(57)【要約】【課題】嵌合ユニットにより保持されているラッチ状態を解除する動作を安定に行うアクチュエータ及び光デバイスを提供する。【解決手段】第１及び第２の方向に変位可能な中央電極ユニット１３、１４と、中央電極ユニットとの嵌合により、第１及び第２の変位状態及び中央状態のうち少なくとも１つの状態に保持する嵌合ユニット２ａと、中央電極ユニットに対して第１の方向に応力を加えると同時に、自ら第２の方向に変位することにより嵌合ユニットが保持する第２の変位状態を解除する第１の側電極ユニット１８と、中央電極ユニットに対して第２の方向に応力を加えると同時に、自ら第１の方向に変位することにより嵌合ユニットが保持する第１の変位状態を解除する第２の側電極ユニット２１とを有し、第１の側電極ユニットが第２の変位状態或いは中央状態の解除動作を開始する際、第２の側電極ユニットは中央電極ユニットに対して第２の方向に応力を加える。【選択図】図１９
2005245061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向及び前記第１の方向に対向する第２の方向にそれぞれ変位可能な中央電極ユニットと、
前記中央電極ユニットと嵌合することにより、前記中央電極ユニットを前記第１の方向へ変位した第１の変位状態、前記第２の方向へ変位した第２の変位状態、及び前記第１及び第２の方向の何れにも変位していない中央状態のうち少なくとも１つの状態に保持する嵌合ユニットと、
前記中央電極ユニットに対して前記第１の方向に応力を加えると同時に、自ら前記第２の方向に変位することにより前記嵌合ユニットが保持する前記第２の変位状態あるいは前記中央状態を解除する第１の側電極ユニットと、
前記中央電極ユニットに対して前記第２の方向に応力を加えると同時に、自ら前記第１の方向に変位することにより前記嵌合ユニットが保持する前記第１の変位状態あるいは前記中央状態を解除する第２の側電極ユニットとを有し、
前記第１の側電極ユニットが前記第２の変位状態あるいは前記中央状態を解除する動作を開始する際、前記第２の側電極ユニットは、前記中央電極ユニットに対して前記第２の方向に応力を加えることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記中央電極ユニットと前記第１の側電極ユニットとの間に第１の電位差を印加することにより、前記第１の側電極ユニットは、前記第２の変位状態あるいは前記中央状態を解除し、
前記第１の側電極ユニットが前記第２の変位状態あるいは前記中央状態を解除する動作を開始する際、前記中央電極ユニットと前記第２の側電極ユニットとの間に前記第１の電位差よりも大きい第２の電位差を印加することにより、前記中央電極ユニットに対して第２の方向に応力を加えることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
第１の方向及び前記第１の方向に対向する第２の方向にそれぞれ変位可能な中央電極ユニットと、
前記中央電極ユニットと嵌合することにより、前記中央電極ユニットを前記第１の方向へ変位した第１の変位状態、前記第２の方向へ変位した第２の変位状態、及び前記第１及び第２の方向の何れにも変位していない中央状態のうち少なくとも１つの状態に保持する嵌合ユニットと、
前記中央電極ユニットに対して前記第１の方向に応力を加えると同時に、自ら前記第２の方向に変位することにより前記嵌合ユニットが保持する前記第２の変位状態あるいは前記中央状態を解除する第１の側電極ユニットと、
前記中央電極ユニットに対して前記第２の方向に応力を加えると同時に、自ら前記第１の方向に変位することにより前記嵌合ユニットが保持する前記第１の変位状態あるいは前記中央状態を解除する第２の側電極ユニットと、
前記中央電極ユニットに接続されたミラーと、
前記ミラーの近傍において交差又は対向する１対の光導波路とを有し、
前記第１の側電極ユニットが前記第２の変位状態あるいは前記中央状態を解除する動作を開始する際、前記第２の側電極ユニットは、前記中央電極ユニットに対して前記第２の方向に応力を加える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】
本発明はアクチュエータ及び光デバイスに関し、特に、微小電気機械システムによるアクチュエータ及び光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光デバイスの１つである光スイッチは主として、機械式、導波路式、微小電気機械システム（micro-electro-mechanical system：ＭＥＭＳ）式の３つに区別される。この中でＭＥＭＳ式は、半導体プロセスで形成されるマイクロマシニング技術を用いることにより、光導波路、ミラー及び駆動機構を１つのシリコンチップ上に一体形成することができる。また、光通信に使用される光ファイバのコア径は９μｍと小さく、ＭＥＭＳ式はサイズとコストの面から光スイッチへの応用が期待されてきた。
【０００３】
ＭＥＭＳ機構の駆動原理には、静電気による引力が利用されてきた。２枚の電極間の面方向引力を利用するギャップクロージング方式と、相対して配置された櫛歯型電極の面平行方向の引力を利用するコム方式に大別される。長ストロークを得るにはコム方式が優れている。
【０００４】
従来より、図２１に示すようなコム方式双方向アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。可撓性の支持体１５３で懸吊された可動コム電極１５２を中央に配置し、相対して固定コム電極１５１ａ、１５１ｂを左右に配置し、左右の固定コム電極１５１ａ、１５１ｂに交互に荷電することで、アースされた中央の可動コム電極１５２を左右に動かしている。例えば、左の固定コム電極１５１ａに荷電すれば、中央の可動コム電極１５２は左側へ引き寄せられ、支持体１５３のバネ反力と静電気の引力がバランスする位置まで、またはその途中に設けられるストッパまで移動する。左の固定コム電極１５１ａを除電すると、静電気の引力が無くなり、中央の可動コム電極１５２は支持体１５３のバネ反力により中央位置に戻る。右方向の移動も同様に行われる。
