アクチュエータ
【課題】可動電極の厚さを厚くすることなく、可動電極の可動範囲を大きくできるようにする。
【解決手段】基板１０１の上に離間して配置されて基板１０１に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極１０２，１０３と、２つの固定電極１０２，１０３の間に入り込んで基板１０１の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極１０２，１０３に接触しない範囲の幅とされた可動電極１０４とを備える。固定電極１０２および固定電極１０３は、例えば、同電位とされ、また、可動電極１０４の延在方向の断面形状が、線対称となるように形成されている。
【解決手段】基板１０１の上に離間して配置されて基板１０１に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極１０２，１０３と、２つの固定電極１０２，１０３の間に入り込んで基板１０１の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極１０２，１０３に接触しない範囲の幅とされた可動電極１０４とを備える。固定電極１０２および固定電極１０３は、例えば、同電位とされ、また、可動電極１０４の延在方向の断面形状が、線対称となるように形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロマシン技術による静電力により動作するアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩの製造技術を応用したマイクロマシン技術の進歩により、様々な形態のマイクロマシンが開発されている。例えば、固定電極で発生させた静電力により可動電極を駆動させることで、電力を機械的な運動に変換する微細なアクチュエータがある（非特許文献１〜４参照）。例えば、このようなアクチュエータを用いて微細なミラーを駆動するミラー素子がある。このミラー素子を用いることで、光スイッチが実現できる。
【０００３】
このアクチュエータは、図８に示すように、いわゆる櫛歯状の固定電極部８０１および可動電極部８０２を備える。このアクチュエータは、静電引力により、固定電極部８０１の側に可動電極部８０２を引き寄せるようにしている。このとき、図９に示すように、可動電極９２１が、２つの固定電極９１１，９１２の間に入り込むように移動する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】W.Piyawattanametha et al. , "Surface- and Bulk- Micromachined Two-Dimensional Scanner Driven by Angular Vertical Comb Actuators", Journal of Microelectromechanical Systems, vol.14, no.6, pp.1329-1338, 2005.
【非特許文献２】D. Hah et al. , "Low-Voltage, Large-Scan Angle MEMS Analog Micromirror Arrays With Hidden Vertical Comb-Drive Actuators", Journal of Microelectromechanical Systems, vol.13, no.2, pp.279-289, 2004.
【非特許文献３】J. Tsai et al. , "Two-axis MEMS scanners with radial vertical combdrive actuators.design, theoretical analysis, and fabrication", J. Opt. A: Pure Appl. Opt. , vol.10 , 044006, 2008.
【非特許文献４】Ming C. Wu , "Micromachining for Optical and Optoelectronic Systems", Proceedings of the IEEE, vol.85, no.11, pp.1833-1856, 1997.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したアクチュエータでは、可動電極の可動範囲をあまり大きくすることができないという問題がある。まず、可動電極９２１の厚さは、共振周波数の低下を避けるために、より薄い方がよい。ところが、上述したアクチュエータは電極間の静電容量が最大となる位置で止まってしまうので、上述したアクチュエータでは、可動電極９２１の固定電極９１１，９１２の方向への可動範囲は、可動電極９２１の上端が固定電極９１１，９１２の上端に一致する程度のところまでが最大可動範囲となる。このため、可動電極９２１の可動距離は、可動電極９２１の可動方向の断面の長さ（厚さ）に依存し。可動電極９２１の厚さが薄いと、可動電極９２１の可動範囲は狭いものとなる。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、可動電極の厚さを厚くすることなく、可動電極の可動範囲を大きくできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るアクチュエータは、基板の上に離間して配置されて基板に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極と、少なくとも一端がばね部で支持されて２つの固定電極の間に入り込んで基板の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極に接触しない範囲の幅とされた可動電極とを少なくとも備え、可動電極は、固定電極に電圧を印加することで発生する静電引力により変位する。例えば、２つの固定電極の間隔は、基板に近づくほど階段状に間隔が狭く形成されていればよい。
