JP2004082288A

JP2004082288A - Electrostatic actuator and optical switch using the same

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Publication number: JP2004082288A
Application number: JP2002247802A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Murai; 村井　章彦; Yuya Hasegawa; 長谷川　祐也; Masao Kirihara; 桐原　昌男; Naomasa Oka; 岡　直正; Katsuhiro Hirata; 平田　勝弘; Hiroshi Kawada; 河田　裕志; Nobuyuki Takakura; 高倉　信之; Hisakazu Miyajima; 宮島　久和; Atsushi Ogiwara; 荻原　淳; Masahiro Yamamoto; 山本　政博
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small electrostatic actuator suitable for an optical switch, particularly a large-scale matrix optical switch. <P>SOLUTION: The small electrostatic actuator comprises a fixed member 1, a driving member 2 and a rotary supporting member 3. The fixed member 1 has a fixed frame section 11 and a fixed electrode section 12 comprising a fixed comb-shaped electrode part 121 and a fixed comb-shaped connection part 122. The driving member 2 moved by electrostatic power against the fixed electrode section has a movable electrode section 21 comprising a movable comb-shaped electrode part 211 and a movable comb-shaped connection part 212 and being insulated electrically from the fixed electrode section, a working section 23 which moves for a distance longer than the stroke of the movable electrode section in conjunction with the move of the movable electrode section, and a displacement section 22 connecting the movable electrode section and the working section. The rotary supporting member 3 connects, with the fixed frame section, a portion nearer to the movable electrode section than the center position of a straight line linking the working section of the driving member to the movable electrode section, and supports the displacement section oscillating with the move of the movable electrode section. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置に好適な静電型アクチュエータ及びそれを用いた用光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の静電型アクチュエータを用いた光スイッチとして、特開２０００−１２１９６７に開示されているものがあり、このものの平面図と断面図を図１５（ａ）、（ｂ）に示す。この光スイッチは、シリコン基板７０１に座ぐり孔７０２を設けるとともに、この座ぐり孔の中央部にフレクチュア部７０４を介して板状の可動電極７０３を配置している。この一部が固定電極をなすシリコン基板７０１と可動電極との間に電圧を印加することで、両者の間に静電力を発生させ、可動電極上に取付けられているミラー７０５を上下させるものである。これにより、出射部７０６から放射される光を、ミラー７０５に反射する場合には入射部７０７に、ミラー７０５を通過する場合には他の入射部７０８に切替えることができる。しかし、この光スイッチでは、電極が板状となっているために、静電力は電極間の距離の略二乗に反比例するから、可動電極板のストロークが大きくなると初期の静電力は小さくなる。このため、スイッチングする光量を大きくするために、ミラーを大型化しようとすると、ストロークが大きくなり、この結果、駆動するための印加電圧を高くすることが必要となっていた。
【０００３】
一方、電極構成の異なる光スイッチとして、ＵＳＰ６２２９６４０に開示されるものがある。この光スイッチに用いられる静電型アクチュエータの平面図を図１６に示す。このものは、櫛歯型形状の電極を有しており、具体的には、可動櫛歯電極７１０と固定櫛歯電極７１１とを有する。この可動櫛歯電極７１０は、梁構造部７１３を介し、固定部７１２でもって基板に取付けられている。
【０００４】
ここで、両電極に電圧を印加すると、可動電櫛歯極７１０は電極間に発生する静電力により固定電極７１１の方向に両電極が嵌合するようにして移動し、これと連動してミラー７０５が移動する。この静電アクチュエータの電極は、櫛歯型構造を有しているために、特開２０００−１２１９６７に開示されている静電型アクチュエータと比較すると、同一電圧を印加したときに発生する静電力が大きくなる。特に、両電極の中心位置間の距離が大きい状態で大きな静電力を得ることができる。この結果、ミラー７０５の移動距離が大きくなっても、低い印加電圧で動作することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したＵＳＰ６２２９６４０に開示される静電アクチュエータにおいては、ミラー７０５の移動距離は、可動櫛歯電極７１０のストロークと同じとなる。また、可動櫛歯電極７１０は固定櫛歯電極と嵌合するように移動するために、電極のストロークに応じた櫛歯の長さを有する可動櫛歯電極７１０と固定櫛歯電極７１１とが必要となる。このために、ミラー７０５の移動距離を大きくするためには、櫛歯長さの長い櫛歯電極が必要となり、櫛歯電極を高精度に加工するためにはコストアップを招くこととなる。
【０００６】
また、前述したいずれの静電アクチュエータも、ミラーの移動距離が、電極のストロークと同じであるために、ミラーを大きくするに応じて、静電アクチュエータ本体も大きくすることが必要となっていた。
【０００７】
本発明は、かかる事由に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、スイッチングする光量を大きくするような用途に対応する場合に大型化するのを抑制できる静電型アクチュエータ及びそれを用いた光スイッチを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の静電型アクチュエータは、固定枠部と、固定枠部の内側に設けられて固定櫛歯電極部分と固定櫛歯連結部分とからなる固定電極部とを、有する固定部材と、
前記固定電極部に対向して静電力により移動するものであって、可動櫛歯電極部分と可動櫛歯連結部分とからなり、固定電極部とは電気的に絶縁されている可動電極部と、前記可動電極部の移動に連動して、可動電極部のストロークよりも長い距離を移動する作用部と、可動電極部と作用部を連結する変位部とを、有する駆動部材と、
前記駆動部材の作用部と可動電極部とを結ぶ直線の中心位置よりも可動電極部に近い部分を、前記固定枠部に連結して、可動電極部の移動によって変位部が揺動することを支持する回転支持部材と、を有することを特徴としている。
【０００９】
請求項２に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１の構成において、可動櫛歯連結部分が変位部側に配置され、固定櫛歯連結部がこれと反対側となるように配置されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１の構成において、固定櫛歯連結部分と可動櫛歯連結部分とが、可動電極部の移動方向において、反対側に配置されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項４に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項３のいずれかの構成において、固定枠部が対向する２辺を有し、回転支持部材がこの２辺で接続されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項５に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項４のいずれかの構成において、材の実質的な剛性率を小さくするために、回転支持部材の断面積の一部を小さくすることを特徴としている。
【００１３】
請求項６に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項５の構成において、回転支持部材に貫通する穴又は非貫通の溝を有することを特徴としている。
【００１４】
請求項７に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項６のいずれかの構成において、変位部が移動するときに発生する空気抵抗を低減するために、変位部の断面積の一部を小さくすることを特徴としている。
【００１５】
請求項８に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項７の構成において、変位部に貫通する穴を有することを特徴としている。
【００１６】
請求項９に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項８のいずれかの構成において、回転支持部材が可撓性のある部材であって、固定枠部と可動電極部とを連結することを特徴としている。
【００１７】
請求項１０に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項９のいずれかの構成において、可動電極部が静電力の除去後に急激に移動したときに、急激な移動のために変位部が静止位置から反対側にずれることを防止することを目的として、変位部に接触可能なストッパー部を固定枠部に取付けていることを特徴としている。
【００１８】
請求項１１に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１０の構成において、ストッパー部が変位部の作用部側の端部と接触可能なことを特徴としている。
【００１９】
請求項１２に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１１の静電型アクチュエータであって、ストッパー部が変位部の側面と接触可能なことを特徴としている。
【００２０】
請求項１３に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項１２のいずれかの構成において、可動電極部の固定部材側に磁性板を取付け、この可動電極部が固定電極部側に吸引されたときに対向する固定枠部に磁力吸着部を有することを特徴としている。
【００２１】
請求項１４に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１３の構成において、前記磁力吸着部が、磁性板を吸着する永久磁石と、この永久磁石の磁力を弱める電磁石と、を有することを特徴としている。
【００２２】
請求項１５に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項１４のいずれかの構成において、作用部にミラーを取付けていることを特徴としている。
【００２３】
請求項１６に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１５の構成において、作用部の中心と可動電極部の中心とを結ぶ方向に対して、ミラーの反射面が、略４５°となる状態で取付けていることを特徴としている。
【００２４】
請求項１７に係る発明の光スイッチは、請求項１乃至請求項１６のいずれかの静電型アクチュエータと、ミラーに向かって光を放射する光出射部と、光出射部からの直接光またはミラーの反射光を外部に放射する光入射部と、を有することを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
実施形態１に係る光スイッチ用の静電型アクチュエータを、図１〜５に基づいて説明する。図１は静電型アクチュエータの電圧を印加していない状態での斜視図、図２（ａ）、（ｂ）は電圧を印加していない状態での平面図と側面図、図３は電圧を印加して可動電極部が吸引された状態での側面図、図４、５は静電型アクチュエータの製造方法を示す説明図である。
【００２６】
固定部材１は、シリコン基板を形成してなるものであり、長辺と短辺を有してロ字形状をなす固定枠部１１と、櫛歯形状の固定電極部１２と、後述する回転支持部材を連設する固定台部分１３と、を有する。固定電極部１２は、固定枠部１１の短辺の内面に、所定間隔でもって平行的に内方に向けて平板状に突出する３個の固定櫛歯電極部分１２１と、固定枠部の短辺の一部である固定櫛歯連結部分１２２からなっている。固定台部１３は、固定枠部の両長辺に載設される薄い固定台絶縁部分１３２と、この上部に配設されていて固定台絶縁部分１３２より厚い固定台本体部分１３１と、により直方体形状をなしている。また、固定台部１３は、その取付け位置は固定枠部１１の長辺の上面であって長辺の長さ方向の中心位置よりも固定電極部１２に近い側であり、固定枠部１１の長辺の上面に対して突出するように設けている。
【００２７】
駆動部材２も、シリコン基板を形成してなるものであり、櫛歯形状の可動電極部２１と棒状の変位部２２と作用部であるミラー２３と、を有してなる。可動電極部２１は、所定間隔でもって平行的に位置する４個の平板状の可動櫛歯電極部分２１１と、これらを変位部側で連結している可動櫛歯連結部分２１２とからなっている。この可動電極部２１は、４個の可動櫛歯電極部分２１１が形成する所定間隔内に、互いに接することなく３個の固定櫛歯電極部分１２１が嵌まり合う関係でもって固定電極部１２と対向する位置に配置される。したがって、可動櫛歯電極部分２１１と固定櫛歯電極部分１２１は、平面視において、合計７枚の電極部分が等間隔となる関係にある。このため、電圧が印加されて静電力が作用すると、可動電極部２１が移動して、両電極部は、互いに接しない状態にて嵌合する。
【００２８】
回転支持部材３は、棒状をなし、駆動部材２と同時に一体的にシリコン基板により形成したのものである。具体的には、ミラー２３と可動電極部２１を結ぶ線の中心位置よりも可動電極部側で変位部２１と直交するように一体化されていて、両端は固定台本体部分１３１に固定される。
【００２９】
次に、静電型アクチュエータの動作を説明する。固定及び可動電極部１２、２１に電圧が印加されていない状態では、回転支持部材３の剛性により、図２（ｂ）に示すように、変位部２２は固定枠上面と略同一面内で静止している。ここで、固定及び可動電極部１２、２１に電圧が印加されると、両方の電極部１２、２１に静電力が発生し、可動電極部２１は固定電極部１２と嵌合するように移動する。そして、図３に示すように、静電力と回転支持部材３の剛性力とが釣合った状態で静止する。このとき、ミラー２３は、回転支持部材３を支点として回転移動することにより、上方向に移動する。この状態で、固定電極部１２と可動電極部２１への電圧の印加を停止すると、固定台絶縁部分１３２を通じて電荷が移動し、静電力が働かなくなり、図２（ｂ）に示す状態に戻る。以下、この動作を繰り返す。この動作において、変位部２２はてこのような揺動運動をする。
【００３０】
本静電型アクチュエータにおいては、変位部２２がてこのような揺動運動をするので、可動電極部のストロークよりも、作用部であるミラー２３の移動距離が長くなる。このために、小型の電極構造でより大きなミラーを移動することが可能となり、高寸法精度の電極を形成することや、高電圧を印加することを必要としなくなる。また、本静電型アクチュエータでは、回転支持部材３が直線形状であり、かつ両端が固定枠部に固定されているために、外部振動（特に、短辺方向での振動）の影響を低減できる構造となっている。
【００３１】
本静電型アクチュエータの外に、ミラーに向かって光を放射する光出射部と、光出射部からの直接光またはミラーの反射光を外部に放射する光入射部とを取付けて、ミラーによって入射光を反射して切替える構造とすれば、静電型アクチュエータの電圧のＯＮ、ＯＦＦによって、光を切替える光スイッチとすることができる。さらに、この静電型アクチュエータを複数個、図１１のようにマトリクス状に並べることにより、複数の放射光を切替えることのできるマトリクス光スイッチ装置とすることができる。
【００３２】
