JP2009274158A - 微細可動デバイス及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主アクチュエータや駆動回路の簡素化を可能とし、また外部から供給する電圧を下げることができるようにする。
【解決手段】基体上に、可動部（可動子４２）と、その可動部に連結されて双安定動作をする変形部材（ヒンジ４１）と、可動部を駆動する主アクチュエータとを備え、その主アクチュエータによって可動部が２つの安定状態間を変位する微細可動デバイスにおいて、変形部材にその２つの安定状態の間に存在するエネルギー障壁を一時的に下げるエネルギー障壁低下手段を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は基体上に、可動部と、その可動部に連結されて双安定動作をする変形部材と、可動部を駆動するアクチュエータとを備え、そのアクチュエータによって可動部が２つの安定状態間を変位する構成とされた微細可動デバイス及びその駆動方法に関する。

図５はこの種の微細可動デバイスの従来例として、特許文献１に記載されている微細可動デバイスの構成を示したものであり、この例では微細可動デバイスは光スイッチを構成している。

基板１０の上面１０ａにはファイバ溝２１が十字状に形成され、十字状のファイバ溝２１により４分割された１つの領域が駆動体形成部２２とされる。駆動体形成部２２にはこれを２分するように、十字状をなすファイバ溝２１の中心部２１ａと連通してロッド溝２３が形成され、ロッド溝２３の他端は駆動体形成部２２に形成された凹部２４に連通されている。

ロッド溝２３には可動ロッド２５が配され、可動ロッド２５の中心部２１ａ側の一端にはミラー２６が設けられている。可動ロッド２５の他端側は凹部２４内に延伸され、凹部２４内に位置する可動ロッド２５の両側の各２箇所には変形Ｓ字状をなすヒンジ（板ばねヒンジ）２７ａ〜２７ｄがそれぞれ連結され、これらヒンジ２７ａ〜２７ｄによって可動ロッド２５はその延伸方向に変位自在に駆動体形成部２２に支持されている。

ヒンジ２７ａ，２７ｂと２７ｃ，２７ｄとの間において櫛歯型の静電アクチュエータが設けられ、その可動櫛歯電極２８が可動ロッド２５の両側に固定され、可動櫛歯電極２８のヒンジ２７ｃ，２７ｄ側とヒンジ２７ａ，２７ｂ側とにそれぞれ第１固定櫛歯電極３１及び第２固定櫛歯電極３２が設けられている。可動櫛歯電極２８は可動ロッド２５の両側に突設延伸された支持アーム３３のそれぞれ両側に形成されており、第１、第２固定櫛歯電極３１，３２はそれぞれ凹部２４内の固定部３４，３５に固定支持されている。

上記のような構成を有する光スイッチはＳＯＩ基板を用いて作製されており、即ち基板１０はＳＯＩ基板とされる。なお、図５Ｂにおける１１はＳＯＩ基板の中間絶縁層を示し、１２，１３はそれぞれ単結晶シリコンよりなるハンドル層及びデバイス層を示す。

各構成要素はデバイス層１３をエッチングすることによって形成されており、可動ロッド２５、ミラー２６、ヒンジ２７ａ〜２７ｄ、可動櫛歯電極２８及び支持アーム３３といった可動体は、その下の中間絶縁層１１がエッチング除去されて可動可能とされている。図５Ａ中、３６ａ〜３６ｄはファイバ溝２１に挿入固定された光ファイバを示す。

ヒンジ２７ａ〜２７ｄは双安定動作をするものとされ、即ち２つの異なる安定状態（安定な屈曲状態）をとることができる。例えば、この光スイッチの作製初期状態（第１安定状態）において、図５Ａに示したようにミラー２６が中心部２１ａに位置するものとする。この時、例えば光ファイバ３６ａから出射した光はミラー２６によって反射されて光ファイバ３６ｂに入射し、光ファイバ３６ｄから出射した光はミラー２６によって反射されて光ファイバ３６ｃに入射する。

