(57)【要約】【課題】  小型で高集積化可能な静電アクチュエータ、光スイッチ及び光デバイスを提供すること。【解決手段】  静電アクチュエータ１８は、梁状部材６と、固定電極８と、梁状部材６と固定電極８との間に電圧を加える電圧源１１とを有している。梁状部材６と固定電極８との間には、電圧源１１によって電圧が加えられることにより静電気力が発生するようになっている。また、梁状部材６には櫛歯状に配された複数の電極部７が設けられ、固定電極８には櫛歯状に配され各電極部７間に挿入される複数の電極部９が設けられている。そして、これら電極部７，９には膨出部７ａ，９ａが設けられている。この膨出部は、少なくとも梁状部材（可動電極）６の電極部７に設けられていればよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動電極と、
固定電極と、
前記可動電極と前記固定電極との間に静電気力を発生させる手段とを有し、
前記可動電極には、櫛歯状に配された複数の第１電極部が設けられ、
前記固定電極には、櫛歯状に配され前記各第１電極部間に挿入される複数の第２電極部が設けられており、
前記第１電極部には膨出部が設けられていることを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
前記膨出部は、前記第１電極部の先端部分に設けられていることを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
【請求項３】
前記固定電極に引き寄せられるように移動する前記可動電極を、前記固定電極に引き寄せるように働く静電気力よりも前記固定電極から引き離すように働く静電気力のほうが大きくなる位置で停止させる停止手段を有することを特徴とする請求項１または２記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】
前記停止手段によって停止された位置に前記可動電極を保持する保持手段を更に備えることを特徴とする請求項３記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】
光路を有する基板と、
前記基板に支持され、前記光路上を通る光を反射させるミラーが固定された可動電極と、
固定電極と、
前記可動電極と前記固定電極との間に静電気力を発生させる手段とを有し、
前記可動電極には、櫛歯状に配された複数の第１電極部が設けられ、
前記固定電極には、櫛歯状に配され前記各第１電極部間に挿入される複数の第２電極部が設けられており、
前記第１電極部には膨出部が設けられていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項６】
請求項５に記載の光スイッチを複数備えたことを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信等で用いられる静電アクチュエータ、光スイッチ及び光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
このような分野に属する技術としては、例えば下記非特許文献１に記載された光スイッチが知られている。この光スイッチはミラーを備えた静電アクチュエータを有し、更に対向する可動電極及び固定電極を２組有している。可動電極は静電アクチュエータに備えられており、可動電極と固定電極との間に発生される静電気力により固定電極に引き寄せられる。そして、この可動電極の移動に伴って静電アクチュエータが移動するようになっている。そして、各組の可動電極はそれぞれ逆の方向に移動するようになっており、適宜いずれか一方の可動電極を移動させることによって静電アクチュエータを所望の方向に移動させ、光スイッチの光路上を通る光を遮断または通過する位置にミラーを移動するようになっている。
【非特許文献１】SPIE Conference on Micromachined Devices and Components SPIE Vol.3876 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術においては、静電アクチュエータを移動させるために可動電極と固定電極との対を２組必要とする。したがって、その分スペースが取られるため光スイッチが大型化し、高集積化が困難となる。
【０００４】
本発明の目的は、小型で高集積化可能な静電アクチュエータ、光スイッチ及び光デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の静電アクチュエータは、可動電極と、固定電極と、可動電極と固定電極との間に静電気力を発生させる手段とを有し、可動電極には、櫛歯状に配された複数の第１電極部が設けられ、固定電極には、櫛歯状に配され各第１電極部間に挿入される複数の第２電極部が設けられており、第１電極部には膨出部が設けられていることを特徴とするものである。
【０００６】
