JP4178327B2 - 座屈型アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば光スイッチ、光シャッタ等として好適に用いられ、支持梁が座屈することにより可動体を２つの切換位置の間で変位させる構成とした座屈型アクチュエータに関する。

一般に、座屈型アクチュエータは、可動体の位置に応じて光路の切換を行う光スイッチ等に用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。

この種の従来技術による光スイッチは、基板と、該基板に配置され一定の変位方向に変位可能となった可動体と、該可動体を支持するために基板に設けられた固定部と、該固定部と前記可動体との間に連結され、可動体の変位方向に対して座屈（撓み変形）可能に形成された複数本の支持梁と、可動体の位置を静電力によって切換える切換機構とにより構成されている。

そして、可動体は、その変位方向に延びる細長い棒状に形成され、可動体の幅方向両側に配置された各支持梁によって支持されている。また、可動体の端部側には光を反射するミラー部が設けられ、可動体は、このミラー部が光路に進入する第１の切換位置と、ミラー部が光路から後退する第２の切換位置との間で変位する。また、切換機構は、基板と可動体とにそれぞれ設けられた櫛歯状電極により構成され、これらの電極間に静電力を発生することにより、可動体を各切換位置の間で変位させて光路を切換えるものである。

ここで、特許文献１に記載された従来技術では、例えば可動体が第１の切換位置にあるときに、各支持梁が略Ｓ字状をなす初期状態に保持され、可動体が第２の切換位置に変位するときには、各支持梁が座屈して初期状態と逆向きの略Ｓ字状となることにより、支持梁の弾性力（ばね力）を用いて可動体を各切換位置にそれぞれ保持している。

この場合、支持梁のばね力等に応じて定まる可動体の位置エネルギは、例えば支持梁が初期状態である第１の切換位置で零となり、可動体が変位する途中で支持梁が大きく撓み変形することにより最大値となる。また、支持梁が第２の切換位置で逆向きのＳ字状となったときには、そのばね力が逆向きに作用するため、可動体の位置エネルギは最大値よりも減少する。従って、この最大値が第１，第２の切換位置の間で位置エネルギの障壁となることにより、可動体を個々の切換位置に保持することができる。

また、特許文献２に記載された従来技術では、可動体が変位するときに途中で支持梁の両端部間の距離が短くなるのを考慮して、支持梁が長さ方向に変位可能となるように構成している。この場合、支持梁は、可動体に設けられた細幅部等に連結され、この細幅部が可動体の幅方向に撓み変形することにより、支持梁が必要に応じて長さ方向に変位する構成となっている。

［特許文献１］米国特許第６３６００３３号明細書
［特許文献２］米国特許第６３０３８８５号明細書

ところで、上述した特許文献１及び特許文献２のような従来技術では、可動体をより安定的に２つの切換位置に移動し、安定的に保持することが重要である。そのためには、位置エネルギの差（後述する本発明の実施の形態において、図８中に従来技術として示す位置エネルギの障壁ΔＥ′）を大きくすることが必要となる。

しかし、従来技術では、梁の支持部が完全拘束状態であるため、位置エネルギの障壁ΔＥ′を大きくする設計が難しい。障壁ΔＥ′が小さいと、静電力を印加して、可動体を片方の切換位置に変位させても、可動体が反動で初期位置に戻ってしまったり、外力によって初期位置に動いてしまうという問題が発生する。

位置エネルギの障壁ΔＥ′を大きくして可動体を安定的に駆動・保持するためには、支持梁の斜め角度を可動体の垂直方向に対してより鈍角にして、支持梁のばね力の正・負の領域をそれぞれ大きくすることになる。

このため、従来技術では、櫛歯電極に印加する電圧を大きくしなければならないという問題がある。さらに、本来櫛歯の長手方向のみに加わる静電力が、印加電圧が大きくなることによって、加工ばらつき等により発生する静電力の非対称性の影響で、それと垂直な方向成分の静電力が可動体に加わってしまう。この結果、可動体の櫛歯電極が基板側の櫛歯電極に接触して、電極間の短絡を起こし、アクチュエータの作動不良を招くという問題がある。

また、特許文献１の１実施例及び、特許文献２の従来技術では、支持梁が長さ方向、即ち可動体の幅方向に変位可能となっている。これは、梁の長手方向に加わる座屈荷重を緩和して、可動体を座屈位置に変位させるために必要な力を低減できるという利点がある。しかし、可動体の幅方向に動き易い構造であるため、逆に前述した櫛歯電極の接触という問題を起こし易い。

しかも、従来技術では、可動体が変位する途中で支持梁が座屈するときに、この座屈による支持梁のばね力を逃すように、可動体の細幅部が幅方向に撓み変形する。この結果、可動体に加わるばね力が変位の途中で弱くなると、このばね力等に応じて定まる位置エネルギの最大値（位置エネルギの障壁）が小さくなる。

このため、特許文献１及び特許文献２の従来技術では、可動体が位置エネルギの障壁を超えて第１，第２の切換位置の間で切換わり易くなるため、例えば外部から弱い衝撃等が加わるだけでも、可動体の位置が勝手に切換えられて光スイッチが誤動作する虞れが生じ、信頼性が低下するという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、可動体を一定の方向に安定的に変位させることができ、切換位置間のエネルギ障壁を大きく設定できると共に、短絡や誤動作等を防止して信頼性を向上できるようにした座屈型アクチュエータを提供することにある。