【０００８】
本発明に係るアクチュエータは、基板の上に離間して配置された２つの固定電極と、少なくとも一端がばね部で支持されて２つの固定電極の間に入り込んで基板の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極に接触しない範囲の幅とされた可動電極とを少なくとも備え、２つの固定電極は、可動電極が延在する方向に配置された各々異なる高さの部分を備え、可動電極は、固定電極に電圧を印加することで発生する静電引力により変位する。例えば、２つの固定電極の高さは、２つの固定電極の高さは、可動電極が延在する方向に階段状に形成されていればよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したことにより、本発明によれば、可動電極の厚さを厚くすることなく、可動電極の可動範囲を大きくできるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの構成を示す構成図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの構成を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの動作に関して印加電圧と変位の関係を示す特性図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｆ】図５Ｆは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｇ】図５Ｇは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｈ】図５Ｈは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｉ】図５Ｉは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｊ】図５Ｊは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３におけるアクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態３におけるアクチュエータの動作に関して印加電圧と変位の関係を示す特性図である。
【図８】図８は、櫛歯型のアクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図９】図９は、アクチュエータの動作を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１２】
[実施の形態１]
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの構成を示す構成図である。図１では、アクチュエータの断面を模式的に示している。このアクチュエータは、基板１０１の上に離間して配置されて基板１０１に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極１０２，１０３と、２つの固定電極１０２，１０３の間に入り込んで基板１０１の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極１０２，１０３に接触しない範囲の幅とされた可動電極１０４とを備える。
【００１３】
固定電極１０２および固定電極１０３は、例えば、同電位とされている。また、固定電極１０２および固定電極１０３は、可動電極１０４の延在方向の断面形状が、可動電極１０４の基板１０１の法線方向に平行な中心線に対し、線対称となるように形成されている。このように構成された固定電極１０２および固定電極１０３は、基板１０１との接触部（下端部）から上端部にかけて、間隔ｗ１から間隔ｗ２にまで幅が広くなっている。
【００１４】
また、可動電極１０４は、固定電極１０２および固定電極１０３の上端より上の位置より、基板１０１に近づく方向に変位可能とされている。可動電極１０４は、固定電極１０２，１０３に電圧を印加することで発生する静電引力により変位する。例えば、可動電極１０４は板状の部材から構成され、この一端が支持構造体（不図示）により基板１０１の上に支持されている。この場合、板状の部材の支持構造体に連結している一端側の領域がばね部として機能し、ばね部に続く先端側の可動電極１０４が、上述したように変位する。
【００１５】
このように変位する中で、例えば、可動電極１０４と固定電極１０２との距離、および可動電極１０４と固定電極１０３との距離は、等しいものとされている。言い換えると、可動電極１０４は、この中心が、固定電極１０２および固定電極１０３の間の中心線（中心面）を通るように変位する。また、例えば、固定電極１０２および固定電極１０３と可動電極１０４との間には、電位が印加可能とされ、これらの間に容量が形成可能とされている。
【００１６】
上述した本実施の形態におけるアクチュエータによれば、可動電極１０４が基板１０１に近づくほど、可動電極１０４と固定電極１０２との距離、および可動電極１０４と固定電極１０３との距離が、小さいものとなる。従って、可動電極１０４と固定電極１０２との間の静電容量、および可動電極１０４と固定電極１０３との間の静電容量は、可動電極１０４が基板１０１に近づくほど増大することになる。静電容量が増加すれば、静電引力も増加する。この結果、本実施の形態によれば、可動電極１０４を、より基板１０１に近づける状態に変位させることが可能となり、可動電極１０４の可動範囲を大きくできる。また、本実施の形態によれば、可動電極１０４の基板１０１の法線方向の長さ（厚さ）を大きくすることなく、可動範囲を大きくすることができる。本発明では、可動電極と固定電極とがペアとなった１つの片持ち梁でも適用でき、可動電極と固定電極とのペアが複数配列された櫛歯型電極構造にも適用できる。
