JP2014095758A - アクチュエータ及び可変形状ミラー - Google Patents

Abstract

【課題】櫛歯電極を含むアクチュエータやこれを用いる可変形状ミラーにおいて、可動方向へ大きく変位することや不要な方向に変位することによるプルインの発生を抑止した構造を提供する。
【解決手段】アクチュエータは、基板１０１と、該基板に対して可動に設けられた可動部１０２と、可動部を変位可能に基板に支持する３本以上の弾性体１０５と、可動部に支持され基板の面と平行な方向に延出する可動櫛歯電極１０３と、基板に支持され基板の面と平行な方向に延出する固定櫛歯電極１０４を有する。可動櫛歯電極と固定櫛歯電極とは間隔を隔てて交互に噛み合うように配置される。全ての弾性体の各々について、この弾性体１０５の長軸とのなす角が９０度より大きく１８０度以下である該弾性体１０５が１つ以上ある。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータ及びこれを用いた可変形状ミラーに関するものである。

静電引力によって変位させるタイプの可動ミラーは、光を利用した様々な分野への応用が期待されている。例えば、眼底検査装置、天体望遠鏡などに入る補償光学用波面補正デバイスとして利用することが出来る。このような静電引力で変位させる可動ミラーの典型例として、２枚の平行平板電極を使って可動にする手法が挙げられるが、この平行平板型の欠点として可動量が小さいことが挙げられる。

それに対して、より大きな可動量を得ることが出来る櫛歯電極を用いた可変形状ミラーが近年提案されている。その一例が特許文献１に開示されている。図８に示すように、この可変形状ミラーでは、可動側の櫛歯電極５２０を支持する支持部５３０と、固定側の櫛歯電極５１０を支持している支持部５７０が、紙面上ではそれぞれ垂直方向上下に位置している。可動櫛歯電極と固定櫛歯電極は、互いに対向し、かつ間隔を隔てて交互になるように配置されている。これにより、上記平行平板型よりも大きな電極重なり面積が生じるので、櫛歯電極間で発生する静電引力が大きくなり、可動量を大きくすることが出来る。

米国特許第６３８４９５２号

しかしながら、特許文献１に開示されている構造では、可動櫛歯電極の可動方向に固定櫛歯電極とその支持部が配置されている。したがって、可動櫛歯電極に作用する静電引力が、該電極に働くばねの復元力に比べて過大となって、可動側の櫛歯電極が固定側の支持部に衝突するプルイン（引き込み）という現象が起きることがある。よって、この構造では、より大きな可動量を得ることが容易ではない。また、櫛歯電極を使用するため、可動部が櫛歯面と平行な方向以外の不要な方向に変位する成分が大きいと、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極とがプルインする、あるいは接触するということが起こり得る。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものである。その目的は、櫛歯電極を含むアクチュエータやそれを用いる可変形状ミラーにおいて、可動方向へ大きく変位するときにもプルインが起こらない構造、及び不要な方向に変位することによるプルインの発生を抑止する構造を提供することである。

上記課題を解決するための本発明のアクチュエータは以下の構成を採用する。すなわち、基板と、該基板に対して可動に設けられた可動部と、該可動部を前記基板の面に垂直な方向に変位可能に前記基板に支持する３本以上の弾性体と、前記可動部に支持され前記基板の面と平行な方向に延出する可動櫛歯電極と、前記基板に支持され該基板の面と平行な方向に延出する固定櫛歯電極と、を有し、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極とが間隔を隔てて交互に噛み合うように配置されたアクチュエータである。そして、全ての前記弾性体の各々について、該弾性体の長軸とのなす角が９０度より大きく１８０度以下である該弾性体が少なくとも１つあることを特徴とする。

また、上記課題を解決するための本発明の可変形状ミラーは以下の構成を採用する。すなわち、少なくとも１つ以上の上記アクチュエータと、反射面を有するミラー部と、を有し、該ミラー部が、アクチュエータの前記可動部に接続され、アクチュエータを動作させることにより前記ミラー部の形状を変化させることが可能な可変形状ミラーである。

本発明によれば、櫛歯電極を含むアクチュエータやこれを用いる可変形状ミラーにおいて、可動方向へ大きく変位するときにもプルインが起こらない構造、及び不要な方向に変位することによるプルインの発生を抑止する構造を提供することができる。