支持アーム３３、可動ロッド２５、ヒンジ２７ａ〜２７ｄを介して可動櫛歯電極２８と電気的に接続されている駆動体形成部２２及び第２固定櫛歯電極３２を接地した状態で第１固定櫛歯電極３１に電圧を印加すれば、第１固定櫛歯電極３１と可動櫛歯電極２８との間に静電吸引力が働き、その力が第１安定状態の保持力よりも大きい場合、ヒンジ２７ａ〜２７ｄは第２安定状態に反転し、その電圧を絶ってもその状態で自己保持される。この時、図６に示したようにミラー２６は中心部２１ａから退避した状態となり、光ファイバ３６ａ，３６ｄからの各出射光は光ファイバ３６ｃ，３６ｂにそれぞれ入射される。

駆動体形成部２２及び第１固定櫛歯電極３１を接地した状態で第２固定櫛歯電極３２に電圧を印加すれば、第２固定櫛歯電極３２と可動櫛歯電極２８との間に静電吸引力が働き、その力が第２安定状態の保持力よりも大きい場合、ヒンジ２７ａ〜２７ｄは反転し、再び第１安定状態に戻り、このようにして光路の切り替えが行われるものとなっている。
特開２００５−１３４８９５号公報

上述したように、従来の微細可動デバイスは２つの安定した屈曲状態をとりうるヒンジによって可動部（可動ロッド）を支持しており、静電アクチュエータに電圧を印加し、その静電吸引力により可動部を駆動してヒンジの屈曲状態を反転させることにより、可動部が２つの安定状態間を変位し、印加電圧を解除してもその状態を保持するものとなっている。

しかるに、このような双安定動作をするヒンジには、その２つの安定状態の間に、ヒンジの反力が最大となるエネルギー障壁が存在しており、２つの安定状態を行き来するためにはこのエネルギー障壁を超えなければならない。そのため、このような双安定な動作をする変形部材を備えた微細可動デバイスでは大きな駆動力を発生するアクチュエータが必要となり、よって例えばアクチュエータの複雑化や外部から供給する電圧の増大、アクチュエータにエネルギー（電圧）を供給する回路等の大型化・複雑化を招くものとなっていた。

この発明の目的はこのような問題に鑑み、アクチュエータに必要とされる駆動力を下げることができ、よってアクチュエータやアクチュエータを駆動する回路の簡素化を図ることができ、外部からの供給電圧を下げることができるようにした微細可動デバイスを提供することにあり、さらにその駆動方法を提供することにある。

請求項１の発明によれば、基体上に可動部と、その可動部に連結されて双安定動作をする変形部材と、可動部を駆動する主アクチュエータとを備え、その主アクチュエータによって可動部が２つの安定状態間を変位する微細可動デバイスにおいて、変形部材にその２つの安定状態の間に存在するエネルギー障壁を一時的に下げるエネルギー障壁低下手段が設けられる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、エネルギー障壁低下手段は変形部材の可動部に連結されていない側の端部を一時的に変位させる第２のアクチュエータよりなるものとされる。

請求項３の発明では請求項２の発明において、変形部材は座屈型のヒンジとされ、そのヒンジの可動部に連結されていない側の端部は両端を固定された板ばね状のばね部の腹に連結されており、そのばね部の腹のヒンジが連結されている側とは反対側に可動平板電極が連結され、その可動平板電極と対向して固定平板電極が設けられ、第２のアクチュエータは可動平板電極と固定平板電極とで構成される並行平板型の静電アクチュエータとされる。

請求項４の発明によれば、変形部材の２つの安定状態の一方が他方よりも相対的に高いエネルギーをもつような請求項１記載の微細可動デバイスの駆動方法は、変形部材のエネルギーの高い安定状態から低い安定状態に可動部を変位させる際には、主アクチュエータを動作させず、エネルギー障壁低下手段によるエネルギー障壁の一時的な低下だけで変位させるものとする。

この発明によれば、可動部を駆動する主アクチュエータに必要とされる駆動力を下げることができる。従って、主アクチュエータや主アクチュエータを駆動する回路の簡素化を図ることができ、また外部から供給する電圧を下げることができ、これらの点でコストダウンを図ることが可能となる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明による微細可動デバイスの一実施例の要部構成を示したものであり、この例では微細可動デバイスは図５に示した従来の微細可動デバイスと同様、光スイッチを構成するものとなっている。

