JP4559744B2 - Comb-shaped actuator and light control element - Google Patents
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Description
本発明は櫛歯型アクチュエータおよび光制御素子に関する。 The present invention relates to a comb-shaped actuator and a light control element.
光ファイバ通信では、光を反射、または半透過するミラーやフィルタを光共振器、光スイッチや光減衰器に用いている。光ファイバに入、出射するコリメータ光の光束径は1mm程度以下の微小径であるが、ミラー自体、またこれにミラーを回転させたり、移動させる機構を付設すると、微小光束に対して大掛かりな機器となるため小型化することを要望されている。 In optical fiber communication, mirrors and filters that reflect or semi-transmit light are used for optical resonators, optical switches, and optical attenuators. The diameter of the collimator light beam entering and exiting the optical fiber is a minute diameter of about 1 mm or less. However, if a mirror itself or a mechanism for rotating or moving the mirror is added to the collimator light, a large-scale device for the minute light flux Therefore, downsizing is required.
微小化の一構造として、小面積ミラーの周縁に静電吸引力で動く櫛歯電極指をもつ可動電極を、同様に櫛歯電極指をもつ固定電極と入り組ませて両電極間に印加した電圧によって発生する静電力で可動電極を駆動する櫛歯型アクチュエータが開発されている。 As a miniaturized structure, a movable electrode having comb-shaped electrode fingers that move by electrostatic attraction on the periphery of a small-area mirror was applied between both electrodes in the same manner as a fixed electrode having comb-shaped electrode fingers. Comb-shaped actuators have been developed that drive movable electrodes with electrostatic force generated by voltage.
図11は、櫛歯型アクチュエータを説明するもので、方形をなす可動電極101はその対向する2辺に櫛歯状の可動電極指102a,102b群が配置され、これらに対向して一対の固定電極110、111が対設される。固定電極の可動電極に対する辺に櫛歯状の固定電極指群113a,113bが設けられ、両電極の電極指は相互に入り組んで配置される。可動電極101の他の対辺104,105に対向して、可動電極と間隔をあけて可動電極の接続端子となる固定部121,122が配置され、対辺104,105の中央に可動電極101を固定部121,122に接続して吊架するサスペンション106,107が設けられる。
FIG. 11 illustrates a comb-shaped actuator. A
図12に示すように可動電極101の可動電極指102と固定電極110(111)の固定電極指113は入り組んで配置され、隣接する一対の固定電極指1131,1132間に入り組んでいる可動電極指102とは等しい間隔g0のギャップ領域1311,1312に設定される。図13及び図14に示すように各電極指の長さをl、高さをh(hi,h2)、幅をwとすると、図13(A)のように上方の固定電極指1131,1132に対して可動電極指102が下方に位置して構成される場合は、両電極間の電圧印加により各電極指が静電力Eにより上方への吸引力Fが生じる。また、図13(B)のように両電極指102,1131,1132が同一面上に配置された場合は各電極指の高さを変えて例えば固定電極指の高さをh1、可動電極指102の高さをh2とすることにより、高さ方向の吸引力Fが発生する。図11に示すように可動電極101はサスペンション106,107を軸にして符号108のように回動する。
As shown in FIG. 12, the
しかし、図12に示す固定電極指1131,1132と可動電極指102間のギャップ領域に発生する静電力が左右同等に働かないと可動電極指に対して一方の固定電極指側例えば1131に強い吸引力が働く。電極の製造誤差がわずかでも静電力が偏りやすく、この偏った静電力が生じると電極指群全体で図11の符号109aのような可動電極面内で回転駆動静電力や符号109bのような一方に偏った静電力が発生して固定電極と可動電極が接触して離れなくなり、所要の回動制御を妨げる。
However, if the electrostatic force generated in the gap region between the
本発明はこのような不都合な吸引力による可動電極と固定電極同士の接触を防止する静電アクチュエータを得るものである。また、製造による電極指の寸法形状誤差に伴う静電力の不安定性を排除する静電アクチュエータを得るものである。 The present invention provides an electrostatic actuator that prevents contact between a movable electrode and a fixed electrode due to such an unfavorable attractive force. Moreover, the electrostatic actuator which eliminates the instability of the electrostatic force accompanying the dimensional shape error of the electrode finger due to manufacture is obtained.
