、可動電極1の水平方向の駆動力を、可動板4の回転方向の運動に変換して、可動板4を傾動させることが出来る。したがって、効率的にアクチュエータの静電引力を伝導し、低消費電力で大きな変位が可能となる。
As described above, the
固定電極2a、2bと可動電極1は、それぞれ櫛歯型電極である。これにより、大きな静電引力を発生することが出来、可動電極1及び可動板4のより大きな変位が可能となる。なお、櫛歯の数の増減によって静電引力を所望値に制御することが出来る。
The
<実施例>
チルトミラーデバイスの具体的な寸法を図1及び図3(a)を参照して説明する。可動電極1及び固定電極2aは、互いに噛み合う櫛歯を有する。なお、固定電極2bとの間でもどうような構成を備えるため、図示及び説明を省略する。デバイスの横長さwm、デバイスの縦長さlm、ヒンジ8の長さl、ヒンジ8の幅w、可動板4の厚さtm、可動板4の基板からの高さtp、可動板4の最大傾きθ、櫛歯の長さlc、櫛歯の間隔gc、櫛歯の幅wcは、以下のとおりである。
<Example>
Specific dimensions of the tilt mirror device will be described with reference to FIG. 1 and FIG. The
wm=7000μm
lm=5000μm
l=10000μm
w=10μm
tm=18μm
tp=220μm
θ=20deg
lc=85μm
gc=4.5μm
wc=3μm
また、ヒンジ8の幅wが10μm及び20μmである時の、ヒンジ8の厚さとミラー動作推力との関係を図3(b)に示す。動作可能範囲はおよそ150μN以下であって、ヒンジ8の幅wが10μmの時の厚さは約18μm以下、ヒンジ8の幅wが20μmの時の厚さは約12μm以下である。
wm = 7000μm
lm = 5000μm
l = 10000μm
w = 10μm
tm = 18μm
tp = 220μm
θ = 20deg
lc = 85 μm
gc = 4.5μm
wc = 3μm
FIG. 3B shows the relationship between the thickness of the hinge 8 and the mirror operation thrust when the width w of the hinge 8 is 10 μm and 20 μm. The operable range is about 150 μN or less, the thickness when the width w of the hinge 8 is 10 μm is about 18 μm or less, and the thickness when the width w of the hinge 8 is 20 μm is about 12 μm or less.
<第2の実施の形態>
第1の実施の形態で述べたチルトミラーデバイスにおいて、可動電極1が稼動している時に、可動板4に当接して、可動板4が傾動した状態で位置決めすることが出来るストッパを備えていても構わない。
<Second Embodiment>
The tilt mirror device described in the first embodiment includes a stopper that can contact the
即ち、図4(a)及び図4(b)に示すように、チルトミラーデバイスは、可動電極1が変位した時に可動板4と当接することにより、可動板4が揺動する角度を定めるストッパ9a、9bを更に備えていてもよい。ストッパ9a、9bは、図4(b)では基板上に形成されているが、可動板4の下に形成されていても構わない。
That is, as shown in FIGS. 4A and 4B, the tilt mirror device is a stopper that determines an angle at which the
図1(c)に示したように、可動電極1と固定電極2a、2bとの間に印加された静電引力によって、可動電極1を固定電極2bの方へ水平方向に変位させると、穴3に挿入されている連結柱5が可動電極1から水平方向に応力を受け、可動板4は中心部分の軸を中心として時計回りの方向に角度θで傾動する。角度θで傾動した状態で、可動板4の右端はストッパ9aと当接し、可動板4の位置が保持される。
As shown in FIG. 1C, when the
図1(d)に示したように、可動電極1と固定電極2a、2bとの間に印加された静電引力によって、可動電極1を固定電極2aの方へ水平方向に変位させると、穴3に挿入されている連結柱5が可動電極1から水平方向に応力を受け、可動板4は中心部分の軸を中心として時計回りの方向に角度−θで傾動する。角度−θで傾動した状態で、可動板4の左端はストッパ9bと当接し、可動板4の位置が保持される。
As shown in FIG. 1D, when the
以上説明したように、可動電極1が変位した時に可動板4と当接することにより、可動板4が揺動する角度を定めるストッパ9a、9bを更に備えることにより、精密な位置決め、特に精密な可動板4の傾斜角度θの設定が可能となる。
As described above, when the
なお、ここでは、可動板4と当接するストッパ9a、9bについて例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。これ以外でも、例えば、可動電極1が変位した時に可動電極1と当接するストッパを備えていても構わない。この場合も、可動板4と当接するストッパ9a、9bと同様に、可動電極1の精密な位置決め、ひいては可動板4の精密な位置決めが可能となるという効果が得られる。
In addition, although illustrated about the
次に、図5(a)〜図5(h)を参照して、図4(a)及び図4(b)のチルトミラーデバイスの製造方法を説明する。 Next, a manufacturing method of the tilt mirror device shown in FIGS. 4A and 4B will be described with reference to FIGS.
