JPWO2013108705A1 - 微小可動機構及び可変容量コンデンサ - Google Patents

微小可動機構及び可変容量コンデンサ Download PDF

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Abstract

【課題】大きな可変範囲を有する微小可動機構及び可変容量コンデンサを提供することを目的としている。【解決手段】本発明の微小可動機構１は、固定部１０に対して間隔を設けて配置された第１の可動部２０と、第１の連結部２１に連結されたリンク部４０と、第２の連結部３１を備える第２の可動部３０と、支点部５０と、を有し、リンク部４０は支点部５０を支点として回動可能に設けられ、第１の連結部２１と支点部５０との距離よりも、第２の連結部３１と支点部５０との距離が長くなる位置に設けられた、ことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、微小可動機構及び可変容量コンデンサに関し、特に、大きな可変範囲を有する微小可動機構及び可変容量コンデンサに関する。
微小可動機構を用いた可変容量コンデンサは、携帯電話に搭載する回路部品の点数を削減して小型化に寄与することが期待されて、開発が進められている。
このような可変容量コンデンサは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれる微小デバイス技術によって大量生産することが可能である。ＭＥＭＳは小型化に適していて、大量生産すれば比較的安価な製品にすることができるので、携帯機器の小型化や高性能化に寄与することが期待される。さらに、携帯電話に使用されている周波数帯域は７００ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚ等の広い帯域であるため、最小の電気容量に対して最大の電気容量が１０倍程度の可変比を有する可変容量コンデンサが要望されている。
たとえば、特許文献１に開示されているように、支持部と、支持部から延在して設けられた梁で中央部が保持された可動部と、を有する微小可動機構を利用し、支持部に設けられた固定電極と、固定電極に対向する可動部と、によって、可変容量コンデンサの電極が構成された。可動部の変位によって電極間距離が変わるので、可変容量コンデンサの電気容量を可変にできる。
図１１に示すように、従来の可変容量コンデンサ１０２には、従来の微小可動機構１０１が利用された。従来の微小可動機構１０１は、可動部１２０の中央部の２箇所に梁１５０が固定されて、可動部１２０は梁１５０のねじれによって回転可能になっている。支持部１１０（固定部）には、固定電極として駆動電極１１１と検出電極１１２とが、可動部１２０に対向して設けられている。
この微小可動機構１０１において、駆動電極１１１（第１の固定電極）に電圧を印加すると、電圧が印加された駆動電極１１１と、可動部１２０と、の間に電位差が発生して、静電力（クーロン力）を生じる。この静電力によって可動部１２０が梁１５０を回転軸として回転するので、電気容量を検出する検出電極１１２（第２の固定電極）と可動部１２０との対向する部分の電極間距離が変化する。
このとき、静電力と、梁１５０のねじれに対する材料力学的な復元力と、が均衡した位置まで変位して、検出電極１１２と可動部１２０との電気容量が変化する。駆動電極１１１に印加する電圧値によって、復元力と均衡している変位位置を変化させて、所望の電気容量に調整することができる。ただし、可動部１２０と駆動電極１１１との可変範囲を静電力の無い状態の３分の１以上に大きく変化させようとすると、静電力と復元力との均衡を保つことができない。これはプルイン効果と呼ばれる現象で、静電駆動方式における制御可能な可変範囲に制限を与えている。
このような可変容量コンデンサ１０２の可変比は、検出電極１１２と可動部１２０との実効電極間距離の、制御可能な可変範囲における最小値と最大値との比率以内に制限される。ここで、図１１の可動部１２０は梁１５０を回転軸として傾くので、平行平板に近似したときの電極間距離を実効電極間距離と定義した。可変比を大きくするためには、可動部１２０と検出電極１１２との実効電極間距離の可変範囲を大きくしなければならない。
ここで、可動部１２０と駆動電極１１１との間に電位差が印加されていない位置を初期状態と定義する。可変範囲を大きくする方法として、初期状態において可動部１２０と駆動電極１１１との実効電極間距離を大きくすると、必要な静電力を発生させるための駆動電圧が大きくなってしまう。そこで、図１１に示すように、駆動電極１１１の位置と比較して、検出電極１１２を梁１５０からＸ２方向に離して配置しなければならなかった。しかしながら、大きな可変範囲を得るためには、検出電極１１２と梁１５０との配置を離さなければならないので、全体の寸法が大きくなってしまう。
特開平９−１５３４３６号公報
このように、従来の微小可動機構では、可変範囲を大きくすることが実用上困難であった。そのため、大きな可変範囲を有する可変容量コンデンサは実現されていなかった。
本発明は上記課題を解決するためのものであり、特に、大きな可変範囲を有する微小可動機構及び可変容量コンデンサを提供することを目的とする。
本発明の微小可動機構は、固定部に対して間隔を設けて配置された第１の可動部と、前記第１の可動部に設けられた第１の連結部に連結されたリンク部と、前記リンク部に連結された第２の連結部を備える第２の可動部と、前記第１の連結部と前記第２の連結部の間に位置し、前記リンク部に設けられた支点部と、を有し、前記リンク部は、前記第１の可動部が前記固定部に接近するとき前記第２の可動部が前記固定部から離れるように、前記支点部を支点として回動可能に設けられ、前記支点部は、前記第１の連結部と前記支点部との距離よりも、前記第２の連結部と前記支点部との距離が長くなる位置に設けられた、ことを特徴とする。