双安定動作をし、２つの安定状態をとりうる変形部材は図５と同様、変形Ｓ字状をなす座屈型の板ばね状のヒンジ４１とされ、この例では一対のヒンジ４１が可動部をなす可動子４２の両側にそれぞれ連結され、これら一対のヒンジ４１によってロッド状の可動子４２はその延伸方向に変位自在に支持されている。可動子４２の先端にはミラー４３が形成されている。

可動子４２は櫛歯型の静電アクチュエータによって駆動されるものとなっており、可動子４２の後端側の両側に突設延伸された支持アーム４４のそれぞれ両側に可動櫛歯電極４５が形成され、可動子４２の変位方向（延伸方向）において可動櫛歯電極４５を挟むように第１固定櫛歯電極４６及び第２固定櫛歯電極４７が設けられている。

各ヒンジ４１の可動子４２に連結されている一端側と反対側の他端部は、板ばね状のばね部５１の腹（延伸方向中央）に連結されている。ばね部５１は可動子４２の変位方向に延伸されており、両端は固定部５２にそれぞれ連結固定されている。

ばね部５１の腹のヒンジ４１が連結されている側とは反対側には連結部５３を介して可動平板電極５４が連結されており、この可動平板電極５４と所定の間隙を介して対向するように固定平板電極５５が設けられている。これら可動平板電極５４と固定平板電極５５によって並行平板型の静電アクチュエータが構成されている。なお、両端が固定部５２に支持されたばね部５１はその延伸方向と直交する方向に変形する（撓む）ものとなっているが、双安定動作をするヒンジ４１から受ける力によっては変形を起こさない剛性を有するものとされる。

上記のような構成を有する光スイッチは、図５に示した従来の光スイッチと同様、中間絶縁層を介して単結晶シリコンよりなるハンドル層、デバイス層が接合されてなるＳＯＩ基板を用いて作製することができる。各構成要素はデバイス層をエッチングすることによって形成され、基体をなすハンドル層上に位置される。ヒンジ４１、可動子４２、ミラー４３、支持アーム４４、可動櫛歯電極４５、ばね部５１、連結部５３及び可動平板電極５４といった可動体は、その下の中間絶縁層がエッチング除去されて可動可能とされる。

次に、この光スイッチの駆動方法について説明する。なお、可動櫛歯電極４５は支持アーム４４、可動子４２、ヒンジ４１、ばね部５１を介して固定部５２と電気的に接続されており、また可動平板電極５４は連結部５３、ばね部５１を介して固定部５２と電気的に接続されている。固定部５２は接地される。

図１に示した第１の安定状態において、第１固定櫛歯電極４６に電圧を印加すると、第１固定櫛歯電極４６と可動櫛歯電極４５間の静電吸引力により、図１中に矢印で示した第２方向への駆動力が発生する。ヒンジ４１の屈曲状態が反転し、第２の安定状態となるためには、変形中のヒンジ４１の最大反力以上の駆動力が必要であり、このヒンジ４１の反力は屈曲したヒンジ形状により発生する。

そこで、第１固定櫛歯電極４６への電圧印加（ヒンジ変形開始）と同時に、あるいは第１固定櫛歯電極４６に電圧を印加する前後に、固定平板電極５５に電圧を印加すると、固定平板電極５５と可動平板電極５４間の静電吸引力により、図１における右側の可動平板電極５４には矢印で示した第３方向に、左側の可動平板電極５４には矢印で示した第４方向に駆動力が発生し、これによりばね部５１がそれぞれ変形してヒンジ４１を引っ張り、ヒンジ４１をほぼ直線化させる。

このヒンジ４１の直線化により可動子４２は第２方向へ移動し、同時にこのヒンジ４１の直線化によりヒンジ４１の反力が低下するため、第１固定櫛歯電極４６に印加する電圧が従来より低くても、つまり従来より小さな駆動力で可動子４２は図２に示したような中間状態まで移動する。

