JP2014036540A

JP2014036540A - アクチュエータ

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Publication number: JP2014036540A
Application number: JP2012177884A
Authority: JP
Inventors: Mitsumasa Nakajima; 光雅中島; Hiroshi Kuwabara; 啓桑原; Yoshito Jin; 好人神
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-24
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: JP5798094B2

Abstract

【課題】電極部を高密度に配置しても故障を防ぐことができるアクチュエータを提供する。
【解決手段】第２の梁部材３２は、その両端が第１の梁部材３１および第３の梁部材３３で固定されている。これにより、第２の梁部材３２の剛性が高くなるので、外乱や製造誤差が発生しても第２の梁部材の変位を小さくすることができ、第２の梁部材３２および固定電極２を高密度に配置しても故障することを防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシン技術による静電力により動作するアクチュエータに関するものである。

近年、ＬＳＩの製造技術を応用したマイクロマシン技術の進歩により、様々な形態のマイクロマシンが開発されている。例えば、固定電極で発生させた静電力により可動電極を駆動させることで、電力を機械的な運動に変換する微細なアクチュエータがある（特許文献１，２および非特許文献１〜３を参照。）。例えば、このようなアクチュエータを用いて微細なミラーを駆動するミラー素子がある。このミラー素子を用いることで、光スイッチが実現できる。

このアクチュエータは、図８に示すように、いわゆる櫛歯状の固定電極部８０１および可動電極部８０２を備える。このアクチュエータは、固定電極部８０１に電圧を印加して静電引力を生じさると、固定電極部８０１の側に可動電極部８０２が引き寄せられる。このため、櫛歯状の固定電極部８０１および可動電極部８０２を高密度に設けると、多数の電極間で静電引力が働くので、低い電圧でもアクチュエータを駆動させることが可能となる。

特開２０１０−１８５９３１号公報特開２００５−０４３６７４号公報

Norinao Komura et al.、FISHBONE-SHAPED VERTICAL COMBACTUATOR FOR DUAL-AXIS 1-D ANALOG MICRO MIRROR ARRAY、2E4.132、p.980-983、TRANSDUCERS'05, The 13th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Seoul, Korea, June 5-9, 2005 Jin-che Tsai and Ming C. Wu、Gimbal-Less MEMS Two-Axis Optical Scanner Array With High Fill-Factor、JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, Vol. 14, NO.6, DECEMBER 2005、p.1323-1328 Jin-che Tsai and Ming C. Wu、Design, Fabrication, and Characterization of a High Fill-Factor, Large Scan-Angle, Two-Axis Scanner Array Driven by a Leverage Mechanism、JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, Vol. 15, NO.5, OCTOBER 2006、p.1209-1213

しかしながら、電極部を高密度に設けると、電極部、特に、可動電極部の厚さが薄くなり、その剛性が低下するので、可動電極部が固定電極部に近づいた状態になると、図９に示すように、電圧印加時などに可動電極部が固定電極部に衝突するプルインという現象が生じて、短絡故障してしまうことがあった。

そこで、本発明は、電極部を高密度に配置しても故障を防ぐことができるアクチュエータを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係るアクチュエータは、基板上に設けられた固定電極と、基板上方に配設され、基板に対して垂直な方向に移動可能に支持された可動電極とを備えたアクチュエータであって、固定電極は、基板に平行な第１の方向に所定間隔離間して配設された板状の複数の電極部材からなり、可動電極は、第１の方向に延在する第１の梁部材と、第１の方向に直交し、かつ、基板に平行な第２の方向に延在し、一端が第１の梁部材に固定され、第１の方向に所定間隔離間して設けられた複数の第２の梁部材と、第１の方向に延在し、第２の梁部材の他端が固定された第３の梁部材とから構成され、電極部材と第２の梁部材とは、第１の方向に沿って互い違いに配置されていることを特徴とするものである。

上記アクチュエータにおいて、少なくとも１つの第２の梁部材は、他の第２の梁部材よりも第１の方向の幅が大きいようにしてもよい。
ここで、少なくとも一つの第２の梁部材は、第１の方向の幅ｔ１が他の第２の梁部材における第１の方向の幅ｔ２よりも大きく、かつ、全ての第２の梁部材の数量をＮ１、幅が大きい第２の梁部材の本数をＮ２としたときに、（ｔ１／ｔ２）＜（７（Ｎ１／Ｎ２））^1/3を満たすように形成されているようにしてもよい。

