JPWO2005102909A1 - アクチュエータ - Google Patents

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

本発明は、傾動と垂直変位とが可能なアクチュエータに関する。本発明のアクチュエータは、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。

ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて多様なマイクロアクチュエータが作製され、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ュ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イ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いる。

これらのマイクロミラーアレイは複数のアクチュータを備える。ア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。

図１１を参照して、特許文献１に開示されている従来のアクチュエータを説明する。図１１は、ミラーを備え、ミラー駆動装置として機能するアクチュエータ２００を示す。

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）が、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っている。フレーム１０３には、４つの圧電素子１０５が２×２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。

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。

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。

しかしながら、従来のアクチュエータ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いう課題を有していた。

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っ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１０１が摩耗してしまい、初期の特性を維持できず、アクチュエータ２００の信頼性が低くなってしまう。

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。

また、アクチュエータ２００では、球状ミラー１０１を傾動させるのみであるが、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しい。

このような傾動と垂直変位とが可能なアクチュエータの例は、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ュエータ３００を模式的に示す斜視図である。

可動電極３０５は、その外周部を３本の弾性梁３０１ａ、３０１ｂおよび３０１ｃにより支持されている。また、可動電極３０５は３つの固定電極３０２ａ、３０２ｂおよび３０２ｃと対向している。可動電極３０５と、固定電極３０２ａ、３０２ｂおよび３０２ｃとにより３つの駆動部が構成されている。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。

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。

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。
特開平７−１１３９６７号公報 Ｕ．Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ，ｅｔ ａｌ．，"Ｆｌｕｉｄｉｃ Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ ＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒｓＯｎｔｏ Ｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｆｏｒｃｅｓ"，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．１，ｐｐ．４−１１（Ｊａｎｕａｒｙ， ２００２）

しかしながら、上記のようなマイクロアクチュエータ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。

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か発生しないために、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、マイクロアクチュ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ュ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い方が望ましい。

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く、且つ、低コストで信頼性の高いアクチュエータ、およびそのアクチュエータを備えた装置を提供することにある。

本発明のアクチュエータは、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。

ある実施形態において、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い時には前記可動部から離れている、請求項１に記載のアクチュエータ。

ある実施形態において、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。

ある実施形態において、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。

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いほど断面積が小さくなる形状を有する。

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、スティッキング防止膜を備える。

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。

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かう方向に押圧することにより変位する。

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いる。

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。

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。

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きる。

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い信頼性の高いアクチュエータを提供することができる。

［図１］本発明の実施形態によるアクチュエー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アクチュ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。
［図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アクチュエータの上面図である。
［図６Ｂ］図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータの断面図である。
［図７Ａ］本発明の実施形態によるアクチュエータの上面図である。
［図７Ｂ］図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュエータの断面図である。
［図８Ａ］図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータの断面図である。
［図８Ｂ］図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュエータの断面図である。
［図９Ａ］図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータの断面図である。
［図９Ｂ］図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュ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アクチュ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アクチュエータの断面図である。
［図１１］従来のアクチュエータを示す斜視図である。
［図１２］従来のアクチュエータを示す斜視図である。

符号の説明

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 ポスト部
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ 突出部
４０ スティッキング防止膜

以下、図面を参照して本発明によるアクチュエータおよびそのアクチュエータを備えた装置の実施形態を説明する。

まず、図１を参照する。図１は、本実施形態のアクチュエータ１００を模式的に示す分解斜視図である。アクチュエータ１００は、半導体製造プロセスを用いたマイクロマシニング技術やＭＥＭＳ技術を用いて作製されている。

アクチュエータ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。

基台１は、シリコン部材１ａと、シリコン部材１ａ上に形成された窒化シリコン系の絶縁層１ｂとを備える。シリコン部材１ａには駆動回路（図示せず）が形成されている。絶縁 層１ｂ上には駆動部６ａ〜６ｃが設けられている。絶縁層１ｂ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。

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イズは、アクチュエータ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６０μｍである。

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、駆動回路から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へ向かう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。

次に、駆動部６ａ〜６ｃおよび可動部７をより詳細に説明する。

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ニングして形成され、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。

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いる。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が、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。

駆動力伝達部１０ａ〜１０ｃ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〜１０ｃ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。

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の中心部とミラー部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いる。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。

駆動力伝達部１０ａ〜１０ｃが−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へ向か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。

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加工することが可能となる。

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とは触れてはいるが結合していない状態にあり、互い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（相対角度等）が大きく変化すると、突出部３４ａ〜３４ｃは被接触部１２ａ〜１２ｃ上をスライドすることが可能であるが、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〜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１２ａ〜１２ｃとの接触位置が変わることは無く、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、信頼性の高いアクチュエータを提供できる。