【００１７】
以下、本実施の形態におけるアクチュエータの製造方法例について、図２Ａ〜図２Ｅを用いて説明する。まず、図２Ａに示すように、例えば、主表面が（１００）面とされたシリコン単結晶からなる基板２０１を用意する。次に、図２Ｂに示すように、基板２０１の上に、絶縁層２０２および金属層２０３を形成し、金属層２０３の上に、図２Ｃの平面図に示すような形状の開口部２０４ａを備えるレジストパターン２０４を形成する。
【００１８】
例えば、基板２０１の表面を熱酸化することで酸化シリコンからなる絶縁層２０２が形成できる。また、よく知られたＣＶＤ法などの堆積法により酸化シリコンを堆積することで、絶縁層２０２を形成してもよい。また、スパッタ法などにより金属を堆積することで、金属層２０３が形成できる。また、メッキ法などにより金属を堆積して金属層２０３を形成してもよい。また、レジストパターン２０４は、公知のフォトリソグラフィー技術により形成すればよい。
【００１９】
次に、図２Ｄに示すように、レジストパターン２０４をマスクとした公知のドライエッチングなどにより、金属層２０３および絶縁層２０２を選択的にエッチングし、可動電極２０５を形成する。また、このパターニングにおいては、開口部２０４ａの領域において、基板２０１の表面が露出する状態とする。
【００２０】
次に、開口部２０４を介してアルカリを作用させるウエットエッチングにより基板２０１を選択的に異方性エッチングする。ここで、よく知られているように、アルカリによるウエットエッチングでは、シリコンの（１１１）面がエッチングされにくい。このため、（１００）面の基板２０１の表面よりアルカリによりエッチングを行うと、すり鉢状に凹部が形成され、凹部の側面は、基板２０１の法線方向に対して５４．７４°傾いた状態に形成される。この傾いた側面が、シリコンの（１１１）面となる。
【００２１】
次に、レジストパターン２０４を除去すれば、図２Ｅに示すように、可動電極２０５に近づくほど、間隔が広がって形成された２つの固定電極２０１ａ，２０１ｂが形成できる。なお、この後、基板２０１の上の金属層２０３を適宜にパターニングおよび除去し、可動電極２０５に接続する配線パターンなどを形成すればよい。また、一部の絶縁層２０２を除去し、基板２０１にコンタクトする配線パターンを形成すればよい。
【００２２】
[実施の形態２]
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図３は、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの構成を示す断面図である。
【００２３】
このアクチュエータは、基板３０１の上に離間して配置されて基板３０１に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極３０２，３０３と、２つの固定電極３０２，３０３の間に入り込んで基板３０１の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極３０２，３０３に接触しない範囲の幅とされた可動電極３０４とを備える。本実施の形態では、２つの固定電極３０２，３０３の間隔は、基板３０１に近づくほど階段状に間隔が狭く形成されている。
【００２４】
本実施の形態においても、固定電極３０２および固定電極３０３は、例えば、同電位とされている。また、固定電極３０２および固定電極３０３は、可動電極３０４の延在方向の断面形状が、可動電極３０４の基板３０１の法線方向に平行な中心線に対し、線対称となるように形成されている。また、可動電極３０４は、固定電極３０２および固定電極３０３の上端より上の位置より、基板１０１に近づく方向に変位可能とされている。可動電極３０４は、固定電極３０２，３０３に電圧を印加することで発生する静電引力により変位する。例えば、可動電極３０４は板状の部材から構成され、この一端が支持構造体（不図示）により基板３０１の上に支持されている。この場合、板状の部材の支持構造体に連結している一端側の領域がばね部として機能し、ばね部に続く先端側の可動電極３０４が、上述したように変位する。
【００２５】
このように変位する中で、例えば、可動電極３０４と固定電極３０２との距離、および可動電極３０４と固定電極３０３との距離は、等しいものとされている。言い換えると、可動電極３０４は、この中心が、固定電極３０２および固定電極３０３の間の中心線（中心面）を通るように変位する。また、例えば、固定電極３０２および固定電極３０３と可動電極３０４との間には、電位が印加可能とされ、これらの間に容量が形成可能とされている。
【００２６】
上述した本実施の形態におけるアクチュエータによれば、可動電極３０４が基板３０１に近づくほど、可動電極３０４と固定電極３０２との距離、および可動電極３０４と固定電極３０３との距離が、小さいものとなる。従って、可動電極３０４と固定電極３０２との間の静電容量、および可動電極３０４と固定電極３０３との間の静電容量は、可動電極３０４が基板３０１に近づくほど増大することになる。静電容量が増加すれば、静電引力も増加する。この結果、本実施の形態によれば、可動電極３０４を、より基板３０１に近づける状態に変位させることが可能となり、可動電極３０４の可動範囲を大きくできる。また、本実施の形態によれば、可動電極３０４の基板３０１の法線方向の長さ（厚さ）を大きくすることなく、可動範囲を大きくすることができる。
【００２７】
例えば、図４において、間隔が均一に形成された２つの固定電極によるアクチュエータ（ａ）、階段が１段で基板に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極によるアクチュエータ（ｂ）、および階段が２段で基板に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極によるアクチュエータ（ｃ）は、図４の（ｄ）に示すように、印加電圧に対して可動電極が変位する。なお、図４の（ｄ）で、印加電圧および変位は、正規化した値である。なお、各アクチュエータは、可動電極の延在方向においては、固定電極の高さが均一に形成されている。
