WO2005102909A1

WO2005102909A1 - アクチュエータ

Info

Publication number: WO2005102909A1
Application number: PCT/JP2005/007257
Authority: WO
Inventors: Osamu Kajino
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2005-11-03
Also published as: CN1906119A; JPWO2005102909A1; US20090153935A1

Abstract

　本発明のアクチュエータは、基台１と、基台１に対して変位可能な可動部７と、可動部７の基台１に対する変位が可能なように可動部７を支持する弾性支持部１３ａ～１３ｃと、基台１に対して可動部７を変位させる複数の駆動部６ａ～６ｃとを備え、複数の駆動部６ａ～６ｃのそれぞれは、可動部７へ駆動力を伝達する時に可動部に接触する駆動力伝達部１０ａ～１０ｃを備える。

Description

明細書

ァクチユエータ

技術分野

[0001] 本発明は、傾動と垂直変位とが可能なァクチユエータに関する。本発明のァクチュエータは、例えば、可動部に光反射面を備えたマイクロミラーデバイスとして用いられる。

背景技術

[0002] MEMS (Micro Electro Mechanical System)技術を用いて多様なマイクロァクチユエータが作製され、光学、高周波回路、バイオテクノロジーなど様々な分野へのマイクロアクチユエータの応用が期待されている。例えば、補償光学 (Adaptive Optics)分野では、光の波面を制御するためのマイクロミラーアレイが開発されている。また、例えば、光ビームを反射して光電気素子や光ファイバに入射させる機械的光スィッチとして用いるためのマイクロミラーアレイが開発されて、る。

[0003] これらのマイクロミラーアレイは複数のァクチュータを備える。ァクチュータのそれぞれが備えるミラーは、入射する光を任意の方向に反射させるために、 2軸の傾動を行えることが望ましい。

[0004] 図 11を参照して、特許文献 1に開示されている従来のァクチユエータを説明する。

図 11は、ミラーを備え、ミラー駆動装置として機能するァクチユエータ 200を示す。

[0005] 球状ミラー 101の一部に光反射面 102が設けられている。フレーム 103が備える 4 本のアーム 104 (1本は図示せず） 1S 球状ミラー 101を保持している。アーム 104のそれぞれの、球状ミラー 101との接触部には球面の窪み（図示せず）が形成されている。アーム 104が球状ミラー 101と嵌合して球状ミラー 101を保持することにより、球状ミラー 101は、 X軸まわりおよび y軸まわりにそれぞれ独立に回動可能となっており、また、球状ミラー 101の回動時に球状ミラー 101がアーム 104から外れないようになつている。フレーム 103には、 4つの圧電素子 105が 2 X 2の配列で固定されている。円柱形状のロッド 106の根元部が圧電素子 105に固定されており、その先端部は球状ミラー 101表面に所定の角度で軽く接触している。またロッド 106の先端部は、球状ミラー 101との接触面積が大きくなる様に斜めに切断されている。

[0006] 圧電素子 105を駆動すると、ロッド 106の先端部が球状ミラー 101表面に所定の角度で押し付けられる。球状ミラー 101はアーム 104に保持されており、 Z軸方向への並進移動はできず、 X軸および Y軸周りの回動のみ可能である。このため、ロッド 106 が球状ミラー 101を押す力は、球状ミラー 101を回動させる様に作用する。駆動する圧電素子 105を選択することにより、 X軸、 y軸いずれの軸周りにも球状ミラー 101を回動させることが可能であり、光反射面 102を任意の方向に傾動させることが可能である。

[0007] また、フレーム 103の外形が直方体になっているため、同様の構成のミラーを上下左右に効率よく配置することが可能である。

[0008] しかしながら、従来のァクチユエータ 200では、長期間の使用においてロッド 106および球状ミラー 101が摩耗するという課題を有していた。また、球状ミラー 101表面を高精度な球面に加工する必要があると、う課題を有して、た。

[0009] ロッド 106が球状ミラー 101を回動させる際、球状ミラー 101表面に対して垂直に近い角度でロッド 106が接触すると、球状ミラー 101を回動させる方向への力が小さくなり球状ミラー 101を回動させることができない。このため、球状ミラー 101表面に対して垂直な方向とのなす角が大きくなるようにロッド 106を接触させる必要がある。しかしながら、この場合は、ロッド 106が球状ミラー 101を回動させずに表面を滑って擦つてしまう現象が発生しやすくなり、ロッド 106および球状ミラー 101表面が摩耗してしまう。また、あるロッド 106が球状ミラー 101を回動させているとき、他のロッド 106は球状ミラー 101表面を擦っているため、長時間の使用でロッド 106および球状ミラー 10 1が摩耗してしまい、初期の特性を維持できず、ァクチユエータ 200の信頼性が低くなってしまう。

[0010] また、球状ミラー 101表面が高精度な球面を成していない場合、回動によって球状ミラー 101とロッド 106との間の接触状態が変わり、球状ミラー 101とロッド 106との間の摩擦力が小さくなり滑って駆動できない等の問題が発生するため、球状ミラー 101 を高精度な球面に加工する必要があり高コストになる。さらに MEMS技術を用いた超小型のマイクロミラーにおいては、ミラーの外形を球状に加工すること自体が極めて困難である。

[0011] また、ァクチユエータ 200では、球状ミラー 101を傾動させるのみである力光の波面をより滑らかに制御するためには、球状ミラー 101をフレーム 103に対して傾動させると共に垂直変位をさせることが望ま、。

[0012] このような傾動と垂直変位とが可能なァクチユエ一タの例は、非特許文献 1に開示されている。図 12は、非特許文献 1に開示されるマイクロアクチユエータ 300を模式的に示す斜視図である。

[0013] 可動電極 305は、その外周部を 3本の弾性梁 301a、 301bおよび 301cにより支持されて!/ヽる。また、可動電極 305は 3つの固定電極 302a、 302bおよび 302cと対向してヽる。可動電極 305と、固定電極 302a、 302bおよび 302cとにより 3つの馬区動咅が構成されている。ミラー 303は、接合部 304において可動電極 305と剛結合されている。すなわちミラー 303は、 3つの駆動部と剛結合されている。