次に、本静電型アクチュエータの形成法の一例について説明する。各部は、シリコン基板から、ＤＲＩＥ（ｄｅｅｐ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｉｏｎ　ｅｔｃｈｉｎｇ）プロセスにより一体形成される。まず、図４（ａ）に示すように、第１のドープされたシリコン基板６１にマスク材料層６５を形成し、このマスク材料層６５をフォトリソグラフィ技術により、所定のパターニングを行う。これをＤＲＩＥプロセスにより、図４（ｂ）に示すように、可動電極部２１、変位部２２、ミラー２３、回転支持部材３および固定台本体部分１３１を一体形成する。この後に、マスク材料層を除去し、ミラーの表面には、光反射特性が向上するために金やアルミニウム等の高反射物質をコーティングする。次に、図５（ａ）に示すように、第２のドープされたシリコン基板６２にマスク材料層６６を形成し、このマスク材料層６６にフォトリソグラフィ技術により所定のパターニングを行う。これをＤＲＩＥプロセスにより、図５（ｂ）に示すように、固定枠部１１と固定電極部１２を形成した後に、マスク材料層を除去する。次に、図５（ｃ）に示すように、この固定枠部で固定台部が接続される部分に、シリコン酸化物を堆積することにより、固定台絶縁部分１３２を形成する。ここで、堆積させる絶縁物質は、シリコン酸化物に限定されるものではなく、シリコン窒化物でもかまわない。最後に、図２（ｂ）に示すように、固定櫛歯電極部分１２１と可動櫛歯電極部分２１１とが嵌合するように位置を調整した後、第１基板の固定台本体部分１３１と第２基板の固定台絶縁部分１３２とを貼り合わすことで、本静電型アクチュエータとなる。ここで、基板どうしを貼り合わす方法としては、対向するシリコン面にＡｕとＡｕＳｎを付着させて融着させる方法や、シリコン面に酸化膜を形成して酸化膜どうしを融着させる方法等がある。また、ここでは、シリコン基板を用いているが、これに限定されるものではなく、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることも可能である。
【００３３】
また、本実施形態では、固定櫛歯電極部分１２１を３個、可動櫛歯電極部分１１２を４個として数の大小関係をもたせているが、これに限定されるものではなく、同数どうしでもよく、その数は１０〜１５個程度としてもよい。なお、この数を多くするほど静電力は大きくなるが、固定櫛歯電極部分１２１と可動櫛歯電極部分１１２の加工は複雑となり、このために、この数を１０〜１５個程度としている。
【００３４】
（実施形態２）
実施形態２に係る光スイッチ用の静電型アクチュエータを、図６、７に基づいて説明する。図６は本静電型アクチュエータの斜視図、図７（ａ）、（ｂ）は平面図と側面図である。また、本静電型アクチュエータの構造、動作、形成手順は、実施形態１と略同様である。主な相違点は、固定電極部１２と可動電極部１１の構造にあり、図７（ｂ）に示すように、固定櫛歯連結部分１２２と可動櫛歯連結部分２１２とが、可動電極部２１の移動方向に対して反対側に配置されている。つまり、本図では、可動櫛歯連結部分２１２は可動電極部２１の上部に配置され、可動櫛歯電極部分２１１の一部が変位部２２と接続されている。また、固定櫛歯連結部分１２２は固定櫛歯電極部分１２１の下部に配置されている。さらに、図７（ａ）の上面から見て、固定電極部１２は可動電極部２１よりも回転支持部材３の側に配置されているのである。
【００３５】
この電極構造により、可動電極部２１が固定電極部１２に吸引されて移動するにしたがい、静電力の方向と可動電極部２１の移動方向のなす角度がより小さくなっていく。したがって、実施形態１の静電型アクチュエータと比較すると、電極間に発生する静電力を、より有効に可動電極部２１を移動させる力に変換することができる。このために、静電型アクチュエータの小型化や低電圧化を実施することができる。
【００３６】
次に、この実施形態２の変形例１を、図８、９に基づいて説明する。変形例１は、図８に示すように、溝４１を設けている回転支持部材３とこれに連接する駆動部材を有している。この溝４１により、回転支持部材としての剛性が小さくなり、低電圧で駆動が可能となる。ここで、このような溝４１はＤＲＩＥプロセスによって形成することが可能である。
【００３７】
変形例２は、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、ストッパー部１４を設けている。ストッパー部１４は、固定枠部１１の固定電極部１２と反対側に設けられていて、ストッパー本体部分１４１とストッパー絶縁部分１４２とからなっている。このストッパー部１４を設けることにより、印加電圧が切断された直後に可動電極部が元の位置に戻る際に発生する振動や、外部振動による影響を抑制することができる。ここで、このようなストッパー部は、図５（ａ）に示した第２のシリコン基板をＤＲＥＩプロセスにより形成することでできる。
（実施形態３）
実施形態３に係る光スイッチ用の静電型アクチュエータ及びこれを用いたマトリクス光スイッチを、図１０、１１に基づいて説明する。図１０は、変位部と回転支持部材である。このものは、実施形態１の変位部を変えたもので、他の固定部材は実施形態１と同じものを用いる。この静電型アクチュエータでは、変位部２２に平板を用い、ミラー２３を変位部２２の長さ方向と４５°傾けて取付けている。また、変位部２２には、複数個の貫通孔４５を設けている。この貫通孔４５を設けることにより、変位部２２が移動する際に発生する空気抵抗を低減することができる。
【００３８】
図１１（ａ）は、本静電型アクチュエータ５５を縦及び横に４個ずつ、合計１６個並べてマトリクス光スイッチ装置としたものである。これを、実施形態１の静電型アクチュエータ５６を同数並べたマトリクス光スイッチ装置（図１１（ｂ）に示しているもの）と比較すると、本静電型アクチュエータは、ミラー面が変位部長さ方向に４５°傾いているために、実装密度が高くなり、マトリクス光スイッチ装置を小型化することができる。
（実施形態４）
実施形態４に係る光スイッチ用の静電型アクチュエータを、図１２〜１４に基づいて説明する。図１２は静電型アクチュエータの電圧を印加していない状態での斜視図、図１３で、（ａ）と（ｂ）は、それぞれ電圧を印加していない状態での平面図と側面図、図１４は電圧を印加して、可動電極部が吸引された状態での側面図である。本静電型アクチュエータの構造、動作、形成手順は、実施形態１と略同様である。主な相違点は、回転支持部材が可撓性のある部材でできた撓み板部材３２となっていることである。あわせて、固定台部１３の形状が大きくなり、固定枠部１１の内方向に突出した状態になっている。撓み板部材３２は、一端が可動電極部２１に取付けられ、他端が固定台本体部分１３３に取付けられている。
【００３９】
本静電型アクチュエータの動作も、実施形態１の静電型アクチュエータと略同様である。すなわち、電圧が印加されると、固定電極部２１と可動電極部１２の間に静電力を発生し、可動電極部２１は固定電極部１２と嵌合するように移動する。そして、図１４に示すように、静電力と撓み板部材３２の剛性力とが釣合った状態で静止する。このとき、変位部２２は、支点位置が変化しながら揺動運動をし、結果としてミラー２３は、可動電極部のストロークよりも長い距離を移動する。
【００４０】
本静電型アクチュエータの撓み板部材（回転支持部材）は、固定枠の長辺方向と平行となっているので、この方向での外部振動の影響を低減できるという特徴を有している。
（実施形態５）
実施形態５に係る光スイッチ用の静電型アクチュエータを、図１５に基づいて説明する。本静電アクチュエータは、実施形態１〜４の静電型アクチュエータを改良したものであり、自己保持機能を有していることが特徴である。図１５はこのものの側面図である。
【００４１】
本静電型アクチュエータは、実施形態１の静電型アクチュエータに電磁機構を取付けたものである。まず、可動電極部２１の下方にパーマロイ等の軟磁性板２５が取付けられている。また、固定電極部１２の下方に希土類磁石等の永久磁石１５が取付けられ、さらにこの下方に微小電磁コイル５１が設置されている。
【００４２】
次に、本静電型アクチュエータの動作を説明する。実施形態１の静電型アクチュエータでは、電圧が印加されて、可動電極部１２が固定電極部２１と嵌合するように移動した後に、電圧の印加を停止すると、可動電極部１２は、元の静止位置に戻っていく。これは、固定台絶縁部分１３２を通じて、少しずつ電荷が移動し、この結果として静電力が働かなくなり、回転支持部材３の剛性で元の位置へと移動するためである。これに対して、本静電型アクチュエータでは、電圧が印加されて、可動電極部１２が固定電極部２１と嵌合するように移動すると、軟磁性板部２５と永久磁石１５との間に磁気吸引力が働くようになる。この後に電圧の印加を停止しても、この磁力のために、可動電極部２１は、固定電極部１２と嵌合した位置を維持したままの状態を保ち、この結果として、自己保持機能を有する。また、この静電型アクチュエータの可動電極部をもとの静止位置に戻すためには、軟磁性板２５と永久磁石１５との間の磁力を打ち消すように、微小電磁コイル５１に電流を通電する。
【００４３】
本静電型アクチュエータは、自己保持機能を有しているので、可動電極部２１を移動するときのみに電圧を印加すればよいので、消費電力を低減することが可能となる。
【００４４】
以上、実施形態１〜５に、本発明の実施形態の例を示したが、本発明は、これだけに限定されるものではない。例えば、作用部に設置するものをミラーではなく、光吸収板にすれば、光信号のＯＮとＯＦＦとを切替える光スイッチとすることができる。また、ミラーの代りに、電気接点を作用部に取付け、これと対向する位置にある他の電気接点との接触を切替えるようにすれば、静電型リレーとすることもできる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の静電型アクチュエータは、固定枠部と、固定枠部の内側に設けられて固定櫛歯電極部分と固定櫛歯連結部分とからなる固定電極部とを、有する固定部材と、前記固定電極部に対向して静電力により移動するものであって、可動櫛歯電極部分と可動櫛歯連結部分とからなり、固定電極部とは電気的に絶縁されている可動電極部と、前記可動電極部の移動に連動して、可動電極部のストロークよりも長い距離を移動する作用部と、可動電極部と作用部を連結する変位部とを、有する駆動部材と、前記駆動部材の作用部と可動電極部とを結ぶ直線の中心位置よりも可動電極部に近い部分を、前記固定枠部に連結して、可動電極部の移動によって変位部の揺動を支持する回転支持部材と、を有するので、可動電極部のストロークよりも作用部の移動距離が大きくなり、小型の電極構造でより大きなミラーを移動することが可能となる。
【００４６】
請求項２に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１記載の静電型アクチュエータにおいて、可動櫛歯連結部分が変位部側に配置され、固定櫛歯連結部がこれと反対側となるように配置されているので、請求項１の効果に加え、電極の構造が簡易となり、製造が容易となる。
【００４７】
請求項３に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１記載の静電型アクチュエータにおいて、固定櫛歯連結部分と可動櫛歯連結部分とが、可動電極部の移動方向において、反対側に配置されているので、請求項１の効果に加え、電極間に発生する静電力を、可動電極部を移動する力に有効に変換することができる。
【００４８】
請求項４に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の静電型アクチュエータにおいて、固定枠部が対向する２辺を有し、回転支持部材がこの２辺で接続してなるので、請求項１乃至請求項３のいずれかの効果に加え、駆動部材の安定性が増し、外部振動に対して影響を受けにくくなる。
【００４９】
請求項５に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の静電型アクチュエータにおいて、回転支持部材の実質的な剛性率を小さくするために、回転支持部材の断面積の一部を小さくしているので、請求項１乃至請求項４のいずれかの効果に加え、低電圧で静電型アクチュエータを駆動することができる。
【００５０】
請求項６に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項５記載の静電型アクチュエータにおいて、回転支持部材に貫通する穴又は非貫通の溝を有しているので、請求項５の効果に加えて、構造を簡易化できる。
【００５１】
請求項７に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の静電型アクチュエータにおいて、変位部が移動するときに発生する空気抵抗を低減するために、変位部の断面積の一部を小さくしているので、請求項１乃至請求項６のいずれかの効果に加え、変位部が移動するときの抵抗が小さくなり、さらに低電圧で静電型アクチュエータを駆動することができる。
【００５２】
請求項８に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項７記載の静電型アクチュエータにおいて、変位部に貫通する穴を有しているので、請求項７の効果に加えて、構造を簡易化できる。
【００５３】
請求項９に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の静電型アクチュエータにおいて、回転支持部材が可撓製のある部材であって、固定枠部と可動電極部とを連結しているので、請求項１乃至請求項８のいずれかの効果に加え、変位部の長さ方向での外部振動の影響を低減することができる。
【００５４】
請求項１０に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の静電型アクチュエータにおいて、可動電極部が静電力の除去後に急激に移動したときに、変位部が静止位置から反対側にずれることを防止することを目的として、変位部に接触可能なストッパー部を固定枠部に取付けているので、請求項１乃至請求項９のいずれかの効果に加え、急減な可動電極部の移動や外部振動の影響を低減することができる。
【００５５】
請求項１１に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１０に記載の静電型アクチュエータにおいて、ストッパー部が変位部の作用部側の端部と接触可能なので、請求項１０の効果に加え、外部振動の影響を低減することができる。
【００５６】
請求項１２に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１１記載の静電型アクチュエータにおいて、ストッパー部が変位部の側面と接触可能なので、請求項１１の効果に加え、ストッパーに係る応力を低減することができる。
【００５７】
請求項１３に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の静電型アクチュエータにおいて、可動電極部の固定部材側に磁性板を取付け、この可動電極部が固定電極部側に吸引されたときに対向する固定枠部に磁力吸着部を有しているので、一度電圧を印加後に、電圧を切断しても、静電型アクチュエータが動作状態を保持することができる、請求項１乃至請求項１２のいずれかの効果に加え、低電力で静電型アクチュエータを駆動することができる。
【００５８】
請求項１４に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１３記載の静電型アクチュエータにおいて、前記磁力吸着部が、磁性板を吸着する永久磁石と、この永久磁石の磁力を弱める電磁石とからなるので、前記自己保持機能を有するとともに、電磁石の働きにより、動作を解放することができるので、請求項１３の効果に加え、低電力で静電型アクチュエータを解放することができる。
【００５９】
請求項１５に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の静電型アクチュエータにおいて、作用部にミラーを取付けているので、低電圧で動作する光スイッチとして用いることができる。
【００６０】
請求項１６に係る発明の静電型アクチュエータは、請求項１５記載の静電型アクチュエータにおいて、作用部の中心と可動電極部の中心とを結ぶ方向に対して、ミラーの反射面が、略４５°となる状態で取付けられているので、請求項１６の効果に加え、光スイッチを高実装密度でマトリクス状に並べることができ、マトリクス光スイッチ装置を小型化することができる。
【００６１】
請求項１７に係る発明の光スイッチは、請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載の静電型アクチュエータと、ミラーに向かって光を放射する光出射部と、光出射部からの直接光またはミラーの反射光を外部に放射する光入射部とを用いているので、請求項１７の効果に加え、低電圧で光信号を切替える光スイッチとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の光スイッチ用静電アクチュエータを示す斜視図である。
【図２】同上のものを示す図で、電圧を印加していない状態での（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図３】同上のものを示す図で、電圧を印加した状態での側面図である。
【図４】同上のもので、駆動部材、回転支持部材と固定台本体部分を形成する手順を説明する側面図である。
【図５】同上のもので、固定部材の大部分を形成する手順を説明する側面図である。
【図６】実施形態２の光スイッチ用静電型アクチュエータを示す斜視図である。
【図７】同上のものを示す図で、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図８】実施形態２の変形例１の静電型アクチュエータで用いる駆動部材と回転支持部材を示す平面図である。
【図９】実施形態２の変形例２の静電型アクチュエータであって、ストッパー部を有するものを示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図１０】実施形態３の静電型アクチュエータで用いる駆動部材と回転支持部材を示す平面図である。
【図１１】実施形態３のマトリクス光スイッチを示す平面図である。
【図１２】実施形態４の光スイッチ用静電型アクチュエータを示す斜視図である。
