(57)【要約】【課題】不要な静電力を低減させることで可動安定性が高く、可動制御が容易なアクチュエータ及び光デバイスを提供する。【解決手段】複数の第１の電極指１３を有する第１の櫛歯型電極と、複数の第１の電極指１３と噛み合う複数の第２の電極指１４ａ、１４ｂを有する第２の櫛歯型電極とを備え、第１の電極指１３の指先部１９ａにおける第１の電極指１３の幅は、第１の電極指１３の付け根部２０よりも広い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１の電極指を有する第１の櫛歯型電極と、
前記複数の第１の電極指と噛み合う複数の第２の電極指を有する第２の櫛歯型電極とを備え、
前記第１の電極指の指先部における前記第１の電極指の幅は、前記第１の電極指の付け根部よりも広いことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記指先部の先端は先細り形状を有す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】
前記指先部の端面に対向する前記第２の櫛歯型電極の面は凸形状を有す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４】
前記指先部の端面は凹形状を有す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５】
前記第２の電極指の指先部における前記第２の電極指の幅は、前記第２の電極指の付け根部よりも広いことを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載のアクチュエータ。
【請求項６】
複数の第１の電極指を有する第１の櫛歯型電極と、
前記複数の第１の電極指と噛み合う複数の第２の電極指を有する第２の櫛歯型電極と、
前記第１又は第２の櫛歯型電極に接続された光学部材と、
前記光学部材の近傍において互いに交差する１対の光導波路とを備え、
前記第１の電極指の指先部における前記第１の電極指の幅は、前記第１の電極指の付け根部よりも広い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、静電駆動方式のアクチュエータ及び光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体製造プロセスを用いた微小電気機械システム（micro-electro-mechanical system：ＭＥＭＳ）による静電マイクロアクチュエータが知られており、この静電マイクロアクチュエータを用いた光スイッチ或いは光シャッター等の光デバイス、或いは磁気ディスク又は光ディスクのヘッド部などが実用化されている（例えば、特許文献１乃至４参照）。
【０００３】
例えば、特許文献４に開示された薄膜型櫛歯共鳴器は、基板に固定された２つの櫛歯型の固定電極と、固定電極の間に配置された櫛歯型の可動電極と、可動電極を支持する可撓性の支持部とを有し、固定電極及び可動電極の電極指（櫛歯）は互いに噛み合わされている。両電極間に電位差を生じさせることによって、可動電極は支持部に支持されながら電極指の側面に平行な方向に駆動される。
【０００４】
ＭＥＭＳ機構の駆動原理には、静電気による引力が利用される。電極指の側面に垂直な方向に働く静電引力を利用するギャップクロージング方式と、電極指の側面に平行な方向に働く静電引力を利用するコム方式に大別される。特許文献４に開示された薄膜型櫛歯共鳴器は、後者のコム方式を採用している。
【特許文献１】特開平０３−２３０７７９号公報
【特許文献２】特開平１１−３４１８３４号公報
【特許文献３】特表２００２−５１００５９号公報
【特許文献４】米国特許第５０２５３４６号明細書（特に、第１乃至第３図参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
互いに噛み合う固定電極と可動電極の電極指は一定の距離をおいて交互に配列されているが、可動電極の駆動時に、可動電極が電極指の側面に垂直な方向に変位して、この一定の距離が少しでもずれてしまう場合がある。この場合、電極指の側面に垂直な方向にギャップクロージング方式による静電引力が生じて、可動電極が電極指の側面に垂直な方向に吸引されてしまい、故障の原因となる。
【０００６】
電極指の側面に垂直な方向の吸引力は、電極指間の距離の２乗に反比例にして急激に増加するため、電極指の側面に垂直な方向の吸引力を制御することは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の特徴は、複数の第１の電極指を有する第１の櫛歯型電極と、複数の第１の電極指と噛み合う複数の第２の電極指を有する第２の櫛歯型電極とを備えるアクチュエータであって、第１の電極指の指先部における第１の電極指の幅は、第１の電極指の付け根部よりも広いことを要旨とする。
【０００８】