本発明によれば、第２の梁部材の両端を第１の梁部材および第３の梁部材で固定することにより第２の梁部材の剛性が高くなるので、可動電極の変形を小さくすることができ、結果として、第２の梁部材および固定電極を高密度に配置しても故障することを防ぐことができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータの構成を模式的に示す斜視図である。図２は、図１の要部平面図である。図３は、静電引力と許容製造誤差についてのシミュレーション結果を示す図である。図４は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータの変形例を示す平面図である。図５は、第１の変位モードを説明するための図である。図６は、第２の変位モードを説明するための図である。図７は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータの他の変形例を示す平面図である。図８は、従来の櫛歯型アクチュエータの構成を模式的に示す斜視図である。図９は、従来の櫛歯型アクチュエータにおける短絡故障を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１，図２に示すように、本実施の形態に係るアクチュエータは、基板１と、この基板１上に配設された複数の固定電極２と、この固定電極２上方に配設され、上下方向に移動可能に支持された可動電極３とを備えている。

固定電極２は、板状に形成され、基板１上において互いに平行かつ所定間隔離間して基板１の平面方向に沿った第１の方向に一列に立設されている。このような固定電極２は、導電性を有する材料からなる。また、固定電極２には、基板１上面などに配設された配線が接続されており、この配線を介して外部回路から電圧が印加される。なお、この配線は、基板１を貫通する構造としてもよい。

可動電極３は、第１の梁部材３１と、第２の梁部材３２と、第３の梁部材３３とからなり、全体として平面視略梯子状に形成されている。具体的には、第１の方向に延在する第１の梁部材３１と、一端が第１の梁部材３１に固定され、基板１の平面方向に沿いかつ第１の方向に直交する第２の方向に延在し、第１の方向に所定間隔離間して設けられた複数の第２の梁部材３２と、第１の方向に延在し、第２の梁部材３２の他端が固定された第３の梁部材３３とから構成されている。このような可動電極は、例えばシリコンから構成される。

第１の梁部材３１は、例えば直方体状に形成されており、一側面には、第２の梁部材３２の一端が、第１の方向に所定間隔離間して固定されている。その一側面と反対側の第１の梁部材３１の他側面は、支持構造体３４により支持されている。この支持構造体３４は、第１の梁部材３１に連結する部分がばね部として機能する。これにより、ばね部に続く可動電極３が上下方向に変位可能となっている。

第２の梁部材３２は、直方体状に形成されており、一端が第１の梁部材３１に固定され、他端が第３の梁部材３３に固定されている。このような第２の梁部材３２は、鉛直上方から見たとき、第１の方向において、固定電極２と互い違いに配設されている。すなわち、第１の方向における両端部を除く第２の梁部材３２は、隣り合う固定電極２の間に配設されている。なお、その両端部の第２の梁部材３２は、第１の方向における一方の側のみにおいて固定電極２と隣り合っている。

第３の梁部材３３は、直方体状に形成されている。第３の梁部材３３は、第１の梁部材３１と略平行に配設されており、第１の梁部材３１と向かい合う一側面に第２の梁部材３２の他端が固定されている。

このようなアクチュエータは、公知のＬＳＩ（Large Scale Integration）製造技術やマイクロマシニング技術によって形成することができる。

本実施の形態に係るアクチュエータは、固定電極２に電圧を印加するか否かにより可動電極３を変位させることができる。具体的には、固定電極２に電圧を印加していない場合、可動電極３は、支持構造体３４により固定電極２上方に支持されている。この状態から固定電極２に電圧を印加すると、発生する静電引力により可動電極３が固定電極２の方に、すなわち、下方に変位する。このとき、固定電極２は、第１の方向において、可動電極３の間に位置することとなる。このように固定電極２の方に変位した状態から固定電極２への電圧の印加を停止すると、可動電極３は、固定電極２により発生していた静電引力が無くなるので、支持構造体３４により上方に移動させられることとなる。