本発明の一態様は、導電性の固定電極基部とこの固定電極基部の少なくとも1辺に所定の長さにわたって櫛歯状に並列された複数の固定電極指からなる固定電極指群とを有する固定電極と、
導電性の可動電極基部とこの可動電極基部の前記固定電極指群に対向する辺に所定の長さにわたって櫛歯状に並列された複数の可動電極指からなる可動電極指群とを有してこの可動電極指が前記固定電極指間に間隔をあけて入組んで配設され前記固定電極との間の電界または磁界の印加により前記固定電極指と前記可動電極指との間に発生する吸引力によって可動可能とされた可動電極と、
前記可動電極を回動可能に軸支するサスペンション支持体と、
前記固定電極指群のうちの1つの固定電極指とこれに隣接する他の固定電極指とこれらの固定電極指間に配置され前記可動電極指群の内の1つで前記固定電極指と前記回動する方向の高さが異なる可動電極指とを組として、前記1つの固定電極指とのギャップと前記隣接する他の固定電極指とのギャップとの幅を相互に異ならしめて広ギャップ領域と狭ギャップ領域を形成した偏倚電極指配列組を形成し、この偏倚電極指配列組の複数を前記サスペンション支持体の軸線を挟んで対向する対辺に所定の長さにわたって配置する手段と、
前記対辺のうちの一辺の偏倚電極指配列組は前記固定電極指の高さよりも前記可動電極指の高さを低く、前記対辺のうちの他辺の偏倚電極指配列組は前記可動電極指の高さよりも前記固定電極指の高さを低くする手段とを具備して、前記偏倚電極指配列組により前記所定の長さにわたる全体の吸引力の均衡をはかるようにしたことを特徴とする櫛歯型アクチュエータにある。
One aspect of the present invention is a fixed electrode having a conductive fixed electrode base and a fixed electrode finger group including a plurality of fixed electrode fingers arranged in a comb-like shape over a predetermined length on at least one side of the fixed electrode base. Electrodes,
A conductive movable electrode base, and a movable electrode finger group including a plurality of movable electrode fingers arranged in a comb-like shape over a predetermined length on a side of the movable electrode base facing the fixed electrode finger group; The movable electrode fingers are arranged to be inserted with a space between the fixed electrode fingers, and suction generated between the fixed electrode fingers and the movable electrode fingers by applying an electric field or a magnetic field between the fixed electrode fingers. Movable electrodes made movable by force,
A suspension supporting member for supporting the movable electrode rotatably,
Wherein the one the stationary electrode fingers of the one of the fixed electrode fingers and thereto is disposed between the other fixed electrode finger adjacent the fixed electrode fingers the movable electrode finger group of the fixed electrode finger group A pair of movable electrode fingers having different heights in the direction of rotation, and a wide gap region by making the widths of the gap between the one fixed electrode finger and the gap between the other adjacent fixed electrode fingers different from each other means for forming a biasing electrode finger arrangement sets forming the narrow gap region, arranging a plurality of the biasing electrode finger arrangement sets over the axis interposed therebetween predetermined to opposite sides facing the length of the suspension supporting member,
A biased electrode finger array set on one side of the opposite side has a height of the movable electrode finger lower than a height of the fixed electrode finger, and a biased electrode finger array set on the other side of the opposite side has a height of the movable electrode finger. Means for lowering the height of the fixed electrode fingers than the height, and the comb is characterized in that the whole attractive force is balanced over the predetermined length by the biased electrode finger array set. It is in a tooth type actuator.
さらに、前記所定の長さにそって配列される前記複数の偏倚電極指配列の広ギャップ領域と狭ギャップ領域の位置が前記可動電極の線対称中心線を中心として対称的に配置されることができる。 Furthermore, the positions of the wide gap region and the narrow gap region of the plurality of biased electrode finger arrays arranged along the predetermined length may be symmetrically arranged with respect to the line symmetry center line of the movable electrode. it can.
さらに、前記可動電極指群が前記可動電極の線対称中心線両側に分離して配置されることができる。 Furthermore, the movable electrode finger group may be separately disposed on both sides of the line symmetry center line of the movable electrode.
さらに、前記狭ギャップ領域と広ギャップ領域のギャップ幅の比率が1:1.2〜1:2.5であることができる。 In addition, the ratio of the gap width between the narrow gap region and the wide gap region may be 1: 1.2 to 1: 2.5.
さらに、前記固定電極指群と前記可動電極指群が実質的に偏倚電極指配列組からなることができる。 Further, the fixed electrode finger group and the movable electrode finger group may substantially comprise a biased electrode finger array set.
さらに、前記固定電極と前記可動電極は面一に配置されることができる。 Furthermore, the fixed electrode and the movable electrode may be disposed flush with each other.
さらに、前記固定電極指と前記可動電極指間のギャップはこれらの電極指の長さにそってほぼ平行であることができる。 Furthermore, the gap between the fixed electrode finger and the movable electrode finger can be substantially parallel along the length of these electrode fingers.
さらに、前記固定電極指と前記可動電極指間のギャップは前記広ギャップ領域と前記狭ギャップ領域の少なくとも一方が前記電極指の長さにそって非平行であることができる。 Furthermore, the gap between the fixed electrode finger and the movable electrode finger may be such that at least one of the wide gap region and the narrow gap region is non-parallel along the length of the electrode finger.
さらに、前記固定電極指と前記可動電極指は相互に高さが異なることができる。 Further, the fixed electrode finger and the movable electrode finger may have different heights.
さらに、前記サスペンション支持体は可動電極が回動する軸を形成することができる。 Further, the suspension support can form an axis around which the movable electrode rotates.
さらに、前記可動電極指は断面がほぼ3角形または台形であり、前記固定電極指は断面がほぼ逆3角形または逆台形であることができる。 Further, the movable electrode finger may have a substantially triangular or trapezoidal cross section, and the fixed electrode finger may have a substantially inverted triangular or inverted trapezoidal cross section.
さらに、前記可動電極の一方の面にミラーを設けることができる。 Furthermore, a mirror can be provided on one surface of the movable electrode.
さらに、前記可動電極が反射または透過型光フィルタを形成していることができる。 Further, the movable electrode can form a reflection or transmission type optical filter.
さらに、固定電極と可動電極間に電圧を印加して静電力で吸引させることが好ましい。 Furthermore, it is preferable to apply a voltage between the fixed electrode and the movable electrode and to attract with an electrostatic force.
