(57)【要約】【課題】可動電極板の一部に第２のフレクチュアおよびこれにより支持される中央電極領域を構成した微小可動デバイスを提供する。【解決手段】固定電極基板８と、フレクチュア２１を介して支持フレーム１０に結合保持されて固定電極基板８との間に所定間隔を有する可動電極板２とを有し、固定電極基板８と可動電極板２との間に電圧を印加して可動電極板２を駆動する微小可動デバイスにおいて、フレクチュア２１は、可動電極板２およびアンカー部１１の双方に結合し、固定電極基板８には可動電極板２のフレクチュア隣接電極領域２０’に対向して突起８０１を形成し、可動電極板２にバネ性を付与して弾性変形する可動電極板２を中央電極領域２０および第２のフレクチュア２２とし、可動電極板２のバネ定数ｋ２をフレクチュア２１のバネ定数ｋ１と比較して高く構成した微小可動デバイス。【選択図】　図６
2004074347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極基板と、アンカー部およびフレクチュアを介して支持フレームに結合保持されて固定電極基板との間に所定間隔を有する可動電極板とを有し、固定電極基板と可動電極板との間に電圧を印加して静電気力により可動電極板を駆動してこれを固定電極基板に吸着保持せしめるマイクロマシニング技術を適用して製造された微小可動デバイスにおいて、
フレクチュアは、可動電極板およびアンカー部の双方に結合する構成を有しており、
可動電極板内に第２のフレクチュアを外側のフレクチュア隣接電極領域と内側の中央電極領域の間に形成し、
第２のフレクチュアのバネ定数をフレクチュアのバネ定数に比較して大きく構成し、
固定電極基板には可動電極板の内のフレクチュア隣接電極領域に対向して突起を形成したことを特徴とする微小可動デバイス。
【請求項２】
固定電極基板と、アンカー部およびフレクチュアを介して支持フレームに結合保持されて固定電極基板との間に所定間隔を有する可動電極板とを有し、固定電極基板と可動電極板との間に電圧を印加して静電気力により可動電極板を駆動してこれを固定電極基板に吸着保持せしめるマイクロマシニング技術を適用して製造された微小可動デバイスにおいて、
フレクチュアは、可動電極板およびアンカー部の双方に結合する構成を有しており、
固定電極基板には可動電極板の内のフレクチュア隣接電極領域に対向して突起を形成し、
可動電極板にバネ性を付与して弾性変形する可動電極板を中央電極領域および第２のフレクチュアとし、
可動電極板のバネ定数をフレクチュアのバネ定数に比較して大きく構成したことを特徴とする微小可動デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微小可動デバイスに関し、特に、フレクチュアを介して支持フレームに結合保持される可動電極板の一部に第２のフレクチュアおよびこれにより支持される中央電極領域を構成した微小可動デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８を参照して従来例を説明するに、固定電極基板８と、アンカー部１１およびフレクチュア２１を介して支持フレーム１０に結合保持されて固定電極基板８との間に所定間隔を有する可動電極板２とを有し、ここで、可動電極板２の上面にはミラー３が形成されており、そして、固定電極基板８と可動電極板２との間に電圧を印加して静電気力により可動電極板２を駆動してこれを固定電極基板８に吸着保持せしめるマイクロマシニング技術を適用して製造された微小可動デバイスが開発され、実用に供されている。
【０００３】
以上の微小可動デバイスのスイッチング動作を説明する。４は出射側光ファイバ或は光導波路であり、５’は入射側光ファイバ或いは光導波路である。図示される状態は、出射側光ファイバ４を介して伝送されてきた光がその端面から出射して空間を伝播し、ミラー３において反射し、入射側光ファイバ５に入射して伝送される状態を示す。この状態を定常状態とし、ここで、先の両電極間に電圧を印加して両電極間に吸引する向きの静電力が発生すると、可動電極板２は下向きに駆動されると、ミラー３は下方に変位し、ミラー３は出射側光ファイバ４端面から出射する光の光路から下方に変位して外れる。これにより、遮断されていた空間伝播光は直進して入射側光ファイバ５’に入射し、これを介して伝送される。入射側光ファイバ５に対する反射光は消失する。以上の通り、入射側光ファイバ５と入射側光ファイバ５’に対して光路の切り替えを光導波路を介することなしに空間的に実施することができる。