このように駆動させるとき、従来の櫛歯状のアクチュエータでは、電極部を高密度に設けて可動電極部の厚さを薄く形成した場合、可動電極部の剛性、特に、第１の方向（厚さ方向）における剛性が低くなってしまうので、外乱や製造誤差により可動電極部が固定電極部に近づいた状態になると、図７に示すように、電圧印加時に可動電極部が固定電極部に衝突するプルインという現象が生じることがあった。

これに対して、本実施の形態では、第２の梁部材３２の両端が第１の梁部材３１および第３の梁部材３３により固定されているので、従来の場合よりも剛性、特に、第１の方向（厚さ方向）における剛性が高く、第１の方向に移動しにくくなっている。これにより、図２に示すように、外乱や製造誤差により第２の梁部材３２が固定電極２に近づいた状態になっても、第２の梁部材３２が固定電極２の方に移動しにくいので、プルインやこのプルインによる短絡故障を防ぐことができる。この結果、第２の梁部材３２および固定電極２の厚さ、すなわち、第１の方向における長さを小さくして、第２の梁部材３２および固定電極２を高密度に配置することが可能となるので、低電圧で安定した駆動を実現することができる。

図３に、本実施の形態に係るアクチュエータと従来のアクチュエータにおける静電引力と許容製造誤差についてのシミュレーション結果を示す。なお、図３おいて、縦軸は規格化された静電引力、横軸は許容できる製造誤差を示している。

図３に示すように、符号αで示す本実施の形態に係るアクチュエータは、符号βで示す従来のアクチュエータと比較して、製造誤差が同じ場合にかけることができる静電引力が大きくなっている。これは、上述したように、第２の梁部材３２の両端が第１の梁部材３１および第３の梁部材３３により支持されているために剛性が高くなっているので、強い静電引力がかかっても、第２の梁部材３２の変形が小さいためであると考えられる。このように、図３に示すシミュレーション結果から、可動電極３の剛性を高くできることを確認することができた。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第２の梁部材３２の両端を第１の梁部材３１および第３の梁部材３３で固定することにより第２の梁部材３２の剛性が高くなるので、外乱や製造誤差が発生しても第２の梁部材の変位を小さくすることができ、結果として、第２の梁部材３２および固定電極２を高密度に配置しても故障することを防ぐことができる。

なお、本実施の形態では、第２の梁部材３２は、それぞれ同じ厚さを有する場合を例に説明したが、その厚さは第２の梁部材３２毎に変えるようにしてもよい。例えば、図４に示すように、両端に位置する第２の梁部材３２’の厚さ（第１の方向の長さ）を他の第２の梁部材３２よりも大きくするようにしてもよい。これにより、可動電極３の剛性がさらに高まるので、外乱や製造誤差により第２の梁部材３２が固定電極２に近づいた状態になっても、プルインやこのプルインによる短絡故障を防ぐことができる。

両端に位置する第２の梁部材３２’の厚さを大きくしたとき、図５に示すように、第１の梁部材３１と第３の梁部材３３とが第１の方向に離間する方向に変形すると（以下、「第１の変位モード」と言う。）、第２の梁部材３２が第１の方向に引っ張られるように変形するので、第２の梁部材３２が固定電極２に近接してプルインが発生しやすくなってしまう。そこで、図６に示すように、第１の梁部材３１と第３の梁部材３３が第１の方向に移動しない、すなわち、両端に位置する第２の梁部材３２’が変形せず、両端以外の第２の梁部材３２が弓状に変形することが望ましい（以下、「第２の変位モード」と言う。）。この第２の変位モードは、下式（１）を満たすことにより実現することができる。この理由について以下に説明する。なお、下式（１）において、ｔ１は第２の梁部材３２’の厚さ、ｔ２は第２の梁部材３２の厚さ、Ｎは第２の梁部材３２，３２’の数量、Ｎ’は第２の梁部材３２’の数量である。また、以下においては、Ｎ’本の第２の梁部材３２の厚さを他の梁部材３２によりも大きくする場合を例に説明する。