【０００５】
また、静電気力により駆動されて固定電極の側へ変位可能な第１可動電極板上に係止孔を設けられ、固定電極上に配置された係止爪が上記の係止孔に押し込まれて第１可動電極が変位した状態で機械的に係止される光スイッチであって、係止の解除を第２可動電極上に配置された係止解除孔が係止爪を押圧して弾性変形させて行うものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】米国特許第５０２６３４６号明細書
【特許文献２】特開２００１−２６４６５１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図２１に示した従来例では、中央の可動コム電極１５２は左右の固定コム電極１５２ａ、１５１ｂに荷電されている時だけ、左右の位置に移動する。従って、左右位置に可動コム電極１５２を保持するためには、常時通電する必要があり、長時間動かさない使い方をする場合、不経済である。しかしながら、短時間だけ通電し、可動コムが左右位置に移動後は電源が切れてもその位置を保持するラッチ式の光スイッチを図２１に示した従来例で構成することは困難であった。
【０００７】
また、左右の固定コム電極１５２ａ、１５１ｂに荷電せず、可動コム電極１５２が中央に位置する時は、可動コム電極１５２を懸吊している支持体１５３は、撓んでいない状態であるため、振動や衝撃などの外力が作用すると可動コム電極１５２は慣性力により揺動することになる。したがって、可動コム電極１５２の中央位置は安定位置ではあるが、可動コム電極１５２は完全に固定されてはいない。
【０００８】
特許文献２の光スイッチにおいて、係止の解除動作の際の係止爪と係止孔の間の静摩擦力が考慮されておらず、この静摩擦力が係止爪の弾性変形を妨げてしまう場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の特徴は、第１の方向及び第１の方向に対向する第２の方向にそれぞれ変位可能な中央電極ユニットと、中央電極ユニットと嵌合することにより、中央電極ユニットを第１の方向へ変位した第１の変位状態、第２の方向へ変位した第２の変位状態、及び第１及び第２の方向の何れにも変位していない中央状態のうち少なくとも１つの状態に保持する嵌合ユニットと、中央電極ユニットに対して第１の方向に応力を加えると同時に、自ら第２の方向に変位することにより嵌合ユニットが保持する第２の変位状態あるいは中央状態を解除する第１の側電極ユニットと、中央電極ユニットに対して第２の方向に応力を加えると同時に、自ら第１の方向に変位することにより嵌合ユニットが保持する第１の変位状態あるいは中央状態を解除する第２の側電極ユニットとを有するアクチュエータであって、第１の側電極ユニットが第２の変位状態あるいは中央状態を解除する動作を開始する際、第２の側電極ユニットは、中央電極ユニットに対して第２の方向に応力を加えることを要旨とする。
【００１０】
本発明の第２の特徴は、第１の特徴に係るアクチュエータと、中央電極ユニットに接続されたミラーと、ミラーの近傍において交差又は対向する１対の光導波路とを有する光デバイスであることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、嵌合ユニットにより保持されているラッチ状態を解除する動作を安定に行うアクチュエータ及び光デバイスを提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【００１３】
本発明は、同一出願人による未公開先願（特願２００３−３０１５４９号）に開示された発明を基礎発明とする改良発明であり、本発明の実施の形態を説明する前に先ず上記未公開先願に開示されたアクチュエータ及び光デバイスの一例について説明する。
【００１４】
＜基本構成及び動作＞
図１に示すように、上記未公開先願に開示されたアクチュエータは、アクチュエータ全体を支持する固定部５と、固定部５にその一端が接続された可撓性の中央支持部６と、中央支持部６の他端に接続された中央電極ユニット１と、固定部５に接続された嵌合ユニット２と、固定部５にその一端が接続された可撓性の第１の側支持部７と、第１の側支持部７の他端に接続された第１の側電極ユニット３と、固定部５にその一端が接続された可撓性の第２の側支持部８と、第２の側支持部８の他端に接続された第２の側電極ユニット４とを有する。
【００１５】
中央電極ユニット１は、中央支持部６が撓むことにより、第１の方向及び第１の方向に対向する第２の方向にそれぞれ変位可能である。嵌合ユニット２は、中央電極ユニット１と嵌合することにより、中央電極ユニット１を第１の方向へ変位した「第１の変位状態」、第２の方向へ変位した「第２の変位状態」、及び第１及び第２の方向の何れにも変位していない「中央状態」に保持する。第１の側電極ユニット３は、第２の方向に変位することにより嵌合ユニット２が保持する第２の変位状態あるいは中央状態を解除する。第２の側電極ユニット４は、第１の方向に変位することにより嵌合ユニット２が保持する第１の変位状態あるいは中央状態を解除する。
【００１６】
中央電極ユニット１は、中央支持部６の他端に接続された可動プレート１２と、可動プレート１２に第１の方向へ接続された第１の中央電極１３と、可動プレート１２に第２の方向へ接続された第２の中央電極１４と、可動プレート１２に第１及び第２の方向へ接続された中央嵌合部（１５ａ、１５ｂ）とを有する。第１の側電極ユニット３は、第１の側支持部７の他端に接続された第１の側電極１８と、第１の側電極１８に接続された第１の嵌合解除部１９とを有する。第２の側電極ユニット４は、第２の側支持部８の他端に接続された第２の側電極２１と、第２の側電極２１に接続された第２の嵌合解除部２２とを有する。図１においては、第１の方向が左方向に相当し、第２の方向が右方向に相当する。
【００１７】