【００２８】
ここで、アクチュエータ（ａ）は、可動電極の厚さｔが８μｍ、固定電極の高さＴｆが３０μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇが８μｍである。また、アクチュエータ（ｂ）は、可動電極の厚さｔが８μｍ、固定電極の高さＴｆが３０μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇが８μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇ’が６μｍ、間隔ｇ＝８μｍの部分の固定電極の高さｈが６μｍである。また、アクチュエータ（ｃ）は、可動電極の厚さｔが８μｍ、固定電極の高さＴｆが３０μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇが８μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇ’が６μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇ”が５．５μｍ、間隔ｇ＝８μｍおよび間隔ｇ’＝６μｍの部分の固定電極の高さｈが６μｍである。なお、可動電極に連結されている梁部（不図示）は、長さ１２００μｍ、幅７０μｍ、厚さ８μｍ程度としている。
【００２９】
２つの固定電極の間隔が均一とされているアクチュエータ（ａ）は、図４の（ｄ）に白丸で示すように、印加電圧が８Ｖ程度までは変位が増加するが、可動電極の厚さｔが８μｍであるため、最大で８μｍ程度の変位しか得られない。一方、アクチュエータ（ｂ）は、図４の（ｄ）に黒三角で示すように、印加電圧が１４Ｖ程度まで変位が増加し、最大で１４μｍ程度の変位が得られる。また、アクチュエータ（ｃ）は、図４の（ａ）に白四角で示すように、印加電圧が２０Ｖ程度まで変位が増加する。
【００３０】
以上のことから明らかなように、固定電極３０２および固定電極３０３の間隔が基板３０１に近づくほど狭くなる領域を、高さ方向により長くすることで、可動電極３０４をより大きく変位させることができる。本発明では、可動電極と固定電極とがペアとなった１つの片持ち梁でも適用でき、可動電極と固定電極とのペアが複数配列された櫛歯型電極構造にも適用できる。
【００３１】
次に、本実施の形態におけるアクチュエータの製造方法例について図５Ａ〜図５Ｊを用いて簡単に説明する。まず、図５Ａに示すように、シリコンからなる基板５０１を用意する。次に、図５Ｂに示すように、基板５０１の上に、開口５０２ａを備えるレジストパターン５０２を形成する。次に、レジストパターン５０２をマスクとしてシリコン基板５０１を選択的にエッチングし、図５Ｃに示すように、溝部５０１ａを形成する。
【００３２】
次に、レジストパターン５０２を除去してから、図５Ｄに示すように、開口５０３ａを備えるレジストパターン５０３を形成する。開口５０３ａは、開口５０２ａと同じ幅に形成する。また、開口５０３ａは、形成しようとする階段状の階段部分の幅に対応し、開口５０２ａより位置をずらして形成する。次に、レジストパターン５０３をマスクとしてシリコン基板５０１を選択的にエッチングし、図５Ｅに示すように、溝部５０１ａ’および溝部５０１ｂを形成する。溝部５０１ａ’は、溝部５０１ａの幅を広くした部分である。
【００３３】
次に、レジストパターン５０３を除去してから、図５Ｆに示すように、開口５０４ａを備えるレジストパターン５０４を形成する。開口５０４ａは、開口５０３ａと同じ幅に形成する。また、開口５０４ａは、形成しようとする階段状の階段部分の幅に対応し、開口５０３ａおよび開口５０２ａより位置をずらして形成する。次に、レジストパターン５０４をマスクとしてシリコン基板５０１を選択的にエッチングし、図５Ｇに示すように、溝部５０１ａ”，溝部５０１ｂ’，および溝部５０１ｃを形成する。溝部５０１ａ”は、溝部５０１ａ’の幅を広くした部分である。また、溝部５０１ｂ’は、溝部５０１ｂの幅を広くした部分である。以上の工程により、上部に行くほど階段状に間隔が広く形成された溝部が形成され、上部に行くほど階段状に間隔が広がる２つの固定電極５２１ａ，５２２ｂが形成できる。
【００３４】
次に、図５Ｈに示すように、表面に絶縁層５０８を形成したＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板５１１を、基板５０１の上に貼り合わせる。ＳＯＩ基板５１１は、シリコン基部５０５の上に、埋め込み絶縁層５０６を介して表面シリコン層５０７が形成された基板である。絶縁層５０８は、表面シリコン層５０７に形成されている。次に、ＳＯＩ基板５１１のシリコン基部５０５および埋め込み絶縁層５０６を除去し、表面シリコン層５０７をパターニングすることで、図５Ｉに示すように、可動電極５０９を形成する。この後、可動電極５０９をマスクとして絶縁層５０８を選択的に除去することで、図５Ｊに示すように、２つの固定電極５２１ａ，５２１ｂの間に入り込んで基板５０１の法線方向に変位可能とされ、変位可能な範囲では、２つの固定電極５２１ａ，５２１ｂに接触しない範囲の幅とされた可動電極５０９が形成される。
【００３５】
[実施の形態３]
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図６は、本発明の実施の形態３におけるアクチュエータの構成を示す斜視図である。このアクチュエータは、基板６０１の上に離間して配置された２つの固定電極６０２，６０３と、２つの固定電極６０２，６０３の間に入り込んで基板６０１の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極６０２，６０３に接触しない範囲の幅とされた可動電極６０４とを少なくとも備える。