こうすれば、第１の可動部と第２の可動部とはリンク部にそれぞれ連結されて、リンク部に設けた支点部を支点とした変位が可能になるので、第１の連結部とリンク部の支点位置との距離に対して、第２の連結部とリンク部の支点位置との距離を、相対的に変えることによって、変位量を大きくすることができる。第１の可動部に設けられた第１の連結部と支点部との距離（Ｌ１）よりも、第２の可動部に設けられた第２の連結部と支点部との距離（Ｌ２）が長いので、支点部を支点とした回動動作による変位量は、第１の可動部の変位量（ΔＤ１）よりも第２の可動部の変位量（ΔＤ２）が大きい。すなわち、初期状態での第２の可動部と固定部との間隔（Ｄ２）から、最大位置（ΔＤ２＋Ｄ２）までを可変範囲とすることができる。
したがって、本発明の微小可動機構は、大きな可変範囲を有する。
さらに、前記第２の可動部は、可動方向に垂直な平面領域を有していることが好適である。可動方向に垂直な平面領域が傾くことなく平行に変位するので、平面領域を平面鏡や平板電極として種々のデバイスに応用可能である。これにより、平面領域を光の反射面として利用すれば、大きな可変範囲を有するミラー・デバイスを構成することができる。また、平面領域を電極面として可変容量コンデンサに用いることができる。
本発明の可変容量コンデンサは、前記第２の可動部が可動方向に垂直な平面領域を有して、前記平面領域に平行に変位する微小可動機構を備えるとともに、前記第１の可動部は第１の可動電極を有し、前記第２の可動部は第２の可動電極を有し、前記固定部は前記第１の可動電極に対向する第１の固定電極を有するとともに、前記第２の可動電極に対向する第２の固定電極を有し、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間に電位差が印加されていない初期状態を基準にして、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間に印加された電位差によって、前記第１の可動電極が前記第１の固定電極に接近し、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との間に形成された電気容量を変化させる、ことを特徴とする。
こうすれば、可動状態における第１の可動電極と第１の固定電極との電極間距離（Ａ１）に対して、可動状態における第２の可動電極と第２の固定電極との電極間距離（Ａ２）が大きく変化する。ここで、電位差が印加されていない位置を初期状態の位置と定義して、初期状態での第１の可動電極と第１の固定電極との電極間距離（Ｄ１’）を用いると、Ａ１の最大は（ΔＤ１＋Ｄ１’）である。なお、初期状態は、加速度等の外力を与えていない状態であることも含んでいる。同様に、初期状態での第２の可動電極と第２の固定電極との電極間距離（Ｄ２’）を用いて、Ａ２の最大は（ΔＤ２＋Ｄ２’）である。ΔＤ１よりΔＤ２が大きいので、Ａ１よりＡ２を大きくできる。
したがって、本発明の可変容量コンデンサは、大きな可変範囲を有する。
前記初期状態において、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との電極間距離に比べて、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との電極間距離が狭められて配置されたことが好ましい。すなわち、Ｄ１’＞Ｄ２’となるように配置された。こうすれば、初期状態での第２の可動電極と第２の固定電極との電極間距離（Ｄ２’）に対して、可動状態における第２の可動電極と第２の固定電極との電極間距離（Ａ２）の最大値の相対比率を大きくすることができる。したがって、制御可能な可変範囲に対して、大きな可変比の可変容量コンデンサを実現できる。
前記固定部において、前記第１の固定電極よりも前記第２の固定電極が突出するように配置されたことが実際的である。このような態様は容易に製作することができる。したがって、制御可能な可変範囲に対して、大きな可変比の可変容量コンデンサを容易に実現できる。
前記微小可動機構はストッパを有し、前記ストッパによって、前記第１の可動電極が前記第１の固定電極に接近できる可動距離が、前記初期状態における前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との電極間距離の３分の１以下に制限されていることが好適である。この値が３分の１以上であると、静電力が復元力を上回るプルイン効果によって、復元力だけで初期状態に戻ることができなくなる。該ストッパは、第１の可動部、第１の可動部と対向する固定部、第１の可動電極、第１の固定電極、第２の可動部、第２の可動部と対向する固定部、第２の可動電極、第２の固定電極、に設けることができる。前記いずれかの部材の１箇所に該ストッパを設けていればよいが、複数の部材に分割して設けることもできる。また、複数箇所に設けてもよい。ストッパによって、第１の可動部の変位量（ΔＤ１）が初期状態での第１の可動電極と第１の固定電極との電極間距離（Ｄ１’）の３分の１以下に制限されるので、プルイン効果を防止できる。
本発明によれば、第１の可動部と固定部との間隔の変位量に対して、第２の可動部と固定部との間隔の変位量が大きいので、大きな可変範囲を有する微小可動機構を実現できる。