また、本発明の他の態様は、開口部を形成した基板と、
前記基板上に前記開口部にそって設けられ、固定電極基部とこの固定電極基部の辺に所定の長さにわたって櫛歯状に並列された複数の固定電極指からなる固定電極指群とを有する固定電極と、
前記基板の前記開口部に架設され、可動電極基部とこの可動電極基部の辺に所定の長さにわたって櫛歯状に並列された複数の可動電極指からなる可動電極指群とを有してこの可動電極指を前記固定電極指間に間隔をあけて入組み配設し前記固定電極との間の電圧印加により前記固定電極指と前記可動電極指との間に発生する静電力により可動可能とされた可動電極と、
前記可動電極の両側に設けられ前記可動電極を支持する固定部と、
前記可動電極と前記固定部に一体に接続され前記可動電極を回動可能に吊架軸支するサスペンション支持体と、
前記固定電極指群のうちの1つの固定電極指とこれに隣接する他の固定電極指とこれらの電極指の間に配置される前記可動電極指群の内の1つで前記固定電極指と前記回動する方向の高さが異なる可動電極指とを組として、この可動電極指と前記1つの固定電極指との間に形成されるギャップと前記可動電極指と前記隣接する他の固定電極指との間に形成されるギャップの幅を相互に異ならしめて広ギャップ領域と狭ギャップ領域を形成した偏倚電極指配列組とし、この複数を前記サスペンション支持体の軸線を挟んで対向する対辺に前記所定の長さにわたって配置する手段と、
前記対辺のうちの一辺の偏倚電極指配列組は前記固定電極指の高さよりも前記可動電極指の高さを低く、前記対辺のうちの他辺の偏倚電極指配列組は前記可動電極指の高さよりも前記固定電極指の高さを低くする手段と
を具備して、前記電極指配列組により前記所定の長さにわたる全体の静電力の均衡をはかるようにしたことを特徴とする櫛歯型アクチュエータにある。
In another aspect of the present invention, a substrate in which an opening is formed,
A fixed electrode base comprising a plurality of fixed electrode fingers provided on the substrate along the opening and arranged in a comb-like shape over a predetermined length on a side of the fixed electrode base; A fixed electrode;
The movable electrode finger group includes a movable electrode base and a movable electrode finger group including a plurality of movable electrode fingers arranged in a comb-like shape over a predetermined length on a side of the movable electrode base. Movable electrode fingers are interleaved and arranged with a space between the fixed electrode fingers, and can be moved by electrostatic force generated between the fixed electrode fingers and the movable electrode fingers by applying a voltage between the fixed electrode fingers. Movable electrodes,
Fixed portions provided on both sides of the movable electrode and supporting the movable electrode;
A suspension supporting member which rotatably hanger pivotally supports the movable electrode integrally connected to said fixed portion and said movable electrode,
One fixed electrode finger in the fixed electrode finger group, another fixed electrode finger adjacent to the fixed electrode finger group, and one of the movable electrode finger groups arranged between these electrode fingers, A pair of movable electrode fingers having different heights in the rotating direction, and a gap formed between the movable electrode finger and the one fixed electrode finger, and the other fixed electrode adjacent to the movable electrode finger A biased electrode finger array set in which a wide gap region and a narrow gap region are formed by making the width of a gap formed between the fingers different from each other, and a plurality of the electrodes are opposed to opposite sides across the axis of the suspension support. Means for positioning over a predetermined length ;
A biased electrode finger array set on one side of the opposite side has a height of the movable electrode finger lower than a height of the fixed electrode finger, and a biased electrode finger array set on the other side of the opposite side has a height of the movable electrode finger. and provided with a <br/> means to reduce the height of the stationary electrode fingers than the height, characterized in that so as to balance the overall electrostatic power over the predetermined length by the electrode finger arrangement sets It is in the comb-tooth actuator.
さらに、前記可動電極はほぼ4辺形に形成され、対向する2辺に可動電極指群を有し、他の2辺に前記サスペンション支持体が接続され、一対の前記固定電極が前記2辺の可動電極指群に対応して前記基板に配置されていることができる。 Further, the movable electrode is formed in a substantially quadrilateral shape, has movable electrode finger groups on two opposite sides, the suspension support is connected to the other two sides, and a pair of the fixed electrodes are formed on the two sides. The movable electrode finger group may be disposed on the substrate.
さらに、前記可動電極は前記サスペンション支持体を介して電圧が印加されることができる。 In addition, a voltage may be applied to the movable electrode via the suspension support.
本発明によれば、可動電極と固定電極同士の接触を防止する櫛歯型アクチュエータを得るものである。また、製造による電極指の寸法形状誤差に伴う静電力の不安定性を排除する櫛歯型アクチュエータを得るものである。 According to the present invention, a comb-shaped actuator that prevents contact between a movable electrode and a fixed electrode is obtained. Further, the present invention provides a comb-shaped actuator that eliminates the instability of electrostatic force due to the dimensional shape error of the electrode finger due to manufacturing.