上述した課題を解決するために本発明は、基板と、該基板に配置され一定の変位方向に変位可能となった可動体と、該可動体を支持するために前記基板に設けられた固定部と、該固定部と前記可動体との間に座屈可能に連結され前記可動体を前記変位方向に離間した２つの切換位置のうちいずれか一方の切換位置に支持する支持梁と、前記可動体の位置を前記各切換位置の間で切換える切換手段とからなる座屈型アクチュエータに適用される。

そして、本発明が採用する構成の特徴は、固定部と支持梁との連結部位及び可動体と支持梁との連結部位のうち少なくとも一方の連結部位は、互いに異なる方向に延びる３本以上の腕部からなり前記支持梁を基板と垂直な軸線を中心として回転可能に支持する回転支持部として構成したことにある。

本発明によれば、固定部と支持梁との連結部位及び可動体と支持梁との連結部位のうち少なくとも一方の連結部位は、３本以上の腕部により支持梁を回転可能に支持する回転支持部を構成したので、可動体が変位するときには、回転支持部の各腕部が支持梁の端部を中心として回転方向に撓み変形でき、支持梁が一方の部材に対して大きく折曲がるように屈曲しなくても、これを回転支持部によって円滑に回転させることができる。

従って、支持梁の端部側を大きく屈曲させずに済むので、支持梁に加わる屈曲時の反力を回転支持部によって軽減でき、各切換位置間の位置エネルギの障壁を十分な大きさに設定することができる。これにより、例えば衝撃、振動等の外力によって可動体が各切換位置の間で勝手に切換わるのを確実に阻止でき、アクチュエータの誤動作等を防止して信頼性を向上させることができる。

また、各腕部のうち少なくとも１本の腕部は、例えば可動体の変位方向と直交する方向等に延ばして形成でき、この腕部により支持梁を介して可動体の変位を所定の方向だけに規制することができる。これにより、可動体が所定の変位方向に対して側方に位置ずれするのを確実に防止でき、アクチュエータを安定的に作動させることができる。

また、本発明によると、回転支持部の各腕部は支持梁の端部を中心として略Ｔ字状に延びた３本の腕部により構成してもよい。

この場合、本発明によれば、回転支持部の各腕部を略Ｔ字状に延びた３本の腕部により構成したから、これらの腕部によって支持梁を回転可能に支持できると共に、例えば中央の腕部を可動体の変位方向に対して直交する方向等に延ばすことができる。そして、このような簡単な形状によって支持梁の回転動作と可動体の位置ずれ防止とを確実に行うことができ、可動体の支持構造を簡略化することができる。

また、本発明によると、回転支持部の各腕部は支持梁の端部を中心として放射状に配設する構成が好ましい。

本発明によれば、回転支持部の各腕部は支持梁の端部を中心として放射状に配設する構成としたから、これらの腕部によって支持梁を回転可能に支持できると共に、例えば各腕部のいずれかを可動体の変位方向に対して直交する方向等に延ばすことができる。これにより、必要に応じた本数の腕部を放射状に配置でき、回転支持部に十分な強度を与えることができる。そして、これらの腕部により支持梁を安定的に支持でき、支持梁をスムーズに回転させることができる。

また、本発明では、固定部と支持梁との連結部位及び可動体と支持梁との連結部位の両方を回転支持部により構成し、該各回転支持部により前記支持梁の両端側を回転可能に支持する構成としてもよい。

本発明によれば、固定部と支持梁との連結部位及び可動体と支持梁との連結部位の両方を回転支持部により構成したから、支持梁の両端側をそれぞれの回転支持部によって回転可能に支持でき、これらの部位で支持梁が固定部や可動体に対して大きく折曲がるように屈曲しなくても、可動体を変位させることができる。これにより、可動体が変位するときには、支持梁から可動体に加わる屈曲時の反力を２箇所の回転支持部によって軽減でき、可動体の各切換位置の間における位置エネルギの障壁をより大きく設定できると共に、アクチュエータを安定的に切換えることができる。

また、本発明によると、支持梁の長さ方向途中部位には端部側よりも高い剛性を有する剛性部を設ける構成が好ましい。

本発明によれば、支持梁の長さ方向途中部位には剛性部を設ける構成としたから、可動体を個々の切換位置に、より安定して保持することができる。この場合、支持梁の途中部位を剛性部によって撓み難くすることができるので、可動体が変位するときに支持梁の動作を安定させることができる。そして、この撓み難い支持梁により可動体の各切換位置の間における位置エネルギの障壁を大きく設定でき、アクチュエータの切換動作を安定させることができる。

この場合、本発明では、剛性部の断面は端部の断面に対して少なくとも２倍の剛性を有する構成としてもよい。

本発明によれば、剛性部の断面を端部の断面に対して少なくとも２倍の剛性を有する構成としたから、剛性部を設けない場合に比べて、可動体の各切換位置の間における位置エネルギの障壁（エネルギ差）を例えば１．３倍程度大きくすることができる。

一方、本発明によると、切換手段は静電力によって可動体を変位させる構成としてもよい。

本発明によれば、切換手段は静電力によって可動体を変位させる構成としたから、例えば固定側の電極と可動側の電極との間に静電力を発生でき、簡単な構造によって可動体の位置を切換えることができる。

また、本発明によると、切換手段は磁力によって可動体を変位させる構成としてもよい。

本発明によれば、切換手段は磁力によって可動体を変位させる構成としたから、例えば磁性材料等により可動体を形成し、この可動体を電磁石等により磁界の方向に応じて変位させることができる。これにより、例えば可動体側には電極等の給電部位を設ける必要がなくなり、アクチュエータの構造を簡略化することができる。