[0014] 固定電極 302a、 302bおよび 302cは、それぞれ独立に駆動電圧を印加可能に設けられ、可動電極 305との間で電位差が与えられる。これにより、可動電極 305を吸引する方向に静電力が発生する。固定電極 302a〜302cの駆動電圧を同一に設定すれば、可動電極 305はほぼ傾動せずに下方向に垂直変位する。また、これらの駆動電圧を互いに異ならせれば、可動電極 305は所望の方向に傾動しながら下方向に垂直変位する。このように、可動電極 305は、 2軸の傾動と共に下方向への垂直変位が可能である。

[0015] ミラー 303は、可動電極 305と剛結合されているので、可動電極 305の変位がそのままミラー 303の変位を決定する。

特許文献 1 :特開平 7—113967号公報

非特許文献 1 : U. Srinivasan, et al. , "Fluidic Self -Assembly of Micr omirrorsOnto Microactuators Using Capillary Forces", IEEE Journa 1 on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 8, No. 1, pp . 4- 11 (January, 2002)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題 [0016] しかしながら、上記のようなマイクロアクチユエータ 300では、駆動部間にクロストークが発生してしまうという課題があった。例えば、ある固定電極に所定の電圧を印加し、その固定電極に対向する側の可動電極 305の一端が垂直方向に変位した場合には、他の固定電極に対向する側の可動電極 305の端部も垂直方向に変位してしまう

[0017] 可動電極 305の姿勢制御の観点から、このような駆動部間のクロストークの度合いは小さい方が良い。クロストークの度合いが変位の目標分解能に対して十分小さければ、固定電極 302a〜302cのそれぞれに対向する可動電極 305の各端部の変位を、対応する固定電極への印加電圧によりそれぞれ独立して制御できるので、制御装置を簡素な構成にすることができる。また、クロストークに起因する変位を補正する制御を行う場合でも、クロストークの度合いが小さいほど制御の高精度化と簡素化が容易となる。特に静電駆動の場合は駆動力が吸引方向にし力発生しないために、クロストークに起因する変位を元に戻す方向への補正制御が難しい。また、マイクロアクチユエータの特性のばらつきが大きい場合はクロストークに起因する変位の補正のためのデータ量が膨大になってしまう。特に、マイクロアクチユエータを多数備える装置（マイクロミラーアレイ等）においてクロストークが大きいと、クロストークに起因する変位の補正のためのデータ量が膨大になってしまう。このことは、著しいコストの増大およびマイクロアクチユエータの駆動速度の低下の原因となる。このような点から、駆動部間のクロストークは小さ、方が望ま、。

[0018] 本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動部間のクロストークが小さぐ且つ、低コストで信頼性の高いァクチユエータ、およびそのァクチユエータを備えた装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0019] 本発明のァクチユエータは、基台と、前記基台に対して変位可能な可動部と、前記可動部の前記基台に対する変位が可能なように前記可動部を支持する弾性支持部と、前記基台に対して前記可動部を変位させる複数の駆動部とを備え、前記複数の駆動部のそれぞれは、前記可動部へ駆動力を伝達する時に前記可動部に接触する駆動力伝達部を備えることを特徴とする。 [0020] ある実施形態にお!、て、前記駆動力伝達部は、前記可動部へ前記駆動力を伝達しな、時には前記可動部力離れて、る、請求項 1に記載のァクチユエータ。

[0021] ある実施形態にぉ、て、前記駆動力伝達部は、前記可動部へ前記駆動力を伝達する時に前記可動部にスライド可能に接触する。

[0022] ある実施形態にぉ、て、前記駆動力伝達部は、前記可動部へ前記駆動力を伝達する時に前記可動部に接触する突出部を備える。

[0023] ある実施形態において、前記突出部は、前記突出部と接触する前記可動部の接触領域に近、ほど断面積力、さくなる形状を有する。

[0024] ある実施形態において、前記可動部は、前記可動部のうちの前記基台と対向する側に設けられ、前記可動部へ前記駆動力を伝達する時に前記突出部と接触する中間部材を備え、前記突出部および前記中間部材のうちの少なくとも一方は、ステイツキング防止膜を備える。

[0025] ある実施形態において、前記可動部は、前記可動部のうちの前記基台と対向する側に設けられ、前記可動部へ前記駆動力を伝達する時に前記突出部と接触する中間部材を備え、前記可動部は、前記可動部のうちの前記中間部材とは反対の側に設けられた光反射面をさらに備える。

[0026] ある実施形態において、前記可動部は、前記可動部のうちの前記基台と対向する側に設けられ、前記可動部へ前記駆動力を伝達する時に前記突出部と接触する中間部材を備え、前記可動部は、前記突出部が前記中間部材を前記基台へ向力方向に押圧することにより変位する。

[0027] ある実施形態において、前記可動部は、前記可動部のうちの前記中間部材とは反対の側に設けられた光反射面をさらに備え、前記突出部は、前記光反射面と前記中間部材との間に位置して、る。

[0028] ある実施形態において、前記駆動力伝達部は、前記中間部材と隙間を隔てて前記中間部材の一部を挟み込むポスト部と、前記光反射面と前記中間部材との間に位置し、前記ポスト部によって支持されたブリッジ部とをさらに備え、前記突出部は、前記ブリッジ部に設けられている。

[0029] 本発明の装置は、基台と、前記基台に対して変位可能な複数の可動部と、前記複数の可動部の前記基台に対する変位が可能なように前記複数の可動部のうちの対応する 1つをそれぞれ支持する複数の弾性支持部と、前記基台に対して前記複数の可動部のそれぞれを変位させる複数の駆動部とを備え、前記複数の駆動部のそれぞれは、前記複数の可動部のうちの対応する 1つへ駆動力を伝達する時に前記対応する 1つの可動部に接触する駆動力伝達部を備えることを特徴とする。

発明の効果

[0030] 本発明によれば、駆動部は、可動部へ駆動力を伝達する時に可動部に接触する駆動力伝達部を備える。すなわち、駆動力伝達部のそれぞれと可動部とは剛結合していない。このため、ある駆動力伝達部により可動部を変位させた場合に他の駆動力伝達部が変位することを抑制することができ、駆動部間のクロストークを非常に小さくすることがでさる。