【図１３】同上のものを示す図で、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は電圧を印加していない状態での側面図である。
【図１４】同上のものを示す図で、電圧を印加した状態での側面図である。
【図１５】実施形態５の光スイッチ用静電型アクチュエータを示す側面図である。
【図１６】従来の光スイッチで、（ａ）は平面図で、（ｂ）は断面図である。
【図１７】櫛歯電極を用いる従来の静電型アクチュエータの平面図である。
【符号の説明】
１　　　　固定部材
１１　　　　固定枠部
１２　　　　固定電極部
１２１　　　　固定櫛歯電極部分
１２２　　　　固定櫛歯連結部分
１３　　　　固定台部
１３１、１３３　　　　固定台本体部分
１３２、１３４　　　　固定台絶縁部分
１４　　　　ストッパー部
１４１　　　　ストッパー本体部分
１４１　　　　ストッパー絶縁部分
１５　　　　永久磁石
２　　　　駆動部材
２１　　　　可動電極部
２１１　　　　可動櫛歯電極部分
２１２　　　　可動櫛歯連結部分
２２　　　　変位部
２３　　　　ミラー（作用部）
２５　　　　軟磁性板
３　　　　回転支持部材
３２　　　　撓み板部材
４１　　　　溝部
４５　　　　貫通穴
５１　　　　微小電磁コイル
５５、５６　　　　静電型アクチュエータ
６１、６２　　　　シリコン基板
６５、６６　　　　マスク材料層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrostatic actuator suitable for an optical communication device and an optical switch using the same.
[0002]
[Prior art]
An optical switch using this type of electrostatic actuator is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-121967, and a plan view and a cross-sectional view of the switch are shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b). In this optical switch, a counterbore 702 is provided in a silicon substrate 701, and a plate-shaped movable electrode 703 is arranged at the center of the counterbore via a flexure portion 704. By applying a voltage between the silicon substrate 701 and the movable electrode, a part of which forms a fixed electrode, an electrostatic force is generated between the two, and the mirror 705 mounted on the movable electrode is moved up and down. is there. Thus, the light emitted from the emission unit 706 can be switched to the incident unit 707 when reflected by the mirror 705 and switched to another incident unit 708 when the light passes through the mirror 705. However, in this optical switch, since the electrodes are plate-shaped, the electrostatic force is inversely proportional to the square of the distance between the electrodes. Therefore, as the stroke of the movable electrode plate increases, the initial electrostatic force decreases. For this reason, in order to enlarge the mirror in order to increase the switching light amount, the stroke becomes large, and as a result, it is necessary to increase the applied voltage for driving.
[0003]
On the other hand, an optical switch having a different electrode configuration is disclosed in US Pat. No. 6,229,640. FIG. 16 is a plan view of an electrostatic actuator used in the optical switch. This has a comb-shaped electrode, specifically, has a movable comb electrode 710 and a fixed comb electrode 711. The movable comb electrode 710 is attached to the substrate by a fixed portion 712 via a beam structure portion 713.
[0004]
Here, when a voltage is applied to both electrodes, the movable electrode 710 moves so that both electrodes fit in the direction of the fixed electrode 711 due to an electrostatic force generated between the electrodes. 705 moves. Since the electrodes of this electrostatic actuator have a comb-shaped structure, the electrostatic force generated when the same voltage is applied is smaller than that of the electrostatic actuator disclosed in JP-A-2000-121967. growing. In particular, a large electrostatic force can be obtained when the distance between the center positions of both electrodes is large. As a result, even if the moving distance of the mirror 705 becomes large, the mirror 705 can be operated with a low applied voltage.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the electrostatic actuator disclosed in US Pat. No. 6,229,640, the moving distance of the mirror 705 is the same as the stroke of the movable comb electrode 710. In addition, in order to move the movable comb electrode 710 so as to fit with the fixed comb electrode, the movable comb electrode 710 and the fixed comb electrode 711 having a comb tooth length corresponding to the stroke of the electrode are required. It becomes. For this reason, in order to increase the moving distance of the mirror 705, a comb-shaped electrode having a long comb-teeth length is required, and a cost increase is required to process the comb-shaped electrode with high accuracy.
[0006]
Further, in any of the above-described electrostatic actuators, the movement distance of the mirror is the same as the stroke of the electrode, and accordingly, it is necessary to increase the size of the electrostatic actuator body as the mirror is enlarged.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an electrostatic actuator and an electrostatic actuator capable of suppressing an increase in size when corresponding to an application in which the amount of switching light is increased. Provided is an optical switch using the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The electrostatic actuator according to the first aspect of the present invention has a fixed member having a fixed frame portion, and a fixed electrode portion provided inside the fixed frame portion and including a fixed comb-tooth electrode portion and a fixed comb-tooth connection portion. When,
A movable electrode part that moves by electrostatic force in opposition to the fixed electrode part, and includes a movable comb electrode part and a movable comb tooth connection part, and is electrically insulated from the fixed electrode part; In conjunction with the movement of the movable electrode portion, an operating portion that moves a longer distance than the stroke of the movable electrode portion, a driving member having a displacement portion that connects the movable electrode portion and the operating portion,
A portion closer to the movable electrode portion than a center position of a straight line connecting the action portion of the driving member and the movable electrode portion is connected to the fixed frame portion, and the displacement portion swings due to movement of the movable electrode portion. And a rotation support member for supporting.
[0009]
An electrostatic actuator according to a second aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to the first aspect, wherein the movable comb-tooth coupling portion is arranged on the displacement portion side, and the fixed comb-tooth coupling portion is arranged on the opposite side. It is characterized by having.
[0010]
In the electrostatic actuator according to a third aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, the fixed comb-tooth connection portion and the movable comb-tooth connection portion are arranged on opposite sides in the moving direction of the movable electrode portion. It is characterized by.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the electrostatic actuator according to any one of the first to third aspects, wherein the fixed frame portion has two sides facing each other, and the rotation support member is connected at the two sides. It is characterized by having.
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, in the electrostatic actuator according to any one of the first to fourth aspects, in order to reduce the substantial rigidity of the material, a part of the cross-sectional area of the rotation support member is reduced. The feature is to make it smaller.
[0013]
According to a sixth aspect of the present invention, in the electrostatic actuator according to the fifth aspect, a hole or a non-penetrating groove penetrating the rotation supporting member is provided.
[0014]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the electrostatic actuator according to any one of the first to sixth aspects, wherein a cross-sectional area of the displacement portion is reduced in order to reduce air resistance generated when the displacement portion moves. It is characterized by making a part smaller.
[0015]
An electrostatic actuator according to an eighth aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to the seventh aspect, characterized by having a hole penetrating the displacement portion.
[0016]
