JP5483620B2

JP5483620B2 - アクチュエータ

Info

Publication number: JP5483620B2
Application number: JP2011159587A
Authority: JP
Inventors: 光雅中島; 真吾内山; 康博佐藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: JP2013027143A

Description

本発明は、マイクロマシン技術による静電力により動作するアクチュエータに関するものである。

近年、ＬＳＩの製造技術を応用したマイクロマシン技術の進歩により、様々な形態のマイクロマシンが開発されている。例えば、固定電極で発生させた静電力により可動電極を駆動させることで、電力を機械的な運動に変換する微細なアクチュエータがある（非特許文献１〜４参照）。例えば、このようなアクチュエータを用いて微細なミラーを駆動するミラー素子がある。このミラー素子を用いることで、光スイッチが実現できる。

このアクチュエータは、図４に示すように、いわゆる櫛歯状の固定電極部４０１および可動電極部４０２を備える。このアクチュエータは、静電引力により、固定電極部４０１の側に可動電極部４０２を引き寄せるようにしている。このとき、図５に示すように、可動電極５２１が、２つの固定電極５１１，５１２の間に入り込むように移動する。

W.Piyawattanametha et al. , "Surface- and Bulk- Micromachined Two-Dimensional Scanner Driven by Angular Vertical Comb Actuators", Journal of Microelectromechanical Systems, vol.14, no.6, pp.1329-1338, 2005. D. Hah et al. , "Low-Voltage, Large-Scan Angle MEMS Analog Micromirror Arrays With Hidden Vertical Comb-Drive Actuators", Journal of Microelectromechanical Systems, vol.13, no.2, pp.279-289, 2004. J. Tsai et al. , "Two-axis MEMS scanners with radial vertical combdrive actuators.design, theoretical analysis, and fabrication", J. Opt. A: Pure Appl. Opt. , vol.10 , 044006, 2008. Ming C. Wu , "Micromachining for Optical and Optoelectronic Systems", Proceedings of the IEEE, vol.85, no.11, pp.1833-1856, 1997.

しかしながら、上述したアクチュエータでは、可動電極の可動範囲をあまり大きくすることができないという問題がある。まず、可動電極５２１の厚さは、共振周波数の低下を避けるために、より薄い方がよい。ところが、上述したアクチュエータは電極間の静電容量が最大となる位置で止まってしまうので、上述したアクチュエータでは、可動電極５２１の固定電極５１１，５１２の方向への可動範囲は、可動電極５２１の上端が固定電極５１１，５１２の上端に一致する程度のところまでが最大可動範囲となる。このため、可動電極５２１の可動距離は、可動電極５２１の可動方向の断面の長さ（厚さ）に依存し。可動電極５２１の厚さが薄いと、可動電極５２１の可動範囲は狭いものとなる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、可動電極の厚さを厚くすることなく、可動電極の可動範囲を大きくできるようにすることを目的とする。

本発明に係るアクチュエータは、基板の上に離間して配列された４つ以上の固定電極と、隣り合う固定電極の間に各々配置され、少なくとも一端がばね部で支持されて隣り合う固定電極の間に入り込んで基板の法線方向に変位可能とされて隣り合う固定電極に接触しない範囲の幅とされた複数の櫛歯部を備えた可動電極とを少なくとも備え、固定電極は、各々異なる高さに形成され、可動電極は、固定電極に電圧を印加することで発生する静電引力により変位する。

以上説明したことにより、本発明によれば、可動電極の厚さを厚くすることなく、可動電極の可動範囲を大きくできるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態におけるアクチュエータの他の構成を示す構成図である。図３は、本発明の実施の形態におけるアクチュエータの動作に関して印加電圧と変位の関係を示す特性図である。図４は、櫛歯型のアクチュエータの構成を示す斜視図である。図５は、アクチュエータの動作を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す断面図である。

このアクチュエータは、基板１０１の上に離間して配列された４つ以上の固定電極からなる固定電極部１０２と、隣り合う固定電極の間に各々配置され、隣り合う固定電極の間に入り込んで基板１０１の法線方向に変位可能とされて隣り合う固定電極に接触しない範囲の幅とされた複数の櫛歯部１３１を備えた可動電極１０３とを少なくとも備える。本実施の形態では、固定電極部１０２は、６個の固定電極１２１〜１２３から構成している。加えて、固定電極１２１〜１２３は、配列の中央ほど低く形成されている。本実施の形態では、固定電極１２１より固定電極１２２が低く形成され、固定電極１２２より固定電極１２３が低く形成されている。