[0031] また、本発明によれば、高精度な球状ミラーを必要としない安価な構成で、且つ、構成要素の摩耗のな、信頼性の高、ァクチユエータを提供することができる。

図面の簡単な説明

[0032] [図 1]本発明の実施形態によるァクチユエ一タを模式的に示す分解斜視図である。

[図 2]本発明の実施形態によるァクチユエータアレイを模式的に示す分解斜視図である。

[図 3]本発明の実施形態による固定電極およびヨークを模式的に示す分解斜視図である。

圆 4]本発明の実施形態による中間部材、弾性支持部および駆動力伝達部を模式的に示す分解斜視図である。

[図 5]本発明の実施形態による中間部材と突出部とを模式的に示す断面図である。

[図 6A]本発明の実施形態によるァクチユエータの上面図である。

[図 6B]図 6Aに示す 6B—6B線に沿ったァクチユエータの断面図である。

[図 7A]本発明の実施形態によるァクチユエータの上面図である。

[図 7B]図 7Aに示す 7B—7B線に沿ったァクチユエータの断面図である。

[図 8A]図 6Aに示す 6B—6B線に沿ったァクチユエータの断面図である。

[図 8B]図 7Aに示す 7B—7B線に沿ったァクチユエータの断面図である。 [図 9A]図 6Aに示す 6B— 6B線に沿ったァクチユエータの断面図である。

[図 9B]図 7Aに示す 7B—7B線に沿ったァクチユエータの断面図である。

[図 10A]中間部材とヨークとが剛結合しているァクチユエータの断面図である。

[図 10B]中間部材とヨークとが剛結合しているァクチユエータの断面図である。

[図 11]従来のァクチユエータを示す斜視図である。

[図 12]従来のァクチユエータを示す斜視図である。

符号の説明

[0033] 1 基台

2 ミラー

4a、 4b、 4c 固定電極

5a、 5b、 5c ヨーク

6a, 6b、 6c 駆動部

7 可動部

10a、 10b、 10c 駆動力伝達部

11 中間部材

12a、 12b、 12c 被接触部

13a、 13b、 13c 弾性支持部

14 ミラーポスト

31a, 31b、 31c ブリッジ部

32a, 32b、 32c、 33a, 33b、 33c ポス卜部

34a, 34b、 34c 突出部

40 ステイツキング防止膜

発明を実施するための最良の形態

[0034] 以下、図面を参照して本発明によるァクチユエータおよびそのァクチユエ一タを備えた装置の実施形態を説明する。

[0035] まず、図 1を参照する。図 1は、本実施形態のァクチユエータ 100を模式的に示す分解斜視図である。ァクチユエータ 100は、半導体製造プロセスを用いたマイクロマシユング技術や MEMS技術を用いて作製されて、る。 [0036] ァクチユエータ 100は、基台 1と、基台 1に対して変位可能な可動部 7と、可動部 7 の基台 1に対する変位が可能なように可動部 7を支持する弾性支持部 13a、 13bおよび 13cと、基台 1に対して可動部 7を変位させる複数の駆動部 6a、 6bおよび 6cとを備える。

[0037] 基台 1は、シリコン部材 laと、シリコン部材 la上に形成された窒化シリコン系の絶縁層 lbとを備える。シリコン部材 laには駆動回路（図示せず）が形成されている。絶縁層 lb上には駆動部 6a〜6cが設けられている。絶縁層 lbにはビア（図示せず）が形成されており、このビアを介して駆動回路と駆動部 6a〜6cとが電気的に接続されている。駆動部 6a、 6bおよび 6cは、可動部 7へ駆動力を伝達する駆動力伝達部 10a、 10bおよび 10cを備える。駆動力伝達部 10a、 10bおよび 10cは、可動部 7へ駆動力を伝達する時に可動部 7に接触する突出部 34a、 34bおよび 34cを備える。本発明において、「接触」とは、構成要素同士が触れてはいるが結合していない状態を指す。

[0038] 可動部 7は、可動部 7のうちの基台 1と対向する側に設けられた中間部材 11と、可動部 7のうちの中間部材 11とは反対の側に設けられたミラー部 2とを備える。駆動力伝達部 10a〜10cが可動部 7へ駆動力を伝達する時に、中間部材 11は突出部 34a 〜34cと接触する。ミラー部 2は、光 (例えば光ビーム）を反射する光反射面 2aを備える。可動部 7へ駆動力が伝達されていない状態では、光反射面 2aは XY平面と平行であり、光反射面 2aの法線方向は Z軸方向となる。光反射面 2aの平面形状およびサィズは、ァクチユエータ 100の用途や求められる性能等によって様々に設計される。本実施形態では、光反射面 2aの形状は 6角形であり、 6角形の 1辺は約 60 mである。

[0039] 駆動部 6a〜6cは、ミラー部 2と基台 1との間に位置しており、突出部 34a〜34cは、ミラー部 2と中間部材 11との間に位置している。駆動部 6a〜6cは、駆動回路力も供給される電気信号に基づいて駆動力を発生し、これらの駆動力に応じて突出部 34a 〜34cが中間部材 11を基台 1へ向力方向に押圧することにより、可動部 7は基台 1 に対する垂直方向の変位 (Z軸方向に沿った平行移動）、および基台 1に対する 2軸の傾動 (X軸、 Y軸周りの傾動）を行う。このように可動部 7が変位することにより、光反射面 2aは、入射光を所望の方向に反射する。 [0040] 次に、駆動部 6a〜6cおよび可動部 7をより詳細に説明する。

[0041] 駆動部 6a〜6cは、固定電極 4a、 4bおよび 4cと、ヨーク 5a、 5bおよび 5cとを備える。固定電極 4a〜4cは、多結晶シリコン等の導電膜をパターユングして形成され、駆動回路（図示せず）に接続されて所望の電位に設定可能である。