(イ)先ず、図5(a)に示すように、単結晶シリコンからなる基板11の表面に所定の形状を有するエッチングマスク12を形成する。
(A) First, as shown in FIG. 5A, an
(ロ)エッチングマスク12を介して、基板11の表面に対して異方性エッチング処理を施し、エッチングマスク12が形成されていない基板11を選択的に除去する。所定深さまで掘り終り溝が形成された後、エッチングを終了し、図5(b)に示すように新たなエッチングマスク13を溝の底面に形成する。
(B) An anisotropic etching process is performed on the surface of the
(ハ)エッチングマスク12及び13を用いて、更に異方性エッチング処理を継続し、図5(c)に示すように、可動板4及び連結柱5を作成する。そして、図5(d)に示すように、表裏面を反転させる。
(C) The anisotropic etching process is further continued using the etching masks 12 and 13, and the
(ニ)一方、これとは別に、図5(e)に示すように、上層15、中間層16、下層17からなるSOI基板を用意して、所定の形状を有するエッチングマスク14を上層15の上に形成する。エッチングマスク14を介して、上層15の表面に対して異方性エッチング処理を施し、エッチングマスク14が形成されていない上層15を選択的に除去する。その後、エッチングマスク14を除去する。これにより、図5(f)に示すような可動電極1及び固定電極2a、2bを有するアクチュエータの一部が形成される。
(D) On the other hand, as shown in FIG. 5E, an SOI substrate comprising an
(ホ)図5(g)に示すように、これら2つの構造物を接合する。図5(h)に示すように、基板11及び上層15及び下層17に対する中間層16のエッチングレートが高いエッチング液を用いて、ウェットエッチング処理を施し、可動電極1及び固定電極2a、2bに相当する上層15を、下層17(基板10)から分離する。以上の工程により、図4(a)及び図4(b)に示したチルトミラーデバイスが完成する。
(E) As shown in FIG. 5G, these two structures are joined. As shown in FIG. 5H, wet etching is performed using an etching solution having a high etching rate of the
このように、2つの基板を重ね合わせて接合することにより、可動板4の連結柱5と可動電極1の穴3とが接続或いは嵌合される。可動板4とアクチュエータ部分とを別の基板を用いて製造することにより、各構造体の製造歩留まりが向上する。
In this way, the two substrates are overlapped and joined, whereby the connecting
<第3の実施の形態>
第1の実施の形態で述べたチルトミラーデバイスにおいて、固定電極2a、2b及び可動電極1上に形成されたラッチ部であって、ラッチ部は、可動電極1が静止している時に互いに嵌合して、固定電極2a、2bと可動電極1とを位置決めするようにしても構わない。ラッチ部は、この出願の出願人による先願(特開2005−96069号公報)に開示されたラッチ部と同じ機能を備える。
<Third Embodiment>
In the tilt mirror device described in the first embodiment, a latch portion formed on the fixed
即ち、固定電極2a、2bと可動電極1は、それぞれ、静止時の可動電極1の状態を保持するラッチ部を備えていても構わない。可動電極1が駆動している時にラッチ部が勘合することで可動電極1を変位した状態で自己保持することが出来る。例えば、図2のヒンジ8a、8bが撓んだ状態においてラッチ部が勘合することで、可動/固定電極間に電位差を印加していなくても、ヒンジ8a、8bが撓んだ状態、即ち可動電極1を変位した状態を維持することが出来る。
That is, each of the fixed
<第4の実施の形態>
第1の実施の形態で述べたチルトミラーデバイスにおいて、可動板4及び基板上に形成されたラッチ部であって、当該ラッチ部は、可動板4が傾動している状態で嵌合して、可動板4と可動電極1とを位置決めするようにしても構わない。
<Fourth embodiment>
In the tilt mirror device described in the first embodiment, the latch part is formed on the
即ち、可動板4は、静止している状態を保持するラッチ部を備えていても構わない。
That is, the
これにより、可動板4が傾動した時の傾斜角度が決定され、所定の傾斜角度で静止させることが出来る。よって、可動/固定電極間に電位差を印加していなくても、可動板4を自己保持させることが出来る。
Thereby, the inclination angle when the
(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。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to fourth embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
第1乃至第5の実施の形態で述べたチルトミラーデバイスにおいて、連結柱5と穴3の接触部は、点接触又は線接触であることが望ましい。これにより、可動電極1及び可動板4が駆動する時に、連結柱5と穴3の接触部は、面接触ではなく、点接触又は線接触となるため、連結柱5と穴3の接触部の固着を回避することが出来る。