第１の実施形態の微小可動機構及び可変容量コンデンサを示す分解斜視図である。 第１の実施形態の微小可動機構及び可変容量コンデンサを説明する平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図であり、（ａ）は外力が与えられていない初期状態の模式図であり、（ｂ）は外力により変位した状態の模式図である。 第２の実施形態の微小可動機構及び可変容量コンデンサを説明する断面図であり、（ａ）は外力が与えられていない初期状態の模式図であり、（ｂ）は外力により変位した状態の模式図である。 第３の実施形態の微小可動機構及び可変容量コンデンサを示す分解斜視図である。 第４の実施形態の微小可動機構及び可変容量コンデンサを説明する断面図であり、（ａ）は外力が与えられていない初期状態の模式図であり、（ｂ）は外力により変位した状態の模式図である。 第５の実施形態の微小可動機構及び可変容量コンデンサを説明する断面図であり、初期状態の模式図である。 第６の実施形態の微小可動機構及び可変容量コンデンサを説明する断面図であり、初期状態の模式図である。 第７の実施形態の微小可動機構及び可変容量コンデンサを示す分解斜視図である。 第８の実施形態の微小可動機構及びミラー・デバイスを説明する断面図である。 従来の微小可動機構を適用した可変容量コンデンサを示す斜視図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、分かりやすいように、図面の寸法を適宜変更している。
＜第１の実施形態＞
図１は第１の実施形態の微小可動機構１及び可変容量コンデンサ２を示す分解斜視図であり、図２は第１の実施形態の微小可動機構１及び可変容量コンデンサ２を説明する平面図である。
図１に示すように、微小可動機構１は、固定部１０と、第１の可動部２０と、第１の連結部２１に連結されたリンク部４０と、第２の連結部３１を備える第２の可動部３０と、支点部５０と、を有している。図１ではリンク部４０が２箇所に配置されている。リンク部４０は支点部５０を支点として回動可能に設けられ、支点部５０は接合支持部１５ａ、１５ｂに支持されることによって、第１の可動部２０と第２の可動部３０とが固定部１０に対して間隔を設けて配置された。また、第１の補助リンク部４２が第２の可動部３０の第３の連結部３２に連結されている。第１の補助リンク部４２はリンク部４０の回動に同期して動作し、リンク部４０と第１の補助リンク部４２との動作によって、可動部３０はＺ１−Ｚ２方向に変位する。
図３は第１の可動部２０及び第２の可動部３０の動作を説明する模式図であって、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した断面図である。図３（ａ）は外力が与えられていない初期状態の模式図であり、図３（ｂ）は外力により変位した状態の模式図である。
図３（ａ）に示すように、第１の可動部２０は、固定部１０と対向する面に第１の可動電極２５を有している。第２の可動部３０は、固定部１０と対向する面に第２の可動電極３５を有している。なお、第１の可動部２０は導電性材料であり、第１の可動部２０の材料が第１の可動電極２５として機能している。同様に、第２の可動部３０は導電性材料であり、第２の可動部３０の材料が第２の可動電極３５として機能している。固定部１０には、可変容量コンデンサ２を構成する第１の可動電極２５を接近させるための第１の固定電極１１を有し、第１の可動電極２５と第１の固定電極１１との間に電位差を印加するための配線（図示していない）が接続されている。また、第２の可動電極３５に対向する第２の固定電極１２を有し、第２の可動電極３５と第２の固定電極１２との間に形成された電気容量を外部に取り出すための配線（図示していない）が接続されている。可変容量コンデンサ２は、第１の可動電極２５と第１の固定電極１１との間に印加した電位差によって、第２の可動電極３５と第２の固定電極１２との間に形成された電気容量を変化させることができる。以下の説明では、第１の可動電極２５と第１の固定電極１１とを、駆動電極と呼ぶことにする。また、第２の可動電極３５と第２の固定電極１２とを、容量電極と呼ぶことにする。
このとき、容量電極が平行平板を形成するように対向面が平面に形成されている。容量電極の対向面は、可動方向であるＺ１−Ｚ２方向に垂直な平面領域を有し、平面領域に平行に変位する。Ｚ１−Ｚ２方向の可変範囲のいずれの位置においても、容量電極は平行平板の状態を維持している。なお、ここで言う「平行平板」とはコンデンサの物理的原理を表わす表現であり、厳密な平行状態に限定されない。
第１の可動部２０及び第２の可動部３０は微小であり、たとえば、第１の可動部２０のＸ１−Ｘ２方向の長さは１ｍｍ以下であり、Ｙ１−Ｙ２方向の長さは０．８ｍｍ以下である。さらに、厚み寸法は０．１ｍｍ以下である。
第１の可動部２０と第２の可動部３０とが変位したとき、第１の連結部２１、第２の連結部３１、第３の連結部３２、及び支点部５０、５２は、ねじれ変形する。このねじれ変形は弾性変形であって、ねじれ変形に対して元に戻ろうとする復元力を有している。
なお、図１〜図３では、本発明を説明するために必要な部分のみを示しているが、固定部１０は外周部に配線を外部に取り出すためのパッド電極部を有し、また微小可動機構１を保護するための保護部で覆われていることが実用的である。さらに、可変容量コンデンサ２の電気容量を制御する制御部が接続されて、駆動電極に静電力を発生させるための電位差が制御部から供給される。