【００３６】
加えて、２つの固定電極６０２，６０３は、可動電極６０４が延在する１方向に行くほど高さが低く形成されている。本実施の形態では、２つの固定電極６０２，６０３の高さは、上記１方向に行くほど階段状に低く形成している。なお、本実施の形態では、固定電極６０２と固定電極６０３との間隔は、均一な状態としている。
【００３７】
このようにすることで、静電力の働いていない初期状態においては、可動電極６０４は、固定電極６０２および固定電極６０３の上段６０２ａおよび上段６０３ａに最も近く、固定電極６０３の上段６０２ａおよび上段６０３ａと可動電極６０４の間にコンデンサが形成されている。固定電極６０２,６０３に電圧を印加すると、これらの間の静電引力が強く働き、上段６０２ａおよび上段６０３ａの方へ変位する。
【００３８】
ここで、可動電極６０４が中段６０２ｂおよび中段６０３ｂまで変位すると、中段６０２ｂおよび中段６０３ｂと可動電極６０４の間にもコンデンサが形成されるため、静電引力が増加する。このため、可動電極６０３は、さらに基板６０１の方へ変位する。
【００３９】
ここで、可動電極６０４が下段６０２ｃおよび下段６０３ｃまで変位すると、下段６０３ｂおよび下段６０３ｃと可動電極６０４の間にもコンデンサが形成されるため、静電引力が増加する。このため、可動電極６０３は、さらに基板６０１の方へ変位することができる。
【００４０】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、可動電極６０３を、より基板６０１に近づける状態に変位させることが可能となり、可動電極６０３の可動範囲を大きくできる。また、本実施の形態によれば、可動電極６０３の基板６０１の法線方向の長さ（厚さ）を大きくすることなく、可動範囲を大きくすることができる。
【００４１】
例えば、図７において、可動電極６０４が延在する１方向に行くほど３段階に高さが低く形成されている固定電極６０２によるアクチュエータ（ａ）、可動電極６０４が延在する１方向に行くほど４段階に高さが低く形成されている固定電極７０２によるアクチュエータ（ｂ）は、図７の（ｃ）に示すように、印加電圧に対して可動電極が変位する。
【００４２】
ここで、アクチュエータ（ａ）は、可動電極６０４の厚さｔが８μｍ、固定電極６０２の高さＴｆが３０μｍ、階段状の一段の高さｈが６μｍ、一段の長さが１４μｍ、および可動電極６０４と固定電極との間隔ｇが８μｍである。また、アクチュエータ（ｂ）は、可動電極６０４の厚さｔが８μｍ、固定電極７０２の高さＴｆが３０μｍ、階段状の一段の高さｈが６μｍ、一段の長さが１４μｍ、および可動電極６０４と固定電極との間隔ｇが８μｍである。なお、可動電極６０３に連結されている梁部（不図示）は、長さ１２００μｍ、幅７０μｍ、厚さ８μｍ程度としている。
【００４３】
固定電極が階段状とされていない高さが均一とされているアクチュエータは、図７の（ｃ）に白丸で示すように、印加電圧が７０Ｖ程度までは、変位が増加するが、可動電極の厚さに制限され、７０Ｖを超えてもこれ以上変位は変化しない。一方、アクチュエータ（ａ）は、図７の（ｃ）に白三角で示すように、印加電圧が１２５Ｖ程度まで変位が増加する。また、アクチュエータ（ｂ）は、図７の（ｃ）に白四角で示すように、印加電圧が２００Ｖ程度まで変位が増加する。
【００４４】
以上のことから明らかなように、固定電極における、可動電極が延在する１方向に行くほど高さが低く形成されている領域を、高さ方向により長くすることで、可動電極をより大きく変位させることができる。
【００４５】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。可動電極と固定電極の対向する極板面積が増加するようにするためには、固定電極の高さが階段状に変化する必要はなく、高さが異なった複数の領域があればよい。また、例えば、２つの固定電極の間隔を、基板に近いほど狭くするとともに、可動電極が延在する１方向に行くほど高さが低く形成されているようにしてもよい。
【００４６】
また、上述した実施の形態では、２つの固定電極が、可動電極が延在する１方向に行くほど、高さが低く形成されているようにしたが、これに限るものではない。２つの固定電極は、可動電極が延在する方向に配置された各々異なる高さの部分を備えていればよい。例えば、可動電極の延在方向において、一端側より中央部に行くほど高くなり、また、中央部から他端側に行くほど低くなるように各固定電極が形成されていてもよい。この場合、例えば、中央部が、基板側より見て初期状態の可動電極と同じ他笹とされていればよい。また、可動電極の延在方向において、一端側および他端側は、基板側より見て初期状態の可動電極と同じ高さとされ、一端側および他端側から中央部に行くほど低くなるように形成されていてもよい。また、これらが、階段状に変化していてもよい。
【００４７】
また、前述では、可動電極を板状の片持ち梁の構造とした場合について説明したが、これに限るものではなく、可動電極は、少なくとも一端がばね部により支持されて変位可能とされていればよい。ばね部は、変形可能な弾性部材から構成されてればよく、どの様な形状であってもよい。例えば、可動電極とは別体の弾性部材からなる連結部（ばね部）により、可動電極と支持構造体とを連結する構造としてもよい。また、実施の形態２で説明した階段状の固定電極は、メッキ法により金属層を積層することで、形成するようにしてもよい。本発明では、可動電極と固定電極とがペアとなった１つの片持ち梁でも適用でき、可動電極と固定電極とのペアが複数配列された櫛歯型電極構造にも適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１０１…基板、１０２…固定電極、１０３…固定電極、１０４…可動電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロマシン技術による静電力により動作するアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩの製造技術を応用したマイクロマシン技術の進歩により、様々な形態のマイクロマシンが開発されている。例えば、固定電極で発生させた静電力により可動電極を駆動させることで、電力を機械的な運動に変換する微細なアクチュエータがある（非特許文献１〜４参照）。例えば、このようなアクチュエータを用いて微細なミラーを駆動するミラー素子がある。このミラー素子を用いることで、光スイッチが実現できる。