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、第１又は第２の櫛歯型電極に接続された光学部材と、光学部材の近傍において互いに交差する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】
【０００９】
本発明によれば、不要な静電力を低減させることで可動安定性が高く、可動制御が容易なアクチュエータ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】
【００１０】
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。
【００１１】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、第１の実施の形態に係るアクチュエータは、可動プレート１５と、可動プレート１５を支持し、一定方向に変位させる可撓な支持アーム１７と、可動プレート１５を一定方向に駆動する駆動部（１１、１２）とを有する。駆動部（１１、１２）は、アクチュエータ全体を支持する基板に固定された第１の櫛歯型電極（以後、「固定電極」という）１１と、可動プレート１５に接続された第２の櫛歯型電極（以後、「可動電極」という）１２とを有する。固定電極１１と可動電極１２は互いに対向して配置されている。固定電極１１は複数の第１の電極指１３を有し、可動電極１２は、複数の第１の電極指１３と噛み合う複数の第２の電極指１４を有する。支持アーム１７の一端は、固定部１６を介して基板に固定されており、支持アーム１７が撓むことにより、可動電極１２を一定方向に変位させることが出来る。ここで、「一定方向」とは、第１及び第２の電極指１３、１４の側面に対して平行な方向、即ち「縦方向」を示す。
【００１２】
図１の破線で囲った領域１８を拡大した図２を参照して、互いに噛み合う第１及び第２の電極指の構成について説明する。図２において、固定電極１１は第１の電極指１３を有し、可動電極１２は第１の電極指１３の両側面に隣接して配置された第２の電極指１４ａ及び１４ｂを有する。第１の電極指１３と第２の電極指１４ａとの間及び第１の電極指１３と第２の電極指１４ｂとの間には等しい一定の距離がおかれている。第１の電極指１３の指先部１９ａにおける第１の電極指１３の幅は、第１の電極指１３の付け根部２０よりも広い。逆に言えば、第１の電極指１３の付け根部２０の幅は、指先部１９ａよりも狭い。一方、第２の電極指１４ａ及び１４ｂの幅は均一である。図２中の「Ｗ」は、指先部１９ａの幅と付け根部２０の幅の差を２分したものである。
【００１３】
これに対して、背景技術で示した特許文献４に開示されたアクチュエータ（比較例）の第１及び第２の電極指の部分は、図３に示すように、固定電極６１の第１の電極指６３と可動電極６２の第２の電極指６４ａ及び６４ｂは一定の距離をおいて配列されており、第１の電極指６３の指先部の幅は、第１の電極指６３の付け根部の幅と等しい。即ち、第１の電極指６３の幅は均一である。同様に、第２の電極指６４ａ及び６４ｂの幅も均一である。
【００１４】
図４は、電極指の側面に垂直な方向（以後、「横方向」という）への可動電極の変位量と固定電極と可動電極の間に生じる横方向への吸引力（以後、「横方向吸引力」という）との関係を示すグラフである。可動電極１２の横方向への変位量が大きくなるにしたがって、横方向吸引力も大きくなる。しかし、図２における指先部１９ａと付け根部２０の幅の差Ｗが小さいときよりも大きいときのほうが、横方向吸引力の増加率は低くなる。即ち、指先部１９ａと付け根部２０の幅の差Ｗを大きくとることにより、可動電極１２の横方向への変位量が増えても、それほど大きな横方向吸引力が生じなくなる。換言すれば、図３に示したように指先部と付け根部の幅の差Ｗが零の場合に比べて、図２に示すように第１の電極指１３の付け根部２０の幅を指先部１９ａよりも狭くする、更には、指先部１９ａと付け根部２０の幅の差Ｗを大きくすることにより、可動電極の横方向への変位に対する安定性が向上する。
【００１５】
なお、第１の実施の形態においては、第１の櫛歯型電極を固定電極１１とし、第２の櫛歯型電極を可動電極１２とした例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。第１の櫛歯型電極を可動電極１２とし、第２の櫛歯型電極を固定電極１１としてもよい。この場合、可動電極１２の電極指の付け根部の幅が指先部よりも狭くなり、固定電極１１の幅は均一となる。
【００１６】
また、第１の電極指１３及び第２の電極指１４の双方の付け根部の幅を指先部よりも狭くしても構わない。安定性が更に向上する。
【００１７】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係わるアクチュエータは、図１及び図２に示したアクチュエータに比べて、固定電極１１の電極指の形状のみが異なり、その他の構成は同一である。よって、固定電極１１の電極指１３の形状について説明し、その他の構成について図示及び説明を省略する。
【００１８】
図５に示すように、固定電極１１の電極指の指先部１９ｂの先端は先細り形状、即ち突起形状を有する点が図２に比べて異なる。換言すれば、第２の実施の形態に係わるアクチュエータは、電極指の指先部１９ｂの先端が先鋭化されていることを特徴とする。