こうすれば、微小可動機構１に生じる静電力と復元力との均衡によって変位量を制御することができる。図１に示すように、第１の可動部２０が固定部１０に近づく方向に（Ｚ２方向に）変位したとき、第２の可動部３０は固定部１０から離れる方向に（Ｚ１方向に）変位する。図２に示すように、第１の連結部２１と支点部５０との距離（Ｌ１）よりも、第２の連結部３１と支点部５０との距離（Ｌ２）が長くなる位置に、支点部５０を設けている。支点部５０は接合支持部１５ａに支持されて、リンク部４０の回動動作の回転中心として作用する。したがって、Ｌ１とＬ２との比率に比例して、第１の可動部２０の変位量に対する第２の可動部３０の変位量が大きくなる。図２から分かるように、２箇所に設けられたリンク部４０は点対称に配置されている。
第１の補助リンク部４２は、第２の連結部３１と支点部５０との距離（Ｌ２）と同じ長さになるように、第３の連結部３２と支点部５２との距離が設定されている。これにより、リンク部４０の動作に連動して、第１の補助リンク部４２は動作する。
図３（ａ）、（ｂ）を参照して、第１の可動部２０及び第２の可動部３０の動作について説明する。
図２に示すように、第１の連結部２１と支点部５０との距離（Ｌ１）よりも第２の連結部３１と支点部５０との距離（Ｌ２）が長い。ここで、電位差が印加されていない位置を初期状態の位置と定義して、支点部５０を支点とした回動動作による変位量を、第１の可動部２０の変位量（ΔＤ１）と、第２の可動部３０の変位量（ΔＤ２）と定義する。なお、初期状態は、加速度等の外力を与えていない状態であることも含んでいる。この場合、第１の可動部２０の変位量（ΔＤ１）に対して第２の可動部３０の変位量（ΔＤ２）のほうが大きい。このため、回動動作時に、第１の可動部２０（第１の可動電極２５）と第１の固定電極１１との（駆動電極の）電極間距離（Ａ１）に対して、第２の可動部３０（第２の可動電極３５）と第２の固定電極１２との（容量電極の）電極間距離（Ａ２）が大きく変化する。初期状態での駆動電極の電極間距離（Ｄ１’）を用いると、Ａ１は（ΔＤ１＋Ｄ１’）である。同様に、初期状態での容量電極の電極間距離（Ｄ２’）を用いると、Ａ２は（ΔＤ２＋Ｄ２’）である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、初期状態での駆動電極の電極間距離（Ｄ１’）に対する変位状態での電極間距離（Ａ１）の比率に比べて、初期状態での容量電極の電極間距離（Ｄ２’）に対する変位状態での電極間距離（Ａ２）の比率を大きくすることができる。
第１の可動部２０と第２の可動部３０とはリンク部４０にそれぞれ連結されて、リンク部４０に設けられた支点部５０を支点とした変位が可能になるので、第１の連結部２１と第２の連結部３１とでリンク部４０の支点位置との距離を相対的に変えることによって、変位量を自在に変えることができる。このとき、第１の可動部２０と第２の可動部３０と間のスペースは可動に必要なクリアランス程度で十分であり、支点位置との距離を変えるときにデッドスペースが増加してしまうこともない。これにより、固定部１０に設ける第１の固定電極１１と第２の固定電極１２との電極間距離を大きくする必要がないので、全体の寸法は変わらない。したがって、全体の寸法を大きくしなくても、可変比を大きくすることが可能になる。
コンデンサの電気容量は、平行平板電極の電極面積に比較して電極間距離が小さいときは、理想の平行平板電極での計算式で近似できる。すなわち、電極面積と電極間の誘電率とに比例し、電極間距離に反比例する。したがって、可変容量コンデンサ２の電気容量は容量電極の電極間距離が最小のときに最大であり、電極間距離が最大のときに最小である。また、可変容量コンデンサ２の可変比は電極間距離の最小と最大との比率に等しい。
たとえば、容量電極の電極間距離が１μｍ〜２μｍの可変範囲で、電極面積が０．０１ｍｍ２の真空誘電率を仮定すれば、約０．９ｐＦ〜０．４５ｐＦの電気容量になる。また、この場合の可変比は２である。
比較例として、容量電極と駆動電極とが、一体に可動する平行平板電極の単純構造を仮定する。初期状態の駆動電極の電極間距離２μｍで、電極間距離が狭まる方向に動作させようとする場合、プルイン効果のために、制御可能な可変範囲は約０．６７μｍで、同じ電極間距離の容量電極での可変比は１．３程度である。そこで、プルイン効果を防止するため、初期状態の電極間距離の１／３以下の可変範囲になるように、駆動電極の電極間距離を初期状態で３μｍ以上に拡げて配置しておけば、可変範囲を１μｍとすることができる。しかし、初期状態の電極間距離３μｍに対する静電力を発生させるために必要な電位差を印加しなければならないので、静電駆動に必要な制御電圧が大きくなってしまう。一方、従来の可変容量コンデンサ１０２で電極間距離を２μｍと仮定すれば、駆動電極１１１の電極面積範囲でプルイン効果を防止して、検出電極１１２の可変範囲を１μｍとするためには、検出電極１１２と梁１５０の距離を、駆動電極１１１と梁１５０の距離の２倍程度になるように配置しなければならない。さらに、電極間距離を１μｍと仮定すれば、その距離を３〜４倍程度に延ばさなければならず、実用的な大きさではない。
本実施形態によれば、初期状態で駆動電極の電極間距離を１μｍとして、支点部５０に対するＬ１：Ｌ２の比率を１：３になるように配置すれば、容量電極の電極間距離を１μｍ〜２μｍの可変範囲にできる。また、Ｌ１：Ｌ２の比率を１：６になるように配置するならば、容量電極の電極間距離を１μｍ〜４μｍの可変範囲にでき、可変比を４にできる。これらの可変容量コンデンサ２では、初期状態の駆動電極の電極間距離１μｍに対する静電力を印加すればよいので、静電駆動に必要な制御電圧が、比較例に比べて低くできる。