【０００３】
このアクチュエータは、図８に示すように、いわゆる櫛歯状の固定電極部８０１および可動電極部８０２を備える。このアクチュエータは、静電引力により、固定電極部８０１の側に可動電極部８０２を引き寄せるようにしている。このとき、図９に示すように、可動電極９２１が、２つの固定電極９１１，９１２の間に入り込むように移動する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】W.Piyawattanametha et al. , "Surface- and Bulk- Micromachined Two-Dimensional Scanner Driven by Angular Vertical Comb Actuators", Journal of Microelectromechanical Systems, vol.14, no.6, pp.1329-1338, 2005.
【非特許文献２】D. Hah et al. , "Low-Voltage, Large-Scan Angle MEMS Analog Micromirror Arrays With Hidden Vertical Comb-Drive Actuators", Journal of Microelectromechanical Systems, vol.13, no.2, pp.279-289, 2004.
【非特許文献３】J. Tsai et al. , "Two-axis MEMS scanners with radial vertical combdrive actuators.design, theoretical analysis, and fabrication", J. Opt. A: Pure Appl. Opt. , vol.10 , 044006, 2008.
【非特許文献４】Ming C. Wu , "Micromachining for Optical and Optoelectronic Systems", Proceedings of the IEEE, vol.85, no.11, pp.1833-1856, 1997.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したアクチュエータでは、可動電極の可動範囲をあまり大きくすることができないという問題がある。まず、可動電極９２１の厚さは、共振周波数の低下を避けるために、より薄い方がよい。ところが、上述したアクチュエータは電極間の静電容量が最大となる位置で止まってしまうので、上述したアクチュエータでは、可動電極９２１の固定電極９１１，９１２の方向への可動範囲は、可動電極９２１の上端が固定電極９１１，９１２の上端に一致する程度のところまでが最大可動範囲となる。このため、可動電極９２１の可動距離は、可動電極９２１の可動方向の断面の長さ（厚さ）に依存し。可動電極９２１の厚さが薄いと、可動電極９２１の可動範囲は狭いものとなる。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、可動電極の厚さを厚くすることなく、可動電極の可動範囲を大きくできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るアクチュエータは、基板の上に離間して配置されて基板に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極と、少なくとも一端がばね部で支持されて２つの固定電極の間に入り込んで基板の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極に接触しない範囲の幅とされた可動電極とを少なくとも備え、可動電極は、固定電極に電圧を印加することで発生する静電引力により変位する。例えば、２つの固定電極の間隔は、基板に近づくほど階段状に間隔が狭く形成されていればよい。
【０００８】
本発明に係るアクチュエータは、基板の上に離間して配置された２つの固定電極と、少なくとも一端がばね部で支持されて２つの固定電極の間に入り込んで基板の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極に接触しない範囲の幅とされた可動電極とを少なくとも備え、２つの固定電極は、可動電極が延在する方向に配置された各々異なる高さの部分を備え、可動電極は、固定電極に電圧を印加することで発生する静電引力により変位する。