According to a ninth aspect of the present invention, in the electrostatic actuator according to any one of the first to eighth aspects, the rotation support member is a flexible member, and the fixed frame portion and the movable electrode portion are connected to each other. It is characterized by being connected.
[0017]
According to a tenth aspect of the present invention, in the electrostatic actuator according to any one of the first to ninth aspects, when the movable electrode portion suddenly moves after removing the electrostatic force, the movable electrode portion is displaced due to the sudden movement. For the purpose of preventing the portion from shifting from the rest position to the opposite side, a stopper portion capable of contacting the displacement portion is attached to the fixed frame portion.
[0018]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the electrostatic actuator according to the tenth aspect, the stopper portion is capable of contacting an end portion of the displacement portion on the action portion side.
[0019]
An electrostatic actuator according to a twelfth aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to the eleventh aspect, wherein the stopper portion can contact a side surface of the displacement portion.
[0020]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the electrostatic actuator according to any one of the first to twelfth aspects, a magnetic plate is attached to the fixed member side of the movable electrode part, and the movable electrode part is attached to the fixed electrode part side. It is characterized in that a magnetic attraction portion is provided on the fixed frame portion facing when sucked.
[0021]
An electrostatic actuator according to a fourteenth aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to the thirteenth aspect, wherein the magnetic force attracting portion has a permanent magnet that attracts the magnetic plate and an electromagnet that weakens the magnetic force of the permanent magnet. And
[0022]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the electrostatic actuator according to any one of the first to fourteenth aspects, a mirror is attached to the operating portion.
[0023]
An electrostatic actuator according to a sixteenth aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to the fifteenth aspect, wherein the reflection surface of the mirror is substantially at 45 ° with respect to the direction connecting the center of the operating portion and the center of the movable electrode portion. It is characterized by being attached by.
[0024]
An optical switch according to a seventeenth aspect of the present invention is the optical switch according to any one of the first to sixteenth aspects, a light emitting unit that emits light toward the mirror, and a direct light or a mirror from the light emitting unit. And a light incident portion for radiating the reflected light to the outside.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
An electrostatic actuator for an optical switch according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 is a perspective view of the electrostatic actuator in a state where no voltage is applied, FIGS. 2A and 2B are a plan view and a side view in a state where no voltage is applied, and FIG. FIGS. 4 and 5 are explanatory views showing a method for manufacturing an electrostatic actuator in a state in which the movable electrode portion is attracted by application.
[0026]
The fixing member 1 is formed by forming a silicon substrate, and has a rectangular frame-shaped fixing frame 11 having long sides and short sides, a comb-shaped fixed electrode section 12, and a rotation support described later. And a fixed base portion 13 for connecting members. The fixed electrode portion 12 includes three fixed comb-teeth electrode portions 121 protruding inward in parallel at predetermined intervals in parallel with a predetermined interval on an inner surface of a short side of the fixed frame portion 11, and a short side of the fixed frame portion. It is composed of a fixed comb-tooth connecting portion 122 which is a part of the side. The fixed base portion 13 is formed by a thin fixed base insulating portion 132 mounted on both long sides of the fixed frame portion, and a fixed base main body portion 131 provided on this upper portion and thicker than the fixed base insulating portion 132. It has a shape. The fixing base 13 is mounted on the upper surface of the long side of the fixed frame 11 and closer to the fixed electrode 12 than the center of the long side in the longitudinal direction. It is provided so as to protrude from the upper surface of the long side.
[0027]
The driving member 2 is also formed by forming a silicon substrate, and has a comb-shaped movable electrode portion 21, a rod-shaped displacement portion 22, and a mirror 23 as an action portion. The movable electrode portion 21 is composed of four flat comb-shaped movable comb-teeth electrode portions 211 positioned in parallel at a predetermined interval, and a movable comb-teeth connecting portion 212 connecting these at the displacement portion side. . The movable electrode portion 21 faces the fixed electrode portion 12 in such a manner that the three fixed comb tooth electrode portions 121 are fitted without being in contact with each other within a predetermined interval formed by the four movable comb tooth electrode portions 211. Is located at Accordingly, the movable comb electrode portion 211 and the fixed comb electrode portion 121 have a relationship in which a total of seven electrode portions are equally spaced in plan view. Therefore, when a voltage is applied and an electrostatic force acts, the movable electrode portion 21 moves, and the two electrode portions are fitted without being in contact with each other.
[0028]
The rotation support member 3 has a rod shape and is formed integrally with the drive member 2 from a silicon substrate. Specifically, it is integrated so as to be orthogonal to the displacement portion 21 on the movable electrode portion side from the center position of the line connecting the mirror 23 and the movable electrode portion 21, and both ends are fixed to the fixed base body portion 131. .
[0029]
Next, the operation of the electrostatic actuator will be described. In a state where no voltage is applied to the fixed and movable electrode portions 12 and 21, the displacement portion 22 is stationary in substantially the same plane as the upper surface of the fixed frame due to the rigidity of the rotation support member 3 as shown in FIG. are doing. Here, when a voltage is applied to the fixed and movable electrode portions 12 and 21, an electrostatic force is generated in both the electrode portions 12 and 21, and the movable electrode portion 21 moves so as to fit with the fixed electrode portion 12. . Then, as shown in FIG. 3, the apparatus stops at a state where the electrostatic force and the rigidity of the rotation support member 3 are balanced. At this time, the mirror 23 moves upward by rotating around the rotation support member 3 as a fulcrum. In this state, when the application of the voltage to the fixed electrode portion 12 and the movable electrode portion 21 is stopped, the electric charge moves through the fixed base insulating portion 132, the electrostatic force does not work, and the state returns to the state shown in FIG. Hereinafter, this operation is repeated. In this operation, the displacement portion 22 makes such a rocking motion.
[0030]
In the present electrostatic actuator, since the displacement portion 22 makes such a swinging motion, the moving distance of the mirror 23 acting as the action portion becomes longer than the stroke of the movable electrode portion. For this reason, it is possible to move a larger mirror with a small electrode structure, and it is not necessary to form an electrode with high dimensional accuracy or to apply a high voltage. Further, in the present electrostatic actuator, since the rotation support member 3 has a linear shape and both ends are fixed to the fixed frame portion, the influence of external vibration (particularly, vibration in the short side direction) can be reduced. It has a structure.