【０００４】
以上の微小可動デバイスは、可動電極板２はその板厚が極く薄く、この可動電極板２をアンカー部１１に連結するフレクチュア２１の厚さも極く薄くて弾性復元力が小さい。そして、可動電極板２の下面は平滑であり、これに対向する固定電極基板８の上面も平滑である。これらの条件の元で、可動電極板２の下面が下方に変位して固定電極基板８の上面に接触すると、可動電極板２には大気圧、ファン・デル・ワールス力その他の力が作用し、可動電極板２と固定電極基板８の間の電圧を無印加としても可動電極板２が元の位置に瞬時には復帰しない貼り付き現象が生起する。この問題を解消するに、可動電極板２と固定電極基板８の間の接触面積を低減する技術が開発されている（特開２００１−２６４６５０号公報、特開２００１−３１８３２５号公報　参照）。
【０００５】
そして、微小可動デバイスには、固定電極基板８と可動電極板２の間に電圧印加中に両者の間に介在する固定電極基板８の表面の絶縁被膜８５が帯電し、この帯電により可動電極板２に静電吸引力が作用して電圧を無印加とした時に可動電極板２が元の位置に瞬間には復帰せず、復帰に時間遅れが発生するという問題も生ずる。この問題を解消するに、絶縁被膜の露出面積を減少することにより対処する技術（特開平１１−２５１４１６号公報　参照）が開発され、或いは、固定電極基板において、吸引に関与する導電部分と絶縁された状態の導体部分により接触部を形成する技術が開発されている（特願２００１−２２７６１３号明細書参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、可動電極板２と固定電極基板８の間の電圧を無印加としたときに可動電極板２に固定電極基板８に対する貼り付き吸着現象が生起し、これに起因する可動電極板２が元の位置に瞬時には復帰しない動作遅れは、以上の何れの技術に依っても完全には解消することができない。
即ち、図９を参照するに、可動電極板２と固定電極基板８の間に電圧を印加して図９（ｂ）の状態をとり、ここで電圧を無印加とすると、可動電極板２は矢印の向きにフレクチュア２１の反発力を受け、固定電極基板８から離れようとするが、固定電極基板８に対する貼り付き吸着に抗して瞬時には復帰することができない。なお、８０は固定電極基板８の絶縁被膜８５の表面に形成される固定電極であり、必要に応じて形成して実施する。
【０００７】
以上の可動電極板２の復帰の動作遅れは、可動電極板２の固定電極基板８に対する貼り付き吸着力に勝るフレクチュア２１の反発力を大きく設計することにより解消することができる。しかし、フレクチュア２１の反発力を大きく設計すると、今度は、固定電極基板８と可動電極板２との間に電圧を印加して可動電極板２を吸引駆動する際のプル・イン電圧の上昇を招くという問題を生ずる。
この発明は、フレクチュアを介して支持フレームに結合保持される可動電極板の一部に第２のフレクチュアおよびこれにより支持される中央電極領域を構成して上述の問題を解消した微小可動デバイスを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
固定電極基板と、アンカー部およびフレクチュアを介して支持フレームに結合保持されて固定電極基板との間に所定間隔を有する可動電極板とを有し、固定電極基板と可動電極板との間に電圧を印加して静電気力により可動電極板を駆動してこれを固定電極基板に吸着保持せしめるマイクロマシニング技術を適用して製造された微小可動デバイスにおいて、フレクチュアは、可動電極板およびアンカー部の双方に結合する構成を有しており、可動電極板内に第２のフレクチュアを外側のフレクチュア隣接電極領域と内側の中央電極領域の間に形成し、第２のフレクチュアのバネ定数をフレクチュアのバネ定数に比較して大きく構成し、固定電極基板には可動電極板の内のフレクチュア隣接電極領域に対向して突起を形成した微小可動デバイスを構成した。
