JP4331086B2 - 電磁アクチュエータおよびそれを用いた光デバイス - Google Patents

Description

この発明は、自己保持機能を有する電磁アクチュエータおよびそれを用いた光デバイスに関する。

近年、半導体微細加工技術を応用して実現されるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（以下、ＭＥＭＳと略す）と呼ばれる技術が盛んに研究開発されている。ＭＥＭＳ技術によって微細な素子を高精度に作製可能となるが、そのような微細な素子を、アクチュエータとして利用する場合には、素子自体に非接触に力が作用するような構造の方が望ましい。そのような微細なアクチュエータを光スイッチとして応用した例が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
この特許では、光路を切り替えるための反射板（ミラー）をＭＥＭＳ技術（特許文献１中ではマイクロマシニング技術と呼んでいる）を用いて形成し、さらに磁性体とコイルを固定して可動部を構成している。さらに可動部の駆動方向に対して、可動部を挟むように２個１組の永久磁石を配置しており、永久磁石は駆動方向に沿って逆方向に着磁されている。この状態で、可動部をどちらかの永久磁石に吸引させるが、その位置の切り替えは可動部のコイルに電流を印加することによって行う。この特許では、永久磁石によって可動部が自己保持されるため、可動部の切り替え時以外には、電流を印加する必要がなく、低消費電流が実現できる。
特開平２００１−２３５６９０号公報（第４−５頁、図７−９）

従来例で示した光スイッチでは、可動部のミラー部分で光を反射した状態でも、永久磁石によって吸引され、可動部が永久磁石（あるいはストッパー）に接触した状態となっている。しかし、光スイッチの場合、入出力用光を導く光ファイバーに対するミラー位置あるいは角度ずれによって、光の損失が生じてしまう問題があるため、その接触部の加工精度が非常に問われることになる。可動部分については、ＭＥＭＳ技術により高い精度で加工できるが、可動部の接触する永久磁石（あるいはストッパ）は、可動部と別体で形成する必要があり、その組み立て精度も要求されるため、低損失化を実現するのは非常に困難である。

そこで、本発明では、低損失光スイッチなどへの応用に向け、可動部を高精度に位置決め可能な、自己保持機能を有する電磁アクチュエータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決する本発明の態様は、可撓部によって支持され磁性体を有する可動部と、永久磁石を有し磁気による力を受けて移動する永久磁石可動部と、前記永久磁石可動部を駆動する少なくとも１個以上のコイルと、前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記永久磁石の磁束により前記可動部を磁気吸引する吸引部を有する吸引ヨークと、前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記磁束を導き前記吸引ヨークから前記可動部を開離する開離ヨークを有し、前記吸引部における前記磁束と直交する断面積が、前記吸引ヨークの他の部位における前記磁束と直交する断面積よりも小さい電磁アクチュエータにある。

本発明により、半導体微細加工技術などによって作製された微細な素子を、高精度に、且つ効率的に駆動可能な自己保持機能を有する電磁アクチュエータを提供できる。

上記のように、可撓部によって支持され磁性体を有する可動部と、永久磁石を有し磁気による力を受けて移動する永久磁石可動部と、前記永久磁石可動部を駆動する少なくとも１個以上のコイルと、前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記永久磁石の磁束により前記可動部を磁気吸引する吸引部を有する吸引ヨークと、前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記磁束を導き前記吸引ヨークから前記可動部を開離する開離ヨークを有し、前記吸引部における前記磁束と直交する断面積が、前記吸引ヨークの他の部位における前記磁束と直交する断面積よりも小さい電磁アクチュエータとする。
この構造により、永久磁石可動部を吸引ヨークと開離ヨーク間で駆動することで、可動部に設けられた磁性体に対して作用する磁気吸引力を大きく切り替えることが可能となり、その結果可動部の位置を精度良く切り替えることが可能となる。また吸引部の断面積を、吸引ヨークに永久磁石可動部が接した際に、吸引部で磁気飽和、あるいはそれに近い状態となるように設定することにより、可動部に作用する吸引力を強くすることが可能となる。