本発明の実施例１によるアクチュエータを示す斜視図である。 本発明の実施例１によるアクチュエータを示す上面図である。 本発明の実施例１によるアクチュエータの動作を示す断面図である。 本発明の実施例２による可変形状ミラーの一部を示す斜視図である。 本発明の実施例２による可変形状ミラーの動作を示す断面図である。 本発明の実施例３によるアクチュエータを示す上面図である。 本発明の実施例４によるアクチュエータを示す上面図である。 特許文献１に開示されている可変形状ミラーを示す図である。

本発明のアクチュエータ及びこれを用いる可変形状ミラーは、基板の面に垂直な方向に固定櫛歯電極に対して静電引力により変位させられる可動櫛歯電極と共に変位する可動部を、該基板に対して、３本以上の弾性体で支持する。そして、各弾性体について、該弾性体の長軸とのなす角が９０度より大きく１８０度以下である該弾性体が少なくとも１つあることを特徴とする。こうした条件で規定される構成において、基板、該基板に対して可動に設けられた可動部、可動及び固定櫛歯電極、弾性体を具体的な要求に応じて適宜に設計すればよい。こうして、可動方向へ大きく変位することや不要な方向に変位することによるプルインの発生を抑止する構造を容易に実現できる。具体的な構造が後述の実施形態や実施例で説明されているが、勿論、本発明はこれらに限られるものではない。例えば、長軸のなす角が互いに１７８度、９１度、９１度である３本の弾性体で可動部を基板に支持するような構造も可能である。

以下、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係るアクチュエータについて説明する。図１は本実施形態のアクチュエータの斜視図、図２は本実施形態のアクチュエータの上面図である。アクチュエータ１００は、平板状の基板１０１を加工して形成される。可動部１０２は、３本以上（ここでは３本）の弾性体１０５により基板１０１に、該基板の面と垂直な方向に変位可能に支持される。各弾性体１０５は、少なくとも基板１０１の面に垂直な方向に撓むことができる板ばね、ロッド状のバネなどで構成される。可動櫛歯電極１０３は可動部１０２から基板の面に平行な方向に延出する。固定櫛歯電極１０４は基板１０１から基板の面に平行な方向に延出する。可動櫛歯電極１０３と固定櫛歯電極１０４は互いに向き合うように配置され、かつそれぞれの櫛歯が間隔を隔てて交互に並ぶように配置されている。互いに向き合う櫛歯面は、可動部１０２の可動方向に平行に伸びている。

アクチュエータの動作を示す断面図である図３（ａ）に示す様に、櫛歯電極間に電位差を与えていない初期位置において、可動櫛歯電極１０３と固定櫛歯電極１０４との間には基板の面に垂直な方向の段差が形成される。すなわち、櫛歯電極同士は、基板の面に垂直な方向において、重なり合わない部分を持つ。これは、本発明における櫛歯電極が、櫛歯電極同士が静電引力で引かれる時に、重なり合う方向に力が働き変位する現象を利用した方式（可変重なり型）であるためである。

この現象において、櫛歯電極同士が全て重なりあった場合それ以上変位しなくなるので、初期位置では重なり合う部分を少なくし、電圧を印加した時に重なり合う部分を増大させる必要がある。可動櫛歯電極１０３と固定櫛歯電極１０４は電気的に分離されており、可動櫛歯電極１０３と固定櫛歯電極１０４の間に電圧をかけることにより、可動櫛歯電極１０３と固定櫛歯電極１０４との間隔が保たれたまま、可動部１０２が基板の面に垂直な方向に変位する。可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の間に電位差を与えた時に働くｚ方向（基板の面に垂直な方向）の静電引力Ｆｚは以下の式（１）で表わされる。
Ｆｚ＝［（ε_０・Ｎ・ｈ）／（２ｇ）］・（Ｖｍ−Ｖｆ）^２ （１）

ここで、ε_０：真空の誘電率、Ｎ：櫛歯電極間間隔の数、ｈ：可動櫛歯電極と固定櫛歯電極のオーバーラップ長、Ｖｍ：可動櫛歯電極の電位、Ｖｆ：固定櫛歯電極の電位、ｇ：櫛歯電極間間隔の幅である。