【０００９】
そして、固定電極基板８と、アンカー部１１およびフレクチュア２１を介して支持フレーム１０に結合保持されて固定電極基板８との間に所定間隔を有する可動電極板２とを有し、固定電極基板８と可動電極板２との間に電圧を印加して静電気力により可動電極板２を駆動してこれを固定電極基板８に吸着保持せしめるマイクロマシニング技術を適用して製造された微小可動デバイスにおいて、
フレクチュア２１は、可動電極板２およびアンカー部１１の双方に結合する構成を有しており、
固定電極基板８には可動電極板２の内のフレクチュア隣接電極領域に対向して突起８０１を形成し、
可動電極板２にバネ性を付与して弾性変形する可動電極板２を中央電極領域および第２のフレクチュアとし、
可動電極板２のバネ定数をフレクチュア２１のバネ定数に比較して大きく構成したことを特徴とする微小可動デバイスを構成した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１を参照してこの発明を概念的に説明する。
ｖｐ１はフレクチュア２１のプル・イン電圧、ｋ１はフレクチュア２１のバネ定数である。ｖｐ２は第２のフレクチュア２２のプル・イン電圧、ｋ２は第２のフレクチュア２２のバネ定数である。Ｓ１は可動電極板２の全面積、Ｓ２は第２のフレクチュア２２が支持する可動電極板２の中央電極領域２０の面積、ｄ１は電圧無印加時の電極間距離、ｄ２は　可動電極板２の内のフレクチュア隣接電極領域２０’に対向して固定電極基板８に形成される突起８０１の高さ、εは両電極間の誘電率である。プル・イン電圧は、
ｖｐ１＝（８・ｋ１・ｄ１３／２７・ε・Ｓ１）１／２　　・・・・・・（式１）
ｖｐ２＝（８・ｋ２・ｄ２３／２７・ε・Ｓ２）１／２　　・・・・・・（式２）
により計算で求めることができる。可動電極板２と固定電極基板８間の電圧を徐々に増大して行くと、可動電極板２は徐々に線形に固定電極基板８側に引き寄せられるが、電圧が或る特定のレベルに到達したところで、可動電極板２は急激に固定電極基板８に吸引吸着せしめられる。以上の可動電極板２を固定電極基板８に非線形に吸引吸着する電圧をプル・イン電圧という。そして、駆動電圧とは、電圧に依存するスイッチングタイムをも考慮したプル・イン電圧以上の充分な電圧をいう。
【００１１】
ここで、この発明は、フレクチュアを介して支持フレームに結合保持される可動電極板の一部に第２のフレクチュアおよびこれにより支持される中央電極領域を構成して、可動電極板２と固定電極基板８の間の電圧を無印加としたときに生起する、可動電極板２の固定電極基板８に対する貼り付き吸着現象に起因する可動電極板２が元の位置に瞬時には復帰しない動作遅れを解消するものである。
【００１２】
【実施例】
以下、この発明の実施の形態を図２の実施例を参照して説明する。
図２の実施例は、固定電極基板８とアンカー部１１およびフレクチュア２１を介して支持フレーム１０に結合保持されて固定電極基板８との間に所定間隔を有する可動電極板２とを有し、固定電極基板８と可動電極板２との間に電圧を印加して静電気力により可動電極板２を駆動してこれを固定電極基板８に吸着保持せしめるマイクロマシニング技術を適用して製造された微小可動デバイスである。なお、固定電極８０は固定電極基板８の絶縁被膜８５の表面に必要に応じて形成して実施する。
【００１３】
ここで、フレクチュア２１は可動電極板２全体を支持フレーム１０に結合支持している。このフレクチュア２１は、可動電極板２の左右両辺において、２本の細長スリットを形成して可動電極板２およびアンカー部１１の双方に部分的に結合する構成を有している。２２はフレクチュア２１の他に形成された第２のフレクチュアである。この実施例においては、可動電極板２の中央部にフレクチュア２１に平行にＩ字状スリット２０１を形成する。可動電極板２の中央電極領域２０は、第２のフレクチュア２２が弾性変形することに応動して変位する。可動電極板２内に構成された第２のフレクチュア２２のバネ定数は、フレクチュア２１のバネ定数と比較して高く設計構成する。