次に、第１固定櫛歯電極４６に電圧を印加したまま、固定平板電極５５への印加電圧を解除する（固定平板電極５５を接地する）。並行平板型の静電アクチュエータの駆動力が消滅し、ばね部５１が元の直線状態に戻る。ばね部５１が直線状態に復帰することにより、ヒンジ４１は押され（圧縮力が加わり）、屈曲する。この屈曲により可動子４２を第１方向か第２方向のどちらかへ押し出そうとするが、第１固定櫛歯電極４６による第２方向への駆動力が発生しているため、可動子４２は第２方向へ移動する。その結果、可動子４２とヒンジ４１は図３に示した第２の安定状態となり、第１固定櫛歯電極４６への印加電圧を解除しても、その状態を保持する。

このようにして、この例では第１の安定状態から第２の安定状態への駆動が行われる。なお、第２の安定状態から第１の安定状態への駆動は、上記第１の安定状態から第２の安定状態への駆動方法における第１固定櫛歯電極４６への電圧印加を、第２固定櫛歯電極４７への電圧印加に置き替える（読み替える）ことにより行われる。

以上、説明したように、この例では可動子４２を駆動する櫛歯型静電アクチュエータ（主アクチュエータ）とは別に、ヒンジ４１の可動子４２に連結されていない側の端部を一時的に変位させる並行平板型静電アクチュエータ（第２のアクチュエータ）を具備するものとなっており、この第２のアクチュエータによってヒンジ４１の２つの安定状態の間に存在するエネルギー障壁を、可動子４２が変位する際に一時的に下げることができるものとなっている。これにより、この例では主アクチュエータに必要とされる駆動力を下げることができ、よって主アクチュエータや主アクチュエータを駆動する回路の簡素化を図ることができ、また外部からの供給電圧を下げることができ、これらの点でコストダウンを図ることが可能となる。

ここで、具体的数値例に基づいて説明する。
各ヒンジ４１の長さを１ｍｍとし、また図４中に示した各部の寸法を下記とする。

ヒンジ４１の幅 ：Ｗ_１＝２μｍ
ばね部５１の長さ：Ｌ_２＝３０２μｍ
ばね部５１の幅 ：Ｗ_２＝４μｍ
連結部５３の幅 ：Ｗ_３＝５μｍ
可動平板電極５４・固定平板電極５５の対向幅：Ｗ_４＝３００μｍ
可動平板電極５４・固定平板電極５５間の間隙： Ｇ ＝１．５μｍ
なお、これらヒンジ４１、ばね部５１、連結部５３及び可動平板電極５４の厚さ（高さ）はＳＯＩ基板のデバイス層厚＝１００μｍとなっている。

ヒンジ４１及び第２のアクチュエータである並行平板型静電アクチュエータの仕様を上記とし、今、仮りに並行平板型静電アクチュエータを動作させず、つまり従来と同様、主アクチュエータである櫛歯型静電アクチュエータのみを動作させて、図１の第１の安定状態から図３の第２の安定状態に可動子４２を変位させる場合、第１固定櫛歯電極４６に印加する電圧は６５Ｖ以上の大きさの電圧が必要となる。

これに対し、並行平板型静電アクチュエータを動作させる場合、固定平板電極５５への印加電圧５０Ｖで、ヒンジ４１のばね部５１に連結されている端部を最大０．８μｍ変位させることができ（図２中、変位をｘで示す）、これによって第１の安定状態から第２の安定状態に可動子４２を変位させるために必要な第１固定櫛歯電極４６への印加電圧を５０Ｖ以下に低減することができた。

静電アクチュエータの駆動回路には、従来においては例えば基本電圧２７Ｖを整数倍する昇圧回路を利用しており、従来は回路寸法が大きく、パッケージの障害となっていた３倍昇圧（８１Ｖ）回路が必要であったのに対し、この例では上述したように駆動電圧を５０Ｖ以下にすることができ、よって小寸法でパッケージに有利な２倍昇圧（５４Ｖ）回路の採用が可能となった。

以下、図１に示した光スイッチを駆動する場合の、上述した方法とは異なる駆動方法について説明する。
例えば、光スイッチを図１に示した第１の安定状態を初期状態として作製した場合、第１の安定状態ではヒンジ４１にストレスはほとんど存在していないが、双安定となる第２の安定状態ではヒンジ４１が初期状態（第１の安定状態）から変形しているため、ストレスを内包している。即ち、第１の安定状態より第２の安定状態の方が高いエネルギーを内包している。従って、双安定な２つの安定状態の間に存在するエネルギー障壁を取り除いてやれば、可動子４２はより低いエネルギー状態である第１の安定状態に自発的に変位することになる。