吸引部は、吸引ヨークに対し、円形の貫通穴あるいは、凹形状を形成することにより実現できる。

また、永久磁石可動部は、直線運動、あるいは回転運動のどちらも、その用途に応じて選択することが可能である。さらに永久磁石可動部を可撓性部材で支持することにより、その復元力を利用することが可能となる。

以上の電磁アクチュエータを用いることで、小型で低損失の光デバイスを構成することができる。
（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態について、図１〜図６を用いて説明する。
図１は、本発明の電磁アクチュエータを光スイッチとして応用した際の構成を模式的に示した斜視図である。ヨーク５、ヨーク６は、それぞれＵ字型となっており、その開放端側に、永久磁石２とおよびエンドヨーク３、エンドヨーク４から構成された永久磁石可動部１が位置している。永久磁石可動部１は、ヨーク５あるいはヨーク６の開放端に接するように、駆動可能となっている。なお、図中には示していないが、この永久磁石可動部１は板バネなどの可撓性部材により支持してもよいし、不要な動作を防止するためのガイドなどをその周辺に設けてもよい。例として板バネにより永久磁石可動部１を支持した際の模式図を図２に示す。永久磁石可動部１上に板バネ１３を接合し、その反対側端面付近を固定することで、不要な方向への動作を制限できるとともに、板バネ１３の復元力を利用可能となる。
ヨーク６の１辺には、ヨーク穴７が形成されており、その上部に可動磁性体１０が位置している。可動磁性体１０は、可撓部１２によって支持された可動ミラー部１１に固定されている。可撓部１２は可動ミラー部１１に対して両持ち梁構造となっているが、片持ち梁構造でも問題ない。なお可撓部１２と可動ミラー部１１はＭＥＭＳ技術を用いて高精度に一体形成が可能であり、本来は可撓部１２端で同じく一体形成された基板に固定されているが、簡略化のため図１では割愛している。また、その他の部材についても、非磁性材料で固定される必要があるが、同じく割愛している。また、各ヨークにはそれぞれ永久磁石可動部１を駆動するためのコイル８、コイル９が固定されている。この場合、それぞれのヨークに直接コイル線を巻いてもよいし、ボビン等に巻いたコイルをヨークに挿入してもよい。

図３は、本実施の形態における電磁アクチュエータの上面図であるが、図１の構成の他に、光スイッチとして動作させるための、入力用光ファイバー１４、出力用光ファイバー１５、１６を示している。出力用光ファイバー１５は、入力用光ファイバー１４の出射光が直進した場合の光路１７にカップリングされるように配置されている。一方、出力用光ファイバー１６は、入力用光ファイバー１４の出射光が可動ミラー部１１で反射した光路１８にカップリングされるように配置されている。この構成により、可動ミラー部１１を入力用光ファイバー１４から出射された光路に対して出し入れすることで、光スイッチとして動作することが分かる。つまり、可動ミラー部１１に固定した可動磁性板９に対して磁気吸引力を作用させる、あるいはその作用を解除することで、光スイッチとしての動作させることが可能となる。なお、この構成はあくまで一例であり、ミラーの代わりに光フィルタなどの光学素子を用いることで、他の光デバイスへの応用が可能である。

