(57)【要約】【課題】変位時の可動板の平坦性の劣化が少ないアクチュエータを提供する。【解決手段】アクチュエータ１００は微細構造体１０１を有し、この微細構造体１０１は、可動板１０９と、複数個の櫛歯電極１０５ｅを有している可動櫛歯電極構造体１０５と、複数個の櫛歯電極１０４ｅを有している固定櫛歯電極構造体１０４と、可動板１０９と可動櫛歯電極構造体１０５をスリット状に連結している連結部１０７と、可動板１０９と可動櫛歯電極構造体１０５と連結部１０７から成る可動構造体を揺動可能に支持しているトーションバー１０６とを備えている。可動櫛歯電極構造体１０５の櫛歯電極１０５ｅは、可動板１０９と可動櫛歯電極構造体１０５と連結部１０７から成る可動構造体の揺動軸に非平行に延びている。可動櫛歯電極構造体１０５の櫛歯電極１０５ｅと固定櫛歯電極構造体１０４の櫛歯電極１０４ｅはすき間を置いて互いに対向している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動板と、
複数個の櫛歯電極を有している可動櫛歯電極構造体と、
複数個の櫛歯電極を有している固定櫛歯電極構造体と、
前記可動板と前記可動櫛歯電極構造体をスリット状に連結している連結部と、
前記可動板と前記可動櫛歯電極構造体と前記連結部から成る可動構造体を揺動可能に支持している変形部とを備えており、
前記可動櫛歯電極構造体の櫛歯電極は前記可動構造体の揺動軸に非平行に延びており、
前記可動櫛歯電極構造体の櫛歯電極と前記固定櫛歯電極構造体の櫛歯電極はすき間を置いて互いに対向している、アクチュエータ。
【請求項２】
前記変形部はトーションバーで構成されており、前記可動櫛歯電極構造体は、前記トーションバーを部分的に画定している一対の切り込み部が設けられている、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記可動櫛歯電極構造体は、空気孔が形成されている、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記可動櫛歯電極構造体は、すき間を置いて前記可動板を取り囲んでいる、請求項１に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電力によって駆動されるアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電力によって駆動されるアクチュエータはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）の動力源として広く利用されており、その一つとして、変位量を格段に向上することが可能なアクチュエータが、特開２０１０−９７１３５号公報に開示されている。
【０００３】
このアクチュエータでは、回動板が弾性連結部によって回動自在に支持され、回動板の端部には櫛歯状の可動電極群が設けられている。また、櫛歯状の可動電極群とかみ合うように櫛歯状の固定電極群が設けられており、固定電極群は可動電極群よりも下方にずれて配置されている。固定電極群と可動電極群の間に電圧を印加すると、可動電極群が固定電極群の間に引き込まれ、その結果、回動板が変位すなわち回動する。
【０００４】
この従来技術のアクチュエータは、櫛歯状の可動電極群と櫛歯状の固定電極群を用いて静電引力を発生させるので、比較的小さな駆動電圧で格段に大きい駆動力が得られる。このため、大変位を必要とする用途に有望である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−９７１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特開２０１０−９７１３５号公報に記載のアクチュエータでは、弾性連結部が回動板に直結しており、また可動電極群が、弾性連結部とは別体で、回動板に直結されている。このため、回動板の変位時に、可動電極群と弾性連結部の変位応力が回動板に伝達される。その結果、特に回動板が比較的大きく、回動板を大変位させた場合に、回動板に大きな撓みが生じ、回動板の平坦性が大きく損なわれる。アクチュエータを光偏向素子などの光学機器に適用した構成においては、この回動板の撓みは偏向特性を大きく劣化させる要因となる。