また、本発明によると、可動体、固定部、支持梁、回転支持部及び切換手段は単結晶のシリコン材料により構成するのが好ましい。

本発明によれば、可動体、固定部、支持梁、回転支持部及び切換手段は単結晶のシリコン材料により構成したから、例えば可動体、固定部、支持梁等の微細構造物をエッチング加工等により一緒の工程で効率よく形成でき、その加工精度を高めることができる。

さらに、本発明によると、可動体は基板に設けられた光路に対して切換位置に応じて進退することにより前記光路の切換を行う光スイッチを構成し、前記可動体を支持梁の弾性力によって前記各切換位置にそれぞれ保持する構成としてもよい。

本発明によれば、可動体は光スイッチを構成し、支持梁の弾性力によって可動体を各切換位置に保持する構成としたから、光スイッチは、可動体を２つの切換位置の間で変位させることにより、光路を切換えることができる。そして、回転支持部により各切換位置間の位置エネルギの障壁を十分な大きさに設定できるので、切換手段を停止した状態でも、支持梁の弾性力によって可動体を所望の切換位置に保持でき、光スイッチが外力等により勝手に切換わるのを確実に防止できると共に、信頼性を高めることができる。

［図１］図１は本発明の第１の実施の形態による光スイッチを示す正面図である。
［図２］図２は図１中の矢示ＩＩ−ＩＩ方向からみた光スイッチの断面図である。
［図３］図３は図１中の固定部、支持梁、回転支持部等を示す要部拡大図である。
［図４］図４は図３中の矢示ＩＶ−ＩＶ方向からみた要部拡大断面図である。
［図５］図５は可動体、ミラー部等を第２の切換位置に切換えた状態を示す光スイッチの正面図である。
［図６］図６は図５中の固定部、支持梁、回転支持部等を示す要部拡大図である。
［図７］図７は可動体の変位量と支持梁のばね力との関係を示す特性線図である。
［図８］図８は可動体の変位量と位置エネルギとの関係を示す特性線図である。
［図９］図９は本発明の第２の実施の形態による光スイッチを図３と同様位置からみた要部拡大図である。
［図１０］図１０は本発明の第３の実施の形態による光スイッチを示す正面図である。
［図１１］図１１は図１０中の固定部、支持梁、各回転支持部等を示す要部拡大図である。
［図１２］図１２は本発明の第４の実施の形態による光スイッチを示す要部拡大図である。
［図１３］図１３は可動体の変位量と支持梁のばね力との関係を示す特性線図である。
［図１４］図１４は可動体の変位量と位置エネルギとの関係を示す特性線図である。
［図１５］図１５は本発明の第５の実施の形態による光スイッチを示す要部拡大図である。

符号の説明

１，２１，３１，４１，５１ 光スイッチ
２ 基板
３ 光学装置
３Ａ，３Ｂ 発光部
３Ｃ，３Ｄ 受光部
４，４′，３２ 可動体
５ ミラー部
６，２２ 固定部
６Ａ，２２Ａ，３２Ａ 凹窪部
７，４２ 支持梁
７Ａ，７Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ 端部
８，２３，３３，３７ 回転支持部
９〜１１，２４〜２８，３４〜３６，３８〜４０ 腕部
１２〜１５ 電極（切換手段）
１２Ａ，１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ 電極板
４２Ｃ 剛性部
５２ 電磁石（切換手段）
Ｏ−Ｏ 軸線

以下、本発明の実施の形態による座屈型アクチュエータを、添付図面を参照して詳細に説明する。

ここで、図１ないし図８は第１の実施の形態を示し、本実施の形態では、座屈型アクチュエータを光スイッチに適用した場合を例に挙げて述べる。

図中、１は光スイッチ、２は該光スイッチ１のベースとなる基板で、該基板２は、例えばガラス板等により数ミリ程度の大きさの四角形状に形成され、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうち、例えばＸ軸とＹ軸とに沿って水平方向に延びている。

また、基板２の表面側には、例えば低抵抗な単結晶シリコン材料等にエッチング加工を施すことにより、後述の可動体４、ミラー部５、固定部６、支持梁７、回転支持部８と、光スイッチ１の切換手段を構成する後述の電極１２，１３，１４，１５とが形成されている。

３は可動体４等と一緒に基板２上に設けられた光学装置で、該光学装置３は、光ビームを発射する発光部３Ａ，３Ｂと、この光ビームを受光する受光部３Ｃ，３Ｄとからなり、これらには光ファイバ（図示せず）等がそれぞれ接続されている。そして、光スイッチ１は、可動体４の切換位置に応じて発光部３Ａ，３Ｂと受光部３Ｃ，３Ｄとの間で光ビームの入出力を行う光路を切換えるものである。

４は基板２上に設けられた可動体で、該可動体４は、図１、図２に示す如く、例えば細長い棒状体からなり、Ｙ軸方向に沿って直線状に延びている。また、可動体４は、基板２に各固定部６、支持梁７及び回転支持部８を介してＹ軸方向に変位可能に支持され、この状態で可動体４、ミラー部５、支持梁７及び回転支持部８は、基板２に対して垂直な方向（Ｚ軸方向）に離間している。