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
本実施形態は図1に示すように光可変減衰器10に本発明を適用したもので、図においてステム11に電極引出し端子12,13を有する筒状容器14の他の端面から2本の光ファイバ15,16が導入されている。容器14内に2芯ファイバコリメータ17,レンズ18,および反射角度を調整可能なミラー19を備え、さらにステム面にミラー19を制御する櫛歯型アクチュエータ20を有している。
(First embodiment)
In the present embodiment, the present invention is applied to an optical
この光可変減衰器10の動作は、図1に示す光入射側ファイバ15から入射された光が2芯ファイバコリメータ17とレンズ18を通過し、ミラー19で反射される。反射した光は再びレンズ18を通過して出射側光ファイバ16に結合する。ミラー19を傾けて反射光の角度を調節すると光出射側ファイバ16に入射する光量が変化する。すなわち角度に応じた結合損失が発生し光の減衰量を可変することができ、このミラー19を傾けるために櫛歯型アクチュエータ20が動作する。櫛歯型アクチュエータ20は容器のステム11に固定されて、電極引出し端子12,13に電気的に接続されておりその可動電極の一面にミラーが形成される。所要の電圧は電源10aから電極引出し端子に供給される。
In the operation of the optical
図2および図3に示すように、櫛歯型アクチュエータ20は中心に開口部22を形成した酸化絶縁膜61の形成されたフレーム状のSi基板21上に、Si層で形成された導電性の固定電極30と可動電極40が配置される。基板21の対辺例えば上下辺23a,23b上に固定電極30a,30bが配置され、この一対の電極は基板の他の対辺23c,23dの外縁に沿う接続層31a,31bにより電気的に接続される。両固定電極30a,30bの開口部22側に図2、図4のように櫛歯型の固定電極指32が固定電極基部35から垂直に等間隔で複数個突出して電極基部縁にそって並列し固定電極指群33を形成している。
As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the comb-shaped
基板21の左右の対辺23c,23dの開口部22側の内縁に、基板から突出部24a,24bが突設され、その上面に可動電極の電気的接続を兼ねる固定部41a,41bが配置される。突出部の形成により開口部22はH形状になり、この形状にほぼ同形のHパターンの可動電極40が開口部22上に設置される。突出部24a,24bの尖頭端25a,25bの中央部に凹部切り込み26a,26bが設けられ、この凹部切り込みに対応して固定部41a,41bに2本のスリットが切られ、スリット間に形成された微小断面の細長く伸びた可動電極40用のサスペンション支持体42a,42bが形成される。可動電極40はこれらの一対のサスペンション支持体42a,42bによって固定部41a,41bに機械的、電気的に接続されて開口部22に吊架される。
Projecting
可動電極40の可動電極基部46の上下の長い対辺40a,40bに辺に沿って間隔を置いて櫛歯状の電極指44が並列されて可動電極指群45が設けられる。図5に示すように可動電極指44の高さh2は固定電極指32の高さh1よりも高さを低くしており、図2で可動電極上辺の可動電極群と下辺の可動電極指群では、上辺で図5(A)、下辺で図5(B)のように電極指の高さ方向の配置関係を逆にしている。したがって電極間に電位差が生じた場合に、矢印で示されるように駆動される。
Comb-
両辺ともに高さ方向の配置関係を同じにする場合は、図3の1対の固定電極30a,30bを独立にして片側の固定電極に電圧を印加する。
When both sides have the same positional relationship in the height direction, a voltage is applied to the fixed electrode on one side with the pair of fixed
固定電極の固定電極指群33と可動電極の可動電極指群45は対向し、両電極の電極指32,44は相互に非接触に入り組んでインタデジタル電極配置とされる。
The fixed
可動電極40のパターンは両電極指群を中央で横切る電極中心線Cに対して線対称であり、電極指は中心線Cに対して対称的に形成される。
The pattern of the
図4の中心線Cから左右外側に向かってm番目の固定電極指32mとこれに隣接する(m+1)番目の固定電極指32(m+1)の間に、m番目の可動電極指44mが入り組んで配置される場合、m番目の固定電極指32mとm番目可動電極指44m間のギャップすなわち中心線C側のギャップ51の間隔g1は、(m+1)番目固定電極指32(m+1)とm番目可動電極指44m間のギャップすなわち外側ギャップ52の間隔g2よりも広く形成される。
The m-th
このような配列の電極指の組、すなわち1つの可動電極指の入り組み位置が2つの固定電極指間でギャップずれをさせた配置を、本発明において偏倚電極指配列組とすると、本実施形態では中心線Cを基準にして中心側ギャップg1の広い偏倚電極指配列組50を電極指群33,45全長にわたって配置している。
In this embodiment, when the arrangement of electrode fingers having such an arrangement, that is, an arrangement in which the insertion position of one movable electrode finger is shifted by a gap between two fixed electrode fingers is referred to as a biased electrode finger arrangement set in the present embodiment, Then, a biased electrode finger array set 50 having a wide center side gap g1 with respect to the center line C is disposed over the entire length of the
偏倚電極指配列組の中心線に対する対称配置により、図6(A)に示すように電圧印加により各偏倚電極指配列組に中心線Cを基準にして可動電極外方の静電力の吸引力成分が生じ吸引力Fが高まり、中心線Cを中心にして均衡する。作用反作用としての吸引力成分はある程度大きいほうが制御しやすく、均衡させやすい。したがって電極の製造時の電極形状の寸法誤差により生じる吸引力のばらつきを補正することが容易になる。図14の電極指の寸法が例えば長さlが100μm、高さがhが50μm、幅wが15μm以下程度の微小構造では、狭いギャップ領域の間隔g2に対して広いギャップ領域の間隔g1の比率は1:1.2〜1:2.5とするのが望ましい。1:1.2未満では寸法の製造誤差の影響で偏倚電極指組の静電力がばらつきやすく、また1:2.5を超えると狭いギャップ側で固定電極指と可動電極指とが接触しやすくなる。本実施形態では1:1.5とした。 Due to the symmetrical arrangement with respect to the center line of the bias electrode finger array set, as shown in FIG. 6 (A), the attractive force component of the electrostatic force outside the movable electrode with reference to the center line C by applying voltage to each bias electrode finger array set. Is generated, the suction force F is increased, and the center line C is balanced. The larger the suction force component as the action and reaction is, the easier it is to control and balance. Therefore, it becomes easy to correct the variation in the attractive force caused by the dimensional error of the electrode shape when manufacturing the electrode. In the case of a micro structure in which the dimension of the electrode finger of FIG. 14 is, for example, a length l of 100 μm, a height h of 50 μm, and a width w of about 15 μm or less, the ratio of the wide gap region spacing g1 to the narrow gap region spacing g2 Is preferably 1: 1.2 to 1: 2.5. If it is less than 1: 1.2, the electrostatic force of the biased electrode finger set tends to vary due to the manufacturing error of the dimensions, and if it exceeds 1: 2.5, the fixed electrode finger and the movable electrode finger are likely to come into contact with each other on the narrow gap side. Become. In this embodiment, it is 1: 1.5.
