(57)【要約】【課題】外部からの衝撃及び振動に対して強固な微動機構の提供。【解決手段】可動部の保持の為に保持機構を備え、可動部保持具を用いて弾性体に予圧が加わるように可動部を保持し、可動部の不要な動きを防ぐ。可動部保持具は、可動部および固定部の可動部保持具位置決め構造に固定され、可動部の位置ずれを防止する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定基板と、前記固定基板に接続された弾性体により支持された可動部からなりそれぞれ微細加工技術により一体形成された微動機構において、
前記可動部に予圧を加え、前記可動部を保持する保持機構を有する事を特徴とする微動機構。
【請求項２】
前記予圧が、前記可動部を前記可動部の駆動方向へ変位させる事によって、成される事を特徴とする請求項１記載の微動機構。
【請求項３】
前記予圧が、前記可動部を前記可動部の駆動方向へ圧力を負荷する事によって、成される事を特徴とする請求項１記載の微動機構。
【請求項４】
前記保持機構が、前記可動部に駆動方向へ予圧を加える可動部保持具と、前記可動部保持具を前記可動部に対して位置決めするための保持具位置決め構造と、前記可動部保持具を前記固定基板に固定するための固定構造から構成される事を特徴とする請求項１記載の微動機構。
【請求項５】
前記可動部保持具が、弾性を有する事を特徴とする請求項４記載の微動機構。
【請求項６】
前記可動部保持具が、棒体である事を特徴とする請求項４記載の微動機構。
【請求項７】
前記可動部保持具が、球体を介して可動部を保持する押さえ基板である事を特徴とする請求項４記載の微動機構。
【請求項８】
前記棒体の可動部保持具が、光ファイバである事を特徴とする請求項６記載の微動機構。
【請求項９】
前記保持具位置決め構造及び前記固定構造が、凹構造である事を特徴とする請求項４記載の微動機構。
【請求項１０】
前記保持具位置決め構造あるいは前記固定構造が、貫通孔である事を特徴とする、請求項４記載の微動機構。
【請求項１１】
前記凹構造が、溝構造である事を特徴とする請求項９記載の微動機構。
【請求項１２】
前記凹構造の断面が、Ｖ字型である事を特徴とする、請求項９記載の微動機構。
【請求項１３】
前記凹構造の断面が、Ｕ字型である事を特徴とする、請求項９記載の微動機構。
【請求項１４】
前記凹構造の断面が、矩形である事を特徴とする、請求項９記載の微動機構。
【請求項１５】
前記凹構造あるいは前記貫通孔の端面形状が、多角形である事を特徴とする、請求項９乃至請求項１０記載の微動機構。
【請求項１６】
前記凹構造あるいは前記貫通孔の端面形状が、円形である事を特徴とする請求項９乃至請求項１０記載の微動機構。
【請求項１７】
互いに離間した光ファイバ対の間に、前記光ファイバを通過する光の行路を変更するミラーを有し、前記ミラーを支持する支持部と、前記前記支持部とともに前記ミラーを挟持し前記ミラーに圧力を付加する加圧部を有する光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微細技術の分野において、対象物を駆動する微動機構の分野に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体プロセスを用いた、小型且つ低消費電力な微動機構の開発が行われており、そのような微動機構を組み込んだ機能素子として光スイッチがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図５（ａ）は従来の微動機構を組み込んだ光スイッチの上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の破線部分の断面図で可動電極板４１と、外枠４５、それらをつなぐ４本の弾性体４３、そして固定電極板４４から構成されている。また光スイッチとして動作させるために、Ｔ字に設置された入力用光ファイバ４６、出力用光ファイバ４７、及び出力用光ファイバ４８、そして光路を切り替えるためのミラー４２がある。ミラー４２は可動電極板４１上に形成されており、図５（ｂ）に実線と破線で示すように、可動電極板４１を上下に駆動することで、入力用ファイバ４６から出射した光信号４９の光路を切り替える事が可能となる。