そして、可動体４は、後述の電極１２，１３または電極１４，１５のいずれかによって駆動されることにより、Ｙ軸方向の一側（矢示Ａ方向）または他側（矢示Ｂ方向）に向けて変位する。これにより、可動体４の位置は、後述のミラー部５が光路に進入する第１の切換位置（図１参照）と、ミラー部５が光路から後退する第２の切換位置（図５参照）との間で切換えられるものである。

５は可動体４の端部側に設けられたミラー部で、該ミラー部５は、例えばメッキ、蒸着、スパッタ等の手段を用いて可動体４の側面に金属膜を形成することにより鏡面仕上げされ、光学装置３の光路に対して進退可能に配置されている。

そして、可動体４が第１の切換位置にあるときには、光ビームがミラー部５によって反射されることにより、光学装置３の発光部３Ａと受光部３Ｃとの間、及び発光部３Ｂと受光部３Ｄとの間でそれぞれ入出力される。また、可動体４が第２の切換位置にあるときには、発光部３Ａと受光部３Ｄとの間、及び発光部３Ｂと受光部３Ｃとの間で光ビームがそれぞれ入出力され、光路が切換わる。

６は可動体４を支持するために基板２に設けられた例えば４個の固定部で、該各固定部６は、可動体４を挟んで左，右方向（Ｘ軸方向）の両側に２個ずつ配置され、前，後方向（Ｙ軸方向）に間隔をもって配置されている。

ここで、固定部６は、図３、図４に示す如く、基板２上に突出する略コ字状の突起物として形成され、その内側には、可動体４に面して開口する四角形状の凹窪部６Ａが設けられている。また、各固定部６には、可動体４を介して可動電極１３，１５に給電するための配線（図示せず）等が接続されている。

７は各固定部６と可動体４との間にそれぞれ設けられた例えば４本の支持梁で、該各支持梁７は、図１、図５に示す如く、可動体４の変位方向に対して直交しない方向（例えば、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにわたる斜め方向）に延びている。そして、各支持梁７は、可動体４を挟んでＸ軸方向の両側に２本ずつ配置され、Ｙ軸方向に間隔をもって配置されると共に、これら前，後、左，右の４箇所で可動体４をＹ軸方向に変位可能に支持している。

また、支持梁７は、その基端側に位置する端部７Ａが後述の回転支持部８を介して固定部６に連結され、その先端側に位置する端部７Ｂが可動体４に連結されている。そして、支持梁７は、可動体４と固定部６との間で座屈（撓み変形）可能に形成され、その端部７Ａ，７Ｂは、可動体４や固定部６（回転支持部８）に対してＹ軸方向に屈曲可能となっている。

ここで、可動体４が第１の切換位置にある状態では、図１に示す如く、支持梁７が第１の切換位置側（矢示Ａ方向）に斜めに延びた状態に保持され、このときに支持梁７は、その撓み変形や端部７Ａ，７Ｂの屈曲等が生じていない初期状態となっている。また、可動体４が第２の切換位置に変位したときには、図５に示す如く、各支持梁７は、端部７Ａ，７Ｂが屈曲することにより、第２の切換位置側（矢示Ｂ方向）に向けて斜めに延びた状態となる。

この場合、支持梁７から可動体４に加わる弾性力（ばね力）は、後述の図７に示す如く、可動体４が第１の切換位置から第２の切換位置に向けて変位するときに、その途中位置までは可動体４を第１の切換位置に戻す方向（矢示Ａ方向）に付勢し、可動体４が第２の切換位置の近傍に達すると、これを第２の切換位置に向けて付勢する方向（矢示Ｂ方向）に変化する。

これにより、支持梁７は、可動体４が第１，第２の切換位置のいずれにある場合でも、そのばね力によって可動体４を個々の切換位置に保持でき、光スイッチ１は、電極１２〜１５等への給電を停止した状態でも、可動体４を所望の切換位置に保持できる自己保持型の光スイッチとして構成されている。

８は各固定部６の凹窪部６Ａと支持梁７の端部７Ａとの間にそれぞれ設けられた例えば４個の回転支持部を示し、該各回転支持部８は、図３、図４に示す如く、例えば３本の撓み変形可能な腕部９，１０，１１からなり、固定部６と支持梁７との連結部位を構成している。そして、これらの腕部９，１０，１１は全体として略Ｔ字状に形成され、固定部６の凹窪部６Ａと支持梁７の端部７Ａとの間に連結されると共に、Ｚ軸方向に延びる軸線Ｏ−Ｏ（軸心Ｏ）を中心として支持梁７を回転可能に支持するものである。

ここで、腕部９〜１１は、支持梁７の端部７Ａから互いに異なる方向に延びて形成され、端部７Ａに位置する軸心Ｏを中心として放射状に配置されている。そして、腕部９〜１１のうち図３中で支持梁７の前，後に位置する２本の腕部９，１１は、Ｙ軸方向に沿って直線状に延びている。

また、左側に位置する腕部１０は、可動体４の変位方向と直交するＸ軸方向に直線状に延びて形成され、支持梁７を介して可動体４の変位をＹ軸方向だけに規制している。これにより、可動体４とミラー部５とは、腕部１０の規制によってＸ軸方向（可動体４の幅方向）に位置ずれし難くなり、Ｙ軸方向に安定的に変位することができる。

そして、可動体４が第１の切換位置にあるときには、図３に示す如く、腕部９〜１１が撓み変形していない初期状態に保持されている。また、可動体４が第２の切換位置に向けて変位するときに、回転支持部８は、図６に示す如く、支持梁７の端部７Ａが回転支持部８に対して矢示Ｂ方向に屈曲するのに伴って腕部９〜１１が弓形状に撓み変形することにより、端部７Ａが大きく屈曲しなくても、支持梁７を軸心Ｏの周囲で回転させることができる。