【０００７】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、変位時の可動板の平坦性の劣化が少ないアクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によるアクチュエータは、可動板と、複数個の櫛歯電極を有している可動櫛歯電極構造体と、複数個の櫛歯電極を有している固定櫛歯電極構造体と、前記可動板と前記可動櫛歯電極構造体をスリット状に連結している連結部と、前記可動板と前記可動櫛歯電極構造体と前記連結部から成る可動構造体を揺動可能に支持している変形部とを備えている。前記可動櫛歯電極構造体の櫛歯電極は前記可動構造体の揺動軸に非平行に延びており、前記可動櫛歯電極構造体の櫛歯電極と前記固定櫛歯電極構造体の櫛歯電極はすき間を置いて互いに対向している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、変位時の可動板の平坦性の劣化が少ないアクチュエータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。
【図２】非駆動状態における図１のＡ−Ａ’線に沿ったアクチュエータの断面図である。
【図３】駆動状態における図１のＡ−Ａ’線に沿ったアクチュエータの断面図である。
【図４】第２の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。
【図５】第３の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。
【図６】第３の実施形態の変形例に係るアクチュエータを示す上面図である。
【図７】第４の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。
【００１２】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。図１に示すように、アクチュエータ１００は微細構造体１０１を有し、この微細構造体１０１は、可動板１０９と、複数個の櫛歯電極１０５ｅを有している可動櫛歯電極構造体１０５と、複数個の櫛歯電極１０４ｅを有している固定櫛歯電極構造体１０４と、可動板１０９と可動櫛歯電極構造体１０５をスリット状に連結している連結部１０７と、可動板１０９と可動櫛歯電極構造体１０５と連結部１０７から成る可動構造体を揺動可能に支持している弾性変形部であるトーションバー１０６と、トーションバー１０６を支持している矩形の枠形状の基体１０２と、固定櫛歯電極構造体１０４と基体１０２を接続している固定櫛歯電極構造体支持部１０８とを備えている。
【００１３】
可動板１０９は、たとえば、可動ミラーであり、光ビームを反射するための反射面を有している。
【００１４】
可動櫛歯電極構造体１０５と固定櫛歯電極構造体１０４は、それらの表面全体にＡｕなどの金属膜が形成されている。可動櫛歯電極構造体１０５の櫛歯電極１０５ｅは、可動板１０９と可動櫛歯電極構造体１０５と連結部１０７から成る可動構造体の揺動軸すなわちトーションバー１０６の軸に非平行に延びている。たとえば、櫛歯電極１０５ｅは、トーションバー１０６の軸にほぼ平行に延びている可動櫛歯電極構造体１０５の両側面から外側に向かって、トーションバー１０６の軸に垂直な平面に実質的に平行に延びている。可動櫛歯電極構造体１０５の櫛歯電極１０５ｅと固定櫛歯電極構造体１０４の櫛歯電極１０４ｅは、実質的に互いに平行に延びており、すき間を置いて互いに対向している。
【００１５】
ここにおいて、連結部１０７が「可動板１０９と可動櫛歯電極構造体１０５をスリット状に連結している」とは、可動板１０９と可動櫛歯電極構造体１０５の間にスリット部１０３すなわちすき間やくびれが存在するように連結している形態を意味している。可動櫛歯電極構造体１０５と可動板１０９は互いに端面が対向しており、それらの端面の面積は可動櫛歯電極構造体１０５よりも可動板１０９の方が大きく、連結部１０７は、可動櫛歯電極構造体１０５のその端面に平行な断面の面積が、可動櫛歯電極構造体１０５のその端面の面積よりも小さいような形状に形成されている。
【００１６】
このような微細構造体１０１は、ＰＭＡＡなどのポリマー材料から一体的に同一平面上において１００μｍ程度の厚さに形成される。ＰＭＡＡなどのポリマー材料は、単結晶シリコンと比較して、機械特性の一つであるヤング率が約１/５０程度と小さい。このため、ポリマー材料製の微細構造体は、単結晶シリコン製の微細構造体と比較して、同じ駆動電圧に対してより大きい変位を発生することが可能である。
【００１７】
固定櫛歯電極構造体１０４は、複数の固定櫛歯電極構造体支持部１０８を介して基体１０２に接続されている。固定櫛歯電極構造体支持部１０８は対称性良く配置されている。固定櫛歯電極構造体支持部１０８は、たとえば、固定櫛歯電極構造体１０４の中心線Ｂ−Ｂ’に対して対称的に配置されている。各固定櫛歯電極構造体支持部１０８は、固定櫛歯電極構造体１０４と基体１０２の間を蛇行して延びており、図１の紙面に垂直な方向に容易に変形する構造となっている。