可動電極40の一表面にはAuのほかAgやAlの蒸着層または多層干渉膜の反射層で形成されたミラー19が配置される。可動電極40はサスペンション支持体42a,42bにより軸支され、固定電極30との間に電圧を印加すると、電極指群で静電駆動されて回動する。これに伴い図1に示すファイバー15からの光の光軸に対するミラーの角度が調節される。
On one surface of the
上記実施形態では偏倚電極指配列組を電極指群の全長にわたって適用したが、一部に適用することもできる。例えば1つ置きに配列してもよく、電極指群の端部付近に集中して形成することができる。またはギャップ間隔が同一寸法でない電極指群とすることもできる。いずれも偏倚電極指組の電極指ギャップの静電力を、偏らせない場合の電極指の製造誤差によって生じる不所望な可動電極面方向の回転静電力を上回る大きさになるように対称的な静電力にすればよい。 In the above embodiment, the biased electrode finger array set is applied over the entire length of the electrode finger group, but may be applied to a part. For example, it may be arranged every other one, and can be formed in the vicinity of the ends of the electrode finger group. Alternatively, an electrode finger group in which the gap interval is not the same dimension may be used. In either case, the electrostatic force of the electrode finger gap of the biased electrode finger set is symmetrically increased so as to exceed the undesired rotational electrostatic force in the movable electrode surface direction caused by the manufacturing error of the electrode finger when it is not biased. Electricity can be used.
また、上記実施形態では、図6(A)に示すように偏倚電極指配列組の中心側ギャップ間隔を外側ギャップ間隔よりも広くし、外側への吸引力を高めるようにしたが、逆に中心側ギャップの間隔を外側ギャップ間隔よりも狭くし、図6(B)のように中心側への吸引力Fを高めるようにして中心線Cを基準にしてバランスさせることもできる。また、ギャップの関係が相互に逆の偏倚電極指配列組を中心線Cの左右に織り交ぜて配置することもできる。積極的に偏倚電極指組を形成することによって、製造誤差による不所望な静電力の偏りを解消することが可能になる。 Further, in the above embodiment, as shown in FIG. 6A, the center side gap interval of the biased electrode finger array set is made wider than the outer gap interval, and the suction force to the outside is increased. The distance between the side gaps can be made narrower than the distance between the outer gaps, and the center line C can be balanced with reference to the center line C so as to increase the suction force F toward the center as shown in FIG. Further, it is also possible to arrange the bias electrode finger arrangement groups having the gaps opposite to each other so as to interweave to the left and right of the center line C. By positively forming the bias electrode pairs, it is possible to eliminate an undesired bias of electrostatic force due to manufacturing errors.
以下図7により本実施形態の製造方法を説明する。図は理解を容易にするために、固定電極よりも高さが低い電極指を有する可動電極40を模式的に示しており、固定電極指をもつ固定電極30も同時に形成されるが簡略して示してある。
Hereinafter, the manufacturing method of this embodiment will be described with reference to FIG. For ease of understanding, the figure schematically shows the
(工程A)
厚さ500μmの単結晶Si基板21上にSi酸化膜61を介して厚さ50μmの単結晶Si電極層62を積層したSOI基板を用意し、この電極層62上に後の工程でマスクとして使用するAl層63をスパッタにより堆積する。Si電極層62の可動電極指44(図4)となる領域44a上のAl層63の一部をエッチングにより除去し開口部63aを形成する。
(Process A)
An SOI substrate in which a single crystal
(工程B)
Al層を含む基板上面をフォトレジスト層64で被覆し、アクチュエータの主に可動電極パターンを形成するマスクを用いてフォトレジスト層64を光露光して一部領域を除去しマスク孔64a,64b,64cを形成する。マスク孔64aおよび64c下のSi電極層は図1に示す可動電極40、固定電極30および可動電極を固定する突出部24a,24b間のギャップとして除去される領域であり、マスク孔64bは突出部24a,24bの尖頭部25a,25bに凹部切込み26a,26bを形成するためのマスク孔でその切込み間がサスペンション支持体42a,42b(図2)となる領域である。
(Process B)
The upper surface of the substrate including the Al layer is covered with a
このマスク孔64a,64b,64c下の領域をイオンによる異方性エッチングによりSi電極層62をエッチングしSi電極層62を30μの深さまでエッチングする。
In the regions under the
(工程C)
フォトレジスト層64を除去し、露出されたAl層63をマスクとして、Si電極層62をイオンにより異方性エッチングし、すでに30μm深さにエッチングされて約20μm厚に残された領域62aが除去されSi酸化層61が露出するまでエッチングする。これにより、Al層の開口部63aの領域44a同様に20μmだけ削られて30μm高さ(Si電極層の厚み方向)の可動電極指44となる。
(Process C)
Using the exposed
(工程D)
Al層63を除去し基板の両面にフォトレジスト膜65,66を塗布する。基板裏面に開口部22を形成するためのレジスト膜66を光照射、現像してマスク孔を形成し、異方性エッチングしてマスク孔下のSi領域21、Si酸化膜61を除去して開口部22とする。
(Process D)
The
得られる可動電極指44の寸法は幅wが15ミクロン、長さlが100μmである。この電極指が中心線C(図1)の両側に各50対、可動電極基部46の辺縁にそって並列される。同時にサスペンション支持体42は幅5μm、高さ50μmに形成される。
The obtained
(工程E)
フォトレジスト膜65,66を除去し、Si電極層62上面にAu層67をスパッタにより堆積する。このAu層は可動電極上のミラー19として機能し、固定電極30および可動電極固定部41a,41bに電圧を供給するボンディングパッドを兼ねている。図で破線の部分32は固定電極指を示している。
(Process E)
The
このようにして固定電極と可動電極が同一面上に形成された2mm×3mm角の櫛歯型アクチュエータが製造される。これを図1に示す容器のステム11にマウントし、電極引出し端子12,13と固定電極、可動電極をボンディングワイヤで接続する。光はファイバ15,16、2芯ファイバコリメータ17、レンズ18を装着し、筒状容器14となるキャップをかぶせて封着し光可変減衰器10を作製する。
In this manner, a 2 mm × 3 mm square comb-shaped actuator in which the fixed electrode and the movable electrode are formed on the same surface is manufactured. This is mounted on the stem 11 of the container shown in FIG. 1, and the
(参考例)
本参考例は可動電極のサスペンション支持体の位置を片持ち構造にしたアクチュエータを示すもので、前記第1実施形態の上半分と同等の構成になっている。
( Reference example )
This reference example shows an actuator in which the position of the suspension support of the movable electrode is a cantilever structure, and has the same configuration as the upper half of the first embodiment.