まず図３（ａ）に示した電圧印加直後の状態のように、可動櫛歯電極１０３と固定櫛歯電極１０４の間に電位差を与えることにより静電引力が発生し、電極同士が互いに引き合う。これにより、可動櫛歯電極１０３と固定櫛歯電極１０４とが引き付け合うが、櫛歯面が対面する方向に関しては左右、概ね均等に静電引力を受けるので、基板の面に垂直な方向に変位することになる。続いて図３（ｂ）に示すような釣り合い状態となる。すなわち、弾性体１０５の復元力と、可動部１０２を変位させた静電引力が釣り合う位置で、可動櫛歯電極１０３が停止する。続いて可動櫛歯電極１０３と固定櫛歯電極１０４の間の電位差を０にすると、弾性体１０５の復元力により可動櫛歯電極１０３は初期位置にまで戻る。図３に示すように、櫛歯電極同士間で静電引力が発生して引き合っても、いずれの櫛歯電極も他の櫛歯電極に接続された部材と衝突することがない。

上記特許文献１で示す構造では可動櫛歯電極の可動方向である基板面と垂直な方向に櫛歯電極と支持部が配置されている。そのため、可動櫛歯電極が変位する際、櫛歯電極の先端面と支持部の面で静電引力が発生して静電引力がばねの復元力に比べて過大となった時にプルインが生じ櫛歯電極と支持部が衝突することがあり得る。しかし本実施形態の構造によれば、可動櫛歯電極の可動方向である基板の面と垂直な方向に支持部が配置されていないので、プルインが発生しない。つまり、本実施形態の構造であれば、静電引力が働いた時でも両方の櫛歯電極が衝突せずにすれ違うことができる。従って、プルインは発生せず、電極のショートが起こることもない。

本実施形態はまた、基板の面に垂直な方向以外の不要な変位を抑制するための構造を備える。基板の面に垂直な方向以外の不要な変位とは、基板の面に平行な面内２方向の並進と、基板に平行な面内の回転と、基板に平行な軸まわりの回転２成分である。任意の向きで噛み合う可動櫛歯電極と固定櫛歯電極１組について考えると、特に問題となる不要方向は、櫛歯電極面と垂直な方向への並進と、櫛歯電極面に垂直な軸回りの回転以外の回転成分である。これらの方向の変位が大きくなると、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極とがプルインする、あるいは接触する問題が生じる。

可動部を支持する複数の弾性体の長軸が一致している場合、長軸まわり回転のばね定数が小さくなり、不要方向である弾性体の長軸まわりの回転が起こり易くなる。特に、低電圧で駆動する目的で平板状の弾性体の厚さを小さくするのは限界があるため、弾性体の幅を細くすると、ねじりなどの不要モードのバネ定数も小さくなる。また、全ての弾性体が、可動部を含む基板の面内の軸で分割したときの片側に集中している場合、全体を１つのカンチレバーと見なせるため、カンチレバーの撓みが起こり易くなる。この撓みは、基板の面に垂直な方向の変位以外の方向、すなわち不要方向の変位成分を含む。以上を鑑み、本発明では、可動部が３本以上の弾性体で支持され、かつ、全ての弾性体の各々について、その長軸とのなす角が９０度より大きく１８０度以下である該弾性体が少なくとも１つある構造とする。ここで、弾性体の長軸とは基板側の固定端の中央と、可動部側の固定端の中央とを結んだ線と考えて良い。

また、本実施形態は、可動部の不要方向の変位を低減するための別の構造を備える。可動部の大きさが小さいと、不要な回転方向の変位が起こり易くなる。しかしながら、他方、可動部の大きさを大きくすると、重量が大きくなるために固有振動数を下げ、高速応答に関して課題が生ずる。すなわち、不要方向変位の抑制と高速応答性にはトレードオフの関係がある。本実施形態では可動部の重量を必要最小限にとどめつつ、不要な回転方向変位を抑制するために、可動部に、本体部から延出する延出部を設け、延出部に弾性体の端部を接続する。これにより、同じ本数の弾性体を延出部無しで接続する場合に比べ、複数の弾性体の端部間の距離を大きくできるため、不要な回転方向の変位を抑制することが可能となる。