これにより、回転支持部８は、後述の如く支持梁７の端部７Ａが屈曲するときに固定部６側から受ける反力（回転拘束力）を軽減することにより、可動体４を第２の切換位置に安定的に保持するものである。

一方、１２は可動体４の左，右両側に位置して基板２に設けられた第１の固定電極、１３は該各固定電極１２に対向して可動体４に設けられた第１の可動電極で、これらの固定電極１２と可動電極１３とは、それぞれ櫛歯状に形成され互いに隙間をもって噛合する複数本の電極板１２Ａ，１３Ａを有している。

そして、第１の電極１２，１３は、外部から給電されて各電極板１２Ａ，１３Ａの間にＹ軸方向（矢示Ａ方向）の静電力を発生させることにより、可動体４を第１の切換位置に変位させる。

１４は基板２の左，右両側に設けられた第２の固定電極、１５は該各固定電極１４に対向して可動体４に設けられた第２の可動電極で、これらの固定電極１４と可動電極１５とは、第１の電極１２，１３とほぼ同様に、互いに噛合する複数の電極板１４Ａ，１５Ａを有しているものの、Ｙ軸方向に対して電極１２，１３と逆向きに配置されている。そして、第２の電極１４，１５は、各電極板１４Ａ，１５Ａ間の静電力により可動体４を第２の切換位置に変位させるものである。

次に、図７及び図８を参照しつつ、可動体４の変位量、位置エネルギ、支持梁７のばね力等の関係について説明する。これらの図中において、可動体４の変位量と位置エネルギとは第１の切換位置を基準（零）とし、支持梁７のばね力は図１中の矢示Ａ方向を正、矢示Ｂ方向を負としている。

まず、可動体４が第１の切換位置から第２の切換位置へと変位するときには、最初に支持梁７が矢示Ａ方向に傾斜した状態で座屈し、その後に矢示Ｂ方向に傾斜した状態となる。このため、支持梁７のばね力は、図７に示す如く、最初に可動体４に対して正方向に加わり、変位の途中位置から負の方向に加わるようになり、第２の切換位置で最小となる（矢示Ｂ方向に対して最大となる）。

このとき、可動体４の位置エネルギは、図８に示す如く、ばね力と共に増大して変位の途中位置で最大値Ｅｍａｘとなった後に、ばね力が小さくなるに従って減少し、第２の切換位置では、最大値Ｅｍａｘよりも小さな極小値Ｅｍｉｎとなる。

このように、第１，第２の切換位置の間には、下記数１の式に示すように最大値Ｅｍａｘと極小値Ｅｍｉｎとの差である位置エネルギの障壁ΔＥが存在し、可動体４は、電極１２，１３間の静電力により支持梁７のばね力に抗して障壁ΔＥを超えない限り、第１の切換位置に戻ることがないため、可動体４を第２の切換位置に安定的に保持することができる。

一方、可動体４が第１の切換位置から第２の切換位置へと変位するときに、支持梁７の端部７Ａは矢示Ｂ方向へと折曲がるように屈曲する。このとき、回転支持部８は、端部７Ａを回転させることができるので、端部７Ａが屈曲することにより受ける反力（回転拘束力）を軽減することができる。

これにより、本実施の形態では、例えば図７中に二点鎖線で示す従来技術と比較して、可動体４が変位するときに支持梁７のばね力が負となる領域を広げることができる。この結果、位置エネルギの障壁ΔＥを、例えば図８中に二点鎖線で示す従来技術の障壁ΔＥ′と比較して、十分に大きくすることができ、可動体４を第２の切換位置に安定的に保持することができる。

本実施の形態による光スイッチ１は上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。

まず、可動体４が第１の切換位置あるときに、第２の固定電極１４と可動電極１５との間に直流電圧を印加すると、これらの間にＹ軸方向の静電力が発生し、可動体４は、この静電力により支持梁７のばね力に抗して矢示Ｂ方向に変位する。そして、可動体４がある程度変位し、支持梁７のばね力が矢示Ｂ方向に変化すると、可動体４は、位置エネルギの障壁ΔＥを超えて第２の切換位置に達する。

これにより、可動体４は、支持梁７のばね力によって第２の切換位置に押付けられた状態となる。この場合、第１，第２の切換位置の間には、支持梁７と回転支持部８とによって大きな位置エネルギの障壁ΔＥが設けられているため、電極１４，１５への給電を停止しても、衝撃等の外力に対して可動体４を第２の切換位置に安定的に保持でき、光学装置３の光路を円滑に切換えることができる。

また、可動体４が第２の切換位置あるときに、第１の固定電極１２と可動電極１３との間に直流電圧を印加すると、可動体４は、これらの電極１２，１３間に発生する静電力により支持梁７のばね力に抗して矢示Ａ方向に変位し、位置エネルギの障壁ΔＥを超えて第１の切換位置に復帰する。

これにより、可動体４は、支持梁７のばね力による位置エネルギが最も低い初期状態となり、矢示Ｂ方向に少しでも変位すると、支持梁７から戻し方向のばね力を受けるようになるため、電極１２，１３への給電を停止しても、可動体４を第１の切換位置に安定的に保持することができる。