[0042] 固定電極 4a〜4cと同様に、ヨーク 5a〜5cも、多結晶シリコン等の導電膜で形成される。ヨーク 5a〜5cは、固定電極 4a〜4cと所定の間隙を隔てて対向して配置される略菱形の板状部材であり、 3つ合わせて全体が 6角形になる対称形に配置されて、る。固定電極 4aとヨーク 5aとが対向しており、固定電極 4bとヨーク 5bとが対向しており、固定電極 4cとヨーク 5cとが対向している。ヨーク 5a〜5cは可動電極として機能する。ヨーク 5a〜5cは、ヨーク 5a〜5cの面に垂直な方向である Z方向に沿って、それぞれ独立に平行移動可能である。ヨーク 5a〜5cも固定電極 4a〜4cと同様に駆動回路に接続される力常に接地電位に設定される。固定電極 4a〜4cに所定の電位を与えることによりヨーク 5a〜5cと固定電極 4a〜4cとの間に静電引力が発生し、ヨーク 5a 〜5cが固定電極 4a〜4c側に吸引される。固定電極 4a〜4cのそれぞれは個別に電圧を設定可能なので、ヨーク 5a〜5cを—Z方向に個別に変位させることができる。

[0043] 駆動力伝達部 10a〜： LOcは、ヨーク 5a〜5cのうちのミラー部 2と対向する面（+Z側の面）の中央部に設けられている。駆動力伝達部 10a〜10cはアーチ形状をしている。駆動力伝達部 10a〜： LOcは、ヨーク 5a〜5cが Z方向に沿って変位する時にヨーク 5a〜5cと一体に移動する。

[0044] 中間部材 11は板状部材であり、ミラーポスト 14を介して中間部材 11の中心部とミラ一部 2の中心部とが剛結合されている。アーチ形状の駆動力伝達部 10a〜10cのそれぞれは中間部材 11の一部を挟み込んで、る。突出部 34a〜34cは中間部材 11の上面と対向するように駆動力伝達部 10a〜10cに設けられている。突出部 34a、 34b および 34cは、それぞれ中間部材 11の略平面状の面である被接触部 12a、 12bおよび 12cと接触することができる。被接触部 12a〜12cは、光反射面 2aと略平行で、かつミラー部 2に対向している。

[0045] 駆動力伝達部 10a〜10cがー Z方向に移動すると、突出部 34a〜34cは被接触部 12a、 12bおよび 12cと接触して、中間部材 11を— Z方向に押し下げる。突出部 34a 〜34cをミラー部 2と中間部材 11との間に位置させ、ヨーク 5a〜5cを固定電極 4a〜 4cへ向力う方向に駆動することにより、ミラー部 2を Z方向に変位させることができる

[0046] また、駆動力伝達部 10a〜10cをミラー部 2に直接接触させずに、中間部材 11に接触させる構成を採用することにより、ミラー部 2とそれ以外の構成要素とを別個に製作し、その後、中間部材 11とミラー部 2とを接合するという製作工程を取ることができる。このため、光反射面 2aを有するミラー部 2を、駆動部 6a〜6cの製作プロセスとは別のプロセスで高精度にカ卩ェすることが可能となる。

[0047] 駆動力伝達部 10a〜10cが— Z方向に変位するとき、突出部 34a〜34cと被接触部 12a〜 12cとは触れては、るが結合して、な、状態にあり、互、にスライド可能な接触（slidable contact)状態にある。突出部 34a〜34cと被接触部 12a〜12cとの位置関係湘対角度等)が大きく変化すると、突出部 34a〜34cは被接触部 12a〜l 2c上をスライドすることが可能である力通常の動作範囲では、突出部 34a〜34cは被接触部 12a〜 12cに略垂直に接触し、スライドしない。可動部 7が傾動する場合でも、駆動力伝達部 10a〜： LOcの変位方向（Z方向）と被接触部 12a〜 12cの法線方向とのなす角は、 0° を中心に所定の角度 (例えば数度）内で変動するだけであり極端に大きくなることはない。このため、突出部 34a〜34cが被接触部 12a〜12cに大きく斜めに接触して被接触部 12a〜 12c上をスライドし、突出部 34a〜34cと被接触部 1 2a〜12cとの接触位置が変わることは無ぐ常に同じ位置関係を保つので、精度の良い制御が可能である。また突出部 34a〜34cと被接触部 12a〜12cとの擦れによる、突出部 34a〜34cおよび被接触部 12a〜12cの摩耗も発生せず、信頼性の高いァクチュ: —タを提供でさる。

[0048] また、駆動力伝達部 10a〜10cのそれぞれの変位量は独立に設定可能なので、中間部材 11上の 3箇所 (被接触部 12a〜 12c)における Z方向の位置を独立に設定することにより中間部材 11の姿勢を定めることができる。従って、可動部 7を、 Z方向へ平行移動させたり、 X軸、 Y軸周りの傾動をさせたりすることが自由に可能である。

[0049] 弾性支持部 13a〜13cは、中間部材 11の中心近傍に結合される弾性梁を有する支持パネである。中間部材 11がー Z方向に移動すると、弾性支持部 13a〜13cは弹性変形し、中間部材 11を移動方向と逆方向（+Z方向)へ付勢する弾性復元力を発生する。この弾性復元力により被接触部 12a〜12cが突出部 34a〜34cに押し付けられることで、被接触部 12a〜12cと突出部 34a〜34cとを確実に接触させることができる。被接触部 12a〜12cと突出部 34a〜34cとが接触した状態では、駆動力伝達部 10a〜10cの— Z方向への移動量と被接触部 12a〜12cの移動量とが同じであることが保証され、駆動部 6a〜6cの変位を確実に可動部 7の変位に反映させることが可能な高精度なァクチユエータを提供できる。

[0050] なお、中間部材 11と弾性支持部 13a〜13cとは、同じプロセスで同時に形成可能であり、中間部材 11のみを高精度に加工したり球面にカ卩ェしたりする等の特別なェ程は不要なので、信頼性の高ヽァクチユエ一タを低コストで提供することが可能である。

[0051] 次に、複数のァクチユエータ 100を備えた装置であるァクチユエータアレイを説明する。

[0052] 図 2は、本実施形態のァクチユエータアレイ 101を模式的に示す分解斜視図である。ァクチユエータアレイ 101は、複数のァクチユエータ 100を備える。ァクチユエータァレイ 101は、複数のミラー部 2を 2次元状に配列し、複数のミラー部 2を個別に変位させることが可能なマイクロミラーアレイである。ァクチユエータアレイ 101は、半導体製造プロセスを用いたマイクロマシユング技術や MEMS技術を用いて作製されて、る