また、本実施形態は、小型のアクチュエータで低電圧駆動・大ストロークを実現するための構造を備える。低電圧駆動で高ストロークを実現するためには、第１に、可動櫛歯電極及び固定櫛歯電極の櫛歯の本数を多くすることである。１枚の櫛歯電極の寸法が同じ場合は、可動櫛歯及び固定櫛歯の本数が多いほど静電引力の発生力が大きくなり大きな変位が可能となる。第２に、弾性体の可動方向のばね定数が小さいことである。ばね定数が小さいと同じ駆動電圧での可動部の変位が大きくなる。しかしながら、上記２項目は双方とも相応の面積を必要とするため、アクチュエータを高密度で配置するなど小型にする必要がある場合は実現が容易ではない。本実施形態では上記２項目を実現するために可動部に延出部を設け、延出部に可動櫛歯電極を形成する。これにより、弾性体の長さを確保し（これにより弾性体の可動方向のばね定数を小さくできる）、かつ、櫛歯の本数を増大させることが出来る。

上記実施形態では、発明の要旨を逸脱しない範囲内において、様々に変形や修正が施されてもよい。

以下、より具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
本実施例は、本発明によるアクチュエータの一態様である。実施例１によるアクチュエータを、図１及び図２を用いて説明する。図１は実施例１によるアクチュエータの斜視図、図２は実施例１によるアクチュエータの上面図である。アクチュエータ１００は、シリコンよりなる基板１０１を加工して形成される。可動部１０２は、３本の弾性体１０５により基板１０１に支持される。弾性体１０５は、基板１０１に絶縁層１１２を介して形成されたシリコンよりなる弾性体層１１３を加工して形成される。３本の弾性体１０５の長手方向の長軸が互いになす角は１２０度である。本実施例の構造により、基板に垂直な方向のばね定数が同じで長軸方向が重なった２本の弾性体で支持する場合の長軸まわりの回転ばね定数と比較し、本実施例の任意の弾性体の長軸まわりの回転に関するばね定数は約５０倍となる。これにより、不要方向の回転を抑制する効果が得られる。

可動部１０２に形成された隣接する２本の弾性体１０５の端部の間には、可動部１０２から基板の面に平行な方向に延出した可動櫛歯電極１０３が形成される。固定櫛歯電極１０４は基板１０１から基板の面に平行な方向に延出する。可動櫛歯電極１０３と固定櫛歯電極１０４は互いに向き合うように配置され、かつそれぞれの櫛歯が交互に並ぶように配置されている。可動櫛歯電極１０３と固定櫛歯電極１０４は、マスク層１１１をエッチングマスクとしてドライエッチングにより形成することができる。

本実施例においては、可動部１０２が６箇所の延出部１０６を有する構造とし、延出部１０６にも可動櫛歯電極１０３を形成した。これにより、弾性体の長さが同じで延出部を持たない場合と比較し、同じストロークを得るための駆動電圧を約半分にできた。本実施例のアクチュエータの動作は図３を用いて前述したとおりである。

（実施例２）
本実施例は、本発明による可変形状ミラーの一態様である。実施例２による可変形状ミラーを、図４及び図５を用いて説明する。図４は実施例２による可変形状ミラーの一部を示す斜視図、図５は実施例２による可変形状ミラーの動作を示す図である。本実施例による可変形状ミラーでは、基板１０１に、実施例１によるアクチュエータ１００を複数二次元に配置する。それぞれのアクチュエータ１００は接続部１２１を介して１枚のミラー部１２０に接続される。

それぞれのアクチュエータ１００の構造及び動作原理は実施例１に示すものと同様である。本実施例の可変形状ミラーは、各アクチュエータ１００の可動部１０２が個別に変位することにより所望の形状を得ることが出来る。これにより、ミラー部１２０の反射面の所望の位置で反射する光の光路長を変化させることが出来るので、波面補正デバイスとして使用可能である。

本実施例では、複数のアクチュエータ１００に接続された１枚のミラー部１２０を有するタイプを示したが、複数のアクチュエータ１００のそれぞれに接続部１２１を介して１枚ずつ反射面をもつミラー部を接続したタイプも可能である。これにより、各アクチュエータ部で反射する光の光路長を変化させることが出来るので、波面補正デバイスとして使用可能である。

（実施例３）
本実施例は、本発明によるアクチュエータの一態様である。実施例３によるアクチュエータの上面図を図６に示す。構成要素は実施例１で示した図１のタイプと同一であるため、その詳しい説明は省略する。アクチュエータの動作は図３を用いて前述したとおりである。