このような微小可動機構１は以下のように製造することができる。
ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板と呼ばれるＳｉ基板と表面Ｓｉ層との間にＳｉＯ２が形成されている基板を用い、電気接続用のコンタクトホール部を形成してから、電気接続と接合材とを兼ねる金属層を形成した。金属層を所望のパターンに加工してから、第１の可動部２０、第２の可動部３０、リンク部４０、支点部５０、接合部５５、等のパターンに表面Ｓｉ層を加工した。さらに、接合部５５以外のパターンに残っているＳｉＯ２をエッチング除去して、接合部５５だけで繋がっている状態に加工した。
これとは別に、Ｓｉ基板に絶縁層と金属層を成膜して金属層を配線パターンに加工してから、ＳｉＯ２を成膜して、ＳｉＯ２の一部に電気接続用のコンタクトホールを形成した。配線にコンタクトホールで電気接続するとともに、ＳｉＯ２から突出するように金属層を成膜して所望のパターンに加工し、電気接続を兼ねた接合支持部１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂを形成した。また、これとは別の配線にコンタクトホールで電気接続するように、金属層を成膜して所望のパターンに加工し、第１の固定電極１１と第２の固定電極１２とを形成した。
つぎに、ＳＯＩ基板の接合部５５とＳｉ基板の接合支持部１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂとを平面視で重なるように位置合わせして、金属接合によって貼り合わせた。
第１の可動部２０（第１の可動電極２５）と第１の固定電極１１との電極間距離（Ｄ１’）は、接合部５５と接合支持部１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂとの接合によって所望の大きさに設定される。接合支持部１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂの突出量を大きくすれば、電極間距離（Ｄ１’）を大きくすることができる。
また、ＳＯＩ基板のＳｉＯ２がエッチング除去されたので、第２の可動部３０は第２の固定電極１２から離れる方向に可動できる。この場合は、ＳＯＩ基板のＳｉＯ２の厚さ（エッチングにより形成されたギャップの量）が可変範囲を制限する。あらかじめ、微小可動機構１に必要な可変範囲の大きさ以上のＳｉＯ２の厚さを有するＳＯＩ基板が使用された。なお、ＳＯＩ基板からＳｉＯ２をエッチング除去する場合、第１の可動部１０や第２の可動部２０等の平面領域は微細な孔を設けておくことが好ましい。こうすれば、ＳｉＯ２のエッチング均一性が向上する。微細な孔であれば、可変容量コンデンサとしての電気容量にほとんど影響しない。 なお、ＳＯＩ基板を使用せず、他の製造方法によって製造することも可能である。
なお、配線には微小可動機構１の平面位置の外側でパッド電極部が設けられ、第１の可動部２０（第１の可動電極２５）と第１の固定電極１１とに接続されているパッド電極部に制御部が電気接続される。こうすれば、駆動電極の電極間距離（Ａ１）は、制御部から供給された電位差による静電力で制御できる。
第１の可動部２０、第２の可動部３０、及びリンク部４０はＳｉの物性値で定まる剛性を有し、印加される外力の大きさでは変形しない厚さに設けられている。一方、第１の連結部２１、第２の連結部３１、及び支点部５０等は、弾性変形によって、ねじれ変形できるように長さと幅とが形成されている。このねじれ変形によって、静電力での変位を可能とするとともに、元に戻ろうとする復元力が発生する。ねじれ変形する上記部材の寸法は、たとえば、長さ３０μｍ、幅１．５μｍ、厚さ１．５μｍである。このような寸法は、Ｓｉの破壊応力に対して、ねじれ変形等の応力が十分に小さくなるように決定された。
なお、支点部５０、５２と接合支持部５５ａ、５５ｂ、５６ａ、５６ｂとの配置位置をＸ１−Ｘ２方向で変えることによって、第１の連結部２１と支点部５０との距離（Ｌ１）と、第２の連結部３１と支点部５０との距離（Ｌ２）とを、変化させる場合、Ｌ１が短くなると同時にＬ２が長くなる。したがって、Ｌ１とＬ２とが等しい配置を基準にして、可変範囲の増幅率を大きく変化させることができる。
第１の可動部２０、第２の可動部３０、及びリンク部４０等は、Ｓｉからなるので導電性を有する。なお、半導体材料であるＳｉは、ＢやＰ等のドーパントを含み、低抵抗化されている。したがって、とくに電極材料を付加することなく、第１の可動部２０は第１の可動電極２５として機能する。同様に、第２の可動部３０は第２の可動電極３５として機能する。第１の可動部２０、第２の可動部３０、リンク部４０等をさらに低抵抗化させたいときは、より低抵抗の金属層を積層すればよい。
上述のように、ＳＯＩ基板とＳｉ基板とを接合した微小可動機構１の場合は、基板の熱膨張係数が同じであり、熱応力が小さい。したがって、環境温度が変化しても、変位量の変動が少ない。
＜第２の実施形態＞
図４は第２の実施形態の微小可動機構１及び可変容量コンデンサ２を説明する断面図である。図４（ａ）は外力が与えられていない初期状態の模式図であり、図４（ｂ）は外力により変位した状態の模式図である。なお、第１の実施形態と同じものは同じ符号にしている。
第２の実施形態は、第１の実施形態に対して、第１の固定電極１１にストッパ１８が設けられ、第１の可動部２０にストッパ２８が設けられていることが異なる。図４（ｂ）に示すように、第１の可動部２０はストッパ１８とストッパ２８とが接触する位置に可変範囲が制限される。なお、可変範囲を同じにできれば、ストッパ１８とストッパ２８は、いずれか一方にのみ設けてもよい。