そして、これらの切換動作において、可動体４、ミラー部５、可動電極１３，１５等の部材は、回転支持部８の腕部１０によりＸ軸方向への変位（位置ずれ）を規制されているため、例えば振動等が基板２に加わる場合でも、これらの部材をＹ軸方向に対して安定的に変位させることができる。

かくして、本実施の形態によれば、各固定部６と支持梁７との連結部位を、支持梁７の端部７Ａを回転可能に支持する回転支持部８により構成したので、可動体４が変位するときには、支持梁７の端部７Ａ等が大きく屈曲しなくても、支持梁７を軸線Ｏ−Ｏの周囲で円滑に回転させることができる。

これにより、支持梁７の屈曲動作を回転支持部８によって補償でき、端部７Ａを大きく屈曲させずに済むので、支持梁７に加わる屈曲時の反力（回転拘束力）を軽減することができる。この結果、第２の切換位置側で支持梁７のばね力が負となる領域を広げることができ、各切換位置の間における位置エネルギの障壁ΔＥを十分な大きさに設定することができる。

従って、電極１２〜１５への給電を停止した状態でも、支持梁７のばね力によって可動体４を所望の切換位置に安定的に保持でき、例えば衝撃、振動等の外力によって可動体４が各切換位置の間で勝手に切換わるのを確実に阻止できると共に、光スイッチ１の誤動作等を防止して信頼性を向上させることができる。

また、例えば腕部１０を可動体４の変位方向と直交するＸ軸方向に延ばして形成できるので、可動体４を各切換位置の間で駆動するときには、可動体４やミラー部５がＸ軸方向に位置ずれしたり、可動電極１３，１５が固定電極１２，１４に接触するのを腕部１０によって確実に防止でき、光スイッチ１を安定的に作動させることができる。

この場合、回転支持部８を３本の腕部９，１０，１１によりＴ字状に形成したので、このような簡単な形状によって支持梁７の回転動作と可動体４の位置ずれ防止とを確実に行うことができ、その支持構造を簡略化することができる。

一方、可動体４の位置を静電力によって切換えるようにしたので、例えば可動体４と同様の材料を用いて櫛歯状の電極１２，１３，１４，１５を形成するだけで、これらの電極間に静電力を発生して可動体４を変位させることができ、可動体４を簡単な構造で駆動することができる。

そして、可動体４、固定部６、支持梁７、回転支持部８、電極１２，１３，１４，１５等を単結晶のシリコン材料により形成したので、これらの微細構造物を一緒の工程で効率よく形成でき、その加工精度を高めることができる。

次に、図９は本発明による第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、回転支持部を放射状に配置した４本以上の腕部により構成したことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

２１は光スイッチで、該光スイッチ２１は、第１の実施の形態とほぼ同様に、基板２、可動体４、支持梁７、電極（図示せず）と、後述の固定部２２、回転支持部２３とを含んで構成されている。

２２は可動体４を支持するために基板２上に突設された例えば４個の固定部（１個のみ図示）で、該各固定部２２には、第１の実施の形態とほぼ同様に、可動体４に面して開口する半円状の凹窪部２２Ａが設けられている。

２３は各固定部２２の凹窪部２２Ａと支持梁７の端部７Ａとの間にそれぞれ設けられた回転支持部を示し、該各回転支持部２３は、第１の実施の形態とほぼ同様に、固定部２２と支持梁７との連結部位を構成しており、Ｚ軸方向に延びる軸線Ｏ−Ｏ（軸心Ｏ）を中心として支持梁７を回転可能に支持するものである。

しかし、回転支持部２３は、例えば４本以上（図中には５本の場合を例示）の撓み変形可能な腕部２４，２５，２６，２７，２８により構成されている。そして、これらの腕部２４〜２８は、支持梁７の端部７Ａから互いに異なる方向に延びて形成され、端部７Ａに位置する軸心Ｏを中心として放射状に配置されると共に、固定部６の凹窪部６Ａと支持梁７の端部７Ａとの間に連結されている。

また、腕部２４〜２８のうち図９中で支持梁７の前，後に位置する２本の腕部２４，２８は、Ｙ軸方向に沿って直線状に延びている。また、左側に位置する腕部２６は、可動体４の変位方向と直交するＸ軸方向に直線状に延びて形成され、腕部２５，２７はＸ軸方向に対して斜めに延びると共に、これらの腕部２５，２６，２７は可動体４と支持梁７とがＸ軸方向に変位するのを規制している。

そして、可動体４が第１の切換位置から第２の切換位置へと変位するときに、回転支持部２３は、第１の実施の形態とほぼ同様に、腕部２４〜２８が弓形状に撓み変形することにより、支持梁７の端部７Ａを大きく屈曲させることなく、支持梁７を軸心Ｏの周囲で回転させるものである。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。特に、本実施の形態では、回転支持部２３を放射状に配置した腕部２４，２５，２６，２７，２８によって構成したので、必要に応じた本数の腕部２４〜２８を軸心Ｏの周囲に放射状に配置でき、回転支持部２３に十分な強度をもたせることができる。そして、これらの腕部２４〜２８により支持梁７を安定的に支持でき、軸心Ｏを中心として支持梁７をスムーズに回転させることができる。

次に、図１０及び図１１は本発明による第３の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、回転支持部を固定部と可動体の両方に設け、支持梁の両端側を回転可能に支持する構成としたことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