（ｔ１／ｔ２）＞（７（Ｎ／Ｎ’−１））^1/3 ・・・（１）

図５に示すように、第１の梁部材３１と第３の梁部材３３とが第１の方向に離間する第１の変位モードの場合、可動電極３全体のばね定数ｋ１は下式（２）で表すことができる。この下式（２）は、幅を太くした第２の梁部材３２’も他の第２の梁部材３２とともに斜めに変形するという条件で作ったものである。なお、下式（２）において、αは定数項、ｓは可動電極３全体の高さ（上下方向の長さ）、Ｌは第１の梁部材３１から第３の梁部材３３までの距離、Ｅは可動電極３のヤング率である。

ｋ１＝２Ｎ’αｓＥ（ｔ１／Ｌ）³＋（Ｎ−Ｎ’）αｓＥ（ｔ２／Ｌ）³ ・・・（２）

一方、図６に示すように、第１の梁部材３１と第３の梁部材３３が第１の方向に移動しない第２の変位モードの場合、可動電極３全体のばね定数ｋ２は下式（３）で表すことができる。この下式（３）は、幅を太くした第２の梁部材３２’が変形しないという条件で作ったものである。なお、下式（３）において、βは定数項、ｓは可動電極３全体の厚さ（上下方向の長さ）、Ｌは第１の梁部材３１から第３の梁部材３３までの距離、Ｅは可動電極３のヤング率である。

ｋ２＝（Ｎ−Ｎ’）βｓＥ（ｔ２／Ｌ）³ ・・・（３）

ここで、第２の変位モードとなるには、下式（４）を満たす必要がある。

ｋ１＞ｋ２・・・（４）

上式（４）に上式（２）、（３）を代入して整理すると下式（５）が得られる。

（ｔ１／ｔ２）³＞｛（β／α−１）（Ｎ／Ｎ’−１）｝・・・（５）

上式（５）において、β／α≒８となるので、上式（１）を得ることができる。このように、上式（１）を満たすように、第２の梁部材３２および第２の梁部材３２’の厚さ設定することにより、可動電極３を第２の変位モードで変位させることができる。

なお、第２の梁部材３２の厚さを変える位置は両端に限らず、図７に示すように、中央に位置する第２の梁部材３２”の厚さを他の第２の梁部材３２よりも大きくするようにしてもよい。このようにしても、上述した両端の第２の梁部材３２の厚さを変える場合と同様、可動電極３の剛性がさらに高まるので、外乱や製造誤差により第２の梁部材３２が固定電極２に近づいた状態になっても、プルインやこのプルインによる短絡故障を防ぐことができる。

本発明は、マイクロマシン技術により作製された各種アクチュエータに適用することができる。

１…基板、２…固定電極、３…可動電極、３１…第１の梁部材、３２，３２’，３２”…第２の梁部材、３３…第３の梁部材、３４…支持構造体。

Claims

基板上に設けられた固定電極と、前記基板上方に配設され、前記基板に対して垂直な方向に移動可能に支持された可動電極とを備えたアクチュエータであって、
前記固定電極は、前記基板に平行な第１の方向に所定間隔離間して配設された板状の複数の電極部材からなり、
前記可動電極は、
前記第１の方向に延在する第１の梁部材と、
前記第１の方向に直交し、かつ、前記基板に平行な第２の方向に延在し、一端が前記第１の梁部材に固定され、前記第１の方向に所定間隔離間して設けられた複数の第２の梁部材と、
前記第１の方向に延在し、前記第２の梁部材の他端が固定された第３の梁部材と
から構成され、
前記電極部材と前記第２の梁部材とは、前記第１の方向に沿って互い違いに配置されている
ことを特徴とするアクチュエータ。
請求項１記載のアクチュエータにおいて、
少なくとも１つの前記第２の梁部材は、他の前記第２の梁部材よりも前記第１の方向の幅が大きい
ことを特徴とするアクチュエータ。
請求項２記載のアクチュエータにおいて、
少なくとも一つの前記第２の梁部材は、前記第１の方向の幅ｔ１が他の前記第２の梁部材における前記第１の方向の幅ｔ２よりも大きく、かつ、全ての前記第２の梁部材の数量をＮ、幅が大きい第２の梁部材の本数をＮ’としたときに、（ｔ１／ｔ２）＜（７（Ｎ／Ｎ’−１）^1/3を満たすように形成されている
ことを特徴とするアクチュエータ。