[0031]
In addition to the electrostatic actuator, a light emitting part that emits light toward the mirror and a light incident part that emits the direct light from the light emitting part or the reflected light of the mirror to the outside are attached, and the light is incident by the mirror. With a structure that switches by reflecting light, an optical switch that switches light by turning on and off the voltage of the electrostatic actuator can be provided. Further, by arranging a plurality of the electrostatic actuators in a matrix as shown in FIG. 11, a matrix optical switch device capable of switching a plurality of radiated lights can be obtained.
[0032]
Next, an example of a method for forming the present electrostatic actuator will be described. Each part is integrally formed from a silicon substrate by a DRIE (deep reactive ion etching) process. First, as shown in FIG. 4A, a mask material layer 65 is formed on a first doped silicon substrate 61, and the mask material layer 65 is subjected to a predetermined patterning by a photolithography technique. As shown in FIG. 4B, the movable electrode portion 21, the displacement portion 22, the mirror 23, the rotation support member 3, and the fixed base body portion 131 are integrally formed by a DRIE process. Thereafter, the mask material layer is removed, and the surface of the mirror is coated with a highly reflective material such as gold or aluminum in order to improve the light reflection characteristics. Next, as shown in FIG. 5A, a mask material layer 66 is formed on the second doped silicon substrate 62, and the mask material layer 66 is subjected to a predetermined patterning by a photolithography technique. After forming the fixed frame portion 11 and the fixed electrode portion 12 by a DRIE process as shown in FIG. 5B, the mask material layer is removed. Next, as shown in FIG. 5C, a fixed base insulating portion 132 is formed by depositing silicon oxide on a portion of the fixed frame portion to which the fixed base is connected. Here, the insulating material to be deposited is not limited to silicon oxide, but may be silicon nitride. Finally, as shown in FIG. 2B, after the position is adjusted so that the fixed comb-tooth electrode portion 121 and the movable comb-tooth electrode portion 211 are fitted to each other, the fixed base body portion 131 of the first substrate and the fixed base body portion 131 are connected to each other. The electrostatic actuator is obtained by bonding the fixed base insulating portion 132 of the two substrates. Here, as a method of bonding the substrates together, there are a method of attaching Au and AuSn to the opposing silicon surface and fusing them, a method of forming an oxide film on the silicon surface and fusing the oxide films together, and the like. . Although a silicon substrate is used here, the present invention is not limited to this, and an SOI (silicon on insulator) substrate can be used.
[0033]
Further, in the present embodiment, three fixed comb-teeth electrode portions 121 and four movable comb-teeth electrode portions 112 have a relationship of magnitude, but the present invention is not limited to this, and the same number may be used. The number may be about 10 to 15 pieces. The electrostatic force increases as the number increases, but the processing of the fixed comb electrode portion 121 and the movable comb electrode portion 112 becomes complicated. Therefore, the number is set to about 10 to 15 pieces.
[0034]
(Embodiment 2)
An electrostatic actuator for an optical switch according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a perspective view of the present electrostatic actuator, and FIGS. 7A and 7B are a plan view and a side view. The structure, operation, and forming procedure of the present electrostatic actuator are substantially the same as those of the first embodiment. The main difference lies in the structure of the fixed electrode portion 12 and the movable electrode portion 11. As shown in FIG. 7B, the fixed comb tooth connecting portion 122 and the movable comb tooth connecting portion 212 are Are arranged on the opposite side with respect to the moving direction. That is, in this drawing, the movable comb-tooth connecting portion 212 is disposed above the movable electrode portion 21, and a part of the movable comb-tooth electrode portion 211 is connected to the displacement portion 22. Further, the fixed comb-teeth connecting portion 122 is arranged below the fixed comb-teeth electrode portion 121. 7A, the fixed electrode portion 12 is disposed closer to the rotation support member 3 than the movable electrode portion 21.
[0035]
With this electrode structure, the angle between the direction of the electrostatic force and the moving direction of the movable electrode unit 21 becomes smaller as the movable electrode unit 21 is attracted and moved by the fixed electrode unit 12. Therefore, compared to the electrostatic actuator of the first embodiment, the electrostatic force generated between the electrodes can be converted to a force for moving the movable electrode unit 21 more effectively. Therefore, the size and voltage of the electrostatic actuator can be reduced.
[0036]
Next, a first modification of the second embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 8, the first modification has a rotation support member 3 provided with a groove 41 and a driving member connected to the rotation support member. The grooves 41 reduce the rigidity of the rotation support member, and can be driven at a low voltage. Here, such a groove 41 can be formed by a DRIE process.
[0037]
In the second modification, as shown in FIGS. 9A and 9B, a stopper portion 14 is provided. The stopper portion 14 is provided on the opposite side of the fixed electrode portion 12 of the fixed frame portion 11 and includes a stopper main body portion 141 and a stopper insulating portion 142. By providing the stopper portion 14, it is possible to suppress the vibration generated when the movable electrode portion returns to the original position immediately after the applied voltage is cut off, and the influence of the external vibration. Here, such a stopper portion can be formed by forming the second silicon substrate shown in FIG. 5A by a DREI process.
(Embodiment 3)
An electrostatic actuator for an optical switch according to a third embodiment and a matrix optical switch using the same will be described with reference to FIGS. FIG. 10 shows a displacement part and a rotation support member. This embodiment is the same as the first embodiment except that the displacement portion of the first embodiment is changed. In this electrostatic actuator, a flat plate is used for the displacement unit 22, and the mirror 23 is attached at an angle of 45 ° with respect to the length direction of the displacement unit 22. Further, the displacement part 22 is provided with a plurality of through holes 45. By providing the through holes 45, it is possible to reduce air resistance generated when the displacement unit 22 moves.
[0038]
FIG. 11 (a) shows a matrix optical switch device in which 16 electrostatic actuators 55 are arranged vertically and horizontally, that is, 16 in total. When this is compared with the matrix optical switch device (shown in FIG. 11B) in which the same number of the electrostatic actuators 56 according to the first embodiment are arranged, the mirror surface of the electrostatic actuator according to the first embodiment is the same as that of the first embodiment. 45 °, the mounting density is increased and the size of the matrix optical switch device can be reduced.
(Embodiment 4)