固定電極基板８には、可動電極板２の内の中央電極領域２０以外の領域であるフレクチュア隣接電極領域２０’に対向して突起８０１を形成している。固定電極基板８には、更に、可動電極板２の内の中央電極領域２０に対向して、突起８０１と比較して高さの低い第２の突起８０２を必要に応じて形成する。
【００１４】
図３を参照して可動電極板の製造工程を説明する。
（工程１）　単結晶シリコン基板７を酸化膜６を介して接合して構成したＳＯＩ基板を原材料基板１として準備する。
（工程２）　原材料基板１を加熱して表面に酸化膜６’を形成する。
（工程３）　フォトリソグラフィ技術を適用して、可動電極板２を形成する上側の酸化膜６’を、可動電極板２、フレクチュア２１、Ｉ字状スリット２０１およびアンカー部１１の形状にパターニングする。
（工程４）　エッチングを施して、単結晶シリコン基板７に可動電極板２、フレクチュア２１、Ｉ字状スリット２０１およびアンカー部１１を形成する。
（工程５）　原材料基板１全体を加熱して表面に酸化膜６’’を形成する。
（工程６）　フォトリソグラフィ技術を適用して原材料基板１の下側の酸化膜６’を、座ぐり孔１２の形状にパターニングする。
（工程７）　水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液によりエッチングして原材料基板１に座ぐり孔１２を形成する。
（工程８）　フッ化水素（ＨＦ）水溶液により残存する酸化膜６’’を除去する。
【００１５】
図４を参照して固定電極基板の製造工程を説明する。
（工程１）　単結晶シリコン基板を原材料基板８’として準備する。
（工程２）　原材料基板８’を加熱して表面に酸化膜８５’を形成する。
（工程３）　突起８０１を形成するためにフォトリソグラフィ技術を適用して酸化膜８５’をパターニングする。
（工程４）　水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液により原材料基板８’をエッチングして、突起８０１を形成する。
（工程５）　原材料基板８’を加熱して表面に酸化膜８５を形成する。
（工程６）　原材料基板８’の底面の酸化膜８５を除去する。
（工程７）　表面に金（Ａｕ）／クロム（Ｃｒ）膜８０’を成膜する。
（工程８）　フォトリソグラフィ技術を適用して金（Ａｕ）／クロム（Ｃｒ）膜８０’を固定電極８０の形状にパターニングする。
【００１６】
図５を参照するに、これは先の図２の可動電極板の動作を概念的に説明する図である。
可動電極板２と固定電極基板８との間に電圧を印加すると、可動電極板２は図５（ｂ）の状態をとる。即ち、可動電極板２は、フレクチュア隣接電極領域２０’が突起８０１を支点としてこれに係止し、固定電極基板８に対向する一方、中央電極領域２０のみは突起８０１より低い第２の突起８０２に係止して固定電極基板８に更に接近して対向している。
ここで、電圧を無印加とすると、可動電極板２は矢印の向きにフレクチュア２１および第２のフレクチュア２２の反発力を受けている。可動電極板２内に構成された第２のフレクチュア２２のバネ定数はフレクチュア２１のバネ定数と比較して高く構成されているところから、中央電極領域２０は、フレクチュア隣接電極領域２０’と比較して、矢印の太さに示される如きより強い反発力を第２のフレクチュア２２にから受けている。従って、図５（ｃ）に示される如く、先ず、中央電極領域２０がフレクチュア隣接電極領域２０’に先だって突起８０１を支点として固定電極基板８から離反する。中央電極領域２０は、固定電極基板８から離反するに際して、第２のフレクチュア２２から慣性を付与される。中央電極領域２０の離反に引き続いて、フレクチュア隣接電極領域２０’がフレクチュア２１の反発力を受けて固定電極基板８から離反する。フレクチュア隣接電極領域２０’が離反するということは、可動電極板２全体がフレクチュア２１の反発力を受けて離反するということであるが、この可動電極板２全体の離反には、フレクチュア２１の反発力の外に先の中央電極領域２０の慣性が加算されて開始されるので、慣性の加算分だけ可動電極板２全体の離反復帰動作は容易に行われることになる。或いは、以上の通り、電圧無印加とした時の可動電極板２の復帰動作を、可動電極板２を分割して各別のフレクチュアにより各別にさせることにより、可動電極板２の固定電極基板８に対する貼り付き吸着力に勝るフレクチュア２１の反発力を中央電極領域２０の慣性分だけ小さく設計しても、フレクチュア２１の強い反発力の従来例と同等の復帰動作をするに到るという議論も成り立つ。