例えば、ミラー４２が上側にある場合には、光信号４９はミラー４２によって反射され出力用光ファイバ４７に、また、下側にある場合には光路５０のように出力用光ファイバ４８に結合される。本光スイッチでは、可動電極板４１の下方向への移動に、可動電極板４１と固定電極板４４への電圧の印加によって発生する静電引力を、上方向への移動には、伸張された弾性体４３の復元力を用いている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２５８７０２号公報  （第５頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来例は、図５（ｂ）の実線で示した状態の時、弾性体４３からの支持のみで可動電極板４１を中空に維持しているため、外部からの衝撃及び振動によって、可動電極板４１に傾き及び位置ずれ等、揺動が容易に生じる。従来例のように可動電極板４１上にミラー４２を形成し、光スイッチとして用いる時、ミラー４２に揺動が生じると、ミラー４２で反射した光信号が意図した光路から外れ、光スイッチの出力信号の損失や消失などの、誤動作の要因となる。弾性体４３に高い剛性を与えると、可動電極板４１の揺動を低減できるが、弾性体４３による復元力が大きくなるため、可動電極板４１の駆動には、広い電極面積もしくは高い電圧が必要となる。よって、小型、低消費電力という長所を失うことになる。
【０００６】
本発明は、小型、低消費電力という従来の利点はそのままに、衝撃及び振動がある状況下でも揺動を低減し、安定動作する微動機構を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明による微動機構は、固定基板と、固定基板と一体となった弾性体、及び弾性体を介して固定基板に支持された可動部から構成され、尚且つ構成部品が微細加工技術を用いて一体形成された微動機構において、以上の可動部に予圧が加わる保持機構を有することを特徴とする。さらに、以上の予圧は、可動部を変位させること、もしくは可動部に圧力を与えることによって、可動部に対して加えられることを特徴とする。さらに、以上の保持機構は、可動部保持具、可動部保持具位置決め構造、及び固定構造から構成され、可動部に予圧を与える可動部保持具を、可動部に形成された可動部保持具位置決め構造に位置を合わせ、固定構造に設置及び固定することによって、可動部の維持を図る事を特徴とする。さらに、以上の可動部保持具は、光ファイバ等の棒状の弾性体、もしくは球体を有する押さえ基板であることを特徴とする。また、以上の可動部保持具位置決め構造及び固定構造は、凹構造、もしくは貫通孔のいずれかである。さらに、以上の凹構造の断面はＶ字、Ｕ字、もしくは矩形のいずれかであり、以上の凹構造、もしくは貫通孔の開口部は、多角形、もしくは円形であることを特徴とする。
【０００８】
以上の保持機構が可動部に予圧を与えることによって、可動部は外部から衝撃や振動を受けても駆動方向に対して容易に揺動しなくなる。また、保持機構の備える位置合わせ機能によって、駆動方向以外にも容易に揺動しない構造となる。
【０００９】
本発明では、互いに離間した光ファイバ対の間に、前記光ファイバを通過する光の行路を変更するミラーを有し、前記ミラーを支持する支持部と、前記前記支持部とともに前記ミラーを挟持し前記ミラーに圧力を付加する加圧部を有する光スイッチを構成した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明を使用した微動機構の第１の実施の形態を以下に記す。
【００１１】