【００１８】
図２は、非駆動状態における図１のＡ−Ａ’線に沿ったアクチュエータの断面図である。図３は、駆動状態における図１のＡ−Ａ’線に沿ったアクチュエータの断面図である。図２と図３に示すように、アクチュエータ１００は、微細構造体１０１に加えて、微細構造体１０１を支持している支持基板１２１を有している。支持基板１２１は、箱形状をしており、微細構造体１０１の基体１０２が固定される周壁部１２２を有している。周壁部１２２には、基体１０２を位置決めするための段差部１２３が形成されている。支持基板１２１はまた、固定櫛歯電極構造体１０４を位置決めするための突起１２４を周壁部１２２の内側の上面に有している。突起１２４は、微細構造体１０１の基体１０２が周壁部１２２の段差部１２３に正しく位置決めされたときに、固定櫛歯電極構造体１０４の固定櫛歯電極構造体固定穴１１１に整列する位置に設けられている。
【００１９】
基体１０２は、段差部１２３にはめ込まれて周壁部１２２に固定される。これにより、基体１０２が精度良く位置決めされる。基体１０２が周壁部１２２に固定されたとき、固定櫛歯電極構造体１０４の重さのために固定櫛歯電極構造体支持部１０８が変形し、固定櫛歯電極構造体１０４が沈み込み、支持基板１２１に接して支持される。固定櫛歯電極構造体１０４が沈み込む際、固定櫛歯電極構造体固定穴１１１が突起１２４にはまることにより、固定櫛歯電極構造体１０４が基体１０２に対して精度良く位置決めされる。これにより、可動櫛歯電極構造体１０５の櫛歯電極１０５ｅと固定櫛歯電極構造体１０４の櫛歯電極１０４ｅが互いに接触することなく、すき間を置いて互いに対向して配置される。
【００２０】
また、トーションバー１０６は、図３や図４の上下方向に変形しにくく、このため、可動板１０９と可動櫛歯電極構造体１０５と連結部１０７から成る可動構造体は沈み込むことなく、支持基板１２１の周壁部１２２の内側の上面から間隔を空けて支持される。
【００２１】
次に、アクチュエータ１００の駆動方法について説明する。図３に示される状態において、可動櫛歯電極構造体１０５を常に接地電位に維持しておき、固定櫛歯電極構造体１０４の一方、たとえば図３の右側の固定櫛歯電極構造体１０４に正電圧を印加すると、可動櫛歯電極構造体１０５と右側の固定櫛歯電極構造体１０４の間に電位差が生じる。その結果、図４に示すように、可動櫛歯電極構造体１０５の櫛歯電極１０５ｅが静電引力によって右側の固定櫛歯電極構造体１０４の櫛歯電極１０４ｅの間に引き込まれ、可動櫛歯電極構造体１０５が時計回り方向に変位つまり傾斜し、これに伴い、可動板１０９が時計回り方向に変位つまり傾斜する。図４では誇張されているが、可動板１０９は機械振れ角で５°程度に大変位する。右側の固定櫛歯電極構造体１０４に印加する正電圧を周期的に切り替えると、可動板１０９が周期的に変位つまり揺動する。また、右側の固定櫛歯電極構造体１０４に正電圧を印加する代わりに、左側の固定櫛歯電極構造体１０４に正電圧を印加すれば、可動板１０９が反時計回り方向に変位つまり傾斜する。たとえば、左右の固定櫛歯電極構造体１０４に正電圧を交互に印加すれば、±５°程度の機械振れ角で可動板１０９が周期的に変位つまり揺動する。
【００２２】
このアクチュエータ１００では、可動板１０９と可動櫛歯電極構造体１０５が連結部１０７を介してスリット状に連結されているため、可動櫛歯電極構造体１０５が変位時に受ける応力が可動板１０９に伝達しにくい。つまり、可動櫛歯電極構造体１０５の変位応力の可動板１０９への伝達が軽減される。これにより、変位時の可動板１０９の平坦性の劣化が軽減される。言い換えれば、可動板１０９が大変位した場合でも、可動板１０９の良好な平坦性が維持される。
【００２３】
＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。本実施形態のアクチュエータ２００は、微細構造体２０１が第１の実施形態の微細構造体１０１と相違している。支持基板２２１は、第１の実施形態の支持基板１２１と同様である。図４に示すように、各可動櫛歯電極構造体２０５は、これに連続しているトーションバー２０６を部分的に画定している一対の切り込み部２１２が設けられている。別の見方をすれば、各可動櫛歯電極構造体２０５に、トーションバー２０６の両側にトーションバー２０６に沿って延びている一対の切り込み部２１２が形成されている。微細構造体２０１の他の構成すなわち可動板２０９と連結部２０７と可動櫛歯電極構造体２０５と櫛歯電極２０５ｅとトーションバー２０６と基体２０２と固定櫛歯電極構造体２０４と櫛歯電極２０４ｅと固定櫛歯電極構造体支持部２０８は、それぞれ、第１の実施形態の可動板１０９と連結部１０７と可動櫛歯電極構造体１０５と櫛歯電極１０５ｅとトーションバー１０６と基体１０２と固定櫛歯電極構造体１０４と櫛歯電極１０４ｅと固定櫛歯電極構造体支持部１０８と同様である。この微細構造体２０１においても、連結部２０７は、可動板２０９と可動櫛歯電極構造体２０５をスリット状につまり両者間にスリット部２０３が存在するように連結している。駆動方法は第１の実施形態と同様である。