[0053] ァクチユエータアレイ 101では、ァクチユエータ 100のそれぞれの駆動部 6a〜6cを 1つの駆動部ユニットとして、複数の駆動部ユニットが基台 1上に 2次元状に配置されて、る。各駆動部ユニットに関連付けて弾性支持部 13a〜 13cおよび可動部 7が設けられている。可動部 7のそれぞれは、対応する弾性支持部 13a〜 13cによって、基台 1に対する変位が可能なように支持されている。各駆動部ユニットは、複数の可動部 7のうちの対応する 1つを基台 1に対して変位させる。駆動力伝達部 10a〜10cのそれぞれは、複数の可動部 7のうちの対応する 1つに駆動力を伝達するときに、その対応する可動部 7に接触して駆動力を伝達する。

[0054] ァクチユエータアレイ 101が備えるァクチユエータ 100の個数は任意である。例えば補償光学分野における光の波面の制御用途では、ァクチユエータアレイ 101は、 10

00個以上のァクチユエータ 100を備える。

[0055] 一組の駆動部 6a〜6cを併せた 1つの駆動部ユニットの水平方向の大きさは、ミラー部 2の大きさと殆ど同じかそれ以下である。このため、駆動部ユニットの大きさに影響されることなぐ隣合うミラー部 2同士を数 m程度の僅かの隙間で密に配置可能であり、多数のミラー部 2を無駄なく配列可能である。

[0056] 次に、ァクチユエータ 100 (図 1)の固定電極 4a〜4cおよびヨーク 5a〜5cをより詳細に説明する。図 3は、固定電極 4a〜4cおよびヨーク 5a〜5cを模式的に示す分解斜視図である。

[0057] ヨーク 5a〜5cは、ヨーク支持梁 22a〜22c、 23a〜23c、 24a〜24c、 25a〜25cにより、固定電極 4a〜4cと所定の空隙を隔てて支持されている。ヨーク支持梁 22a〜2 5cのそれぞれは、ヨーク支持柱 20a〜20fおよび 21のうちの対応する 1つに結合された細長の弾性梁である。ヨーク支持梁 22a〜25cおよびヨーク支持柱 20a〜21は、ヨーク 5a〜5cと同じ導電性材料から形成されており、ヨーク 5a〜5cと同時に形成される。ヨーク支持柱 20a〜20fは六角形の領域の最外周に、ヨーク支持柱 21は六角形の領域の中心に配置されており、全て同一形状である。また、ヨーク支持柱 20a〜 21は、略菱形形状であるヨーク 5a〜5cのそれぞれの角部近傍に配置されており、ョーク 5a〜5cのそれぞれを対応する 4本ずつで支持している。

[0058] 固定電極 4a〜4cに電圧を印加して、固定電極 4a〜4cとヨーク 5a〜5cとの間に静電引力が発生すると、ヨーク 5a〜5cは固定電極 4a〜4cへ向力う方向（一 Z方向）に引かれて移動する。このとき、ヨーク支持梁 22a〜25cが弾性変形し、ヨーク 5a〜5c を固定電極 4a〜4cの移動方向と反対方向（+ Z方向）に付勢する弾性復元力を発生する。この弾性復元力と静電引力とが釣り合う位置にヨーク 5a〜5cは変位する。

[0059] 支持柱台 26a〜26fおよび 27は、それぞれヨーク支持柱 20a〜21の下部に設けられ、ヨーク支持柱 20a〜21を支持する小電極である。支持柱台 26a〜27は、固定電極 4a〜4cと同様に多結晶シリコンの導電膜をパターユングして形成され、駆動回路（図示せず）に接続されて接地電位に保たれる。ヨーク支持柱 20a〜21、ヨーク支持梁 22a〜25cおよびヨーク 5a〜5cは、導電性材料から形成されており、支持柱台 26a 〜27と電気的に接続されていることにより、接地電位に保たれる。

[0060] 次に、図 4を参照しつつ、中間部材 11、弾性支持部 13a〜 13cおよび駆動力伝達部 10a〜 10cをより詳細に説明する。図 4は、中間部材 11、弾性支持部 13a〜13cおよび駆動力伝達部 10a〜10cを模式的に示す分解斜視図である。

[0061] 中間部材 11を支持する弾性支持部 13a、 13bおよび 13cの端部は、中間部材支持柱 30a、 30bおよび 30c【こ結合されて!ヽる。中 [¾咅^材支持柱 30a、 30bおよび 30c【ま、それぞれヨーク支持柱 20b、 20d、 20f (図 3)上に積層して形成される。中間部材支持柱 30a〜30cは、弾性支持部 13a〜 13cを介して中間部材 11を支持して!/、る。

[0062] 駆動力伝達部 10は、ブリッジ部 31a〜31cと、ポスト部 32a〜32cおよび 33a〜33c を備える。突出部 34a〜34cは、中間部材 11に対向するようにブリッジ部 31a〜31c に設けられている。以下では、ブリッジ部 31aとポスト部 32aおよび 33aとについて説明する。（ブリッジ部 3 lbとポスト部 32bおよび 33bとを組み合わせた構成と、ブリッジ部 31cとポスト部 32cおよび 33cとを組み合わせた構成とは、ブリッジ部 31aとポスト部 32aおよび 33aとを組み合わせた構成と同じであるので、説明を省略する）。

[0063] ポスト部 32aおよび 33aは、ヨーク 5a (図 3)上に設けられている。ブリッジ部 3 laは光反射面 2aと中間部材 11との間に位置し、ポスト部 32aおよび 33aによって支持されている。ポスト部 32aの上端部とポスト部 33aの上端部とがブリッジ部 31aにより連結されており、これらを併せてアーチ状の形状が形成されている。ポスト部 32aおよび 33aは、僅かな間隙を隔てて中間部材 11の一部 (被接触部 12a近傍)を挟み込む様に配置されており、中間部材 11の XY平面内方向の移動を規制し、 Z方向のみに移動可能としている。また、ブリッジ部 31aは、その一部が中間部材 11の一部 (被接触部 12a近傍）と対向する様に配置されている。