図１は本発明の微動機構を使用した２×２光スイッチの構造を示している。図１（ａ）はその斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の破線部分の断面図である。図１（ａ）に示すように、本光スイッチは光信号の入出力のための光導波路として、固定基板３上のＶ溝２５に２本ずつ対向して、光ファイバ２６、光ファイバ２７、及び光ファイバ２８、光ファイバ２９が固定されている。光信号の出力方向を切り替えるための光学素子として、ミラー２０が対向した光ファイバの間に配置されている。光信号の出力方向の切り替えは、図１（ｂ）に示すように、微動機構を用いてミラー２０を上下に駆動することにより行われる。本光スイッチの光信号の光路を図２に示す。光信号の光路は、図２（ａ）に示すように、光ファイバ２６及び光ファイバ２９から出射し、光路上のミラー２０によって反射され、それぞれ光ファイバ２７及び光ファイバ２８に結合する場合と、図２（ｂ）に示すように、ミラー２０が光路外に移動し、光ファイバ２６及び光ファイバ２９から光ファイバ２８及び光ファイバ２７へ直進する場合がある。ここまでの光スイッチとしての構成は、切り替える光路が異なるものの、可動部分の動作に関しては、ほぼ従来例と同じ構成といえる。
【００１２】
本発明の微動機構は、可動部１と固定基板３、そして固定基板３と可動部１をつなぐ弾性体２、及び保持機構によって構成されている。保持機構は可動部保持具２１と、保持具位置決め構造として可動部１に形成されたＶ溝２２、そして固定構造として固定基板３に形成されたＶ溝２３及び押さえ基板２４から構成されている。図１（ａ）に示すように、可動部保持具２１はＶ溝２２と、Ｖ溝２３の溝内に配置され、押さえ基板２４によってＶ溝２３に固定されている。本発明の微動機構の駆動手段としては、可動部１に電極を形成し、対向面に固定電極を設置すれば、静電引力によって駆動可能となり、可動部１に磁性体を形成し、対向面に電磁石等を設置すれば、磁力によって駆動できる。
【００１３】
可動部保持具２１の効果を、図３を用いて説明する。図３（ａ）は可動部保持具２１を設置していない状態の微動機構を示した図であり、図３（ｂ）は可動部保持具２１を設置した状態の微動機構を示した図である。図３（ａ）に示すように、可動部１の高さは固定基板３の上面よりΔＺ高くなるように形成されている。よって、図３（ｂ）に示すように、可動部保持具２１を可動部１と固定基板３に設置した場合、可動部１はΔＺ下方に変位する。その結果、弾性体２よりΔＺに応じた復元力が上方に発生する。このように、可動部保持具２１によって可動部１を保持した状態では、常に弾性体２による復元力が可動部１に作用する状態、つまり、予圧の作用する状態とすることができる。この状態では上下方向に対して、外部からの振動などによって可動部１に力が加わった場合でも、その力が予圧より弱ければ、状態を維持することが可能となる。また、予圧の作用する上下方向以外に力が加わっても、可動部保持具２１と可動部１の界面に発生する摩擦力によって位置ずれを低減する事ができる。
【００１４】
しかし、摩擦力のみでは、状態の維持に十分な力を発生できない。また、可動部１が図１（ｂ）の破線状態から実線の状態に移行する際、図１（ａ）のＸＹ方向にずれを生じたまま可動部１が保持される可能性もある。そこで、本発明の保持機構には、可動部保持具位置決め構造Ｖ溝２２が、可動部１に設けられている。このＶ溝２２によって、可動部１が上方に移動した際の位置ずれを低減する。また、保持した状態では、可動部１に外部からの力が加わった場合、可動部保持具２１がＶ溝２２内に位置し、Ｖ溝２２の壁面と接触しているため、図１（ａ）のＹ方向について、可動部１は可動部保持具２１の有するＹ方向の弾性力によって保持される。これは可動部位置決め構造が、本実施の形態のように溝の断面形状がＶ字ではなく、Ｕ字、又は矩形であっても同様である。もしくは、溝ではなく貫通孔であっても同様である。また、可動部保持具２１としては、例えば、金属材料、ガラス材料、又は高分子材料を細く加工した棒や、光ファイバなどを用いる事が可能である。
【００１５】
また、本実施の形態では、可動部保持具２１から可動部１に予圧を加えるために、可動部１と固定基板３の上面にΔＺの段差を形成した。しかし、可動部１と固定基板３に段差を設けなくとも、可動部保持具２１に可動部１と接する部分が下側に突出するような加工を施す、または可動部１と固定基板３上の可動部保持具２１と接する部分にのみ段差を設けるような加工を施すなどの方法であっても、同様の効果を得る事ができる。その他、可動部１に予圧を加える方法として、可動部１に静電引力または磁力を働かせ、駆動方向へ吸引することなども利用可能である。
【００１６】