【００１７】
図６を参照して他の実施例を説明するに、この実施例は、フレクチュア２１が、可動電極板２の左右両辺において可動電極板２およびアンカー部１１の双方に結合する構成を有しており、固定電極基板８に可動電極板２の内のフレクチュア隣接電極領域２０’に対向して突起８０１を形成している点も、先の実施例と同様である。ただ、この実施例は、可動電極板２にバネ性を付与して弾性変形する可動電極板２を中央電極領域２０および第２のフレクチュア２２としている。即ち、可動電極板２の示すバネ性自体に着目してこれを先の実施例における第２のフレクチュア２２に相当するものとしている。そして、可動電極板２の内のフレクチュア隣接電極領域２０’以外の中央部を先の実施例の中央電極領域２０とする。
【００１８】
この実施例の動作を説明するに、可動電極板２と固定電極基板８との間に電圧を印加すると、可動電極板２は、固定電極基板８に向かって静電吸引され、そのフレクチュア隣接電極領域２０’が突起８０１に係止し、これを支点として固定電極基板８に接近対向する。特に、図６（ｂ）を参照するに、可動電極板２の中央電極領域２０のみが、可動電極板２自体の示すバネ性に逆らって、固定電極基板８側に湾曲変位して固定電極基板８に更に接近対向するに到る。可動電極板２自体の示すこのバネ性が第２のフレクチュア２２を構成している。ここで、電圧を無印加した時、可動電極板２は矢印の向きにフレクチュア２１および第２のフレクチュア２２に等価の可動電極板２自体の示すバネ性の反発力を受けている。可動電極板２自体の示すバネ定数はフレクチュア２１のバネ定数と比較して高く構成されているものとして、可動電極板２の中央電極領域２０は矢印の太さに示される如くフレクチュア隣接電極領域２０’より強い反発力を受けている。そして、先の実施例と同様に、先ず、中央電極領域２０が、第２のフレクチュア２２に相当する可動電極板２自体の示すバネ定数により、フレクチュア隣接電極領域２０’に先だって突起８０１を支点として固定電極基板８から離反する。可動電極板２の中央電極領域２０は、突起８０１を支点として固定電極基板８から反転離反するに際して、自身のバネ性により慣性を付与される。中央電極領域２０の離反に引き続き、フレクチュア隣接電極領域２０’がフレクチュア２１の反発力を受けて固定電極基板８から離反する。フレクチュア隣接電極領域２０’が離反するということは、可動電極板２全体がフレクチュア２１の反発力を受けて離反するということであるが、この可動電極板２全体の離反には、フレクチュア２１の反発力の外に先の中央電極領域２０の慣性が加算されて開始されるので、慣性の加算分だけ可動電極板２全体の離反復帰動作は容易に行われることになる。
以上の通りに、この実施例も、固定電極基板８と可動電極板２との間に電圧を印加して可動電極板２を吸引駆動する際のプル・イン電圧の上昇を招くことなしに、可動電極板の固定電極基板の表面に対する吸着を防止することができる。
【００１９】
図７を参照して更なる他の実施例を説明する。図７（ａ）は更なる他の実施例を上から視た図、　図７（ｂ）も同様に上から視た図、図７（ｃ）は図７（ａ）および　図７（ｂ）に共通する断面図である。
この更なる他の実施例も先の実施例と同様に、フレクチュア２１が、可動電極板２の左右両辺において可動電極板２およびアンカー部１１の双方に結合する構成を有している。そして、固定電極基板８に可動電極板２の内のフレクチュア隣接電極領域２０’に対向して突起８０１を形成している。ここで、この更なる他の実施例は、フレクチュア２１と第２のフレクチュア２２との間にフレクチュア隣接電極領域２０’を形成すると共に、第２のフレクチュア２２双方の間に中央電極領域２０を形成している。