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。

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バネである。中間部材１１が−Ｚ方向に移動すると、弾性支持部１３ａ〜１３ｃは弾性変形し、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アクチュエータを提供できる。

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加工したりする等の特別な工程は不要なので、信頼性の高いアクチュエータを低コストで提供することが可能である。

次に、複数のアクチュエータ１００を備えた装置であるアクチュエータアレイを説明する。

図２は、本実施形態のアクチュエータアレイ１０１を模式的に示す分解斜視図である。アクチュエータアレイ１０１は、複数のアクチュエータ１００を備える。アクチュエータアレイ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。アクチュエータアレイ１０１は、半導体製造プロセスを用いたマイクロマシニング技術やＭＥＭＳ技術を用いて作製されている。

アクチュエータアレイ１０１では、アクチュエータ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いる。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。

アクチュエータアレイ１０１が備えるアクチュエータ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、アクチュエータアレイ１０１は、１０００個以上のアクチュエータ１００を備える。

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く、隣合うミラー部２同士を数μｍ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。

次に、アクチュエータ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。

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〜２５ｃ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、ヨーク５ａ〜５ｃのそれぞれを対応する４本ずつで支持している。

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へ向かう方向（−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。

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ニングして形成され、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。

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。

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に結合されている。中間部材支持柱３０ａ、３０ｂおよび３０ｃは、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を支持している。

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３１ｂ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）。

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３１ａ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。

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は破損しにくく、被接触部１２ａ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。

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く、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。

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。

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い状態では、突出部３４ａと被接触部１２ａとは接触せずに小さな間隙（例えば数マイクロメートル）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−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。

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、スティッキング防止膜４０を備える。スティッキング防止膜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、スティッキングと呼ばれる現象を防止する保護膜である。スティッキング防止膜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ィッキング防止膜４０を形成可能である。スティッキング防止膜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、スティッキング防止膜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。

次に、アクチュエータ１００の動作をより詳細に説明する。

図６Ａは、アクチュエータ１００の上面図であり、図６Ｂは、図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図であり、アクチュエータ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、無通電状態のアクチュエータ１００を示している。

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４ａ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いる。

図７Ａは、アクチュエータ１００の上面図であり、図７Ｂは、図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図であり、アクチュエータ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、無通電状態のアクチュエータ１００を示している。

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。

次に、アクチュエータ１００の最大変位状態を説明する。図８Ａは、図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図であり、図８Ｂは、図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図である。

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−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−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おいて固定電極４ａ〜４ｃに印加してい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）から最高位置（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。

次に、アクチュエータ１００の傾動状態を説明する。図９Ａは、図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図であり、図９Ｂは、図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図である。

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、アクチュエータ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いる。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く、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〜３４ｃの位置を独立に設定可能であり、最高位置から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。

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い信頼性の高いアクチュエータを提供することができる。

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３４ａ〜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との間の弾性変形が全く発生しない。

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アクチュエータの傾動状態を説明する。図１０Ａおよび図１０Ｂは、中間部材１１とヨーク５ａ〜５ｃとが剛結合しているアクチュエータ１１０の断面図である。中間部材１１と、ヨーク５ａ、５ｂおよび５ｃとは剛結合部１１ａ、１１ｂおよび１１ｃ（１１ｃは図示せず）で剛結合している。図１０Ａは無通電状態のアクチュエータ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、アクチュエータ１１０の傾動状態を示している。

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１１ｂを弾性変形させることになる。このため、アクチュエータ１００と比較して、アクチュエータ１１０では、剛結合部１１ｂ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、あるヨ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、アクチュ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、ア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アクチュエータの駆動速度の低下の原因となってしまう。

図９Ａに示されるように、本実施形態のアクチュエータ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。

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１０ａ〜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く、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、信頼性の高いアクチュエータを提供できる。

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が、テーパー形状を有している必要はない。突出部３４ａ〜３４ｃの先端部の形状を平面ではなく、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。

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ったが、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。

本発明のアクチュエータおよびそのアクチュ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、バイオテクノロジー等の分野でも好適に用いられる。本発明のアクチュエータおよびそのアクチュ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イッチや、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。

本発明は、傾動と垂直変位とが可能なアクチュエータに関する。本発明のアクチュエータは、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。

ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて多様なマイクロアクチュエータが作製され、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ュ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イ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いる。

これらのマイクロミラーアレイは複数のアクチュータを備える。ア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。