図8(A)(B)に示すように、櫛歯型アクチュエータ70は線対称中心線Cを中心とする線対称T字状パターンの可動電極本体72と、この本体から左右対称に電極基部となる左右腕部73,74を延長し、これらの上縁部に一対の固定電極71a,71bを配置している。左右腕部73,74の先端側に間隔をあけて可動電極固定用でかつ可動電極の電極パッドを兼ねる固定部75a,75bが配置される。可動電極の上方延長部76aは可動電極の本体を形成し、一方の面にミラー19を形成している。可動電極の下方延長部76bは左右腕部73,74の下縁からわずかに突出して形成され、その側縁から固定部75a,75bにかけてサスペンション支持体77a,77bが設けられて、可動電極72を固定部75a,75bに吊架している。
As shown in FIGS. 8A and 8B, the comb-shaped
可動電極の左右腕部73,74の上側に複数の可動電極指73aによる可動電極指群78が形成され、対向する各固定電極71a,71bの辺に複数の固定電極指71cによる固定電極指群79が形成され、可動電極指群78と固定電極指群79が相互に入り組んで配置される。図8(B)に示すように可動電極指73aと固定電極指71cの構造配置は第1実施形態の構造配置と同様にされ、偏倚電極指配列組80を電極指群の全長にわたって配置する。すなわち偏倚電極指配列組80は1つの可動電極指73aとこれを挟む1対の固定電極指71cで構成されるものとし、この配列組は可動電極と1対の固定電極間に広ギャップg1と狭ギャップg2が形成される。
A movable
本参考例は線対称中心線Cを中点として、左側の電極指群の偏倚電極指組の広ギャップg1を中心線C側に、同じく右側の電極指群の偏倚電極指組の広ギャップg1を中心線C側になるように配置し、電極全体に発生する静電力がバランスするようにしている。固定電極と可動電極間に電圧を印加すると、電極指間に静電力が生じて可動電極72はサスペンション支持体77a,77bを支点にして回動しミラー19の角度が調節される。一定の電圧を保持することで、可動電極は停止状態となり、所望のミラー角度が固定される。
This reference example as the midpoint of the line symmetry center line C, the left biasing electrode finger pairs of the wide gap g1 of the electrode finger to the center line C side, similarly biased on the right side of the electrode finger groups the electrode finger pairs of the wide gap g1 Are arranged on the center line C side so that the electrostatic force generated in the entire electrode is balanced. When a voltage is applied between the fixed electrode and the movable electrode, an electrostatic force is generated between the electrode fingers, and the
(第2実施形態)
図9に示すように、本実施形態は可動電極40に透過型の干渉フィルタ85を配置した構造である。なお第1実施形態と同一符号の部分は同様部分を示す。Siの可動電極基部46に多層干渉膜を堆積して干渉フィルタ85を形成する。Si基板は使用光の赤外領域で透明なので多層干渉膜がフィルタとして機能する。電極指群33,45は偏倚電極指配列組を中心線Cを基準に左右対称に配置して構成され、製作、制御の容易さを確保している。干渉フィルタで反射型を構成することも可能である。
( Second Embodiment )
As shown in FIG. 9, the present embodiment has a structure in which a
(第3実施形態)
本実施形態は第1実施形態の一本のサスペンション支持体と異なり、図10に示すように可動電極40と固定部41間のサスペンション支持体90を2本の細線91a,91bで構成する。なお第1実施形態と同一符号の部分は同様部分を示す。近接した2本の細線により支持体を形成するため、比較的小断面の支持体で可動電極40を確固に保持することができる。なお、第1実施形態と同一符号の部分は同様部分を示す。
( Third embodiment )
In the present embodiment, unlike the single suspension support of the first embodiment, the
サスペンション支持体90は断面が5μm×50μmまたはそれ以下の微小構造であり、材質を単結晶Siなどで形成するものであるから、きわめて脆弱であり、可動電極のサスペンションとして機械強度を確保するには、寸法を大きくしなければならない。しかし、寸法を大にすると可動電極を回転するためのサスペンション支持体のねじれ制御に限界があるため、本実施形態のように近接した2本の支持体で可動電極を軸支(軸線a)することでこのような不都合を防止することができる。
The
以上、実施形態により本発明を説明したが、本発明の範囲は実施形態に限定されるものではない。例えば、偏倚電極指配列組の広ギャップと狭ギャップの設定は固定電極指と可動電極指間の幅方向の間隔を電極指長さにわたって同一にしても、同一寸法でなく形成することまもできる。例えば電極指全体にかかる静電力成分が所望の方向に偏倚するように可動電極指を先細状に形成することができる。電極指の先端を丸、面取り、鋭角、凹面、湾曲面の形状にして偏倚静電力を発生せることができる。また、電極指の側縁が、対向する電極指の側縁に対して湾曲する形状でもよい。要すればこのような非平行にしても全体として広ギャップと狭ギャップに設定されることで本発明の効果を得ることができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by embodiment, the scope of the present invention is not limited to embodiment. For example, the wide gap and narrow gap of the biased electrode finger array set can be formed with the same distance in the width direction between the fixed electrode finger and the movable electrode finger over the length of the electrode finger but not with the same size. . For example, the movable electrode finger can be tapered so that the electrostatic force component applied to the entire electrode finger is biased in a desired direction. The tip of the electrode finger can be round, chamfered, sharp, concave, or curved to generate a biased electrostatic force. Moreover, the shape where the side edge of an electrode finger curves with respect to the side edge of the electrode finger which opposes may be sufficient. If necessary, the effect of the present invention can be obtained by setting the wide gap and the narrow gap as a whole even if they are not parallel.