例えば、２つの固定電極の高さは、２つの固定電極の高さは、可動電極が延在する方向に階段状に形成されていればよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したことにより、本発明によれば、可動電極の厚さを厚くすることなく、可動電極の可動範囲を大きくできるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの構成を示す構成図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの構成を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの動作に関して印加電圧と変位の関係を示す特性図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｆ】図５Ｆは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｇ】図５Ｇは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｈ】図５Ｈは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｉ】図５Ｉは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｊ】図５Ｊは、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの製造方法例を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３におけるアクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態３におけるアクチュエータの動作に関して印加電圧と変位の関係を示す特性図である。
【図８】図８は、櫛歯型のアクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図９】図９は、アクチュエータの動作を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１２】
[実施の形態１]
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるアクチュエータの構成を示す構成図である。図１では、アクチュエータの断面を模式的に示している。このアクチュエータは、基板１０１の上に離間して配置されて基板１０１に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極１０２，１０３と、２つの固定電極１０２，１０３の間に入り込んで基板１０１の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極１０２，１０３に接触しない範囲の幅とされた可動電極１０４とを備える。
【００１３】
固定電極１０２および固定電極１０３は、例えば、同電位とされている。また、固定電極１０２および固定電極１０３は、可動電極１０４の延在方向の断面形状が、可動電極１０４の基板１０１の法線方向に平行な中心線に対し、線対称となるように形成されている。このように構成された固定電極１０２および固定電極１０３は、基板１０１との接触部（下端部）から上端部にかけて、間隔ｗ１から間隔ｗ２にまで幅が広くなっている。
【００１４】
また、可動電極１０４は、固定電極１０２および固定電極１０３の上端より上の位置より、基板１０１に近づく方向に変位可能とされている。可動電極１０４は、固定電極１０２，１０３に電圧を印加することで発生する静電引力により変位する。例えば、可動電極１０４は板状の部材から構成され、この一端が支持構造体（不図示）により基板１０１の上に支持されている。この場合、板状の部材の支持構造体に連結している一端側の領域がばね部として機能し、ばね部に続く先端側の可動電極１０４が、上述したように変位する。
【００１５】
このように変位する中で、例えば、可動電極１０４と固定電極１０２との距離、および可動電極１０４と固定電極１０３との距離は、等しいものとされている。言い換えると、可動電極１０４は、この中心が、固定電極１０２および固定電極１０３の間の中心線（中心面）を通るように変位する。また、例えば、固定電極１０２および固定電極１０３と可動電極１０４との間には、電位が印加可能とされ、これらの間に容量が形成可能とされている。
【００１６】
上述した本実施の形態におけるアクチュエータによれば、可動電極１０４が基板１０１に近づくほど、可動電極１０４と固定電極１０２との距離、および可動電極１０４と固定電極１０３との距離が、小さいものとなる。従って、可動電極１０４と固定電極１０２との間の静電容量、および可動電極１０４と固定電極１０３との間の静電容量は、可動電極１０４が基板１０１に近づくほど増大することになる。静電容量が増加すれば、静電引力も増加する。この結果、本実施の形態によれば、可動電極１０４を、より基板１０１に近づける状態に変位させることが可能となり、可動電極１０４の可動範囲を大きくできる。また、本実施の形態によれば、可動電極１０４の基板１０１の法線方向の長さ（厚さ）を大きくすることなく、可動範囲を大きくすることができる。本発明では、可動電極と固定電極とがペアとなった１つの片持ち梁でも適用でき、可動電極と固定電極とのペアが複数配列された櫛歯型電極構造にも適用できる。
【００１７】
以下、本実施の形態におけるアクチュエータの製造方法例について、図２Ａ〜図２Ｅを用いて説明する。まず、図２Ａに示すように、例えば、主表面が（１００）面とされたシリコン単結晶からなる基板２０１を用意する。次に、図２Ｂに示すように、基板２０１の上に、絶縁層２０２および金属層２０３を形成し、金属層２０３の上に、図２Ｃの平面図に示すような形状の開口部２０４ａを備えるレジストパターン２０４を形成する。
【００１８】
例えば、基板２０１の表面を熱酸化することで酸化シリコンからなる絶縁層２０２が形成できる。また、よく知られたＣＶＤ法などの堆積法により酸化シリコンを堆積することで、絶縁層２０２を形成してもよい。また、スパッタ法などにより金属を堆積することで、金属層２０３が形成できる。また、メッキ法などにより金属を堆積して金属層２０３を形成してもよい。また、レジストパターン２０４は、公知のフォトリソグラフィー技術により形成すればよい。
【００１９】
次に、図２Ｄに示すように、レジストパターン２０４をマスクとした公知のドライエッチングなどにより、金属層２０３および絶縁層２０２を選択的にエッチングし、可動電極２０５を形成する。また、このパターニングにおいては、開口部２０４ａの領域において、基板２０１の表面が露出する状態とする。