この例では屈曲したヒンジ４１によりエネルギー障壁が形成されており、ヒンジ４１の直線化によりエネルギー障壁を取り除くことができる。つまり、第２の安定状態において固定平板電極５５に電圧を印加すると、ばね部５１が変形してヒンジ４１を引っ張り、ヒンジ４１が直線化する。これにより、可動子４２は図２に示した中間状態に変位すると共に、エネルギー障壁が取り除かれ、次いで固定平板電極５５への印加電圧を解除すると、ばね部５１が直線状態に復帰し、ヒンジ４１が屈曲して可動子４２はよりエネルギーの低い第１の安定状態へと変位する。

このように、この駆動方法によれば、第２の安定状態から第１の安定状態に変位させる際に、第２固定櫛歯電極４７への電圧印加が不要となり、あるいは印加電圧が極めて小さくて済む。第２固定櫛歯電極４７への電圧印加が不要の場合には、第２固定櫛歯電極４７自体が不要となり、これによりデバイスの小型化を図ることができ、また電圧を与える制御の簡素化を図ることができる。さらに、第２固定櫛歯電極４７に対応する可動櫛歯電極４５が不要となるため、可動子４２（可動体）の軽量化を図ることができ、その点で耐衝撃性を向上することができる。

以上、光スイッチを例に説明したが、この発明による微細可動デバイスは、双安定動作をする変形部材で可動部を支持して、可動部を２つの位置のいずれかに選択的に位置させ、自己保持させる構造の各種デバイスに適用することができ、一例をあげればリレーデバイス等に適用することができる。

この発明による微細可動デバイスの一実施例の要部構成を示す平面図。 図１に示した微細可動デバイスが駆動され、第１の安定状態から第２の安定状態に変位する途中の中間状態を示す平面図。 図１に示した微細可動デバイスの変位後の状態（第２の安定状態）を示す平面図。 図１に示した微細可動デバイスが備える第２のアクチュエータを拡大して示した平面図。 微細可動デバイスの従来構成例を示す図、Ａは平面図、ＢはそのＣＣ断面図。 図５に示した微細可動デバイスが駆動され、第１の安定状態から第２の安定状態に変位した後の状態を示す平面図。

Claims (4)

1. 基体上に、可動部と、その可動部に連結されて双安定動作をする変形部材と、可動部を駆動する主アクチュエータとを備え、その主アクチュエータによって可動部が２つの安定状態間を変位する微細可動デバイスにおいて、
   前記変形部材に、その２つの安定状態の間に存在するエネルギー障壁を一時的に下げるエネルギー障壁低下手段が設けられていることを特徴とする微細可動デバイス。
2. 請求項１記載の微細可動デバイスにおいて、
   前記エネルギー障壁低下手段は、前記変形部材の前記可動部に連結されていない側の端部を一時的に変位させる第２のアクチュエータよりなることを特徴とする微細可動デバイス。
3. 請求項２記載の微細可動デバイスにおいて、
   前記変形部材は座屈型のヒンジとされ、
   そのヒンジの前記可動部に連結されていない側の端部は両端を固定された板ばね状のばね部の腹に連結されており、
   そのばね部の腹の前記ヒンジが連結されている側とは反対側に可動平板電極が連結され、
   その可動平板電極と対向して固定平板電極が設けられ、
   前記第２のアクチュエータは前記可動平板電極と前記固定平板電極とで構成される並行平板型の静電アクチュエータとされていることを特徴とする微細可動デバイス。
4. 前記変形部材の２つの安定状態の一方が他方よりも相対的に高いエネルギーをもつような請求項１記載の微細可動デバイスを駆動する方法であって、
   前記変形部材のエネルギーの高い安定状態から低い安定状態に前記可動部を変位させる際には、前記主アクチュエータを動作させず、前記エネルギー障壁低下手段によるエネルギー障壁の一時的な低下だけで変位させることを特徴とする微細可動デバイスの駆動方法。

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