また、電極指の変形例として、電極指の横断面を矩形以外の、台形や菱形などの4辺形のほか、3角形や他の多角形にすることができる。可動電極指を台形や3角形にした場合、固定電極指を逆台形や逆3角形にして上下を逆の形状で組み合わせると可動電極のギャップ方向の移動範囲を広げることができる。 In addition, as a modification of the electrode finger, the cross-section of the electrode finger can be a quadrilateral such as a trapezoid or a rhombus other than a rectangle, a triangle or another polygon. When the movable electrode fingers are trapezoidal or triangular, the moving range of the movable electrodes in the gap direction can be widened by combining the fixed electrode fingers in an inverted trapezoidal shape or an inverted triangular shape in an inverted shape.
さらに、上記実施形態では偏倚電極指配列の組を、一対の固定電極指と1つの可動電極指で構成したが、一対の可動電極指と1つの固定電極指で構成してもよい。また偏倚電極指配列の組を2つの可動電極指ごとにこれを挟む固定電極指間で広ギャップと狭ギャップを形成して構成することができる。 Furthermore, in the above embodiment, the set of biased electrode finger arrangements is composed of a pair of fixed electrode fingers and one movable electrode finger, but may be composed of a pair of movable electrode fingers and one fixed electrode finger. Further, a set of biased electrode finger arrangements can be configured by forming a wide gap and a narrow gap between fixed electrode fingers sandwiching each pair of two movable electrode fingers.
さらに、上記実施形態は一対の固定電極に共通電圧を印加する構造であるが、これらを分離して独立の電圧を印加するようにしてもよい。 Furthermore, although the said embodiment is a structure which applies a common voltage to a pair of fixed electrode, you may make it isolate | separate and apply an independent voltage.
また、上記実施形態は電極をSiをベースとしその上面にAu層を堆積した構造であるが、Siのような半導体だけで導電性電極とすることもでき、また電極ベースを絶縁体としてその上面にAuなどの金属層を設けて導電性電極とすることができる。また、金属層自体で電極を形成してもよい。 The above embodiment has a structure in which the electrode is made of Si and the Au layer is deposited on the upper surface thereof. However, a conductive electrode can be made of only a semiconductor such as Si, and the upper surface of the electrode base is made of an insulator. A conductive layer can be formed by providing a metal layer of Au or the like. Moreover, you may form an electrode with metal layer itself.
可動電極、固定電極を磁性体で構成し、この間に磁界を印加して吸引力を発生させることもできる。 The movable electrode and the fixed electrode can be made of a magnetic material, and a magnetic field can be applied between them to generate an attractive force.
なお、上記実施形態を光可変減衰器の櫛歯型アクチュエータで説明したが、例えば光通信システムの光スイッチやレーザ共振器の波長可変器、波長フィルタなどに適用することができることはいうまでもない。 Although the above embodiment has been described with the comb-type actuator of the optical variable attenuator, it is needless to say that it can be applied to, for example, an optical switch of an optical communication system, a wavelength tunable device of a laser resonator, a wavelength filter, or the like. .
10:光可変減衰器
19:ミラー
20:櫛歯型アクチュエータ
30:固定電極
32:固定電極指
33:固定電極指群
35:固定電極基部
40:可動電極
41a,41b:固定部
42a,42b:サスペンション支持体
44:可動電極指
45:可動電極指群
46:可動電極基部
50:偏倚電極指配列組
51,52:ギャップ
g1,g2:ギャップ間隔
10: variable optical attenuator 19: mirror 20: comb-shaped actuator 30: fixed electrode 32: fixed electrode finger 33: fixed electrode finger group 35: fixed electrode base 40:
Claims (14)
導電性の可動電極基部とこの可動電極基部の前記固定電極指群に対向する辺に所定の長さにわたって櫛歯状に並列された複数の可動電極指からなる可動電極指群とを有してこの可動電極指が前記固定電極指間に間隔をあけて入組んで配設され前記固定電極との間の電界または磁界の印加により前記固定電極指と前記可動電極指との間に発生する吸引力によって可動可能とされた可動電極と、
前記可動電極を回動可能に軸支するサスペンション支持体と、
前記固定電極指群のうちの1つの固定電極指とこれに隣接する他の固定電極指とこれらの固定電極指間に配置され前記可動電極指群の内の1つで前記固定電極指と前記回動する方向の高さが異なる可動電極指とを組として、前記1つの固定電極指とのギャップと前記隣接する他の固定電極指とのギャップとの幅を相互に異ならしめて広ギャップ領域と狭ギャップ領域を形成した偏倚電極指配列組を形成し、この偏倚電極指配列組の複数を前記サスペンション支持体の軸線を挟んで対向する対辺に所定の長さにわたって配置する手段と、
前記対辺のうちの一辺の偏倚電極指配列組は前記固定電極指の高さよりも前記可動電極指の高さを低く、前記対辺のうちの他辺の偏倚電極指配列組は前記可動電極指の高さよりも前記固定電極指の高さを低くする手段とを具備して、前記偏倚電極指配列組により前記所定の長さにわたる全体の吸引力の均衡をはかるようにしたことを特徴とする櫛歯型アクチュエータ。 A fixed electrode having a conductive fixed electrode base and a fixed electrode finger group composed of a plurality of fixed electrode fingers arranged in a comb-like shape over a predetermined length on at least one side of the fixed electrode base;
A conductive movable electrode base, and a movable electrode finger group including a plurality of movable electrode fingers arranged in a comb-like shape over a predetermined length on a side of the movable electrode base facing the fixed electrode finger group; The movable electrode fingers are arranged to be inserted with a space between the fixed electrode fingers, and suction generated between the fixed electrode fingers and the movable electrode fingers by applying an electric field or a magnetic field between the fixed electrode fingers. Movable electrodes made movable by force,
A suspension supporting member for supporting the movable electrode rotatably,