An electrostatic actuator for an optical switch according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 12 is a perspective view of the electrostatic actuator in a state where no voltage is applied, and FIGS. 13A and 13B are a plan view and a side view in a state where no voltage is applied, respectively. 14 is a side view in a state where a voltage is applied and the movable electrode portion is sucked. The structure, operation, and forming procedure of the present electrostatic actuator are substantially the same as those of the first embodiment. The main difference is that the rotation support member is a flexible plate member 32 made of a flexible member. At the same time, the shape of the fixing base 13 is increased, and the fixing base 13 is projected inward. The flexible plate member 32 has one end attached to the movable electrode portion 21 and the other end attached to the fixed base body portion 133.
[0039]
The operation of the present electrostatic actuator is also substantially the same as that of the first embodiment. That is, when a voltage is applied, an electrostatic force is generated between the fixed electrode unit 21 and the movable electrode unit 12, and the movable electrode unit 21 moves so as to fit with the fixed electrode unit 12. Then, as shown in FIG. 14, the apparatus stops at a state where the electrostatic force and the rigidity of the flexible plate member 32 are balanced. At this time, the displacement unit 22 swings while the fulcrum position changes, and as a result, the mirror 23 moves a distance longer than the stroke of the movable electrode unit.
[0040]
Since the flexible plate member (rotation support member) of the present electrostatic actuator is parallel to the long side direction of the fixed frame, it is characterized in that the influence of external vibration in this direction can be reduced.
(Embodiment 5)
The electrostatic actuator for an optical switch according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG. This electrostatic actuator is an improvement of the electrostatic actuators of Embodiments 1 to 4, and is characterized by having a self-holding function. FIG. 15 is a side view of this.
[0041]
This electrostatic actuator is obtained by attaching an electromagnetic mechanism to the electrostatic actuator of the first embodiment. First, a soft magnetic plate 25 such as permalloy is attached below the movable electrode portion 21. Further, a permanent magnet 15 such as a rare earth magnet is attached below the fixed electrode section 12, and a minute electromagnetic coil 51 is further installed below this.
[0042]
Next, the operation of the present electrostatic actuator will be described. In the electrostatic actuator according to the first embodiment, when the voltage is applied and the movable electrode unit 12 moves so as to fit with the fixed electrode unit 21 and then stops applying the voltage, the movable electrode unit 12 returns to the original position. Return to rest position. This is because the electric charges gradually move through the fixed base insulating portion 132, and as a result, the electrostatic force does not work and moves to the original position due to the rigidity of the rotation support member 3. On the other hand, in the present electrostatic actuator, when a voltage is applied and the movable electrode section 12 moves so as to fit with the fixed electrode section 21, a magnetic force is generated between the soft magnetic plate section 25 and the permanent magnet 15. The suction force works. Even if the application of the voltage is stopped thereafter, the movable electrode portion 21 maintains the position where the movable electrode portion 21 is fitted with the fixed electrode portion 12 due to the magnetic force. As a result, the movable electrode portion 21 has a self-holding function. . In order to return the movable electrode portion of the electrostatic actuator to the original stationary position, a current is applied to the minute electromagnetic coil 51 so as to cancel the magnetic force between the soft magnetic plate 25 and the permanent magnet 15. .
[0043]
Since the present electrostatic actuator has a self-holding function, it is necessary to apply a voltage only when moving the movable electrode section 21, so that power consumption can be reduced.
[0044]
As described above, Embodiments 1 to 5 show examples of the embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to this. For example, if the component installed in the action part is not a mirror but a light absorbing plate, an optical switch that switches ON and OFF of an optical signal can be provided. Also, instead of the mirror, an electric contact may be attached to the action portion and the contact with another electric contact located at a position opposite to the electric contact may be switched to form an electrostatic relay.
[0045]
【The invention's effect】
The electrostatic actuator according to the first aspect of the present invention has a fixed member having a fixed frame portion, and a fixed electrode portion provided inside the fixed frame portion and including a fixed comb-tooth electrode portion and a fixed comb-tooth connection portion. And a movable electrode part that moves by electrostatic force in opposition to the fixed electrode part, and includes a movable comb electrode part and a movable comb tooth connection part, and is electrically insulated from the fixed electrode part. A driving member having: an operating unit that moves a longer distance than the stroke of the movable electrode unit in conjunction with the movement of the movable electrode unit; and a displacement unit that connects the movable electrode unit and the operating unit. Rotation support for connecting a portion closer to the movable electrode portion than a center position of a straight line connecting the action portion of the member and the movable electrode portion to the fixed frame portion, and supporting swinging of the displacement portion by movement of the movable electrode portion. The movable electrode section Moving distance of the remote action unit is increased, it is possible to move a larger mirror size of the electrode structure.
[0046]
An electrostatic actuator according to a second aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to the first aspect, wherein the movable comb tooth connecting portion is disposed on the displacement portion side, and the fixed comb tooth connecting portion is on the opposite side. , The structure of the electrode is simplified, and the manufacturing becomes easy.
[0047]
The electrostatic actuator according to a third aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to the first aspect, wherein the fixed comb tooth connecting portion and the movable comb tooth connecting portion are arranged on opposite sides in the moving direction of the movable electrode portion. Therefore, in addition to the effect of the first aspect, the electrostatic force generated between the electrodes can be effectively converted into a force for moving the movable electrode portion.
[0048]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the electrostatic actuator according to any one of the first to third aspects, wherein the fixed frame portion has two sides facing each other, and the rotation support member has the two sides. Since the connection is made at the sides, in addition to the effect of any one of the first to third aspects, the stability of the driving member is increased and the drive member is less affected by external vibration.
[0049]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the electrostatic actuator according to any one of the first to fourth aspects, wherein the rotation supporting member is provided to reduce a substantial rigidity of the rotation supporting member. Since a part of the cross-sectional area is reduced, the electrostatic actuator can be driven at a low voltage in addition to the effects of any one of the first to fourth aspects.
[0050]
An electrostatic actuator according to a sixth aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to the fifth aspect, further comprising a hole or a non-penetrating groove penetrating the rotation support member. Thus, the structure can be simplified.