第１の可動部２０の変位量（ΔＤ１）が、初期状態での第１の可動部２０（第１の可動電極２５）と第１の固定電極１１との電極間距離（Ｄ１’）の３分の１以下に制限されるように、ストッパ１８とストッパ２８とが接触する高さに設けられていることが好ましい。ΔＤ１がＤ１’の３分の１以上であると、静電力が復元力を上回るプルイン効果によって、復元力だけで初期状態に戻ることができなくなる。Ｄ１’の３分の１以下に制限されるように、ストッパ１８とストッパ２８との高さを設けることによって、プルイン効果を防止することができる。
ストッパは、第１の可動部２０、第１の可動部２０と対向する固定部１０、第１の固定電極１１、第２の可動部３０と対向するＳＯＩ基板のＳｉ基板（図示しない）、第２の可動部３０におけるＳＯＩ基板のＳｉ基板（図示しない）と対向する面、に設けることができる。前記いずれかの部材の１箇所に該ストッパを設けていればよいが、図４（ａ）のように複数の部材に分割して設けることもできる。また、図４（ａ）のように複数箇所にストッパを設けてもよい。
ストッパの材料は動作時の接触に対して十分な耐性を有するものを選定すればよい。また、電極の接触が電気的に好ましくない場合は、絶縁材料を用いればよい。より好適には、電極を避けた位置に配置すればよい。
さらに、別のストッパを逆方向の変位を制限するように設けてもよい。たとえば、第２の可動部３０と第２の固定電極１２とのいずれかに別のストッパを設ければ、図４（ａ）の初期状態から、逆方向の変位を制限することができる。逆方向の変位も制限できるように微小可動機構１を構成すれば、静電力と復元力との均衡によって変位量を制御する制御方法に加えて、ストッパによって制限位置での変位量を安定的に得る制御が可能になる。たとえば、電気容量の最小値と最大値の２値で可変容量コンデンサ２を使用する用途に最適である。ストッパによって変位量が固定されるので、電気容量が安定して、制御電圧の時間変動などの誤差要因を減らすことができる。逆方向の変位を制限するストッパについても、設置箇所は技術常識を逸脱しない範囲で選択可能である。
＜第３の実施形態＞
図５は第３の実施形態の微小可動機構１及び可変容量コンデンサ２を示す分解斜視図である。第１の実施形態と同じ符号で示しているが、第１の実施形態と異なり、接合支持部１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂがＸ１−Ｘ２方向のほぼ中央に配置され、第１の連結部２１の位置が図１に比べてＸ１−Ｘ２方向の中央寄りになっている。また、第２の補助リンク部４３が設けられている。第２の補助リンク部４３は、第１の連結部２１と支点部５０との距離（Ｌ１）と同じ長さになるように、第４の連結部２３と支点部５３との距離が設定されている。
第３の実施形態においても、第１の連結部２１と支点部５０との距離（Ｌ１）よりも第２の連結部３１と支点部５０との距離（Ｌ２）が長い。第１の実施形態とは異なり、支点部５０の位置はほぼ固定されて、第２の連結部３１と支点部５０との距離（Ｌ２）は一定にしてあり、第１の連結部２１と支点部５０との距離（Ｌ１）によって、第２の可動部３０の変位量（ΔＤ２）を調整した。
リンク部４０を含むＳＯＩ基板は図５に示すパターン以外にも、リンク部４０の全長を変えてＬ１とＬ２の比率を変えたパターンを製作することができる。一方、固定部１０を含むＳｉ基板は、リンク部４０の全長を変える場合であっても、図５に示すパターンのように１種類のみ形成すればよい。Ｌ１とＬ２の比率を変える場合でも固定部１０が同じ設計の基板で良いので、複数種類の可変容量コンデンサ２を製造することが容易になる。
接合支持部１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂがＸ１−Ｘ２方向のほぼ中央に配置されているので、ほぼ左右対称な構成であり、耐衝撃性に優れた可変容量コンデンサ２が得られる。
また、第２の補助リンク部４３を設けている。第２の補助リンク部４３を設けることにより、第１の可動部２０が傾いて動作することが防止できる。第１の可動部２０の傾きが防止できるので、固定部１０に設ける第１の固定電極１１をＸ１−Ｘ２方向の一方だけにしてもよい。
なお、本実施形態において、第２の実施形態のように、ストッパ１８、２８を設けてもよい。
＜第４の実施形態＞ 図６は第４の実施形態の微小可動機構１及び可変容量コンデンサ２を説明する断面図である。図６（ａ）は外力が与えられていない初期状態の模式図であり、図６（ｂ）は外力により変位した状態の模式図である。なお、第１の実施形態と同じものは同じ符号にしている。
第４の実施形態は、第１の実施形態に対して、第１の固定電極１１が、第２の固定電極１２と同一平面でなく、第１の可動部２０からの距離を大きくするように設けられていることが異なる。図６（ａ）に示すように、第１の固定電極１１よりも、第２の固定電極１２が第２の可動部３０に向かって突出するように配置されている。 初期状態での駆動電極の電極間距離（Ｄ１’）と、初期状態での容量電極の電極間距離（Ｄ２’）とは、Ｄ１’＞Ｄ２’である。
こうすると、Ｄ１’に対する変位状態での駆動電極の電極間距離（Ａ１）の比率に比べて、Ｄ２’に対する変位状態での容量電極の電極間距離（Ａ２）の比率を、さらに大きくすることができる。
このような固定部１０は、その製造工程において、第１の固定電極１１と第２の固定電極１２とを形成する前に、ＳｉＯ２膜の膜厚を異ならせておけば、容易に製作することができる。 また、駆動電極の電極間距離を大きくするには、第１の可動部２０の第１の固