このようにすることで、静電力の働いていない初期状態においては、固定電極１２１および固定電極１２２の間の櫛歯部１３１が、固定電極１２１に最も近く、静電力を働かせると、これらの間の静電引力が強く働き、可動電極１０３が基板１０１の方へ変位する。ここで、櫛歯部１３１が固定電極１２１の上端部まで変位すると、固定電極１２１および固定電極１２２の間における櫛歯部１３１に対する引き下げる力は弱くなる。

しかしながら、固定電極１２２および固定電極１２３は、固定電極１２１より低く形成されているので、固定電極１２２および固定電極１２３の間における櫛歯部１３１に対する引き下げる力は、まだ強く働く状態である。このため、可動電極１０３は、さらに基板１０１の方へ変位する。次に、櫛歯部１３１が固定電極１２２の上端部まで変位すると、固定電極１２２および固定電極１２３の間における櫛歯部１３１に対する引き下げる力は弱くなる。

しかしながら、固定電極１２３は、固定電極１２２より低く形成されているので、２つの固定電極１２３の間における櫛歯部１３１に対する引き下げる力は、まだ強く働く状態である。このため、可動電極１０３は、さらに基板１０１の方へ変位する。結果として、２つの固定電極１２３の間における櫛歯部１３１が、固定電極１２３の上端部に重なるまで、可動電極１０３は変位することができる。

以上に説明したように、本実施の形態によれば、可動電極１０３を、より基板３０１に近づける状態に変位させることが可能となり、可動電極１０３の可動範囲を大きくできる。また、本実施の形態によれば、可動電極１０３（櫛歯部１３１）の基板１０１の法線方向の長さ（厚さ）を大きくすることなく、可動範囲を大きくすることができる。上述した例では、固定電極が配列の中央ほど低くなるように形成されているが、高さが異なる固定電極をどのような配列で形成しても、同様の機能を得ることが可能である。

また、図２に示すように、８個の固定電極２２１〜２２４から固定電極部２０２を構成してもよい。固定電極２２１より固定電極２２２が低く形成され、固定電極２２２より固定電極２２３が低く形成され、固定電極２２３より固定電極２２４が低く形成されている。ここで、各固定電極と櫛歯部２３１との間隔ｇを８μｍ、固定電極２２１の高さを３０μｍ、固定電極２２２の高さを２４μｍ、固定電極２２３の高さを１８μｍ、固定電極２２４の高さを１２μｍとする。また、可動電極２０３の櫛歯部２３１の厚さｔを８μｍとする。また、櫛歯部２３１から構成される可動電極２０３に連結されている梁部（不図示）は、幅２０μｍ長さ１２００μｍ、厚さ８μｍ程度としている。

上述した構成のアクチュエータの固定電極部２０２と可動電極２０３との間に電圧を印加すると、図３の白三角に示すように可動電極２０３が変位し、最大で２４μｍ程度の変位が得られる。これに対し、上述した固定電極の高さを全て３０μｍに均一に形成した構成では、図３の白丸に示すように、変位が８μｍ程度に達した時点で、これ以上変位しない状態となり、変位が可動電極２０３の厚さで制限される。これらのことから明らかなように、複数の固定電極を、配列の中央に向かって高さが異なるように形成することで、可動電極をより大きく変位させることができる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、４つ以上の固定電極と、櫛歯部を備えた可動電極とを備える構成において、固定電極が配列の中央ほど低く形成されている場合を例に説明したが、これに限るものではない。複数の固定電極が、各々異なる高さに形成されていればよい。

また、前述では、可動電極を板状の片持ち梁の構造とした場合について説明したが、これに限るものではなく、可動電極は、少なくとも一端がばね部により支持されて変位可能とされていればよい。ばね部は、変形可能な弾性部材から構成されてればよく、どの様な形状であってもよい。例えば、可動電極とは別体の弾性部材からなる連結部（ばね部）により、可動電極と支持構造体とを連結する構造としてもよい。

１０１…基板、１０２…固定電極部、１０３…可動電極、１２１，１２２，１２３…固定電極、１３１…櫛歯部。

Claims

基板の上に離間して配列された４つ以上の固定電極と、
隣り合う前記固定電極の間に各々配置され、少なくとも一端がばね部で支持されてとなり合う前記固定電極の間に入り込んで前記基板の法線方向に変位可能とされてとなり合う前記固定電極に接触しない範囲の幅とされた複数の櫛歯部を備えた可動電極と
を少なくとも備え、
前記固定電極は、各々異なる高さに形成され、
前記可動電極は、前記固定電極に電圧を印加することで発生する静電引力により変位することを特徴とするアクチュエータ。