その磁気吸引力を制御するための電磁アクチュエータの動作について、図４を用いて説明する。図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ永久磁石可動部１側からみた電磁アクチュエータの側面図となっている。図４（ａ）では、永久磁石可動部１がヨーク５側に接触しているが、この状態で永久磁石２が図中に示した矢印の向きに着磁されている場合には、発生した磁束の大部分が、図の破線で示したようにヨーク５中に導かれ、その結果、永久磁石可動部１がヨーク５に対して磁気吸引力により保持される。この状態で、コイル８に、紙面に向かって時計回りに電流を流すと、ヨーク５中に永久磁石２で発生した磁束と逆方向に磁束が発生し、そのコイル８の磁束が永久磁石２の磁束よりも強くなれば、永久磁石可動部１とヨーク５間には磁気反発力が作用する。その結果、図４（ｂ）に示すように永久磁石可動部１はヨーク６側に移動することになる。この際、コイル９にもコイル８と同じ向きに電流を流すと、永久磁石可動部１とヨーク６間には磁気吸引力が作用するため、より効率的に永久磁石可動部１を駆動することが可能である。ヨーク６と永久磁石可動部１が十分接近すれば、図４（ｂ）の破線で示すように永久磁石２の磁束の大部分がヨーク６中を通るようになるため、コイルへの電流供給を停止しても、その状態を維持できる。なお、永久磁石可動部１を図２に示すような板バネ等で支持する場合には、その復元力を考慮する必要がある。例えば、図４（ａ）、あるいは図４（ｂ）の状態で、板バネの復元力が作用する場合には、磁気吸引力はその復元力よりも十分に強く設計する必要がある。また永久磁石可動部１を駆動する場合には、磁気吸引力と復元力の差分に相当する力をコイルにより発生させれば良いことになる。

ここで、以上の動作を行う上で重要な磁気回路設計について説明する。アクチュエータの小型化を考慮する場合、永久磁石２としては、小型で磁力の強い、サマリウム−コバルト、あるいはネオジウム−鉄−ボロンなどの希土類磁石が望ましい。その永久磁石２で発生した磁束を効率よく導くためには、ヨーク５、ヨーク６あるいはエンドヨーク３、エンドヨーク４には透磁率の高いパーマロイなどの軟磁性材料が用いられる。しかし軟磁性材料の特性として飽和磁束密度に注意が必要である。図５に一般的に用いられている４５パーマロイの磁化曲線２０を示す。基本的に横軸２１の磁化の増加に伴って、縦軸２２の磁束密度も増加するが、約１．４Ｔ程度で頭打ちとなる。この頭打ちとなる値が飽和磁束密度である。ここで、磁束をφ、磁束密度をＢ、ヨーク断面積をＡとすると、以下の式が成り立つ。

φ＝Ｂ/Ａ
つまり、このＢが飽和磁束密度に達しないよう、ヨーク断面積は十分に大きくする必要がある。４５パーマロイであれば、通常磁束密度Ｂを１．２Ｔ以下となるように設計することが望ましい。仮に、図４（ａ）の状態で、ヨーク５の断面積が小さく磁気飽和を起こしてしまうと、ヨーク６側にも磁束が導かれ、結果的に永久磁石可動部１とヨーク５間の磁気吸引力が低下する結果となる。あるいは、他の部分に磁束が漏れ、本アクチュエータに近接する他の電子機器などに悪影響を及ぼす可能性もある。

次に、可動磁性板９に働く磁気吸引力について考える。図４（ａ）の状態では、十分にヨーク５の断面積を確保することで、永久磁石２で発生した磁束は、ほとんどヨーク６側に流れず、その結果可動磁性板９に作用する磁気吸引力も微弱となり、可動ミラー部１１とヨーク６が開離した状態が維持される。一方、図４（ｂ）の状態でも、基本的にヨーク６の断面積を十分確保する必要がある。しかし、可動磁性板９に対して強い磁気吸引力を発生させるため、ヨーク６の可動磁性板９に接する部分にヨーク穴７を設けている。ヨーク穴７の部分では、ヨーク６の断面積が小さくなるため、磁束は可動磁性板９側に漏れ、強い吸引力を発生することが可能となる。つまり、永久磁石可動部１をヨーク６側に移動すれば、可動磁性板９および可動ミラー部１１をヨーク６側に駆動することができることになる。図４（ｂ）の状態から、図４（ａ）の状態に永久磁石可動部１を駆動すれば、前述のようにヨーク６内を通る磁束は大幅に減少するため、可動磁性板９に作用する磁気吸引力も減少し、可動磁性体１０は弾性体１１の復元力によってヨーク６から開離される。
つまり、結果としてヨーク６が可動部の吸引用、ヨーク５がその開離用となっており、永久磁石可動部をそれぞれのヨーク間で駆動することで、可動部の位置を切り替えることが可能となっている。なお、本実施の形態では、ヨーク穴７により断面積を低減したが、加工の容易さ等を考慮して、様々な形状にすることが可能である。例えば、図６に示すように、ヨーク６の両側に凹部１９を設けても良いし、また貫通穴と凹部を組み合わせても良い。