[0064] 突出部 34aは、ブリッジ部 31上のうちの被接触部 12aと対向する面に設けられている。突出部 34aは、突出部 34aと接触する被接触部 12aの接触領域に近いほど断面積が徐々に小さくなるテーパー形状を有している。駆動部 6aの駆動に伴って突出部 34aが— Z方向に押し下げられると、突出部 34aは被接触部 12aと接触し、さらに駆動が行われると被接触部 12aを— Z方向に押し下げる。突出部 34aとブリッジ部 31a との結合部は断面積が大きく高剛性なので突出部 34aは破損しにくぐ被接触部 12 aと接触する突出部 34aの先端部は断面積が小さいので被接触部 12との点接触を実現可能である。

[0065] 突出部 34a〜34cにより中間部材 11を 3点の点接触で押圧することにより 2つの効果が得られる。第 1に、中間部材 11を傾動させて、中間部材 11と突出部 34との相対角度が変わった場合でも、中間部材 11と突出部 34との接触位置の変動が無ぐ駆動力が加わる中間部材 11の位置は変動しない。これにより、ヨーク 5の変位をより正確に可動部 7に伝達することができ、可動部 7のより高精度な制御が可能である。第 2 に、中間部材 11と突出部 34a〜34cとが剛結合していないため、中間部材 11と突出部 34a〜34cとの間の相対角度が変わることによる中間部材 11と突出部 34a〜34c との間の弾性変形が全く発生しない。中間部材 11と突出部 34a〜34cとが剛結合している場合には、中間部材 11と突出部 34a〜34cとの間の相対角度を変える時に、これらの剛結合している部位を弾性変形させるための駆動力が余分に必要であり、より大きな静電駆動力が必要となってしまう。また別の問題として、例えば被接触部 12a のみを駆動したい場合であっても、中間部材 11と突出部 34aとの間の相対角度が変わることにより発生する弾性変形の反力により、他の突出部 34bや 34cが変位するという、駆動部 6a、 6bおよび 6c間のクロストークが発生する。中間部材 11を 3点の点接触により駆動することにより、このようなクロストークを抑制することができ、より高精度な制御が可能となる。

[0066] 次に、中間部材 11と突出部 34aをより詳細に説明する。突出部 34bおよび 34cの説明は突出部 34aの説明と同様であるのでここでは省略する。図 5は、中間部材 11 と突出部 34aとを模式的に示す断面図である。

[0067] 突出部 34aは、ブリッジ部 31aのうちの被接触部 12aに対向する面に設けられている。突出部 34aの断面形状は、被接触部 12aに近いほど断面積の小さいテーパー形状である。駆動力伝達部 10a (図 1)が可動部 7に駆動力を伝達しない状態（固定電極 4a (図 1)に電圧が印加されていない状態)では、駆動力伝達部 10aは可動部 7と接触せずに離れている。すなわち、駆動力伝達部 10aが可動部 7に駆動力を伝達しな、状態では、突出部 34aと被接触部 12aとは接触せずに小さな間隙 (例えば数マイク口メートル)を隔てた位置関係にある。駆動部 6aを駆動すると、突出部 34aがー Z 方向に変位して被接触部 12aと接触し、さらに被接触部 12aを— Z方向に押し下げる

[0068] 突出部 34a〜34cおよび中間部材 11のうちの少なくとも一方 (本実施形態では両方）は、ステイツキング防止膜 40を備える。ステイツキング防止膜 40は、突出部 34a〜 34cと被接触部 12a〜12cとが接触して吸着した状態を保持したままになる、ステイツキングと呼ばれる現象を防止する保護膜である。ステイツキング防止膜 40は、例えば単分子保護膜（Self— Assembled monolayer Coating)である。駆動部 6a〜6c および中間部材 11 (図 1)全体を単分子保護膜の材料の溶液に浸すことにより、突出部 34a〜34cと被接触部 12a〜 12cとを含む全表面にステイツキング防止膜 40を形成可能である。ステイツキング防止膜 40の厚さは任意であり、例えば数 nmである（図 5では厚さを誇張表示している）。これにより突出部 34a〜34cと被接触部 12a〜12c とが吸着して固定されることを防止する。突出部 34a〜34cと被接触部 12a〜12cとが吸着すると、中間部材 11の傾動時に回動抵抗が発生し、中間部材 11の傾動させるためにより大きな静電引力が必要となり、また駆動部 6a〜6c間のクロストークが発生するが、ステイツキング防止膜 40により中間部材 11の傾動時の回動抵抗発生を防止し、低電圧で高精度な制御を実現することができる。

[0069] 次に、ァクチユエータ 100の動作をより詳細に説明する。

[0070] 図 6Aは、ァクチユエータ 100の上面図であり、図 6Bは、図 6Aに示す 6B— 6B線に沿ったァクチユエータ 100の断面図であり、ァクチユエータ 100の中心を通り中間部材 11に沿った断面を示している。図 6Bは、無通電状態のァクチユエータ 100を示している。

[0071] 図 6Bを参照して、固定電極 4aおよび 4bに通電されていない状態では、固定電極 4 aおよび 4bとヨーク 5aおよび 5bとの間には静電引力が発生していないので、ヨーク 5a および 5bは、初期位置 (Z方向に最も高い位置）にあり、ヨーク 5aおよび 5bの上面はヨーク支持柱 20a〜21の上面と同じ高さに位置している。ヨーク 5aおよび 5bが初期位置にあるとき、突出部 34aおよび 34bの下端部は、中間部材 11と僅かの間隙を隔てて対向する高さに位置して、る。

[0072] 図 7Aは、ァクチユエータ 100の上面図であり、図 7Bは、図 7Aに示す 7B— 7B線に沿ったァクチユエータ 100の断面図であり、ァクチユエータ 100の中心を通り弾性支持部 13aおよび 13cに沿った断面を示している。図 7Bは、無通電状態のァクチユエータ 100を示している。