３１は光スイッチで、該光スイッチ３１は、第１の実施の形態とほぼ同様に、基板２、固定部６、支持梁７、電極１２〜１５と、後述の可動体３２とを有している。しかし、各支持梁７の両端側には、回転支持部３３，３７がそれぞれ配置されている。

３２は基板２に設けられた棒状の可動体で、該可動体３２は、第１の実施の形態とほぼ同様に、その端部側にミラー部５が設けられ、基板２に各固定部６、支持梁７及び回転支持部３３，３７を介してＹ軸方向に変位可能に支持されている。また、可動体３２は、各支持梁７を連結する４箇所の部位が第１の実施の形態と比較してＸ軸方向に太幅に形成され、これらの部位には、凹窪部３２Ａがそれぞれ設けられている。

３３は各固定部６の凹窪部６Ａと支持梁７の端部７Ａとの間にそれぞれ設けられた例えば４個の基板側回転支持部を示し、該各基板側回転支持部３３は、第１の実施の形態による回転支持部８とほぼ同様に、固定部６と支持梁７との連結部位を構成している。そして、基板側回転支持部３３は、例えば３本の撓み変形可能な腕部３４，３５，３６により全体として略Ｔ字状に形成され、これらの腕部３４，３５，３６は、軸線Ｏ−Ｏ（軸心Ｏ）を中心として支持梁７の端部７Ａ側を回転可能に支持するものである。

３７は可動体３２の各凹窪部３２Ａと支持梁７の端部７Ｂとの間にそれぞれ設けられた例えば４個の可動体側回転支持部を示し、該各可動体側回転支持部３７は、図１１に示す如く、基板側回転支持部３３とほぼ同様に、例えば３本の撓み変形可能な腕部３８，３９，４０により略Ｔ字状に形成されている。そして、可動体側回転支持部３７は、可動体３２と支持梁７との連結部位を構成しており、Ｚ軸方向に延びる軸線（軸心Ｏ′）を中心として支持梁７の端部７Ｂ側を回転可能に支持している。

ここで、腕部３８，３９，４０は、支持梁７の端部７Ｂから互いに異なる方向に延びて形成され、端部７Ｂに位置する軸心Ｏ′を中心として放射状に配置されると共に、可動体３２の凹窪部３２Ａと支持梁７の端部７Ｂとの間に連結されている。また、腕部３８〜４０のうち図１１中の左側に位置する腕部３９は、Ｘ軸方向に直線状に延びて形成され、可動体３２と支持梁７とがＸ軸方向に変位するのを規制している。

そして、可動体４が第１の切換位置から第２の切換位置へと変位するときには、基板側回転支持部３３の腕部３４〜３６が支持梁７の端部７Ａを軸心Ｏの周囲で回転させると共に、可動体側回転支持部３７の腕部３８〜４０が支持梁７の端部７Ｂを軸心Ｏ′の周囲で回転させることにより、これらの端部７Ａ，７Ｂが屈曲時に受ける反力を軽減するものである。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。特に、本実施の形態では、固定部６と支持梁７との連結部位を基板側回転支持部３３により構成し、可動体３２と支持梁７との連結部位を可動体側回転支持部３７により構成したので、支持梁７の端部７Ａ，７Ｂをそれぞれの回転支持部３３，３７によって回転可能に支持することができる。

これにより、支持梁７から可動体３２に加わる屈曲時の反力（回転拘束力）をより軽減できるので、第１，第２の切換位置の間で位置エネルギの障壁ΔＥをさらに大きく設定でき、光スイッチ３１の切換動作を安定させることができる。

次に、図１２ないし図１４は本発明による第４の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、支持梁の長さ方向途中部位に剛性部を設ける構成としたことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

４１は光スイッチで、該光スイッチ４１は、第１の実施の形態とほぼ同様に、基板２、可動体４、固定部６、回転支持部８、電極（図示せず）と、後述の支持梁４２とを含んで構成されている。

４２は各固定部６と可動体４との間にそれぞれ設けられた例えば４本の支持梁（２本のみ図示）で、該各支持梁４２は、第１の実施の形態とほぼ同様に、例えばＸ軸方向とＹ軸方向とにわたり斜めに延びて形成され、可動体４をＹ軸方向に変位可能に支持している。そして、支持梁４２は、その基端側に位置する端部４２Ａが回転支持部８を介して固定部６に連結され、その先端側に位置する端部４２Ｂが可動体４に連結されている。

しかし、支持梁４２の長さ中間部位には、例えば端部４２Ａ，４２Ｂ寄りの部位よりも太幅に形成された剛性部４２Ｃが設けられ、この剛性部４２Ｃは、他の部位よりも撓み変形し難いように高い剛性を有している。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。特に、本実施の形態では、支持梁４２の長さ中間部位に太幅な剛性部４２Ｃを設ける構成としたので、この剛性部４２Ｃにより支持梁４２を簡単に撓み難い構造とすることができ、これによって第１，第２の切換位置の間で位置エネルギの障壁ΔＥを大きく設定できると共に、光スイッチ３１の切換動作を安定させることができる。

また、発明者等が鋭意検討した結果、剛性部４２Ｃの断面の剛性を端部４２Ｂの断面の剛性に対して２倍以上の値に設定した場合には、剛性部を設けない場合比較例に比べて、位置エネルギの障壁ΔＥ（エネルギ差）を１．３倍程度まで拡大できることが分かった。この場合、例えば図１３中に二点鎖線で示す比較例と比べて、可動体４が変位するときに支持梁４２のばね力の最大値が大きく、最小値が小さくなるから、変位に必要な力は増大してしまう。しかし、位置エネルギの障壁ΔＥは、例えば図１４中に二点鎖線で示す比較例の障壁ΔＥ′と比較して、１．３倍程度まで拡大できることが確認された。なお、図１３および図１４は、端部４２Ｂの幅寸法を４μｍ、剛性部４２Ｃの幅寸法を５μｍとし、剛性部４２Ｃの長さ寸法を支持梁４２全体の長さ寸法に対して６５％程度に設定したときの結果を示している。