以上の結果を、光スイッチの動作として考慮すると、まず図４（ａ）の状態では、可動磁性体１０にはほとんど磁気吸引力は作用しないため、可動ミラー部１１の光路に対する位置・角度ずれを最小限にすることが可能となる。また、この状態では従来例で挙げた光スイッチとは異なり、可動ミラー部１１がストッパなどに接触していないため、ＭＥＭＳ技術の特徴である高精度加工が活かされる構成となっている。一方、図４（ｂ）の状態では、ヨーク穴７の影響により、永久磁石２で発生した磁束を効率良く可動磁性体１０へと導くことが可能となるため、永久磁石２およびその他の磁気回路全体を小型化することが可能となる。また、従来例と異なり、可動ミラー部１１には可動磁性体１０のみを固定するのみで良いため、小型化・軽量化が可能となり、高速動作も可能となる。さらに、本磁気アクチュエータは、図４（ａ）、図４（ｂ）どちらの場合にでも、閉磁路となるため、永久磁石２で発生した磁束の漏れも最小限とすることができる。
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態を、図７〜図１０を用いて説明する。
図７は、本発明の電磁アクチュエータを光スイッチとして応用する場合の構成を模式的に示した斜視図である。また図８は分解図となっており、（ａ）が上面図、（ｂ）が側面図となっている。なお、図８では、可撓部１２、可動ミラー部１１および可動磁性体１０は図の簡略化のため省略している。第２の実施の形態では、光スイッチの光学系に関与する可動ミラー部１１、可動磁性体１０、可撓部１２は、第１の実施の形態と同じ構成であり、光路切り替えも同様に実施可能となっている。また、永久磁石可動部１が永久磁石２とヨーク３、４から構成される点も、第１の実施の形態と同様である。

第２の実施の形態の特徴は、永久磁石可動部１が、第１の実施の形態ではヨーク間を直線的に動作していたのに対し、回転運動する点にある。この動作を、図９の側面図を用いて説明する。ヨーク２３、２４の構成は、開放側の端面が、図９における永久磁石可動部１の中心に対して対角線上に配置され、永久磁石可動部１が反時計回りに回転すればヨーク２４に、時計回りに回転すればヨーク２３に接触するようになっている。磁気回路的には、第１の実施の形態と同様であり、ヨーク２３側に永久磁石可動部１が接した場合には、永久磁石２の磁束の大部分がヨーク２３中を通るため、可動磁性体１０にはほとんど磁気吸引力が作用せず、図９（ａ）に示すように、可動ミラー部１１は、ヨーク２４と開離した状態で保持される。一方、図９（ｂ）に示すように、永久磁石可動部１がヨーク２４に接した場合には、磁束の大部分がヨーク２４中を通り、ヨーク穴２５部分で磁気飽和あるいはそれに近い状態となる。その結果、一部の磁束が可動磁性体１０側に漏れ、磁気吸引力が作用して可動ミラー部１１が駆動されることになる。また、永久磁石可動部１を駆動するためには、第１の実施の形態と同様に、その駆動方向に応じた電流をコイル２６、２７に流せばよい。仮に、図９に矢印で示した方向に永久磁石２が着磁されており、図９（ａ）から（ｂ）のように駆動する場合には、コイル２６、２７に対して、それぞれ紙面向かって右回りに十分な電流を印加すればよい。