[0051]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the electrostatic actuator according to any one of the first to sixth aspects, wherein the displacement is reduced in order to reduce air resistance generated when the displacement section moves. Since a part of the cross-sectional area of the portion is reduced, in addition to the effects of any one of claims 1 to 6, the resistance when the displacement portion moves is reduced, and the electrostatic actuator can be used at a low voltage. Can be driven.
[0052]
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the electrostatic actuator according to the seventh aspect of the present invention, which has a hole penetrating through the displacement portion. it can.
[0053]
An electrostatic actuator according to a ninth aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to any one of the first to eighth aspects, wherein the rotation support member is a flexible member, and the rotation support member is a fixed frame portion. Since the movable electrode portion is connected to the movable electrode portion, the effect of external vibration in the length direction of the displacement portion can be reduced in addition to the effect of any one of the first to eighth aspects.
[0054]
An electrostatic actuator according to a tenth aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to any one of the first to ninth aspects, wherein, when the movable electrode portion suddenly moves after the removal of the electrostatic force, the displacement portion is moved. The stopper is attached to the fixed frame so that the stopper can be in contact with the displacement part for the purpose of preventing the head from shifting from the stationary position to the opposite side. In addition to the effect of any one of claims 1 to 9, It is possible to reduce the effect of the sudden movement of the movable electrode portion and the influence of external vibration.
[0055]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the electrostatic actuator according to the tenth aspect, the stopper portion can come into contact with the end of the displacement portion on the side of the action portion. The effect of external vibration can be reduced.
[0056]
In the electrostatic actuator according to a twelfth aspect of the present invention, in the electrostatic actuator according to the eleventh aspect, the stopper portion can come into contact with the side surface of the displacement portion, so that the stress on the stopper is reduced in addition to the effect of the eleventh aspect. can do.
[0057]
An electrostatic actuator according to a thirteenth aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to any one of the first to twelfth aspects, wherein a magnetic plate is attached to the fixed member side of the movable electrode part, and the movable electrode part is Since the fixed frame portion that is attracted to the fixed electrode portion has a magnetic force attracting portion, the electrostatic actuator can maintain the operating state even if the voltage is cut off after applying the voltage once In addition to the effect of any one of claims 1 to 12, the electrostatic actuator can be driven with low power.
[0058]
An electrostatic actuator according to a fourteenth aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to the thirteenth aspect, wherein the magnetic attraction portion includes a permanent magnet that attracts a magnetic plate and an electromagnet that weakens the magnetic force of the permanent magnet. Therefore, while having the self-holding function, the operation can be released by the action of the electromagnet. Therefore, in addition to the effect of the thirteenth aspect, the electrostatic actuator can be released with low power.
[0059]
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided the electrostatic actuator according to any one of the first to fourteenth aspects, wherein a mirror is attached to the operating portion, so that the optical switch operates at a low voltage. Can be used.
[0060]
An electrostatic actuator according to a sixteenth aspect of the present invention is the electrostatic actuator according to the fifteenth aspect, wherein the reflecting surface of the mirror is substantially 45 degrees with respect to a direction connecting the center of the operating portion and the center of the movable electrode portion. °, the optical switches can be arranged in a matrix with a high mounting density in addition to the effect of claim 16, and the size of the matrix optical switch device can be reduced.
[0061]
An optical switch according to a seventeenth aspect of the present invention is an optical switch according to any one of the first to sixteenth aspects, a light emitting unit that emits light toward the mirror, and a direct light from the light emitting unit. Alternatively, since the light incident portion that radiates the reflected light of the mirror to the outside is used, in addition to the effect of the seventeenth aspect, it can be used as an optical switch that switches an optical signal at a low voltage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating an electrostatic actuator for an optical switch according to a first embodiment.
FIGS. 2A and 2B are views showing the same as above, where FIG. 2A is a plan view and FIG. 2B is a side view in a state where no voltage is applied.
FIG. 3 is a diagram showing the above, and is a side view in a state where a voltage is applied.
FIG. 4 is a side view for explaining a procedure for forming a driving member, a rotation supporting member, and a fixed base body portion in the above.
FIG. 5 is a side view for explaining a procedure for forming most of the fixing member according to the first embodiment.
FIG. 6 is a perspective view illustrating an electrostatic actuator for an optical switch according to a second embodiment.
FIGS. 7A and 7B are diagrams showing the above-described components, in which FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a side view.
FIG. 8 is a plan view showing a driving member and a rotation support member used in an electrostatic actuator according to a first modification of the second embodiment.
FIGS. 9A and 9B are views showing an electrostatic actuator according to a second modification of the second embodiment, which has a stopper portion, wherein FIG. 9A is a plan view and FIG. 9B is a side view.
FIG. 10 is a plan view illustrating a driving member and a rotation support member used in the electrostatic actuator according to the third embodiment.
FIG. 11 is a plan view illustrating a matrix optical switch according to a third embodiment.
FIG. 12 is a perspective view illustrating an electrostatic actuator for an optical switch according to a fourth embodiment.
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing the above, where FIG. 13A is a plan view and FIG. 13B is a side view in a state where no voltage is applied.
FIG. 14 is a diagram showing the above device, and is a side view in a state where a voltage is applied.
FIG. 15 is a side view showing an electrostatic actuator for an optical switch according to a fifth embodiment.
16A is a plan view and FIG. 16B is a cross-sectional view of a conventional optical switch.
FIG. 17 is a plan view of a conventional electrostatic actuator using a comb electrode.
[Explanation of symbols]
1 Fixing member
11 Fixed frame
12 Fixed electrode part
121 Fixed comb electrode part
122 Fixed comb tooth connecting part
13 Fixed base
131,133 Fixing base body
132, 134 Insulation part of fixed base
14 Stopper
141 stopper body
141 Stopper insulating part
15 permanent magnet
2 Drive members
21 Movable electrode section
211 Movable comb electrode part
212 movable comb connection
22 Displacement part
23 Mirror (working part)
25 Soft magnetic plate
3 Rotation support member
32 Flexible plate member
41 Groove
45 Through hole
51 Micro electromagnetic coil
55, 56 Electrostatic actuator
61, 62 silicon substrate
65, 66 Mask material layer