図１１を参照して、特許文献１に開示されている従来のアクチュエータを説明する。図１１は、ミラーを備え、ミラー駆動装置として機能するアクチュエータ２００を示す。

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）が、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っている。フレーム１０３には、４つの圧電素子１０５が２×２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。

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。

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。

しかしながら、従来のアクチュエータ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いう課題を有していた。

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っ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１０１が摩耗してしまい、初期の特性を維持できず、アクチュエータ２００の信頼性が低くなってしまう。

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。

また、アクチュエータ２００では、球状ミラー１０１を傾動させるのみであるが、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しい。

このような傾動と垂直変位とが可能なアクチュエータの例は、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ュエータ３００を模式的に示す斜視図である。

可動電極３０５は、その外周部を３本の弾性梁３０１ａ、３０１ｂおよび３０１ｃにより支持されている。また、可動電極３０５は３つの固定電極３０２ａ、３０２ｂおよび３０２ｃと対向している。可動電極３０５と、固定電極３０２ａ、３０２ｂおよび３０２ｃとにより３つの駆動部が構成されている。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。

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。

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。
特開平７−１１３９６７号公報 Ｕ．Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ， ｅｔ ａｌ．， "Ｆｌｕｉｄｉｃ Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ ＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒｓＯｎｔｏ Ｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｆｏｒｃｅｓ"， ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｖｏｌ． ８， Ｎｏ．１， ｐｐ．４−１１ （Ｊａｎｕａｒｙ， ２００２）

しかしながら、上記のようなマイクロアクチュエータ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。

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か発生しないために、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、マイクロアクチュ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ュ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い方が望ましい。

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く、且つ、低コストで信頼性の高いアクチュエータ、およびそのアクチュエータを備えた装置を提供することにある。

本発明のアクチュエータは、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。

ある実施形態において、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い時には前記可動部から離れている、請求項１に記載のアクチュエータ。

ある実施形態において、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。

ある実施形態において、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。

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いほど断面積が小さくなる形状を有する。

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、スティッキング防止膜を備える。

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。

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かう方向に押圧することにより変位する。

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いる。

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。

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。

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きる。

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い信頼性の高いアクチュエータを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明によるアクチュエータおよびそのアクチュエータを備えた装置の実施形態を説明する。

まず、図１を参照する。図１は、本実施形態のアクチュエータ１００を模式的に示す分解斜視図である。アクチュエータ１００は、半導体製造プロセスを用いたマイクロマシニング技術やＭＥＭＳ技術を用いて作製されている。

アクチュエータ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。

基台１は、シリコン部材１ａと、シリコン部材１ａ上に形成された窒化シリコン系の絶縁層１ｂとを備える。シリコン部材１ａには駆動回路（図示せず）が形成されている。絶縁層１ｂ上には駆動部６ａ〜６ｃが設けられている。絶縁層１ｂ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。

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イズは、アクチュエータ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６０μｍである。

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、駆動回路から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へ向かう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。

次に、駆動部６ａ〜６ｃおよび可動部７をより詳細に説明する。

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ニングして形成され、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。

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いる。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が、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。

駆動力伝達部１０ａ〜１０ｃ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〜１０ｃ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。

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の中心部とミラー部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いる。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。

駆動力伝達部１０ａ〜１０ｃが−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へ向か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。

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加工することが可能となる。

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とは触れてはいるが結合していない状態にあり、互い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（相対角度等）が大きく変化すると、突出部３４ａ〜３４ｃは被接触部１２ａ〜１２ｃ上をスライドすることが可能であるが、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〜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１２ａ〜１２ｃとの接触位置が変わることは無く、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、信頼性の高いアクチュエータを提供できる。

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。

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バネである。中間部材１１が−Ｚ方向に移動すると、弾性支持部１３ａ〜１３ｃは弾性変形し、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アクチュエータを提供できる。

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加工したりする等の特別な工程は不要なので、信頼性の高いアクチュエータを低コストで提供することが可能である。

次に、複数のアクチュエータ１００を備えた装置であるアクチュエータアレイを説明する。

図２は、本実施形態のアクチュエータアレイ１０１を模式的に示す分解斜視図である。アクチュエータアレイ１０１は、複数のアクチュエータ１００を備える。アクチュエータアレイ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。アクチュエータアレイ１０１は、半導体製造プロセスを用いたマイクロマシニング技術やＭＥＭＳ技術を用いて作製されている。

アクチュエータアレイ１０１では、アクチュエータ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いる。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。

アクチュエータアレイ１０１が備えるアクチュエータ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、アクチュエータアレイ１０１は、１０００個以上のアクチュエータ１００を備える。