このような静電アクチュエータでは、例えば可動電極と固定電極とが引き離された状態で可動電極と固定電極との間に静電気力を発生させると、第１電極部と第２電極部とが互いに引き合うことにより、可動電極が固定電極に引き寄せられる。なお、本明細書中における、可動電極と固定電極とが引き離された状態とは、第１電極部間に第２電極部が挿入されていない状態のことをいう。一方、第１電極部間に第２電極部が挿入され、例えば、第２電極部の先端部が第１電極部に設けられた膨出部よりも第１電極部の基端側に位置しているとき、可動電極と固定電極との間に静電気力を発生させると、第２電極部と第１電極部の膨出部とが引き合うことによって可動電極が固定電極から引き離される。したがって、一つの固定電極で可動電極を固定電極に引き寄せ及び引き離すことができるため、小型で高集積化可能となる。なお、膨出部は、第１電極部及び第２電極部の両方に設けられていてもよく、この場合も第１電極部のみに設けられた場合と同様の効果を得ることができる。
【０００７】
膨出部は、第１電極部の先端部分に設けられていることが好ましい。これにより、第１電極部を短くすることができるため、更に小型化を図ることができる。
【０００８】
また、固定電極に引き寄せられるように移動する可動電極を、固定電極に引き寄せるように働く静電気力よりも固定電極から引き離すように働く静電気力のほうが大きくなる位置で停止させる停止手段を有することが好ましい。これにより、例えば、第１電極部及び第２電極部の両方に膨出部が設けられている場合において、第２電極部の膨出部が第１電極部の膨出部よりも第１電極部の基端側に位置している状態で可動電極と固定電極との間に静電気力を発生させたときに、確実に可動電極を固定電極から引き離すことができる。
【０００９】
この場合、停止手段によって停止された位置に可動電極を保持する保持手段を更に備えることが好ましい。これにより、可動電極が、停止手段によって停止された位置から振動等によって移動する事態を防止することができる。
【００１０】
本発明の光スイッチは、光路を有する基板と、基板に支持され、光路上を通る光を反射させるミラーが固定された可動電極と、固定電極と、可動電極と固定電極との間に静電気力を発生させる手段とを有し、可動電極には、櫛歯状に配された複数の第１電極部が設けられ、固定電極には、櫛歯状に配され各第１電極部間に挿入される複数の第２電極部が設けられており、第１電極部には膨出部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
このような光スイッチによれば、上述したような可動電極と固定電極とを備え、かつ該可動電極にミラーを固定したことにより、該ミラーを、光路上を通る光を反射させる位置と光路上を通る光を通過させる位置との間を一組の可動電極及び固定電極で往復移動させることが可能となる。したがって、小型で高集積化可能な光スイッチを実現することができる。
【００１２】
本発明の光デバイスは、上記の光スイッチを複数備えたことを特徴とするものである。このような光デバイスは、上述した光スイッチを備えて構成されるため、小型化及び高集積化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、可動電極及び固定電極のうち少なくとも可動電極に設けられた電極部に膨出部を設けたことにより、他の電極を必要とすることなく可動電極を固定電極に引き寄せ及び引き離すことができる。したがって、小型で高集積化可能な静電アクチュエータ、光スイッチ及び光デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る静電アクチュエータを備えた光スイッチを示す概略平面図であり、図２は、その側面図である。なお、図１では、後述するアクチュエータ構造体５の基板Ｐを省略した状態を示す。
【００１６】
図１において、光スイッチ１は平面導波路２を有し、この平面導波路２には、略クロス状の光路Ａ〜Ｄを形成する光導波路３が設けられている。また、平面導波路２には、光路Ａ〜Ｄとつながる溝部４が設けられている。
【００１７】
平面導波路２上には、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて形成されたアクチュエータ構造体５が設けられている。アクチュエータ構造体５は、基板Ｐを有し、この基板Ｐには梁状部材（可動電極）６が固定されている。この梁状部材６は、その中央部が溝部４に位置する状態で両持ち的に支持されている。また、梁状部材６の一側には、櫛歯状に配された複数本の電極部７が設けられている。
【００１８】
またアクチュエータ構造体５は、梁状部材６に対向するように設けられた固定電極８を有し、この固定電極８における梁状部材６の電極部７と対向する部位には、櫛歯状に配され各電極部７間に挿入される複数の電極部９が設けられている。
【００１９】
電極部７，９の外周面には、膨出部７ａ，９ａがそれぞれ設けられている。この膨出部７ａ，９ａは、梁状部材６及び固定電極８における電極部７，９の支持面Ｓ６，Ｓ９に対してほぼ平行に突出する部位を有しており、例えば、ひし形、長方形、楕円形、台形等の形状となっている。なお、本実施形態の膨出部７ａ，９ａでは共にひし形となっている。この膨出部７ａ，９ａは、電極部７，９の長さを短くして小型化を図る観点から、電極部７，９の先端部分に設けられているのが好ましい。