定電極１１に対向する面（第１の可動電極２５の電極面）と、第２の可動部３０の第２の固定電極１２に対向する面（第２の可動電極３５の電極面）とを同一平面でなく、異ならせてもよい。
なお、駆動電極の電極間距離を大きくすると、静電力を大きくするための電位差がより大きくできなければならない。したがって、容量電極の電極間距離を狭めるように、構成するほうが好ましい。たとえば、初期状態の第１の可動部２０（第１の可動電極２５）と第１の固定電極１１との電極間距離を１μｍ、初期状態の第２の可動部３０と（第２の可動電極３５）と第２の固定電極１２との電極間距離を０．２５μｍ、支点５０に対するＬ１：Ｌ２の比率を１：３になるように配置すれば、容量電極の電極間距離を０．２５μｍ〜１．２５μｍの可変範囲にできる。したがって、可変容量コンデンサ２の可変比を５にできる。さらに、容量電極の電極間距離を狭めたときは、同じ電極面積での電気容量の値が大きいため、大きな電気容量の可変容量コンデンサ２を得ることができる。また、同じ電気容量の可変コンデンサ２であれば、小型化することが可能である。
ここで、Ｄ１’：Ｄ２’の比率とＬ１：Ｌ２の比率とは独立して変化させることが可能であり、可変比は相乗的に大きくできる。したがって、従来に比べて、大きな可変比の可変容量コンデンサ２を実現できる。
本実施形態は、第２の実施形態で説明したストッパ１８、２８が設けられた構成や、第３の実施形態で説明した第２の補助リンク部４３が設けられた構成と組み合わせることができる。
＜第５の実施形態＞
図７は第５の実施形態の微小可動機構１及び可変容量コンデンサ２を説明する断面図であり、初期状態の模式図である。図７において、図１〜図５では省略された保護部６０を模式的に示している。
保護部６０には第１の可動部２０と対向する第３の固定電極６１が設けられている。他の構成は第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態と同じものは同じ符号にしている。なお、図７を見易くするため、保護部６０における接合支持部１５ｂ、１６ｂに相当する部材は図示しない。
第１の可動部２０は第３の固定電極６１と対向する第３の可動電極２６として機能する。第３の可動電極２６と第３の固定電極６１との電位差を与えると、静電力で近づく方向に駆動することができる。したがって、第１の可動部２０（第１の可動電極２５）と第１の固定電極１１との電位差による静電力に対して、反対方向に変位させようとする静電力であり、復元力だけで均衡させるよりも変位のバランスを安定させることができる。また、可変容量コンデンサ２の電気容量を任意の設定値に切り替える速度を早めることができる。
＜第６の実施形態＞
図８は第６の実施形態の微小可動機構１及び可変容量コンデンサ２を説明する断面図であり、初期状態の模式図である。図７と同様、図８において、図１〜図５では省略された保護部６０を模式的に示している。
本実施形態では、保護部６０の第２の可動部３０と対向する面に、第２の固定電極１２が設けられている。第１の実施形態と同様に、第２の可動電極３５と第２の固定電極１２とが平行平板を形成するように対向面が平面に形成されている。第１の実施形態と同様に、第１の可動部２０（第１の可動電極２５）と第１の固定電極１１との電位差による静電力で、第１の可動部２０（第１の可動電極２５）と第１の固定電極１１との電極間距離が近づくとき、第２の可動部３０と固定部１０との距離は離れるように動作する。しかしながら、本実施形態の第２の可動部３０は、固定部１０との対向面とは異なる面が第２の可動電極面３５として、第２の固定電極１２との電気容量を構成するので、第２の可動電極面３５と第２の固定電極１２との電極間距離は近づく方向に動作する。
したがって、この場合も、可変容量コンデンサ２として機能する。
＜第７の実施形態＞
図９は、第７の実施形態の微小可動機構１及び可変容量コンデンサ２を示す分解斜視図である。なお、第１の実施形態と同じものは同じ符号にしている。
第７の実施形態は、第１の実施形態に対して、第２の固定電極１２として分割電極１２ａ、１２ｂの２個に分割されて設けられていることが異なる。
分割電極１２ａ、１２ｂは、それぞれ、第２の可動部３０（第２の可動電極３５）との容量電極を構成し、図示しない配線に接続されている。このとき、分割電極１２ａと分割電極１２ｂとで構成される容量電極において、第２の可動部３０（第２の可動電極３５）が中間電極となって、２つのコンデンサを直列接続した可変容量コンデンサ２として機能させることができる。
こうすると、直列接続の電気容量は約半分に減少するが、配線を低抵抗化できるので、可変容量コンデンサ２の寄生抵抗を低減することができる。また、可変容量コンデンサ２の寄生インダクタンスを低減することができる。したがって、高周波回路用途に適した可変容量コンデンサ２を実現することができる。
＜第８の実施形態＞
図１０は、第８の実施形態の微小可動機構１及びミラー・デバイス３を説明する断面図である。図１０（ａ）は外力が与えられていない初期状態の模式図であり、図１０（ｂ）は外力により変位した状態の模式図である。なお、第１の実施形態と同じものは同じ符号にしている。
第８の実施形態は、第１の実施形態に対して、第２の固定電極１２を設けていないことが異なる。さらに、第２の可動部３０はミラー面３０ａを有し、ミラー面３０ａは固定部１０と対向する面とは異なる面に設けられている。