中央嵌合部（１５ａ、１５ｂ）は、可動プレート１２に第１の方向へ接続された第１の中央嵌合部１５ａと、可動プレート１２に第２の方向へ接続された第２の中央嵌合部１５ｂとを有する。即ち、第１の中央嵌合部１５ａは、可動プレート１２に連結されて第１の方向へ延ばされている。第２の中央嵌合部１５ｂは、可動プレート１２に連結されて第２の方向へ延ばされている。嵌合ユニット２は、第１の中央嵌合部１５ａと嵌合する第１の側嵌合部２ａと、第２の中央嵌合部１５ｂと嵌合する第２の側嵌合部２ｂとを有する。
【００１８】
第１の中央嵌合部１５ａは、第１の中央爪３２ａと、第１の側爪３３ａとを有する。第２の中央嵌合部１５ｂは、第２の中央爪３２ｂと、第２の側爪３３ｂとを有する。第１の側嵌合部２ａは、第１の嵌合爪３１ａと、第１の嵌合解除部１９に接触する第１の凸部１６ａとを有する。第２の側嵌合部２ｂは、第２の嵌合爪３１ｂと、第２の嵌合解除部２２に接触する第２の凸部１６ｂとを有する。
【００１９】
可動プレート１２、第１の側電極１８、及び第２の側電極２１は、それぞれ４本の可撓性の支持部６〜８に懸吊されている。第１及び第２の中央電極１３、１４は、可動プレート１２の両脇にそれぞれ配置されている。固定部５は、ＭＥＭＳ構造体の基本構成要素である。なお、支持部６〜８は、それぞれ上下１本づつであっても構わないし、折り返し構造にすることも可能である。折り返し構造である場合、撓んだ場合の支持部６〜８の伸びを緩和することができる。支持部６〜８によって、中央電極ユニット１、第１の側電極ユニット３、及び第２の側電極ユニット４は、それぞれ第１及び第２の方向、即ち、直線的（一次元的）に可動することができる。
【００２０】
可動プレート１２、第１の中央電極１３、第２の中央電極１４、及び中央嵌合部（１５ａ、１５ｂ）は、中央支持部６が撓むことにより、第１及び第２の方向にそれぞれ変位可能である。第１の側電極１８は、第１の側支持部７が撓むことにより、第２の方向に変位可能である。第２の側電極２１は、第２の側支持部８が撓むことにより、第１の方向に変位可能である。
【００２１】
第１の中央電極１３と第１の側電極１８の間に電位差を生じさせることにより、第１の中央電極１３と第１の側電極１８の間に静電引力が生じ、第１の中央電極１３を含む中央電極ユニット１は第１の方向へ変位し、第１の側電極１８を含む第１の側電極ユニット３は第２の方向へ変位する。一方、第２の中央電極１４と第２の側電極２１の間に電位差を生じさせることにより、第２の中央電極１４と第２の側電極２１の間に静電引力が生じ、第２の中央電極１４を含む中央電極ユニット１は第２の方向へ変位し、第２の側電極２１を含む第２の側電極ユニット４は第１の方向へ変位する。
【００２２】
第１の側嵌合部２ａは、第１の嵌合爪３１ａと第１の中央嵌合部１５ａの第１の中央爪３２ａと嵌合することにより、可動プレート１２を中央状態に保持する。また、第１の側嵌合部２ａは、第１の嵌合爪３１ａと第１の中央嵌合部１５ａの第１の側爪３３ａと嵌合することにより、可動プレート１２を第２の変位状態に保持する。即ち、第１の中央爪３２ａは、可動プレート１２が中央状態よりも第１の方向へ移動することを防止し、第１の側爪３３ａは、可動プレート１２が第２の変位状態よりも第１の方向へ移動することを防止する。一方、第２の側嵌合部２ｂは、第２の嵌合爪３１ｂと第２の中央嵌合部１５ｂの第２の中央爪３２ｂと嵌合することにより、可動プレート１２を中央状態に保持する。また、第２の側嵌合部２ｂは、第２の嵌合爪３１ｂと第２の中央嵌合部１５ｂの第２の側爪３３ｂと嵌合することにより、可動プレート１２を第１の変位状態に保持する。即ち、第２の中央爪３２ｂは、可動プレート１２が中央状態よりも第２の方向へ移動することを防止し、第２の側爪３３ｂは、可動プレート１２が第１の変位状態よりも第２の方向へ移動することを防止する。このようにして、嵌合ユニット２は、中央嵌合部（１５ａ、１５ｂ）と嵌合することにより、可動プレート１２を第１の変位状態、第２の変位状態、及び中央状態に保持する。なお、可動プレート１２が中央状態にある場合において、第１の嵌合爪３１ａと第１の中央爪３２ａとは嵌合している、つまり両者の隙間がゼロであるか、或いは極微小な間隔を空けて近接配置されている。同様に、可動プレート１２が中央状態にある場合において、第２の嵌合爪３１ｂと第２の中央爪３２ｂとは嵌合している、つまり両者の隙間がゼロであるか、或いは極微小な間隔を空けて近接配置されている。
【００２３】
第１の嵌合解除部１９は、第１の側電極１８が第２の方向に変位することにより、第１の凸部１６ａを押して第１の側嵌合部２ａを撓ませ、そして、第１の中央爪３２ａと第１の嵌合爪３１ａの間の嵌合或いは第１の側爪３３ａと第１の嵌合爪３１ａの間の嵌合を解除する。一方、第２の嵌合解除部２２は、第２の側電極２１が第１の方向に変位することにより、第２の凸部１６ｂを押して第２の側嵌合部２ｂを撓ませ、そして、第２の中央爪３２ｂと第２の嵌合爪３１ｂの間の嵌合或いは第２の側爪３３ｂと第２の嵌合爪３１ｂの間の嵌合を解除する。即ち、第１及び第２の嵌合解除部１９、２２は、嵌合ユニット２を撓ませて中央嵌合部（１５ａ、１５ｂ）と嵌合ユニット２の間の嵌合を解除する。
【００２４】
なお、中央嵌合部（１５ａ、１５ｂ）、嵌合ユニット（２ａ、２ｂ）、第１及び第２の嵌合解除部（１９、２２）、及び第１及び第２の中央爪（３２ａ、３２ｂ）は、第１及び第２の方向に対して垂直な方向に対象に配置されている。しかし、片側だけであっても、状態保持機能を発揮することができる。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、中央支持部６の一端は、固定部５に接続／固定されている。図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、図２（ａ）の点線で囲んだ領域３５を拡大して示す。固定部５及び中央支持部６は、第１の層内に配置され、固定部５は、第１の層の下に絶縁膜３６を介して重ね合わされた第２の層内に配置されている基板３７に接続されている。中央支持部６は、基板３７の上方に重ね合わせて配置されている。しかし、中央支持部６と基板３７との間に絶縁膜３６は配置されておらず、中央支持部６は、基板３７に対して自由に撓む（変位する）ことができる。同様に、図１に示した第１及び第２の側支持部７、８及び嵌合ユニット（２ａ、２ｂ）も、基板３７の上方に絶縁膜３６を介さずに配置され、基板３７に対して自由に撓むことができる。更に、中央支持部６に接続された中央電極ユニット１、第１及び第２の側支持部７、８に接続された第１及び第２の側電極ユニット３、４、及び嵌合ユニット２も、基板３７の上方に絶縁膜３６を介さずに配置され、基板３７に対して自由に変位することができる。