【００２０】
梁状部材６の中央部には、光路Ａ上を通る光を光路Ｂに向けて反射させるミラー１０が固定されている。このミラー１０は、平面導波路２の溝部４内に入り込むように構成されている。
【００２１】
なお、梁状部材６、ミラー１０、固定電極８は、低コスト化及び製造を容易にさせるために、導電性を有するＳｉで形成されているのが望ましい。また、ミラー１０の表面には、反射率向上の観点から、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等がコーティングされているのが望ましい。
【００２２】
梁状部材６と固定電極８とは電圧源１１を介して接続されており、この電圧源１１により梁状部材６と固定電極８との間に所定の電圧を加えることで両者間に静電気力を発生させる。これら梁状部材６と固定電極８と電圧源１１とによって本実施形態に係る静電アクチュエータ１８が構成される。そして、この静電気力によって、図１に示すような梁状部材６と固定電極８とが引き離された状態では梁状部材６が固定電極８に引き寄せられるようになっている。図３は、梁状部材６が固定電極８に引き寄せられた状態を示す図である。
【００２３】
このように静電気を用いることで、小さな消費電力で梁状部材６を駆動させることができる。更に、梁状部材６と固定電極８とにそれぞれ電極部を設けたことで、小さな印加電圧でも大きな静電気力を発生させることができる。
【００２４】
梁状部材６の一方の端部には、梁状部材６の長手方向に延在する連結部材１２が接続されている。この連結部材１２における梁状部材６との接続側（連結部材１２の先端側）部分は、円弧状に湾曲した形状を有している。また、連結部材１２の先端部は、平面導波路２とアクチュエータ構造体５とを接合するアンカー１３に接続されている。一方、連結部材１２における梁状部材６との接続側と反対に位置する基端部には補助部材１４が設けられており、この補助部材１４は、平面導波路２に設けられた凹部１５に入り込んで係合している。
【００２５】
以上のような本実施形態に係る光スイッチ１において、例えば、ミラー１０が光路Ａ上を通る光を遮断する位置（遮断位置）にある場合（図１）を初期状態とし、この状態から、ミラー１０を、光路Ａ上を通る光を通過させる位置（通過位置）に移動させる場合は、梁状部材６と固定電極８との間に電圧を加えて静電気力を発生させる。すると、図３に示すように、梁状部材６が固定電極８側に引き寄せられ、ミラー１０が通過位置に移動する。このとき、補助部材１４は連結部材１２の移動に伴って凹部１５内を移動し、凹部１５の内壁に当接して停止する。これに伴って、梁状部材６の移動が停止される。そして、この状態で補助部材１４を保持することにより、ミラー１０を初期状態から通過位置に移動させた後の梁状部材６に圧縮応力を生じさせた状態で、梁状部材６をその位置に保持させる。これにより、梁状部材６と固定電極８との間に電圧を加え続けなくても、ミラー１０を安定して移動後の位置に自己保持させることができる。したがって、振動等によるミラーの位置ズレが防止される。
【００２６】
ここで、図４及び図５を参照して、梁状部材６の移動するメカニズムについて説明する。図４は、図１に示す領域Ｍの拡大図であり、図５は、図３に示す領域Ｎの拡大図である。
【００２７】
まず、梁状部材６を固定電極８に引き寄せる場合について説明する。まず、図１に示すような梁状部材６と固定電極８とが引き離された状態で、電圧源１１により梁状部材６と固定電極８との間に所定の電圧を加える。すると、図４に示すように、膨出部７ａと膨出部９ａとには静電気力Ｆ１が働き、膨出部７ａと膨出部９ａは引き寄せ合う。これにより、移動可能な梁状部材６が固定電極８の方へと移動する。
【００２８】
このとき、電圧源１１による電圧は、例えば瞬間的に加える。これにより、梁状部材６は電圧が加えられなくても慣性によって固定電極８に向かって移動し、その後、上記連結部材１２の働きによって所望の位置で停止される（図５参照）。このように電圧源１１による印加は瞬間的でよいため、極めて小さな電圧で済む。ところで、電圧源１１による電圧を加え続けた場合、膨出部７ａと膨出部９ａとが最も接近した状態、すなわち、膨出部７ａと膨出部９ａとが並列した状態において静電気力Ｆ１が支持面Ｓ６，Ｓ９と平行な方向で釣り合い、梁状部材６の移動が停止する。したがって、電圧源１１による印加は、少なくとも膨出部７ａと膨出部９ａとが最も接近した状態となる前に停止する。
【００２９】
固定電極８の所望の停止位置とは、図５に示す状態で梁状部材６と固定電極８との間に所定の電圧を加えたとき、梁状部材６を固定電極８に引き寄せるように働く静電気力Ｆ３よりも梁状部材６を固定電極８から引き離すように働く静電気力Ｆ２のほうが大きくなる位置である。
【００３０】