Claims

固定枠部と、固定枠部の内側に設けられて固定櫛歯電極部分と固定櫛歯連結部分とからなる固定電極部とを、有する固定部材と、
前記固定電極部に対向して静電力により移動するものであって、可動櫛歯電極部分と可動櫛歯連結部分とからなり、固定電極部とは電気的に絶縁されている可動電極部と、前記可動電極部の移動に連動して可動電極部のストロークよりも長い距離を移動する作用部と、可動電極部と作用部を連結する変位部とを、有する駆動部材と、
前記駆動部材の作用部と可動電極部とを結ぶ直線の中心位置よりも可動電極部に近い部分を、前記固定枠部に連結して、可動電極部の移動によって変位部が揺動することを支持する回転支持部材と、を有することを特徴とする静電型アクチュエータ。A fixed member having a fixed frame portion and a fixed electrode portion provided inside the fixed frame portion and including a fixed comb-teeth electrode portion and a fixed comb-teeth connection portion,
A movable electrode part that moves by electrostatic force in opposition to the fixed electrode part, and includes a movable comb electrode part and a movable comb tooth connection part, and is electrically insulated from the fixed electrode part; An actuation unit that moves a longer distance than the stroke of the movable electrode unit in conjunction with the movement of the movable electrode unit, and a driving member having a displacement unit that connects the movable electrode unit and the actuation unit,
A portion closer to the movable electrode portion than a center position of a straight line connecting the action portion of the driving member and the movable electrode portion is connected to the fixed frame portion, and the displacement portion swings due to movement of the movable electrode portion. And a rotation support member for supporting the electrostatic actuator.

前記可動櫛歯連結部分が変位部側に配置され、前記固定櫛歯連結部がこれと反対側となるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の静電型アクチュエータ。2. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein the movable comb-tooth connecting portion is disposed on a displacement portion side, and the fixed comb-tooth connecting portion is disposed on the opposite side. 3.

前記固定櫛歯連結部分と前記可動櫛歯連結部分とが、可動電極部の移動方向において、反対側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の静電型アクチュエータ。2. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein the fixed comb-tooth connection portion and the movable comb-tooth connection portion are arranged on opposite sides in a moving direction of the movable electrode unit. 3.

前記固定枠部が対向する２辺を有し、前記回転支持部材がこの２辺で接続してなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の静電型アクチュエータ。4. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein the fixed frame portion has two sides facing each other, and the rotation support member is connected at the two sides. 5.

前記回転支持部材の実質的な剛性率を小さくするために、回転支持部材の断面積の一部を小さくすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の静電型アクチュエータ。The electrostatic actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein a part of a cross-sectional area of the rotation support member is reduced in order to reduce a substantial rigidity of the rotation support member. .

前記回転支持部材に貫通する孔又は非貫通の溝を有することを特徴とする請求項５記載の静電型アクチュエータ。6. The electrostatic actuator according to claim 5, wherein the rotation support member has a hole or a non-through groove.

前記変位部が移動するときに発生する空気抵抗を低減するために、変位部の断面積の一部を小さくすることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の静電型アクチュエータ。The electrostatic type according to any one of claims 1 to 6, wherein a part of a cross-sectional area of the displacement part is reduced to reduce air resistance generated when the displacement part moves. Actuator.

前記変位部に貫通する孔を有することを特徴とする請求項７記載の静電型アクチュエータ。8. The electrostatic actuator according to claim 7, wherein the displacement portion has a hole penetrating therethrough.

前記回転支持部材が可撓性のある部材であって、前記固定枠部と前記可動電極部とを連結することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の静電型アクチュエータ。The electrostatic actuator according to any one of claims 1 to 8, wherein the rotation support member is a flexible member, and connects the fixed frame portion and the movable electrode portion. .

前記可動電極部が静電力の除去後に急激に移動したときに、前記変位部が静止位置から反対側にずれることを防止するよう変位部に接触可能なストッパー部を固定枠部に取付けてなることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の静電型アクチュエータ。When the movable electrode portion moves abruptly after the removal of electrostatic force, a stopper portion capable of contacting the displacement portion is attached to the fixed frame portion so as to prevent the displacement portion from shifting from the rest position to the opposite side. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein:

前記ストッパー部が変位部の作用部側の端部と接触可能なことを特徴とする請求項１０記載の静電型アクチュエータ。The electrostatic actuator according to claim 10, wherein the stopper portion is capable of contacting an end of the displacement portion on the side of the action portion.

前記ストッパー部が変位部の側面と接触可能なことを特徴とする請求項１１記載の静電型アクチュエータ。The electrostatic actuator according to claim 11, wherein the stopper portion is capable of contacting a side surface of the displacement portion.

前記可動電極部の固定部材側に磁性板を取付け、この可動電極部が固定電極部に吸引されたときに対向する固定枠部に磁力吸着部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の静電型アクチュエータ。The magnetic plate is attached to the fixed member side of the movable electrode portion, and the movable electrode portion has a magnetic attraction portion on a fixed frame portion facing when the movable electrode portion is sucked by the fixed electrode portion. 13. The electrostatic actuator according to any one of the above items 12.

前記磁力吸着部が、磁性板を吸着する永久磁石と、この永久磁石の磁力を弱める電磁石とからなることを特徴とする請求項１３記載の静電型アクチュエータ。14. The electrostatic actuator according to claim 13, wherein the magnetic attraction unit comprises a permanent magnet that attracts the magnetic plate and an electromagnet that weakens the magnetic force of the permanent magnet.

前記作用部にミラーを取付けてなることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の静電型アクチュエータ。The electrostatic actuator according to any one of claims 1 to 14, wherein a mirror is attached to the action section.

前記作用部の中心と可動電極部の中心とを結ぶ方向に対して、前記ミラーの反射面が、略４５°となる状態で取付けられてなることを特徴とする請求項１５記載の静電型アクチュエータ。16. The electrostatic type according to claim 15, wherein a reflecting surface of the mirror is attached at an angle of approximately 45 [deg.] With respect to a direction connecting a center of the action portion and a center of the movable electrode portion. Actuator.

請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載の静電型アクチュエータと、ミラーに向かって光を放射する光出射部と、光出射部からの直接光またはミラーの反射光を外部に放射する光入射部と、を有することを特徴とする光スイッチ。17. The electrostatic actuator according to claim 1, a light emitting unit that emits light toward the mirror, and light that emits direct light from the light emitting unit or light reflected by the mirror to the outside. An optical switch, comprising: an incident portion.