こうすれば、ミラー面３０ａを光学的に応用する装置に適用できる。とくに、平面鏡となるようにミラー面３０ａを形成して、光の反射面として利用すれば、大きな可変範囲を有するミラー・デバイス３を構成することができる。また、可変方向がＺ１−Ｚ２方向であり、ミラー面３０ａの傾きを抑制できる。したがって、Ｚ１−Ｚ２方向の光路長を可変に制御する光学装置に応用することができる。
本発明は、第１の実施形態〜第８の実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。
可変容量コンデンサ２において、可動距離の大きいほうを容量電極に用いれば、上述のように可変比を大きくできる。一方、第１の可動部２０（第１の可動電極２５）と第２の可動部３０（第２の可動電極３５）との機能を入れ替えることが可能である。この場合、容量電極の可動距離は小さくなるが、可動範囲の中で精密制御が可能になる。したがって、可変範囲が小さくても精密な電気容量を制御する使用方法に適している。また、微小可動機構１の他製品への応用においても、第１の可動部２０と第２の可動部３０との機能を入れ替えることができる。
以上では、駆動電圧の印加により第１の可動部２０（第１の可動電極２５）と第１の固定電極１１との間に静電力を発生させ、該静電力によって駆動電極の電極間距離を変化させる実施形態を説明したが、平行平板電極に限定されるものではない。櫛歯電極と呼ばれる電極形状で静電力を発生させてもよい。
また、静電力による駆動方式以外に、駆動電圧の印加により磁力または圧電力を生じさせて変位させる態様にも、本発明を適用することによって、大きな可変範囲を実現することが可能である。
１ 微小可動機構
２ 可変容量コンデンサ
３ ミラー・デバイス
１０ 固定部
１１ 第１の固定電極
１２ 第２の固定電極
１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ 接合支持部
１８、２８ ストッパ
２０ 第１の可動部
２５ 第１の可動電極
２６ 第３の可動電極
２１ 第１の連結部
２３ 第４の連結部
３０ 第２の可動部
３０ａ ミラー面
３１ 第２の連結部
３２ 第３の連結部
３５ 第２の可動電極４０ リンク部
４１ 補助リンク接続部
４２ 第１の補助リンク部
４３ 第２の補助リンク部
５０、５２、５３ 支点部
５５ａ、５５ｂ、５６ａ、５６ｂ 接合部
６０ 保護部
６１ 第３の固定電極
１０１ 従来の微小可動機構
１０２ 従来の可変容量コンデンサ
１１０ 支持部
１１１ 駆動電極
１１２ 検出電極
１２０ 可動部
１５０ 梁
Ｌ１ 第１の連結部２１と支点部５０との距離
Ｌ２ 第２の連結部３１と支点部５０との距離

Claims (6)

  1. 固定部に対して間隔を設けて配置された第１の可動部と、
    前記第１の可動部に設けられた第１の連結部に連結されたリンク部と、
    前記リンク部に連結された第２の連結部を備える第２の可動部と、
    前記第１の連結部と前記第２の連結部の間に位置し、前記リンク部に設けられた支点部と、
    を有し、
    前記リンク部は、前記第１の可動部が前記固定部に接近するとき前記第２の可動部が前記固定部から離れるように、前記支点部を支点として回動可能に設けられ、
    前記支点部は、前記第１の連結部と前記支点部との距離よりも、前記第２の連結部と前記支点部との距離が長くなる位置に設けられた、
    ことを特徴とする微小可動機構。
  2. 前記第２の可動部は、可動方向に垂直な平面領域を有していることを特徴とする請求項１に記載の微小可動機構。
  3. 請求項２に記載の微小可動機構を備えるとともに、
    前記第１の可動部は第１の可動電極を有し、
    前記第２の可動部は第２の可動電極を有し、
    前記固定部は前記第１の可動電極に対向する第１の固定電極を有するとともに、前記第２の可動電極に対向する第２の固定電極を有し、
    前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間に電位差が印加されていない初期状態を基準にして、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間に印加された電位差によって、前記第１の可動電極が前記第１の固定電極に接近し、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との間に形成された電気容量を変化させる、
    ことを特徴とする可変容量コンデンサ。
  4. 前記初期状態において、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との電極間距離に比べて、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との電極間距離が狭められて配置されたことを特徴とする請求項３に記載の可変容量コンデンサ。
  5. 前記固定部において、前記第１の固定電極よりも前記第２の固定電極が突出するように配置されたことを特徴とする請求項４に記載の可変容量コンデンサ。
  6. 前記微小可動機構はストッパを有し、
    前記ストッパによって、前記第１の可動電極が前記第１の固定電極に接近できる可動距離が、前記初期状態における前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との電極間距離の３分の１以下に制限されている、
    ことを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の可変容量コンデンサ。
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