図５に示す状態から、梁状部材６を固定電極８から引き離すときは、電圧源１１によって再び梁状部材６と固定電極８との間に所定の電圧を加える。電極部７，９には、それぞれ膨出部７ａ，９ａが設けられているため、図５に示すように、梁状部材６を固定電極８から引き離すように作用する静電気力Ｆ２が働く。このとき、膨出部７ａ及び膨出部９ａには、梁状部材６を固定電極８に引き寄せるように作用する静電気力Ｆ３も働く。しかし、梁状部材６は、上述したように、静電気力Ｆ３よりも静電気力Ｆ２の方が大きくなる位置に停止しているため、膨出部７ａと膨出部９ａとは引き寄せ合う。したがって、連結部材１２による保持状態を解除すれば、梁状部材６は固定電極８から引き離されるように移動し、図１に示す状態となる。
【００３１】
この場合も、電圧源１１による電圧は瞬間的に加えればよい。これにより、梁状部材６は電圧が加えられなくても慣性によって固定電極８に向かって移動するため、電圧源１１による印加電圧は極めて小さな量で済む。また、電圧源１１による印加は、梁状部材６と固定電極８とを引き寄せる場合と同様の理由から、少なくとも膨出部７ａと膨出部９ａとが最も接近した状態となる前に停止させる。
【００３２】
以上のように、本実施形態に係る静電アクチュエータ１８によれば、梁状部材６及び固定電極８の電極部７，９に膨出部７ａ，９ａを設けたため、固定電極８から梁状部材６を引き離す方向の静電気力Ｆ２を発生させることができる。したがって、他の電極を必要とすることなく、梁状部材６を固定電極８に対して引き寄せ及び引き離すことができるため、小型で高集積化可能となる。
【００３３】
そして、本実施形態に係る光スイッチ１は、上記の静電アクチュエータ１８を備えているため、梁状部材６の延在方向に直交する方向の省スペース化が図れる。したがって、小型で高集積化可能な光スイッチを実現することができる。また、図６に示すように、平面導波路３０に複数組の光路を設け、その複数組の光路に対応して平面導波路３０の上部に複数のアクチュエータ構造体５をアレイ状に配置することが可能となる。これにより、複数の光スイッチを小型にパッケージングすることができ、高集積化及び多チャンネル化も可能となる。
【００３４】
図７は、上述した光スイッチを備えた光デバイスの一例を示したものである。図７に示す光デバイス４０は、平面導波路４１に複数の光路が設けられており、該光路上に複数の光スイッチ１が設置されている。この光デバイス４０は、入出力端Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４のいずれかからの光を、各光スイッチ１を適当に動作させて光路切換を行うことにより、所望の入出力端Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４に到達させるものである。このような光デバイス４０は、上述した光スイッチ１を用いて構成されるため、小型化及び高集積化を図ることができる。
【００３５】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、電極部７と電極部９との延在方向が同一方向となっているが、図８に示すように、梁状部材６と固定電極８との高さ位置が異なり、電極部７と電極部９との延在方向のなす角の角度がθ（０°＜θ＜１８０°）となっていてもよい。なお、図８（ａ）は、梁状部材６と固定電極８とが引き離された状態を示し、図８（ｂ）は、梁状部材６が固定電極８に引き寄せられた状態を示している。
【００３６】
また、膨出部は、梁状部材（可動電極）６の電極部（第１電極部）７のみに設けられていてもよい。これにより、静電アクチュエータの小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００３７】
更に、上記実施形態の光スイッチは２×２スイッチであるが、本発明は、ON／OFFスイッチやｍ×ｎスイッチ等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態に係る静電アクチュエータを備えた光スイッチを示す概略平面図である。
【図２】図１に示す光スイッチの側面図である。
【図３】梁状部材が固定電極に引き寄せられた状態を示す図である。
【図４】図１に示す領域Ｍの拡大図である。
【図５】図３に示す領域Ｎの拡大図である。
【図６】図１に示す光スイッチのアレイ化された状態を示す図である。
【図７】図１に示す光スイッチを備えた光デバイスの一例を示したものである。
【図８】本実施形態に係る静電アクチュエータの変形態様を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…光スイッチ、２…平面導波路、３…光導波路、４…溝部、５…アクチュエータ構造体、６…梁状部材（可動電極）、７…電極部（第１電極部）、７ａ…膨出部、８…固定電極、９…電極部（第２電極部）、９ａ…膨出部、１０…ミラー、１１…電圧源、１２…連結部材（保持手段）、１４…補助部材（停止手段）、１５…凹部（停止手段）、１８…静電アクチュエータ、３０…平面導波路、４０…光デバイス。
【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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【図８】
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