[0073] 図 7Bを参照して、固定電極 4a〜4cのいずれにも通電されていない無通電状態では、中間部材 11は突出部 34a〜34cのいずれとも接触しておらず、中間部材 11を支持する弾性支持部 13a〜 13cは変形していない。このとき、中間部材 11および弾性支持部 13a〜13cの上面は、中間部材支持柱 30a〜30c (図 4)の上面と Z方向に同じ高さに位置している。この無通電状態における中間部材 11の Z方向の位置は、中間部材 11が Z方向に取り得る最高位置である。

[0074] 次に、ァクチユエータ 100の最大変位状態を説明する。図 8Aは、図 6Aに示す 6B —6B線に沿ったァクチユエータ 100の断面図であり、図 8Bは、図 7Aに示す 7B— 7 B線に沿ったァクチユエータ 100の断面図である。

[0075] 図 8Aおよび図 8Bは、 3つの固定電極 4a〜4c全てに同じ電圧を印加し、ヨーク 5a 〜5cがー Z方向に最も大きく移動した最大変位状態を示しており、ヨーク 5a〜5cは Z 方向に取り得る最低位置にある。 3つの固定電極 4a〜4c全てに同一の電圧を印加するので、突出部 34a〜34c (図 1)は全て— Z方向に同一距離だけ変位し、中間部材 11に接触して中間部材 11を一 Z方向に平行移動させる。これにより中間部材 11 に結合されたミラー部 2も同時に平行移動する。この最も— Z方向に変位した状態にぉ、て固定電極 4a〜4cに印加して!/、る電圧を最大電圧とする。固定電極 4a〜4cに印加する電圧を 0から最大電圧まで変化させることにより、突出部 34a〜34cの Z方向の位置を、最低位置（図 8A)力も最高位置（図 6B)の間で自由に設定でき、これにより可動部 7の Z方向の位置も所望の位置に変位させることが可能である。

[0076] 次に、ァクチユエータ 100の傾動状態を説明する。図 9Aは、図 6Aに示す 6B— 6B 線に沿ったァクチユエータ 100の断面図であり、図 9Bは、図 7Aに示す 7B— 7B線に沿ったァクチユエータ 100の断面図である。

[0077] 図 9Aおよび図 9Bは、 3つの固定電極 4a〜4cのうち、固定電極 4aおよび 4c (図示せず）には小電圧を印加し、固定電極 4bに最大電圧を印加したときの、ァクチユエ一タ 100の傾動状態を示している。突出部 34aおよび 34c (図 1)は— Z方向に移動して中間部材 11に接触し、被接触部 12aおよび 12c (図 1)を僅かに— Z方向に押圧して被接触部 12aおよび 12c近傍の中間部材 11の Z方向の位置を決定して、る。一方、突出部 34bは— Z方向に大きく移動し、被接触部 12bを— Z方向に大きく押し下げている。これにより、中間部材 12上の 3箇所 (被接触部 12a〜12c)の Z方向の高さが可動部 7を傾動させるように設定される。この時、中間部材 11は弾性支持部 13により + Z方向に付勢されるので、中間部材 11と突出部 34a〜34cとが乖離することはなぐ常に中間部材 11の姿勢を突出部 34a〜34cの Z方向位置により制御することが可能である。また、固定電極 4a〜4cの電圧を個別に変更することにより、突出部 34a〜3 4cの位置を独立に設定可能であり、最高位置力も最低位置までのストロークの中で、中間部材 11を任意に傾動および平行移動させることができる。

[0078] 中間部材 11は、ポスト部 32a〜33cにより水平方向（XY平面に平行な方向）への変位が防止されているので、中間部材 11と突出部 34a〜34cとが水平方向に沿って相対変位することはない。このため、中間部材 11と突出部 34a〜34cとの間で摩耗が発生しな、信頼性の高!、ァクチユエータを提供することができる。

[0079] 突出部 34a〜34cは Z方向に平行移動するのみで傾動することはないが、中間部材 11は傾動する。このため、中間部材 11が傾動したときは、中間部材 11と突出部 3 4a〜34cとの間の相対角度が変動する。しかし、中間部材 11と突出部 34a〜34cとは剛結合ではなく点接触しているため、中間部材 11と突出部 34a〜34cとの間の弹性変形が全く発生しない。

[0080] 図 10Aおよび図 10Bを参照して、中間部材 11とヨーク 5a〜5cとが剛結合している場合のァクチユエ一タの傾動状態を説明する。図 10Aおよび図 10Bは、中間部材 1 1とヨーク 5a〜5cとが剛結合しているァクチユエータ 110の断面図である。中間部材 11と、ヨーク 5a、 5bおよび 5cとは岡 IJ結合咅 lla、 l ibおよび 11c (11cは図示せず）で剛結合している。図 10Aは無通電状態のァクチユエータ 110を示している。図 10B は、中間部材 11を傾動させるために固定電極 4bに最大電圧を印加したときの、ァクチユエータ 110の傾動状態を示して、る。

[0081] 図 10Bを参照して、固定電極 4bに最大電圧を印加して中間部材 11を傾動させる場合、中間部材 11とヨーク 5bとの間の相対角度が変わるので、剛結合部 l ibを弾性変形させることになる。このため、ァクチユエータ 100と比較して、ァクチユエータ 110 では、剛結合部 l ibを弾性変形させるための駆動力が余分に必要となり、より大きな静電駆動力が必要となってしまう。また、さらに、固定電極 4bに最大電圧を印加して中間部材 11を傾動させた場合、中間部材 11と剛結合しているヨーク 5aおよび 5cが中間部材 11と共に傾動してしまうという、駆動部 6a、 6bおよび 6c間のクロストークが発生してしまう。図 10Bを参照して、ヨーク 5aが傾動していないときとヨーク 5aが傾動しているときとでは、固定電極 4aに同じ大きさの電圧を印加した場合でも、ヨーク 5aと固定電極 4aとの間に発生する静電引力の大きさが異なってしまう。このような、あるョークの移動が他のヨークの移動量に影響するクロストークが発生すると、クロストークに起因する不必要な変位を補正するための補正制御を行わなくてはならなくなり、ァクチユエータの姿勢を制御するためのデータ量が膨大になってしまう。特に、ァクチュエータを多数備える装置 (マイクロミラーアレイ等）においては、クロストークに起因する変位の補正のためのデータ量が膨大になってしまう。このことは、著しいコストの増大およびァクチユエータの駆動速度の低下の原因となってしまう。