One fixed electrode finger in the fixed electrode finger group, another fixed electrode finger adjacent to the fixed electrode finger, and one of the movable electrode fingers arranged between the fixed electrode fingers and the fixed electrode finger A pair of movable electrode fingers having different heights in the direction of rotation, and a wide gap region by making the widths of the gap between the one fixed electrode finger and the gap between the other adjacent fixed electrode fingers different from each other means for forming a biasing electrode finger arrangement sets forming the narrow gap region, arranging a plurality of the biasing electrode finger arrangement sets over the axis interposed therebetween predetermined to opposite sides facing the length of the suspension supporting member,
A biased electrode finger array set on one side of the opposite side has a height of the movable electrode finger lower than a height of the fixed electrode finger, and a biased electrode finger array set on the other side of the opposite side has a height of the movable electrode finger. Means for lowering the height of the fixed electrode fingers than the height, and the comb is characterized in that the whole attractive force is balanced over the predetermined length by the biased electrode finger array set. Tooth type actuator.
前記基板上に前記開口部にそって設けられ、固定電極基部とこの固定電極基部の辺に所定の長さにわたって櫛歯状に並列された複数の固定電極指からなる固定電極指群とを有する固定電極と、A fixed electrode base comprising a plurality of fixed electrode fingers provided on the substrate along the opening and arranged in a comb-like shape over a predetermined length on a side of the fixed electrode base; A fixed electrode;
前記基板の前記開口部に架設され、可動電極基部とこの可動電極基部の辺に所定の長さにわたって櫛歯状に並列された複数の可動電極指からなる可動電極指群とを有してこの可動電極指を前記固定電極指間に間隔をあけて入組み配設し前記固定電極との間の電圧印加により前記固定電極指と前記可動電極指との間に発生する静電力により可動可能とされた可動電極と、The movable electrode finger group includes a movable electrode base and a movable electrode finger group including a plurality of movable electrode fingers arranged in a comb-like shape over a predetermined length on a side of the movable electrode base. Movable electrode fingers are interleaved and arranged with a space between the fixed electrode fingers, and can be moved by electrostatic force generated between the fixed electrode fingers and the movable electrode fingers by applying a voltage between the fixed electrode fingers. Movable electrodes,
前記可動電極の両側に設けられ前記可動電極を支持する固定部と、Fixed portions provided on both sides of the movable electrode and supporting the movable electrode;
前記可動電極と前記固定部に一体に接続され前記可動電極を回動可能に吊架軸支するサスペンション支持体と、A suspension support body that is integrally connected to the movable electrode and the fixed portion and supports the movable electrode so that the movable electrode can rotate;
前記固定電極指群のうちの1つの固定電極指とこれに隣接する他の固定電極指とこれらの電極指の間に配置される前記可動電極指群の内の1つで前記固定電極指と前記回動する方向の高さが異なる可動電極指とを組として、この可動電極指と前記1つの固定電極指との間に形成されるギャップと前記可動電極指と前記隣接する他の固定電極指との間に形成されるギャップの幅を相互に異ならしめて広ギャップ領域と狭ギャップ領域を形成した偏倚電極指配列組とし、この複数を前記サスペンション支持体の軸線を挟んで対向する対辺に前記所定の長さにわたって配置する手段と、One fixed electrode finger in the fixed electrode finger group, another fixed electrode finger adjacent to the fixed electrode finger group, and one of the movable electrode finger groups arranged between these electrode fingers, A pair of movable electrode fingers having different heights in the rotating direction, and a gap formed between the movable electrode finger and the one fixed electrode finger, and the other fixed electrode adjacent to the movable electrode finger A biased electrode finger array set in which a wide gap region and a narrow gap region are formed by making the width of a gap formed between the fingers different from each other, and a plurality of the electrodes are opposed to opposite sides across the axis of the suspension support. Means for positioning over a predetermined length;
前記対辺のうちの一辺の偏倚電極指配列組は前記固定電極指の高さよりも前記可動電極指の高さを低く、前記対辺のうちの他辺の偏倚電極指配列組は前記可動電極指の高さよりも前記固定電極指の高さを低くする手段とA biased electrode finger array set on one side of the opposite side has a height of the movable electrode finger lower than a height of the fixed electrode finger, and a biased electrode finger array set on the other side of the opposite side has a height of the movable electrode finger. Means for lowering the height of the fixed electrode finger than the height;
を具備して、前記電極指配列組により前記所定の長さにわたる全体の静電力の均衡をはかるようにしたことを特徴とする櫛歯型アクチュエータ。The comb-shaped actuator is characterized in that the electrostatic force is balanced over the predetermined length by the electrode finger array set.
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