【００２６】
なお、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示した構造は、半導体プロセスを用いて容易に形成可能である。即ち、フォトリソグラフィ法、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）などの異方性エッチング法、及び絶縁膜（酸化膜）３６のウェットエッチング法を用いて、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示した構造を容易に実現することができる。
【００２７】
また、第１の中央電極１３と第１の側電極１８間の電気的短絡、及び第２の中央電極１４と第２の側電極１２間の電気的短絡を防止する施策を３次元的に、又は２次元的に施すことで、図１に示したアクチュエータを多層基板或いは単層基板のいずれにおいても形成することが出来る。
【００２８】
次に、図３〜図１４を参照して、図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する。
【００２９】
先ず、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）が中央状態から第２の変位状態へ移動する場合について説明する。
【００３０】
（イ）第２の中央電極１４と第２の側電極２１の間に電位差を生じさせる。ここでは、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）に接地電位（アース）を印加し、第２の側電極２１に対して所定の電圧を印加する。すると、図３に示すように、第２の中央電極１４と第２の側電極２１の間で静電引力が生じ、両者は互いに引き合う方向に応力が生じる。しかし、第２の中央爪３２ｂが第２の嵌合爪３１ｂと嵌合（干渉）している為、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）は、中央状態から第２の方向へ変位することができない。一方、第２の側電極ユニット（２１、２２）は、第２の側支持部８が撓むことにより、第１の方向へ変位する。第１の方向への変位と同時に、第２の嵌合解除部２２は第２の凸部１６ｂに応力を加えるため、第２の側嵌合部２ｂは内側へ撓む。
【００３１】
（ロ）第２の側嵌合部２ｂがある一定値以上内側へ撓むと、図４に示すように、第２の中央爪３２ｂと第２の嵌合爪３１ｂとの嵌合が解除される。即ち、第２の側嵌合部２ｂが保持していた中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）の中央状態が解除される。従って、中央状態の解除と同時に、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）は、中央支持部６が撓むことにより、第２の方向へ変位し始める。
【００３２】
（ハ）中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）が第２の方向へ変位すると、図５に示すように、第１の側爪３３ａは第１の嵌合爪３１ａに応力を加え、第１の側嵌合部２ａは内側へ撓む。
【００３３】
（ニ）中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）が更に第２の方向へ変位して、第１の側爪３３ａが第１の嵌合爪３１ａから外れると、図６に示すように、第１の嵌合爪３１ａへの応力が無くなり、撓んでいた第１の側嵌合部２ａが弾性力により元の状態に戻る。すると、第１の嵌合爪３１ａは第１の側爪３３ａと嵌合して、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）は、第１の方向へ変位することができなくなる。即ち、第１の側嵌合部２ａは、第１の中央嵌合部１５ａと嵌合することにより、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）を、第２の方向へ変位した第２の変位状態に保持する。したがって、図７に示すように、第２の側電極２１に対する電圧印加を停止しても、即ち除電しても、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）は、安定して第２の変位状態に保持される。
【００３４】
次に、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）が第２の変位状態から第１の変位状態へ移動する場合について説明する。
【００３５】
（ホ）第１の中央電極１３と第１の側電極１８の間に電位差を生じさせる。ここでは、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）に接地電位（アース）を印加し、第１の側電極１８に対して所定の電圧を印加する。すると、図７に示すように、第１の中央電極１３と第１の側電極１８の間で静電引力が生じ、両者は互いに引き合う方向に変位しようとする。しかし、第１の側爪３３ａが第１の嵌合爪３１ａと嵌合（干渉）している為、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）は、第２の変位状態から第１の方向へ変位することができない。一方、図８に示すように、第１の側電極ユニット（１８、１９）は、第１の側支持部７が撓むことにより、第２の方向へ変位する。第２の方向への変位と同時に、第１の嵌合解除部１９は第１の凸部１６ａに応力を加えるため、第１の側嵌合部２ａは内側へ撓む。