【００２４】
可動櫛歯電極構造体２０５に切り込み部２１２を設けることにより、可動櫛歯電極構造体２０５とトーションバー２０６の接続個所を、第１の実施形態と比較して、可動板２０９の側にずらすことができる。これにより、可動板２０９の大きさとトーションバー２０６の長さを変えることなく、アクチュエータ２００の外形寸法を小さくすることができる。また、切り込み部２１２を設けた結果、可動櫛歯電極構造体２０５がトーションバー２０６の両側に均等に張り出すため、トーションバー２０６の軸周りのねじれ変形がより安定する。
【００２５】
このアクチュエータ２００では、第１の実施形態と同様に、可動板１０９と可動櫛歯電極構造体１０５が連結部１０７を介してスリット状に連結されているため、変位時の可動板１０９の平坦性の劣化が軽減される。また、可動櫛歯電極構造体２０５に切り込み部２１２を設けることにより、アクチュエータ２００の小型化が達成されている。また、トーションバー２０６の軸周りのねじれ変形がより安定するため、可動櫛歯電極構造体２０５の変位応力が軽減され、変位時の可動板２０９の平坦性の劣化がさらに軽減される。
【００２６】
＜第３の実施形態＞
図５は、第３の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。本実施形態のアクチュエータ３００は、微細構造体３０１が第２の実施形態の微細構造体２０１と相違している。支持基板３２１は、第１の実施形態の支持基板１２１と同様である。図５に示すように、各可動櫛歯電極構造体３０５は、複数たとえば３つの空気孔３１０を有している。各空気孔３１０は、可動櫛歯電極構造体３０５を貫通しており、トーションバー３０６の長手方向に平行に細長く延びている長方形形状をしている。微細構造体３０１の他の構成すなわち可動板３０９と連結部３０７と可動櫛歯電極構造体３０５と櫛歯電極３０５ｅとトーションバー３０６と基体３０２と固定櫛歯電極構造体３０４と櫛歯電極３０４ｅと固定櫛歯電極構造体支持部３０８は、それぞれ、第２の実施形態の可動板２０９と連結部２０７と可動櫛歯電極構造体２０５と櫛歯電極２０５ｅとトーションバー２０６と基体２０２と固定櫛歯電極構造体２０４と櫛歯電極２０４ｅと固定櫛歯電極構造体支持部２０８と同様である。この微細構造体３０１においても、連結部３０７は、可動板３０９と可動櫛歯電極構造体３０５をスリット状につまり両者間にスリット部３０３が存在するように連結している。また、各可動櫛歯電極構造体３０５は、これに連続しているトーションバー３０６を部分的に画定している一対の切り込み部３１２が設けられている。駆動方法は第１の実施形態と同様である。
【００２７】
このアクチュエータ３００では、第１の実施形態と同様に、可動板３０９と可動櫛歯電極構造体３０５が連結部３０７を介してスリット状に連結されているため、変位時の可動板３０９の平坦性の劣化が軽減される。また、可動櫛歯電極構造体３０５に切り込み部３１２を設けることにより、アクチュエータ３００の小型化が達成されている。また、トーションバー３０６の軸周りのねじれ変形がより安定するため、可動櫛歯電極構造体３０５の変位応力が軽減される。また、可動櫛歯電極構造体３０５に空気孔３１０が設けられているため、空気抵抗による可動櫛歯電極構造体３０５の変位応力が低減される。これにより、変位時の可動板３０９の平坦性の劣化がさらに軽減される。また、可動板３０９の高速化にも寄与する。
【００２８】
［変形例］
図６は、本実施形態の変形例に係るアクチュエータを示す上面図である。図６において、図５に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材である。図５に示したアクチュエータ３００では、可動櫛歯電極構造体３０５は、比較的大きい長方形形状の少数たとえば３個の空気孔３１０を有しているが、本変形例のアクチュエータ３００’では、図６に示すように、可動櫛歯電極構造体３０５’は、比較的小さい正方形形状の多数たとえば１９個の空気孔３１０’を有している。この変形例のアクチュエータ３００’においても、図５のアクチュエータ３００と同様の利点が得られる。