【００１９】
図６は、電極指の側面に平行な方向（以後、「縦方向」という）への可動電極の変位量と固定電極と可動電極の間に生じる縦方向への吸引力（以後、「縦方向吸引力」という）との関係を示すグラフである。実線が図５に示す第２の実施の形態を示し、破線が図３に示す比較例を示す。
【００２０】
支持アーム１７が撓まず可動電極１２が変位していない状態（以後、「定常状態」という）において、縦方向への可動電極１２の変位量は零であり、定常状態における縦方向吸引力は零である。定常状態（縦方向変位量＝０）から可動電極１２が縦方向へ変位し始める変位初期において、実線で示す第２の実施の形態では、縦方向吸引力は零から連続的に緩やかに増加する。これに対して、破線で示す比較例では、縦方向吸引力は零から不連続的に急激に増加する。つまり、固定電極１１の電極指の指先部１９ｂの先端を先細り形状とすることにより、変位初期において過剰な縦吸引力が急激に発生せずに、変位量に応じて縦方向吸引力が連続的に緩やかに増加する。したがって、変位初期の安定性が向上する。また、指先部１９ｂの先端が先鋭化されているので、例えば、櫛歯間に誘電体が充填されたときにも櫛歯型電極の変位における抵抗を軽減することができる。
【００２１】
なお、第２の実施の形態においても、第１の櫛歯型電極を固定電極１１とし、第２の櫛歯型電極を可動電極１２とした例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。第１の櫛歯型電極を可動電極１２とし、第２の櫛歯型電極を固定電極１１としてもよい。この場合、可動電極１２の電極指の指先部の先端が先細り形状となる。
【００２２】
また、第１の電極指１３及び第２の電極指１４の双方の指先部の先端を先細り形状としても構わない。変位初期の安定性が更に向上する。
【００２３】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係わるアクチュエータは、図１及び図２に示したアクチュエータに比べて、固定電極１１又は可動電極１２の形状のみが異なり、その他の構成は同一である。よって、固定電極１１及び可動電極１２の形状について説明し、その他の構成について図示及び説明を省略する。
【００２４】
図７（ａ）に示すように、第３の実施の形態の一実施例に係わるアクチュエータは、固定電極１１の電極指の指先部１９ａの端面に対向する可動電極１２の面（対抗面）が凸形状２１を有することを特徴とする。具体的には、可動電極１２の対抗面２１に先端が先鋭化された突起形状が設けられている。
【００２５】
図７（ｂ）に示すように、第３の実施の形態の他の実施例に係わるアクチュエータは、固定電極１１の電極指の指先部１９ｃの端面は凹形状２２を有することを特徴とする。
【００２６】
図８は、縦方向への可動電極の変位量と縦方向吸引力との関係を示すグラフである。実線が図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す第３の実施の形態を示し、破線が図３に示す比較例を示す。
【００２７】
定常状態（縦方向変位量＝０）から可動電極１２が縦方向へある程度まで変位するまでは、ほぼ一定の縦方向吸引力が生じる。しかし、当該ある程度よりも更に先まで可動電極１２が変位するとき、破線で示す比較例では、固定電極１１と可動電極１２との距離の２乗に反比例して急激に縦方向吸引力が増加する。これに対して実線で示す第３の実施の形態では、固定電極１１の端面と可動電極１２の対抗面とが平行でないために、比較的緩やかに縦方向吸引力が増加する。つまり、図７（ａ）に示したように可動電極１２の対抗面が凸形状２１を有するか、或いは図７（ｂ）に示したように固定電極１１の電極指の指先部１９ｃの端面が凹形状２２を有することにより、固定電極１１の端面と可動電極１２の対抗面とが平行でなくなる。これにより、可動電極１２が固定電極１１に近接したときに発生する急激な縦方向吸引力の増加を防ぎ、安定性が向上する。
【００２８】
なお、第３の実施の形態においても、第１の櫛歯型電極を固定電極１１とし、第２の櫛歯型電極を可動電極１２とした例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。第１の櫛歯型電極を可動電極１２とし、第２の櫛歯型電極を固定電極１１としてもよい。この場合、可動電極１２の電極指の端面に対向する固定電極１１の対抗面が凸形状を有する、或いは、可動電極１２の電極指の指先部の端面が凹形状を有することになる。
【００２９】
また、固定電極１１及び可動電極１２の双方の対抗面が凸形状を有していても構わない。或いは、固定電極１１及び可動電極１２の双方の電極指の指先部の端面が凹形状を有していても構わない。安定性が更に向上する。
【００３０】
（第４の実施の形態）