【００３６】
（へ）第１の側嵌合部２ａがある一定値以上内側へ撓むと、図８に示すように、第１の側爪３３ａと第１の嵌合爪３１ａとの嵌合が解除される。即ち、第１の側嵌合部２ａが保持していた中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）の第２の変位状態が解除される。従って、図９に示すように、第２の変位状態の解除と同時に、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）は、第１の中央電極１３の静電引力により、第１の方向へ変位し始める。
【００３７】
（ト）中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）が第１の方向へ変位すると、図９に示すように、第２の側爪３３ｂは第２の嵌合爪３１ｂに応力を加え、第２の側嵌合部２ｂは内側へ撓む。中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）が更に第１の方向へ変位して、第２の側爪３３ｂが第２の嵌合爪３１ｂから外れると、図１０に示すように、第２の嵌合爪３１ｂへの応力が無くなり、撓んでいた第２の側嵌合部２ｂが弾性力により元の状態に戻る。すると、第２の嵌合爪３１ｂは第２の側爪３３ｂと嵌合して、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）は、第２の方向へ変位することができなくなる。即ち、第２の側嵌合部２ｂは、第２の中央嵌合部１５ｂと嵌合することにより、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）を、第１の方向へ変位した第１の変位状態に保持する。したがって、第１の側電極１８に対する電圧印加を停止しても、即ち除電しても、図１１に示すように、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）は、安定して第１の変位状態に保持される。
【００３８】
次に、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）が第１の変位状態から中央状態へ移動する場合について説明する。
【００３９】
（チ）中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）に接地電位（アース）を印加し、第１の側電極１８及び第２の側電極２１に対して所定の電圧をそれぞれ印加する。すると、図１１に示すように、第１の中央電極１３と第１の側電極１８の間、及び第１の中央電極１４と第２の側電極２１の間で静電引力が生じ、第１の側電極ユニット（１８、１９）及び第２の側電極ユニット（２１、２２）は中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）へ引き寄せられる方向に応力が生じる。しかし、第２の側爪３３ｂが第２の嵌合爪３１ｂと嵌合（干渉）している為、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）は、第１の変位状態に保持されて第２の方向へ変位することができない。
【００４０】
（リ）一方、図１２に示すように、第１の側電極ユニット（１８、１９）は第２の方向に変位し、第２の側電極ユニット（２１、２２）は第１の方向に変位する。第２の側電極ユニット（２１、２２）が第１の方向へ変位すると、第２の嵌合解除部２２は第２の凸部１６ｂに応力を加えるため、第２の側嵌合部２ｂは内側へ撓む。
【００４１】
（ヌ）第２の側嵌合部２ｂがある一定値以上内側へ撓むと、図１３に示すように、第２の側爪３３ｂと第２の嵌合爪３１ｂとの嵌合が解除される。即ち、第２の側嵌合部２ｂが保持していた中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）の第１の変位状態が解除される。従って、第１の変位状態の解除と同時に、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）は、中央支持部６の弾性力により、第２の方向へ変位し始める。
【００４２】
（ル）中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）は、図１４に示すように、第１の側電極１８及び第２の側電極２１による静電引力が釣り合い、左右の引力が相殺されるので、中央支持部６の弾性力により中央状態まで移動して中央状態で安定する。そして、第１の側電極１８及び第２の側電極２１に対する電圧印加を停止しても、即ち除電しても、図１に示したように、第１の側嵌合部２ａ及び第２の側嵌合部２ｂは、弾性力により元の状態に復元して、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）を安定して中央状態に保持する。第１の側電極ユニット（１８、１９）及び第２の側電極ユニット（２１、２２）も、第１及び第２の側支持部７、８の弾性力により元の状態に戻る。
【００４３】
このように、第１の側電極１８或いは第２の側電極２１の何れかに荷電する前までは、可動プレート１２は、状態保持作用により中央位置に固定されている。第１の側電極１８或いは第２の側電極２１の何れかに荷電することにより、中央状態での状態保持作用が解除される。そして、可動プレート１２は荷電された電極１８、２１の方向へ移動し、新たな位置での状態保持作用が働く。そして、反対側電極２１、１８を荷電すると可動プレート１２は、反対側電極２１、１８の動きにより現位置での状態保持作用が解除されると同時に引き寄せられ、中央位置を通過して反対側変位状態において状態保持作用が働き固定される。第１及び第２の側電極１８、２１に同時に荷電するか、或いは中央電極１３、１４に荷電すると、第１及び第２の側電極１８、２１の動きにより、現位置での状態保持作用が解除される。そして、可動プレート１２は、第１の側電極１８と第２の側電極２１の静電引力が相殺される中央位置まで中央支持部６のバネ力により復元し、中央位置において状態保持作用が働き、固定される。