また、第１の実施の形態と同様に、永久磁石可動部１を可撓性部材で支持することも可能である。その例を示したのが、図１０の構成模式図である。この場合、ヒンジバネ２８と永久磁石可動部１を接合し、固定部２９を固定することにより、永久磁石可動部１の回転運動に伴って弾性支持部３０がねじれ、復元力が発生することになる。この復元力により、永久磁石可動部１を駆動する際のコイル２６、２７へ印加する電流量を低減することが可能となる。

第２の実施の形態の構成とすることにより、電磁アクチュエータに対して上方から直線的な衝撃や振動が印加された場合でも、第１の実施の形態よりも永久磁石可動部１が保持された状態から離れる可能性が少なくなる。つまり耐衝撃、耐振動性能が向上することになる。ただし、第１の実施の形態の方が、永久磁石可動部１がヨークと面接触するため磁気効率が高いという利点があり、実際には使用状況に応じて必要となる性能、寸法などに見合う構造を選択することになる。

本発明の実施の形態１に関わる電磁アクチュエータの構成を模式的に示した斜視図である。 本発明の実施の形態１に関わる永久磁石可動部と板バネとの構成図である。 本発明の実施の形態１に関わる電磁アクチュエータを光スイッチとして構成した上面図である。 本発明の実施の形態１に関わる電磁アクチュエータの動作を示す側面図である。 ４５パーマロイの磁化曲線である。 ヨークの可動磁性体吸引部の形状の例を示す模式図である。。 本発明の実施の形態２に関わる電磁アクチュエータの構成を模式的に示した斜視図である。 本発明の実施の形態２に関わる電磁アクチュエータの構成を模式的に示した分解図である。 本発明の実施の形態２に関わる電磁アクチュエータの動作を示す側面図である。 本発明の実施の形態２に関わる永久磁石可動部とヒンジバネとの構成図である。

符号の説明

１ 永久磁石可動部
２ 永久磁石
３、４ エンドヨーク
５、６ ヨーク
７ ヨーク穴
８、９ コイル
１０ 可動磁性板
１１ 可動ミラー部
１２ 可撓部
１３ 板バネ
１４ 入力用光ファイバー１４
１５、１６ 出力用光ファイバー
１７、１８ 光路
１９ 凹部
２０ 磁化曲線
２１ 横軸
２２ 縦軸
２３、２４ ヨーク
２５ ヨーク穴
２６、２７ コイル
２８ ヒンジバネ
２９ 固定部
３０ 弾性支持部

Claims (8)

1. 可撓部によって支持され磁性体を有する可動部と、
   永久磁石を有し磁気による力を受けて移動する永久磁石可動部と、
   前記永久磁石可動部を駆動する少なくとも１個以上のコイルと、
   前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記永久磁石の磁束により前記可動部を磁気吸引する吸引部を有する吸引ヨークと、
   前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記磁束を導き前記吸引ヨークから前記可動部を開離する開離ヨークを有し、
   前記吸引部における前記磁束と直交する断面積が、前記吸引ヨークの他の部位における前記磁束と直交する断面積よりも小さい電磁アクチュエータ。
2. 前記吸引部の断面積が、前記吸引ヨークに前記永久磁石可動部が接触あるいは近接した際に、前記吸引部で飽和磁束密度、あるいはそれに近い磁束密度となるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記吸引部が、前記吸引ヨークに設けられた円形の貫通穴を含むことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記吸引部が、前記吸引ヨークに設けられた凹形状を含むことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記永久磁石可動部が、直線運動するものであることを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。
6. 前記永久磁石可動部が、回転運動するものであることを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。
7. 前記永久磁石可動部が、可撓性部材で支持されていることを特徴とする請求項５あるいは請求項６記載の電磁アクチュエータ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータを有する光デバイス。

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