In the tilt mirror device described in the first to fifth embodiments, the contact portion between the connecting
各構造体に対してSAMコーティングなどの撥水処理を施しても構わない。この場合、各構造体の表面に単分子層が被膜されるため、表面エネルギーが低下して固着し難くなる。よって、連結柱5と穴3の接触部、ストッパ9a、9b、及びラッチ部の固着を回避することが出来る。
Each structure may be subjected to water repellent treatment such as SAM coating. In this case, since the monomolecular layer is coated on the surface of each structure, the surface energy is lowered and it is difficult to fix. Therefore, the contact portion between the connecting
可動板4の表面に金属をコートしても構わない。反射率の高い金属を平坦な可動板4の表面に被膜することにより、入射する光を可動板4の状態に応じて所望の角度で反射することが出来、反射型の空間光変調器として実用化することが出来る。なお、使用する光の波長に応じてコートする金属の種類を選択することが望ましい。
A metal may be coated on the surface of the
可動板4の表面に回折格子を形成しても構わない。この場合、回折格子のピッチを所定の値に設計することにより、回折格子に入射した光を分光することが出来る。このようにRGBに対応したミラーを可動板4上に形成することにより、単板でカラー投影が可能となる。
A diffraction grating may be formed on the surface of the
可動板4或いは可動電極1に光学部品を接続することにより、上述したアクチュエータを用いた光デバイスを実現することが出来る。ここでの「光学部品」には、入射した光を反射させる反射面を備えるミラーや、上述した回折格子、プリズム、その他、入射した光に対して何らかの処理を加え、その結果を出力光として放出するものが含まれる。ミラーの場合、レーザ光などの入射光の光路を切り替えることが出来る。これにより、上述したアクチュエータが備える特徴を生かして、大きな面積を備える光学部品を大きく変位させることが出来る。よって、大きなビーム径の光を扱うことが出来るようになり、しかも、駆動角度が大きいので、多ポートの光デバイスを提供することが出来る。
By connecting an optical component to the
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。 Thus, it should be understood that the present invention includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from this disclosure.
本発明は、光通信に使用される光デバイスにおける、光路切換を行う光スイッチに利用することができる。 The present invention can be used for an optical switch that performs optical path switching in an optical device used for optical communication.
1…可動電極
2a、2b…固定電極
3…穴
4…可動板
5…連結柱
7a、7b…固定部
8a、8b…ヒンジ
9a、9b…ストッパ
10、11…基板
12〜14…エッチングマスク
15…上層
16…中間層
17…下層
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記基板に固定された固定電極と、
前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極に対して変位可能な可動電極と、
前記基板に固定された軸により支持され、前記可動電極に形成された穴に挿入された連結柱を有する揺動可能な可動板とを備え、
前記連結柱により可動電極の変位に連動して可動板が揺動することを特徴とするアクチュエータ。 A substrate,
A fixed electrode fixed to the substrate;
A movable electrode disposed opposite the fixed electrode and displaceable with respect to the fixed electrode;
A swingable movable plate supported by a shaft fixed to the substrate and having a connecting column inserted into a hole formed in the movable electrode;
An actuator characterized in that the movable plate swings in conjunction with the displacement of the movable electrode by the connecting column.
Priority Applications (1)
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- 2005-06-03 JP JP2005163631A patent/JP2006340531A/en active Pending
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