【００４４】
以上説明したように、嵌合ユニット（２ａ、２ｂ）は、第１及び第２の変位状態及び中央状態において、中央嵌合部（１５ａ、１５ｂ）と嵌合することにより、中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）を安定して第１及び第２の変位状態及び中央状態に保持することができる。よって、第１及び第２の変位状態及び中央状態における中央電極ユニット（１２〜１４、１５ａ、１５ｂ）の位置精度を向上させることができる。
【００４５】
また、可動プレート１２を第１及び第２の変位状態にそれぞれ保持することにより、第１の側電極１８或いは第２の側電極２１に常時通電する必要が無くなくなる。
【００４６】
また、第１の側電極１８及び第２の側電極２１に荷電せず、可動プレート１２が中央状態に位置する場合において振動や衝撃などの外力が作用しても、中央支持部６は撓むことなく、可動プレート１２は揺動することがない、或いは、ごく僅かな揺動のみに規制され、実質上固定される。
【００４７】
中央電極ユニット１、第１の側電極ユニット３、及び第２の側電極ユニット４に、短時間だけ荷電するだけで、可動プレート１２を３つの状態（第１及び第２の変位状態、及び中央状態）に移動させ、且つその状態で安定して固定することができる。即ち、スイッチとして極めて有効な構造を構築することができ、各種スイッチに応用可能なＭＥＭＳアクチュエータを提供することができる。
【００４８】
図１５は、上記未公開先願に開示された、図１に示したアクチュエータを用いた光スイッチの一例を示す。光スイッチは、図１に示したアクチュエータと、可動プレート１２から伸ばされた剛体アーム８８と、剛体アーム８８の先端に接続されたミラー９０と、ミラー９０に近傍において対向する光導波路（例えば、光ファイバ）１０１ａ、１０１ｂとを有する。
【００４９】
図１６（ａ）に示すように、光導波路１０１ａ、１０１ｂの間隙部分にミラー９０が挿入された場合、光導波路１０１ａから出力される光１０２ａは、ミラー９０によって反射され、光導波路１０１ｂに到達しない。
【００５０】
図１６（ｂ）に示すように、光導波路１０１ａ、１０１ｂの間隙部分にミラー９０が挿入されない場合、光導波路１０１ａから出力される光１０２ｂは、ミラー９０によって反射されずに直進して、光導波路１０１ｂに到達する。
【００５１】
＜ラッチ解除動作＞
次に、図１７乃至図２０を参照して、本発明の実施の形態に係わるアクチュエータの第１及び第２の変位状態（ラッチ状態）を解除する際の動作について説明する。
【００５２】
上述したように、図１に示したアクチュエータにおいては、双方向（第１及び第２の方向）に稼動する可動プレート１２の左右にコム電極（第１及び第２の中央電極１３、１４）が配置され、更にその可動電極（１３、１４）の左右に相対して可動電極（第１及び第２の側電極１８、２１）が配置されている。第１の中央電極１３と第１の側電極１８の間、及び第２の中央電極１４と第２の側電極２１の間の静電引力によって、第１の側電極ユニット（１８、１９）と第２の側電極ユニット（２１、２２）は左右へ稼動し、可動プレート１２の左右位置におけるラッチ状態（第１及び第２の変位状態）の解除を行っている。即ち、第１及び第２の側電極１８、２１の動きを機械的に連動させることによってラッチの解除動作が行われる。
【００５３】
例えば、図７に示したように、第２の変位状態においてラッチ爪（３１ａ、３３ａ）が互いに勘合して機械的にラッチが掛かっている時、ラッチ爪（３１ａ、３３ａ）に加わる力（可動プレート１２の動作方向）は中央支持部６の弾性反力だけである。しかし、第１の側嵌合部２ａと第１の中央嵌合部１５ａ間の嵌合を解除する為に第１の側電極１８に荷電していた場合、図１７に示すように、中央電極ユニット１には、第１の方向に、中央支持部６の弾性反力Ｆａのほかに、第１の中央電極１３と第１の側電極１８間に作用する静電引力Ｆｃも加えられる。また、第１の側電極ユニット３には、第２の方向に、第１の中央電極１３と第１の側電極１８間に作用する静電引力Ｆｂが作用する。なお、Ｆｃ＝−Ｆｂである。したがって、第１の変位状態を保持する第１の側嵌合部２ａには、第２の方向に、弾性反力Ｆａ及び静電引力Ｆｃを合わせた反力Ｆｄが作用する。
【００５４】
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）を参照して、図１７に示したラッチ解除動作時におけるラッチ爪（３１ａ、３３ａ）の嵌合面に加わる静摩擦力について説明する。図１８（ａ）は、図１８（ｂ）に示すように、第１の側嵌合部２ａのラッチ爪３１ａと第１の中央嵌合部１５ａのラッチ爪３３ａとの嵌合面を拡大した図である。図１８（ａ）に示すように、ラッチ爪（３１ａ、３３ａ）の嵌合面には、第１の方向に、中央支持部６の弾性反力Ｆａのほかに、第１の中央電極１３と第１の側電極１８間に作用する静電引力Ｆｃも加えられる。したがって、第２の方向には弾性反力Ｆａ及び静電引力Ｆｃを合わせた反力Ｆｄが作用する。一方、第１の側電極ユニット３が静電引力Ｆｂにより第２の方向へ変位すると同時に、第１の嵌合解除部１９は第１の凸部１６ｂに応力を加えるため、第１の側嵌合部２ａには内側へ撓む方向に力Ｆｇが作用する。即ち、ラッチ爪（３１ａ、３３ａ）の嵌合面には、内側方向に、ラッチを解放しようとする力Ｆｇが作用する。これに対向する方向（第１の側嵌合部２ａの外側方向）には、第１の側嵌合部２ａの撓み反力（弾性反力）Ｆｅ、及び（１）式に示すように第１及び第２の方向に加わる力（Ｆａ＋Ｆｃ）に応じた静摩擦力Ｆｊが作用する。（１）式においてμはラッチ爪（３１ａ、３３ａ）の嵌合面における静摩擦係数を示す。
【００５５】
Ｆｊ＝μ×（Ｆａ＋Ｆｃ）        ・・・（１）