次に、図１５は本発明による第５の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、可動体の位置を磁力によって切換える構成としたことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

５１は光スイッチで、該光スイッチ５１は、第１の実施の形態とほぼ同様に、基板２、可動体４′、固定部６、支持梁７、回転支持部８とを含んで構成されている。しかし、可動体４′は磁性材料により形成され、第１の実施の形態で用いた静電力発生用の電極１２〜１５は廃止されている。

５２は可動体４′の端部側に位置して基板２に設けられた切換手段としての電磁石で、該電磁石５２は、外部から給電されることによって電流の極性等に応じた磁力（磁界）を発生し、この磁力によって可動体４′を変位させる。

この場合、電磁石５２は、例えば一定の方向の電流を給電されたときに、可動体４′と反発する方向の磁界を発生し、可動体４′を第１の切換位置に変位させると共に、これと逆方向の電流を給電されたときには、可動体４′を磁気的に吸引して第２の切換位置に変位させるものである。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。特に、本実施の形態では、可動体４′を電磁石５２により切換える構成としたので、可動体４側には電極等の給電部位を設ける必要がなくなり、光スイッチ５１の構造を簡略化することができる。

なお、前記各実施の形態において、第１の実施の形態では、可動体４と固定部６のうち固定部６側に回転支持部８を設ける構成とし、第３の実施の形態では、固定部６と可動体３２の両方に回転支持部３３，３７を設ける構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば固定部側の回転支持部を省略し、可動体側だけに回転支持部を設ける構成としてもよい。

また、実施の形態では、３本または５本の腕部を有する回転支持部を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば４本の腕部、または６本以上の腕部を有する回転支持部を用いる構成としてもよい。

また、本発明は、第２ないし第５の実施の形態のうちいずれか２つ以上の実施の形態を自由に組合せる構成としてよいものであり、例えば第２の実施の形態で用いた回転支持部２３を支持梁の両端側に設け、この支持梁の途中に剛性部を設ける構成としたり、さらに可動体を磁力によって変位させる構成としてもよい。

また、実施の形態では、切換手段として静電力または磁力を用いる構成としたが、本発明はこれに限らず、例えば圧電力を用いる構成としてもよい。

また、実施の形態では、座屈型アクチュエータを光スイッチに適用する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、可動体を２つの安定した切換位置に保持する機構を有する各種の座屈型アクチュエータ、及びこのような座屈型アクチュエータを利用したデバイス全てに適用することができる。

Claims (10)

1. 基板と、該基板に配置され一定の変位方向に変位可能となった可動体と、該可動体を支持するために前記基板に設けられた固定部と、該固定部と前記可動体との間に座屈可能に連結され前記可動体を前記変位方向に離間した２つの切換位置のうちいずれか一方の切換位置に支持する支持梁と、前記可動体の位置を前記各切換位置の間で切換える切換手段とからなる座屈型アクチュエータにおいて、
   前記固定部と支持梁との連結部位及び前記可動体と支持梁との連結部位のうち少なくとも一方の連結部位は、互いに異なる方向に延びる３本以上の腕部からなり前記支持梁を前記基板と垂直な軸線を中心として回転可能に支持する回転支持部を構成したことを特徴とする座屈型アクチュエータ。
2. 前記回転支持部の各腕部は前記支持梁の端部を中心として略Ｔ字状に延びた３本の腕部である請求項１に記載の座屈型アクチュエータ。
3. 前記回転支持部の各腕部は前記支持梁の端部を中心として放射状に配設してなる請求項１に記載の座屈型アクチュエータ。
4. 前記固定部と支持梁との連結部位及び前記可動体と支持梁との連結部位の両方を前記回転支持部により構成し、該各回転支持部により前記支持梁の両端側を回転可能に支持する構成としてなる請求項１，２または３に記載の座屈型アクチュエータ。
5. 前記支持梁の長さ方向途中部位には端部側よりも高い剛性を有する剛性部を設けてなる請求項１，２，３または４に記載の座屈型アクチュエータ。
6. 前記剛性部の断面は端部の断面に対して少なくとも２倍の剛性を有する構成としてなる請求項５に記載の座屈型アクチュエータ。
7. 前記切換手段は静電力によって前記可動体を変位させる構成としてなる請求項１，２，３，４，５または６に記載の座屈型アクチュエータ。
8. 前記切換手段は磁力によって前記可動体を変位させる構成としてなる請求項１，２，３，４，５または６に記載の座屈型アクチュエータ。
9. 前記可動体、固定部、支持梁、回転支持部及び切換手段は単結晶のシリコン材料により構成してなる請求項１，２，３，４，５，６，７または８に記載の座屈型アクチュエータ。
10. 前記可動体は前記基板に設けられた光路に対して前記切換位置に応じて進退することにより前記光路の切換を行う光スイッチを構成し、前記可動体を前記支持梁の弾性力によって前記各切換位置にそれぞれ保持する構成としてなる請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９に記載の座屈型アクチュエータ。

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