【００２０】
先の図５を参照して更なる他の実施例の動作を説明するに、電圧を無印加とすると、可動電極板２は矢印の向きにフレクチュア２１および第２のフレクチュア２２の反発力を受けている。この実施例においても、第２のフレクチュア２２のバネ定数はフレクチュア２１のバネ定数と比較して高く構成されているので、中央電極領域２０は、フレクチュア隣接電極領域２０’と比較して、矢印の太さに示される如きより強い反発力を第２のフレクチュア２２にから受けている。従って、図５（ｃ）に示される如く、先ず、中央電極領域２０がフレクチュア隣接電極領域２０’に先だって突起８０１を支点として固定電極基板８から離反する。中央電極領域２０は、固定電極基板８から離反するに際して、第２のフレクチュア２２から慣性を付与される。中央電極領域２０の離反に引き続いてフレクチュア隣接電極領域２０’がフレクチュア２１の反発力を受けて固定電極基板８から離反する。フレクチュア隣接電極領域２０’が離反するということは、可動電極板２全体がフレクチュア２１の反発力を受けて離反するということであるが、この可動電極板２全体の離反には、フレクチュア２１の反発力の外に先の中央電極領域２０の慣性が加算されて開始されるので、慣性の加算分だけ可動電極板２全体の離反復帰動作は容易に行われることになる。
【００２１】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明によれば、電圧無印加とした時の可動電極板２の復帰動作を、可動電極板２を分割して各別のフレクチュアにより各別にさせることにより、先ず、中央電極領域２０がフレクチュア隣接電極領域２０’に先だって突起８０１を支点として固定電極基板８から離反する。中央電極領域２０は、固定電極基板８から離反するに際して、第２のフレクチュア２２から慣性を付与される。中央電極領域２０の離反に引き続いて、フレクチュア隣接電極領域２０’がフレクチュア２１の反発力を受けて固定電極基板８から離反する。フレクチュア隣接電極領域２０’が離反するということは、可動電極板２全体がフレクチュア２１の反発力を受けて離反するということであるが、この可動電極板２全体の離反には、フレクチュア２１の反発力の外に先の中央電極領域２０の慣性が加算されて開始されるので、慣性の加算分だけ可動電極板２全体の離反復帰動作は容易に行われることになる。そして、電圧無印加とした時の可動電極板２の復帰動作を、可動電極板２を分割して各別のフレクチュアにより各別にさせることにより、可動電極板２の固定電極基板８に対する貼り付き吸着力に勝るフレクチュア２１の反発力を中央電極領域２０の慣性分だけ小さく設計しても、フレクチュア２１の強い反発力の従来例と同等の復帰動作をするに到るという効果も奏す。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を概念的に説明する図。
【図２】実施例を説明する図。
【図３】可動電極板の製造工程を説明する図。
【図４】固定電極基板の製造工程を説明する図。
【図５】図２の実施例の動作を説明する図。
【図６】他の実施例を説明する図。
【図７】更なる他の実施例を説明する図。
【図８】従来例を説明する図。
【図９】従来例の動作を説明する図。
【符号の説明】
２　可動電極板　　　　　　　８　固定電極基板
１０　支持フレーム　　　　　１１　アンカー部
２０　中央電極領域　　　　　２０’フレクチュア隣接電極領域
２１　フレクチュア　　　　　２２　第２のフレクチュア
８０１　突起
【図１】
2004074347.tif 000003
【図２】
2004074347.tif 000004
【図３】
2004074347.tif 000005
【図４】
2004074347.tif 000006
【図５】
2004074347.tif 000007
【図６】
2004074347.tif 000008
【図７】
2004074347.tif 000009
【図８】
2004074347.tif 000010
【図９】
2004074347.tif 000011