本発明の微動機構は、可動部１の誤動作を防止するために、従来例のように弾性体２の強化を必要とせず、それに伴う駆動電力の上昇等がないため、小型で低消費電力且つ可動部分の揺動が起こり難い微動機構である。また、従来の微動機構では、図５（ｂ）の破線の状態から実線の状態に移動した時、可動電極板４１は実線の状態で静止せず、共振周波数に応じた振動、所謂チャタリングを発生する。チャタリングは、実線の状態を振動の中心とする減衰振動であり、振動が消失するまでには時間を要する。よって、破線の状態から実線の状態となるまでの移行時間には、駆動時間だけでなく、チャタリングの減衰時間が含まれていた。しかし、本発明の微動機構では、可動部保持具２１が図１（ｂ）の実線の状態より上方への振動を低減するため、チャタリングの減衰時間、結果としては移行時間を短縮できる。
【００１７】
（実施の形態２）
次に、本発明を使用した微動機構の第２の実施の形態を以下に記す。
図４は本発明の微動機構を使用した２×２光スイッチの、第２の実施の形態の構造を示す図である。図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は、押さえ基板３３の構成を示した図であり、図４（ｃ）は、保持機構の詳細を示した図である。第２の実施の形態において、保持機構に関する構成以外は、第１の実施の形態と共通の構造となっている。
【００１８】
本発明の微動機構の保持機構は、可動部保持具となる押さえ基板３３と、保持具位置決め構造及び固定構造となる四角錘の凹構造３１から構成される。押さえ基板３３は図４（ｂ）に示すように、凹構造３２が形成されている。本実施の形態では、凹構造３１及び凹構造３２の形状を四角錘としているが、例えばその他の多角錘や円錘、または多角柱や円柱、半円球であっても利用可能である。もしくは、貫通孔であってもよい。凹構造３２には、金属製やガラス製、又は高分子製の微小球体３０が固定されている。
【００１９】
そして、押さえ基板３３を、図４（ｃ）に示すように微小球体３０と凹構造３１の位置を合わせ、可動部１と固定基板３に設置すると、可動部１と固定基板３の段差の作用によって、第１の実施の形態と同様に、可動部１に予圧を与えることができる。予圧による効果は第１の実施の形態と同様であり、外部からの衝撃及び振動によって容易に揺動することはない。
【００２０】
また、第１の実施の形態では、Ｙ方向に関して可動部保持具２１と可動部保持具位置決め溝であるＶ溝２２が機能していたことに対し、本実施の形態では、微小球３０はＸＹ方向に対応する凹構造３１の４つの壁面と干渉するため、それぞれの方向について可動部１を保持、及び高精度に位置合わせすることが可能となる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によって、小型、低消費電力であるとともに、傾きや位置ずれ等の揺動に対して強固であり、且つ、高精度に位置決め可能な微動機構を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例の光スイッチを示す図である。
【図２】本発明の１実施例の光スイッチの光路を示す図である。
【図３】本発明の１実施例の光スイッチ保持機構を示す図である。
【図４】本発明の２実施例の光スイッチを示す図である。
【図５】従来の光スイッチを示す図である。
【符号の説明】
１  可動部
２  弾性体
３  固定基板
２０  ミラー
２１  棒型可動部保持具
２２  固定基板側可動部保持具用Ｖ溝
２３  可動部側可動部保持具用Ｖ溝
２４  押さえ基板
２５  光信号入出力用光ファイバ用Ｖ溝
２６  光信号入出力用光ファイバ
２７  光信号入出力用光ファイバ
２８  光信号入出力用光ファイバ
２９  光信号入出力用光ファイバ
３０  微小球型可動部保持具
３１  可動部・固定基板側四角錘状凹構造
３２  押さえ基板側四角錐状凹構造
３３  押さえ基板
４１  可動電極板
４２  ミラー
４３  弾性体
４４  固定電極板
４５  外枠
４６  入力用光ファイバ
４７  出力用光ファイバ
４８  出力用光ファイバ
４９  光信号
５０  光路
【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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