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く、隣合うミラー部２同士を数μｍ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。

次に、アクチュエータ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。

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〜２５ｃ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、ヨーク５ａ〜５ｃのそれぞれを対応する４本ずつで支持している。

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へ向かう方向（−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。

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ニングして形成され、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。

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。

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に結合されている。中間部材支持柱３０ａ、３０ｂおよび３０ｃは、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を支持している。

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３１ｂ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）。

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３１ａ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。

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は破損しにくく、被接触部１２ａ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。

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く、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。

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。

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い状態では、突出部３４ａと被接触部１２ａとは接触せずに小さな間隙（例えば数マイクロメートル）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−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。

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、スティッキング防止膜４０を備える。スティッキング防止膜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、スティッキングと呼ばれる現象を防止する保護膜である。スティッキング防止膜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ィッキング防止膜４０を形成可能である。スティッキング防止膜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、スティッキング防止膜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。

次に、アクチュエータ１００の動作をより詳細に説明する。

図６Ａは、アクチュエータ１００の上面図であり、図６Ｂは、図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図であり、アクチュエータ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、無通電状態のアクチュエータ１００を示している。

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４ａ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いる。

図７Ａは、アクチュエータ１００の上面図であり、図７Ｂは、図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図であり、アクチュエータ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、無通電状態のアクチュエータ１００を示している。

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。

次に、アクチュエータ１００の最大変位状態を説明する。図８Ａは、図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図であり、図８Ｂは、図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図である。

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−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−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おいて固定電極４ａ〜４ｃに印加してい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）から最高位置（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。

次に、アクチュエータ１００の傾動状態を説明する。図９Ａは、図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図であり、図９Ｂは、図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュエータ１００の断面図である。

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、アクチュエータ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いる。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く、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〜３４ｃの位置を独立に設定可能であり、最高位置から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。

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い信頼性の高いアクチュエータを提供することができる。

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３４ａ〜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との間の弾性変形が全く発生しない。

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アクチュエータの傾動状態を説明する。図１０Ａおよび図１０Ｂは、中間部材１１とヨーク５ａ〜５ｃとが剛結合しているアクチュエータ１１０の断面図である。中間部材１１と、ヨーク５ａ、５ｂおよび５ｃとは剛結合部１１ａ、１１ｂおよび１１ｃ（１１ｃは図示せず）で剛結合している。図１０Ａは無通電状態のアクチュエータ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、アクチュエータ１１０の傾動状態を示している。

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１１ｂを弾性変形させることになる。このため、アクチュエータ１００と比較して、アクチュエータ１１０では、剛結合部１１ｂ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、あるヨ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、アクチュ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、ア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アクチュエータの駆動速度の低下の原因となってしまう。

図９Ａに示されるように、本実施形態のアクチュエータ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。

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１０ａ〜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く、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、信頼性の高いアクチュエータを提供できる。

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が、テーパー形状を有している必要はない。突出部３４ａ〜３４ｃの先端部の形状を平面ではなく、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。

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ったが、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。

本発明のアクチュエータおよびそのアクチュ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、バイオテクノロジー等の分野でも好適に用いられる。本発明のアクチュエータおよびそのアクチュ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イッチや、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。

本発明の実施形態によるアクチュエータを模式的に示す分解斜視図である。 本発明の実施形態によるアクチュエータアレイを模式的に示す分解斜視図である。 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。 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。 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。 本発明の実施形態によるアクチュエータの上面図である。 図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータの断面図である。 本発明の実施形態によるアクチュエータの上面図である。 図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュエータの断面図である。 図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータの断面図である。 図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュエータの断面図である。 図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線に沿ったアクチュエータの断面図である。 図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿ったアクチュエータの断面図である。 中間部材とヨークとが剛結合しているアクチュエータの断面図である。 中間部材とヨークとが剛結合しているアクチュエータの断面図である。 従来のアクチュエータを示す斜視図である。 従来のアクチュエータを示す斜視図である。

符号の説明

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 ポスト部
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ 突出部
４０ スティッキング防止膜

Claims (11)

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、アクチュエータ。
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い時には前記可動部から離れている、請求項１に記載のアクチュエータ。
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に記載のアクチュエータ。
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に記載のアクチュエータ。
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が小さくなる形状を有する、請求項４に記載のアクチュエータ。
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、スティッキング防止膜を備える、請求項４に記載のアクチュエータ。
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に記載のアクチュエータ。
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かう方向に押圧することにより変位する、請求項４に記載のアクチュエータ。
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に記載のアクチュエータ。
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に記載のアクチュエータ。
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。

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