[0082] 図 9Aに示されるように、本実施形態のァクチユエータ 100では、中間部材 11と突出部 34a〜34cとは剛結合ではなく点接触している。このため、図 10Bを参照して説明したような弾性変形が起こらず、弾性変形に起因する反力を無くすことができるので、駆動に必要な静電駆動力を小さく抑えることができる。また、中間部材 11が傾動してもヨーク 5a〜5cは傾動しないので、ヨーク 5a〜5cの不必要な変位を抑制すると共にヨーク 5a〜5cと固定電極 4a〜4cとを互いに平行な関係に保つことができ、上述のようなクロストークを抑制することができる。このため、より少ないデータ量でより高精度な制御が可能となる。

[0083] また、突出部 34a〜34cが— Z方向に変位するときには突出部 34a〜34cは中間部材 11に略垂直に接触し、中間部材 11が傾動する場合においても、駆動力伝達部 1 Oa〜 10cの変位方向（Z方向）と被接触部 12a〜 12cの法線方向とのなす角は、 0° を中心に所定の角度 (例えば数度）内で変動するだけあり極端に大きくなることはない。このため、突出部 34a〜34cが被接触部 12a〜12cに大きく斜めに接触して被接触部 12a〜 12c上をスライドし、突出部 34a〜34cと被接触部 12a〜 12cとの接触位置が変わることは無ぐ常に同じ位置関係を保つので、精度の良い制御が可能である。また突出部 34a〜34cと被接触部 12a〜12cとの擦れによる、突出部 34a〜34c および被接触部 12a〜 12cの摩耗も発生せず、信頼性の高!ヽァクチユエータを提供できる。

[0084] なお、本実施形態において、突出部 34a〜34cはテーパー形状を有している力テ一パー形状を有して、る必要はな、。突出部 34a〜34cの先端部の形状を平面ではなぐわずかな曲率半径 Rを有する曲面にして中間部材 11と点接触させても良い。

[0085] また、本実施形態において、駆動部 6a〜6cは、ヨークを固定電極側に吸引する静電引力のみを発生する静電型の駆動部であつたが、圧電型の駆動部等、ヨークを上下双方向に変位可能な駆動部を用い、中間部材 11を上面および下面の両面から点接触で押圧しても良い。

産業上の利用可能性

[0086] 本発明のァクチユエータおよびそのァクチユエータを備えた装置は、収差補正、光走査、分光等を行う光デバイス及び光ディスク装置の分野で好適に用いられる。また、チューナブルキャパシタ等の高周波回路や、可変流路等の流体制御デバイス、バィォテクノロジ一等の分野でも好適に用いられる。本発明のァクチユエータおよびそのァクチユエータを備えた装置は、光ビームを反射して所定の位置にある光電気素子や光ファイバに入射させる機械的光スィッチや、収差補正用のマイクロミラーアレイの分野で特に好適に用いられる。

Claims

請求の範囲

[1] 基台と、

前記基台に対して変位可能な可動部と、

前記可動部の前記基台に対する変位が可能なように前記可動部を支持する弾性支持部と、

前記基台に対して前記可動部を変位させる複数の駆動部と

を備え、

前記複数の駆動部のそれぞれは、前記可動部へ駆動力を伝達する時に前記可動部に接触する駆動力伝達部を備える、ァクチユエータ。

[2] 前記駆動力伝達部は、前記可動部へ前記駆動力を伝達しな!、時には前記可動部から離れている、請求項 1に記載のァクチユエータ。

[3] 前記駆動力伝達部は、前記可動部へ前記駆動力を伝達する時に前記可動部にスライド可能に接触する、請求項 1に記載のァクチユエータ。

[4] 前記駆動力伝達部は、前記可動部へ前記駆動力を伝達する時に前記可動部に接触する突出部を備える、請求項 1に記載のァクチユエータ。

[5] 前記突出部は、前記突出部と接触する前記可動部の接触領域に近いほど断面積力、さくなる形状を有する、請求項 4に記載のァクチユエータ。

[6] 前記可動部は、前記可動部のうちの前記基台と対向する側に設けられ、前記可動部へ前記駆動力を伝達する時に前記突出部と接触する中間部材を備え、

前記突出部および前記中間部材のうちの少なくとも一方は、ステイツキング防止膜を備える、請求項 4に記載のァクチユエータ。

[7] 前記可動部は、前記可動部のうちの前記基台と対向する側に設けられ、前記可動部へ前記駆動力を伝達する時に前記突出部と接触する中間部材を備え、

前記可動部は、前記可動部のうちの前記中間部材とは反対の側に設けられた光反射面をさらに備える、請求項 4に記載のァクチユエータ。

[8] 前記可動部は、前記可動部のうちの前記基台と対向する側に設けられ、前記可動部へ前記駆動力を伝達する時に前記突出部と接触する中間部材を備え、

前記可動部は、前記突出部が前記中間部材を前記基台へ向力方向に押圧することにより変位する、請求項 4に記載のァクチユエータ。

[9] 前記可動部は、前記可動部のうちの前記中間部材とは反対の側に設けられた光反射面をさらに備え、

前記突出部は、前記光反射面と前記中間部材との間に位置している、請求項 8に記載のァクチユエータ。

[10] 前記駆動力伝達部は、

前記中間部材と隙間を隔てて前記中間部材の一部を挟み込むポスト部と、前記光反射面と前記中間部材との間に位置し、前記ポスト部によって支持されたブリッジ部と

をさらに備え、

前記突出部は、前記ブリッジ部に設けられている、請求項 9に記載のァクチユエ一タ。

[11] 基台と、

前記基台に対して変位可能な複数の可動部と、

前記複数の可動部の前記基台に対する変位が可能なように前記複数の可動部のうちの対応する 1つをそれぞれ支持する複数の弾性支持部と、

前記基台に対して前記複数の可動部のそれぞれを変位させる複数の駆動部とを備え、

前記複数の駆動部のそれぞれは、前記複数の可動部のうちの対応する 1つへ駆動力を伝達する時に前記対応する 1つの可動部に接触する駆動力伝達部を備える、装置。