したがって、ラッチ状態を解放しようとする力Ｆｇが弾性力Ｆｅ及び静摩擦力Ｆｊの合力よりも大きければ、第１の嵌合部２ａは撓み始める。しかし、ラッチを解放しようとする力Ｆｇを増す為に第１の側電極１８の荷電電圧を上げて静電引力Ｆｂを増加させても、相当分の力が静電引力Ｆｃとしてラッチ爪（３１ａ、３３ａ）の嵌合面にも加わってしまい、ラッチ爪（３１ａ、３３ａ）の嵌合面に作用する静摩擦力Ｆｊも増加してしまう。よって、この静摩擦力Ｆｊに打ち勝って嵌合をはずすため倍力機構を用いることになる。しかし、静摩擦係数μが大きい場合、倍力機構を用いても第１の側嵌合部２ａを動かし始めることは困難であるため、ラッチ解放機構が有効に機能しなくなる。一旦、第１の側嵌合部２ａが内側に撓み始めれば、ラッチ爪（３１ａ、３３ａ）の嵌合面に生じる摩擦力は動摩擦力となり、静摩擦力に比して摩擦係数が減少するので、ラッチ解放動作は完了することが出来る。このように、例えば右ラッチ（第２の変位状態）を解放する時、第１の側電極１８に荷電することにより生じる静電引力（Ｆｂ、Ｆｃ）のうち、第１の側電極１８に働く静電引力Ｆｂは有効だが、第１の中央電極１３に働く静電引力Ｆｃはラッチ解放動作の阻害要因にしかならない。
【００５６】
そこで、第１の側電極ユニット３が第２の変位状態（ラッチ状態）を解除する動作を開始する時、第２の側電極ユニット４が、中央電極ユニット１に対して第２の方向に応力を加える。具体的には、図１９に示すように、第１の側電極１８に荷電して中央電極ユニット１と第１の側電極ユニット３との間に静電引力Ｆｂ、Ｆｃを発生させると同時に、第２の側電極２１にも荷電して、中央電極ユニット１と第２の側電極ユニット４との間に静電引力（Ｆｈ、Ｆｉ）を発生させる。これにより、中央電極ユニット１には、第２の方向に新たに静電引力Ｆｈが加わる。よって、（２）式に示すように、第１の側嵌合部２ａには、第２の方向に、弾性反力Ｆａ及び静電引力Ｆｃを合わせた反力Ｆｄから静電引力Ｆｈを引いた反力Ｆｄ’が作用する。
【００５７】
Ｆｄ’＝ −（Ｆａ＋Ｆｃ−Ｆｈ）          ・・・（２）
図１９に示したラッチ解除動作時おけるラッチ爪（３１ａ、３３ａ）の嵌合面に加わる静摩擦力について  図２０を参照して説明する。ラッチ爪（３１ａ、３３ａ）の嵌合面に加わる力のうち第１の方向に加わる力（第１の中央嵌合部１５ａが第１の側嵌合部２ａを押す力）は、弾性反力Ｆａと静電引力Ｆｃとの合力から静電引力Ｆｈを引いたものとなる。よって、第２の方向に加わる力（第１の側嵌合部２ａの反力）は、（２）式に示す反力Ｆｄ’が作用する。一方、第１の側電極ユニット３が静電引力Ｆｂにより第２の方向へ変位すると同時に、第１の嵌合解除部１９は第１の凸部１６ｂに応力を加えるため、第１の側嵌合部２ａには内側へ撓む方向に力Ｆｇが作用する。即ち、ラッチ爪（３１ａ、３３ａ）の嵌合面には、内側方向に、ラッチを解放しようとする力Ｆｇが作用する。これに対向する方向（第１の側嵌合部２ａの外側方向）には、第１の側嵌合部２ａの撓みの反力（弾性力）Ｆｅ、及び（３）式に示すように第１及び第２の方向に加わる力（Ｆａ＋Ｆｃ−Ｆｈ）に応じた静摩擦力Ｆｊ’が作用する。
【００５８】
Ｆｊ’＝μ×（Ｆａ＋Ｆｃ−Ｆｈ）        ・・・（３）
このように、第１の側電極ユニット３が第２の変位状態（右ラッチ状態）を解除する動作を開始する時、第１の側電極１８に荷電すると同時に、第２の側電極２１にも荷電することにより、中央電極ユニット１に作用する左右の静電引力Ｆｃ、Ｆｈは相殺され、中央支持部６の弾性力Ｆａだけとなる。よって、（１）式に示したＦｊに比べて、ラッチ解放動作の阻害要因となる静摩擦力Ｆｊ’が大幅に減少することになる。ラッチ解放動作の初期段階、即ち、少なくとも第１の側嵌合部２ａが撓み始めるまでの時間、第２の側電極２１にも荷電することによりラッチ解放動作をスムースに行わせることが出来る。
【００５９】
なお、第２の側電極ユニット４は、静電引力Ｆｉにより第１の方向（左方向）に僅かに変位するが、第１の変位状態（左ラッチ状態）の解放動作及び中央電極ユニット１の第１の方向への変位に影響を与えるものではない。また、第２の側電極２１に荷電する電圧値は、図３乃至図６に示したような中央電極ユニット１が第２の方向へ変位する際に第２の側電極２１に荷電する電圧値と同じであってもよい。
【００６０】
また、第１の側電極ユニット３が第２の変位状態を解除する動作を開始する際、ラッチ解放動作に不具合が生じない範囲において、中央電極ユニット１に対して第１の方向に加わる静電引力Ｆｃよりも第２の方向に加わる静電引力Ｆｈが大きくなるように荷電電圧を調整しても構わない。即ち、第１の側電極１８に荷電する電圧値よりも第２の側電極２１に荷電する電圧値を大きくしても構わない。
【００６１】
更に、図７に示した第２の変位状態の解放動作の際について説明したが、図１１に示した第１の変位状態の解放動作についても同様にして実施することが出来る。
【００６２】
更に、ＭＥＭＳ機構は微小構造体であり、表面力の影響が大きく、シリコン同士の静摩擦係数はほぼ１である。従って、倍力機構に摩擦部分があれば大きな力の損失となる。また、近似的に弾性力Ｆａと静電引力Ｆｃが等しく、静摩擦係数μが１であるとした場合、第１の側嵌合部２ａの弾性力Ｆｅを除いても静電引力Ｆｂのほぼ２倍の力を加えないとラッチ解放動作は開始しない。
【００６３】
本発明の実施の形態によれば、ラッチの解放の際に阻害要因となるラッチ爪の嵌合面に加わる中央電極ユニット１の静電引力Ｆｃを軽減或いは消去する、或いは逆方向に向かせることが出来る。したがって、ラッチ解放時に中央電極ユニット１に加わる力バランスを改善することにより、ラッチ解放動作を安定させ、信頼性の高いラッチ機能付きＭＥＭＳアクチュエータを提供することが出来る。
【００６４】
以上説明したように、請求項１に係わる発明によれば、ラッチ解放時に大きな阻害要因となる嵌合面の摩擦力を低減することが出来、ラッチ解放動作をより安定させ、信頼性を向上させることが出来る。また、ラッチ解放の為の倍力機構の倍力率を低く設定することが出来、構造が簡単となる。
【００６５】