本実施例の配置は、１軸上の２本の板ばねで可動部を支持する構造を、板ばねの長手方向にそれぞれ分割して角度を変えて取り付けた形に相当する。各１本の弾性体１０５の長手方向の長軸が他の弾性体の長軸となす角度は、３０度、１５０度、１８０度である。本実施例の構造により、２本の板ばねの場合と比較し、図６の櫛歯面に垂直な軸まわりの回転に関するばね定数が約２０倍となり、可動部の不要方向の回転を抑制する効果が得られた。また、櫛歯をドライエッチングで形成するとき、同時に、幅の広い弾性体部の基板をエッチングする場合、局所的なエッチング面積が異なるために櫛歯部より弾性体部でエッチングが速く進み、パターンの異常を起こす場合がある。しかし、弾性体部を分割することにより、このようなパターン異常を回避する効果も得られる。

本実施例はまた、可動部１０２が４箇所の延出部１０６を有する構造とし、延出部１０６にも可動櫛歯電極１０３を形成した。これにより弾性体の長さが同じで延出部を持たない場合と比較し、同じストロークを得るための駆動電圧を約３分の１にできた。本実施例では、隣接する弾性体１０５の間に可動櫛歯電極１０３を形成していない部分があるが、この部分に可動櫛歯電極１０３を形成してももちろん良い。

（実施例４）
本実施例は、本発明によるアクチュエータの一態様である。実施例４によるアクチュエータの上面図を図７に示す。この構成要素も実施例１で示した図１のタイプと同一であるため、その詳しい説明は省略する。アクチュエータの動作は図３を用いて前述したとおりである。

本実施例は、図７に示すように可動部１０２が４箇所の延出部１０６を有する構造とし、延出部１０６にも可動櫛歯電極１０３を形成するとともに、４本の弾性体１０５の端部を４つの延出部１０６それぞれに接続した構造とした。各１本の弾性体の長手方向の長軸が他の弾性体の長軸となす角度は、０度及び１８０度である。また、延出部１０６の側面の一部は、対向する固定櫛歯電極１０４と作用することにより可動櫛歯電極として機能する。本実施例の構造により、延出部が無い場合と比較し、延出部１０６の延出方向とは垂直な基板の面内方向を回転軸としたばね定数が約５倍となり、可動部の不要方向の回転を抑制する効果を得た。

また、延出部１０６にも可動櫛歯電極１０３を形成したこと、及び延出部１０６の側面の一部を可動櫛歯電極として機能させたことにより、延出部１０６に可動櫛歯電極１０３が無い場合と比較し、同じストロークを得るための駆動電圧を約半分にできた。本実施例では、弾性体の長手方向を０度及び１８０度に揃えたが、これに限るものではない。例えば、隣接する弾性体の長手方向がなす角をそれぞれ９０度になる様に配置しても良い。

１００・・アクチュエータ、１０１・・基板、１０２・・可動部、１０３・・可動櫛歯電極、１０４・・固定櫛歯電極、１０５・・弾性体、１０６・・延出部、１２０・・ミラー部、１２１・・接続部

Claims (4)

1. 基板と、該基板に対して可動に設けられた可動部と、該可動部を前記基板の面に垂直な方向に変位可能に前記基板に支持する３本以上の弾性体と、前記可動部に支持され前記基板の面と平行な方向に延出する可動櫛歯電極と、前記基板に支持され該基板の面と平行な方向に延出する固定櫛歯電極と、を有し、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極とが間隔を隔てて交互に噛み合うように配置されたアクチュエータであって、
   全ての前記弾性体の各々について、該弾性体の長軸とのなす角が９０度より大きく１８０度以下である該弾性体が少なくとも１つあることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記可動部が延出部を有し、少なくとも一部の前記弾性体が、前記延出部に接続されることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記可動部が延出部を有し、少なくとも一部の前記可動櫛歯電極が、前記延出部に支持されることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 少なくとも１つ以上の請求項１から３の何れか１項に記載のアクチュエータと、反射面を有するミラー部と、を有し、
   該ミラー部が、前記アクチュエータの前記可動部に接続され、前記アクチュエータを動作させることにより前記ミラー部の形状を変化させることが可能な可変形状ミラー。

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