図９に示すように、本発明の第４の実施の形態に係わる光スイッチは、図１に示したアクチュエータと、可動プレート１５を介して可動電極１２に接続された光学部材（例えば、ミラー２３）と、ミラー２３の近傍において互いに交差する１対の光導波路（例えば、光ファイバ２４ａ〜２４ｄ）とを備える。具体的には、図１に示したアクチュエータの可動プレート１５の一端にミラー２３が接続され、ミラー２３の近傍に光ファイバ２４ａ〜２４ｄの一端が配置されている。光ファイバ２４ａと光ファイバ２４ｄは一直線上に配置され、光ファイバ２４ｂと光ファイバ２４ｃは一直線上に配置されている。また、光ファイバ２４ａとミラー２３との成す角度は、光ファイバ２４ｂとミラー２３との成す角度と等しく、光ファイバ２４ｃとミラー２３との成す角度は、光ファイバ２４ｄとミラー２３との成す角度と等しい。
【００３１】
その他の構成は、図１のアクチュエータと同じであり、説明を省略する。また、固定電極１１及び可動電極１２の形状及び固定電極１１及び可動電極１２の各電極指１３、１４の形状は、図２、図５、図７（ａ）、或いは図７（ｂ）の何れであっても構わない。
【００３２】
可動電極１２が変位していない定常状態において、光ファイバ２４ａから入射した光は、ミラー２３によって反射されて光ファイバ２４ｂへ出射される。光ファイバ２４ｃから入射した光は、ミラー２３によって反射されて光ファイバ２４ｄへ出射される。また、可動電極１２が変位した状態において、光ファイバ２４ａから入射した光は、ミラー２３によって反射されずに光ファイバ２４ｄへ出射される。光ファイバ２４ｃから入射した光は、ミラー２３によって反射されずに光ファイバ２４ｂへ出射される。このようにして、２×２の光スイッチが実現される。
【００３３】
第４の実施の形態に係わる光スイッチは、第１乃至第３の実施の形態に係わるアクチュエータを用いることにより、動作の安定性が高く、容易に動作を制御することが出来る。
【００３４】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１乃至第４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。
【００３５】
本発明の第１乃至第４の実施の形態では、第１及び第２の櫛歯型電極の何れか一方が基板に対して固定された固定電極である例について説明した。しかし、第１及び第２の櫛歯型電極の双方が基板に対して変位し得る可動電極であっても構わない。この例においても、同様な作用効果を得ることが出来る。
【００３６】
このように、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。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるアクチュエータを示す平面図である。
【図２】図１の破線で囲った第１及び第２の電極指の部分を拡大した平面図である。
【図３】比較例に係わるアクチュエータにおける第１及び第２の電極指の部分を拡大した平面図である。
【図４】電極指の側面に垂直な方向（横方向）への可動電極の変位量と固定電極−可動電極間に生じる横方向への吸引力（横方向吸引力）との関係を示すグラフである。
【図５】第２の実施の形態に係わるアクチュエータにおける、図１の破線で囲った第１及び第２の電極指の部分を拡大した平面図である。
【図６】電極指の側面に平行な方向（縦方向）への可動電極の変位量と固定電極−可動電極間に生じる縦方向への吸引力（縦方向吸引力）との関係を示すグラフである（その１）。
【図７】図７（ａ）は、第３の実施の形態の一実施例に係わるアクチュエータにおける、図１の破線で囲った第１及び第２の電極指の部分を拡大した平面図であり、第３の実施の形態の他の実施例に係わるアクチュエータにおける、図１の破線で囲った第１及び第２の電極指の部分を拡大した平面図である。
【図８】電極指の側面に平行な方向（縦方向）への可動電極の変位量と固定電極−可動電極間に生じる縦方向への吸引力（縦方向吸引力）との関係を示すグラフである（その２）。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係わる光スイッチを示す平面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１…固定電極
１２…可動電極
１３…第１の電極指
１４、１４ａ、１４ｂ…第２の電極指
１５…可動プレート
１６…固定部
１７…支持アーム
１９ａ〜１９ｃ…指先部
２０…付け根部
２１…凸形状
２２…凹形状
２３…ミラー
２４ａ〜２４ｄ…光ファイバ
６１…固定電極
６２…可動電極
６３…第１の電極指
６４ａ、６４ｂ…第２の電極指
【図１】
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【図２】
2005278332.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005278332.tif 000006
【図５】
2005278332.tif 000007
【図６】
2005278332.tif 000008
【図７】
2005278332.tif 000009
【図８】
2005278332.tif 000010
【図９】
2005278332.tif 000011