【００２９】
＜第４の実施形態＞
図７は、第４の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。本実施形態のアクチュエータ４００は、微細構造体４０１が第１の実施形態の微細構造体１０１と相違している。支持基板４２１は、第１の実施形態の支持基板１２１と同様である。図７に示すように、可動櫛歯電極構造体４０５は、矩形のをしており、すき間を置いて可動板４０９を取り囲んでいる。連結部４０７は、可動櫛歯電極構造体４０５と可動板４０９をスリット状につまり両者間にスリット部４０３が存在するように連結している。トーションバー４０６は、固定櫛歯電極構造体４０４の間を延び、矩形形状の基体４０２と可動櫛歯電極構造体４０５を接続しており、可動板４０９と可動櫛歯電極構造体４０５と連結部４０７から成る可動構造体を揺動可能に支持している。
【００３０】
可動櫛歯電極構造体４０５の櫛歯電極４０５ｅは、トーションバー４０６にほぼ平行に延びている可動櫛歯電極構造体４０５の部分から外側に向かって、トーションバー４０６の軸に垂直な平面に実質的に平行に延びている。可動櫛歯電極構造体４０５の櫛歯電極４０５ｅと固定櫛歯電極構造体４０４の櫛歯電極４０４ｅはすき間を置いて互いに対向している。
【００３１】
微細構造体４０１の他の構成すなわち基体４０２と固定櫛歯電極構造体支持部４０８は、それぞれ、第１の実施形態の基体１０２と固定櫛歯電極構造体支持部１０８と同様である。駆動方法は第１の実施形態と同様である。
【００３２】
このアクチュエータ４００では、可動板４０９と可動櫛歯電極構造体４０５が連結部４０７を介してスリット状に連結されているため、可動櫛歯電極構造体４０５の変位応力が可動板４０９に伝達しにくい。これにより、変位時の可動板４０９の平坦性の劣化が軽減される。また、可動櫛歯電極構造体４０５の櫛歯電極４０５ｅがトーションバー４０６の軸線Ｃ−Ｃ’から比較的遠くに位置しているため、同じ駆動電圧に対して、可動板４０９と可動櫛歯電極構造体４０５と連結部４０７から成る可動構造体に作用する力のモーメントが大きい。これにより、比較的小さい電圧で可動板４０９を変位させることができる。言い換えれば、アクチュエータ４００の消費電力を低減することが可能である。
【００３３】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。
【００３４】
ここでは、一次元構造のアクチュエータを例にあげて説明したが、各実施形態の構成は、ジンバル構造などの二次元構造のアクチュエータへの適用も可能である。さらには、可動ミラーに限定されることなく、シャッター機能を有している光学部品などへの適用も可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１００…アクチュエータ、１０１…微細構造体、１０２…基体、１０３…スリット部、１０４…固定櫛歯電極構造体、１０４ｅ…櫛歯電極、１０５…可動櫛歯電極構造体、１０５ｅ…櫛歯電極、１０６…トーションバー、１０７…連結部、１０８…固定櫛歯電極構造体支持部、１０９…可動板、１１１…固定櫛歯電極構造体固定穴、１２１…支持基板、１２２…周壁部、１２３…段差部、１２４…突起、２００…アクチュエータ、２０１…微細構造体、２０２…基体、２０３…スリット部、２０４…固定櫛歯電極構造体、２０４ｅ…櫛歯電極、２０５…可動櫛歯電極構造体、２０５ｅ…櫛歯電極、２０６…トーションバー、２０７…連結部、２０８…固定櫛歯電極構造体支持部、２０９…可動板、２１２…切り込み部、２２１…支持基板、３００，３００’…アクチュエータ、３０１…微細構造体、３０２…基体、３０３…スリット部、３０４…固定櫛歯電極構造体、３０４ｅ…櫛歯電極、３０５，３０５’…可動櫛歯電極構造体、３０５ｅ…櫛歯電極、３０６…トーションバー、３０７…連結部、３０８…固定櫛歯電極構造体支持部、３０９…可動板、３１０，３１０’…空気孔、３１２…切り込み部、３２１…支持基板、４００…アクチュエータ、４０１…微細構造体、４０２…基体、４０３…スリット部、４０４…固定櫛歯電極構造体、４０４ｅ…櫛歯電極、４０５…可動櫛歯電極構造体、４０５ｅ…櫛歯電極、４０６…トーションバー、４０７…連結部、４０８…固定櫛歯電極構造体支持部、４０９…可動板、４２１…支持基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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