請求項２に係わる発明によれば、より高い電圧を印加することにより静摩擦力Ｆｊ’を更に低減することが出来る。印加する電圧値を調整することにより摩擦力Ｆｊ’を零にすることも可能である。
【００６６】
請求項３によれば、光ファイバの光路を切り替える光スイッチの、特に静電コムを利用した双方向ＭＥＭＳアクチュエータを用いたラッチ機能付き光スイッチにおいて、ラッチ解放時の力バランスを改善することにより、ラッチ解放動作を安定させ、信頼性の高いラッチ機能付きＭＥＭＳアクチュエータを提供することが出来る。また、ＭＥＭＳ構造が簡単であるため、生産歩留まりが向上する。
【００６７】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、光通信に使用される光デバイスにおける、光路切換を行う光スイッチに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】上記未公開先願に開示されたアクチュエータを示す平面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示したアクチュエータを示す平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した点線で囲んだ領域を拡大して示す斜視図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）に示した点線で囲んだ領域を拡大して示す断面図である。
【図３】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その１）。
【図４】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その２）。
【図５】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その３）。
【図６】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その４）。
【図７】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その５）。
【図８】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その６）。
【図９】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その７）。
【図１０】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その８）。
【図１１】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その９）。
【図１２】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その１０）。
【図１３】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その１１）。
【図１４】図１に示したアクチュエータの動作を詳細に説明する為の平面図である（その１２）。
【図１５】図１に示したアクチュエータを用いた光スイッチの一例を示す平面図である。
【図１６】図１６（ａ）は、図１５の光導波路の間隙部分にミラーが挿入された場合の光導波路内を伝播する光の光路を示す斜視図である。図１６（ｂ）は、図１５の光導波路の間隙部分にミラーが挿入されない場合の光導波路内を伝播する光の光路を示す斜視図である。
【図１７】図７に示した第２の変位状態における中央電極ユニット、嵌合ユニット、及び第１の側電極ユニットに加わる力関係を示す平面図である。
【図１８】図１８（ａ）は図１７に示した第２の変位状態における第１の側嵌合部と第１の中央嵌合部との嵌合面を拡大する平面図であり、図１８（ｂ）は図１７から第１の側嵌合部及び第１の中央嵌合部を抜き出した平面図である。
【図１９】図７に示した第２の変位状態における中央電極ユニット、嵌合ユニット、第１の側電極ユニット、及び第２の側電極ユニットに加わる力関係を示す平面図である。
【図２０】図１９に示した第２の変位状態における第１の側嵌合部と第１の中央嵌合部との嵌合面を拡大する平面図である。
【図２１】関連技術に係る光スイッチを示す平面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１    中央電極ユニット
２    嵌合ユニット
３    第１の側電極ユニット
４    第２の側電極ユニット
５    固定部
６    中央支持部
７    第１の側支持部
８    第２の側支持部
１２    可動プレート
１３    第１の中央電極
１４    第２の中央電極
１５ａ    第１の中央嵌合部
１５ｂ    第２の中央嵌合部
１６ａ    第１の凸部
１６ｂ    第２の凸部
１８    第１の側電極
１９    第１の嵌合解除部
２１    第２の側電極
２２    第２の嵌合解除部
３１ａ    第１の嵌合爪
３１ｂ    第２の嵌合爪
３２ａ    第１の中央爪
３２ｂ    第２の中央爪
３３ａ    第１の側爪
３３ｂ    第２の側爪
３６    絶縁膜
３７    基板
８８    剛体アーム
９０    ミラー
１０１ａ、１０１ｂ    光導波路
【図１】
2005245061.tif 000003
【図２】
2005245061.tif 000004
【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】
2005245061.tif 000009
【図８】
2005245061.tif 000010
【図９】
2005245061.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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