【００２０】
次に、開口部２０４を介してアルカリを作用させるウエットエッチングにより基板２０１を選択的に異方性エッチングする。ここで、よく知られているように、アルカリによるウエットエッチングでは、シリコンの（１１１）面がエッチングされにくい。このため、（１００）面の基板２０１の表面よりアルカリによりエッチングを行うと、すり鉢状に凹部が形成され、凹部の側面は、基板２０１の法線方向に対して５４．７４°傾いた状態に形成される。この傾いた側面が、シリコンの（１１１）面となる。
【００２１】
次に、レジストパターン２０４を除去すれば、図２Ｅに示すように、可動電極２０５に近づくほど、間隔が広がって形成された２つの固定電極２０１ａ，２０１ｂが形成できる。なお、この後、基板２０１の上の金属層２０３を適宜にパターニングおよび除去し、可動電極２０５に接続する配線パターンなどを形成すればよい。また、一部の絶縁層２０２を除去し、基板２０１にコンタクトする配線パターンを形成すればよい。
【００２２】
[実施の形態２]
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図３は、本発明の実施の形態２におけるアクチュエータの構成を示す断面図である。
【００２３】
このアクチュエータは、基板３０１の上に離間して配置されて基板３０１に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極３０２，３０３と、２つの固定電極３０２，３０３の間に入り込んで基板３０１の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極３０２，３０３に接触しない範囲の幅とされた可動電極３０４とを備える。本実施の形態では、２つの固定電極３０２，３０３の間隔は、基板３０１に近づくほど階段状に間隔が狭く形成されている。
【００２４】
本実施の形態においても、固定電極３０２および固定電極３０３は、例えば、同電位とされている。また、固定電極３０２および固定電極３０３は、可動電極３０４の延在方向の断面形状が、可動電極３０４の基板３０１の法線方向に平行な中心線に対し、線対称となるように形成されている。また、可動電極３０４は、固定電極３０２および固定電極３０３の上端より上の位置より、基板１０１に近づく方向に変位可能とされている。可動電極３０４は、固定電極３０２，３０３に電圧を印加することで発生する静電引力により変位する。例えば、可動電極３０４は板状の部材から構成され、この一端が支持構造体（不図示）により基板３０１の上に支持されている。この場合、板状の部材の支持構造体に連結している一端側の領域がばね部として機能し、ばね部に続く先端側の可動電極３０４が、上述したように変位する。
【００２５】
このように変位する中で、例えば、可動電極３０４と固定電極３０２との距離、および可動電極３０４と固定電極３０３との距離は、等しいものとされている。言い換えると、可動電極３０４は、この中心が、固定電極３０２および固定電極３０３の間の中心線（中心面）を通るように変位する。また、例えば、固定電極３０２および固定電極３０３と可動電極３０４との間には、電位が印加可能とされ、これらの間に容量が形成可能とされている。
【００２６】
上述した本実施の形態におけるアクチュエータによれば、可動電極３０４が基板３０１に近づくほど、可動電極３０４と固定電極３０２との距離、および可動電極３０４と固定電極３０３との距離が、小さいものとなる。従って、可動電極３０４と固定電極３０２との間の静電容量、および可動電極３０４と固定電極３０３との間の静電容量は、可動電極３０４が基板３０１に近づくほど増大することになる。静電容量が増加すれば、静電引力も増加する。この結果、本実施の形態によれば、可動電極３０４を、より基板３０１に近づける状態に変位させることが可能となり、可動電極３０４の可動範囲を大きくできる。また、本実施の形態によれば、可動電極３０４の基板３０１の法線方向の長さ（厚さ）を大きくすることなく、可動範囲を大きくすることができる。
【００２７】
例えば、図４において、間隔が均一に形成された２つの固定電極によるアクチュエータ（ａ）、階段が１段で基板に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極によるアクチュエータ（ｂ）、および階段が２段で基板に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極によるアクチュエータ（ｃ）は、図４の（ｄ）に示すように、印加電圧に対して可動電極が変位する。なお、図４の（ｄ）で、印加電圧および変位は、正規化した値である。なお、各アクチュエータは、可動電極の延在方向においては、固定電極の高さが均一に形成されている。
【００２８】
ここで、アクチュエータ（ａ）は、可動電極の厚さｔが８μｍ、固定電極の高さＴｆが３０μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇが８μｍである。また、アクチュエータ（ｂ）は、可動電極の厚さｔが８μｍ、固定電極の高さＴｆが３０μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇが８μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇ’が６μｍ、間隔ｇ＝８μｍの部分の固定電極の高さｈが６μｍである。また、アクチュエータ（ｃ）は、可動電極の厚さｔが８μｍ、固定電極の高さＴｆが３０μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇが８μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇ’が６μｍ、可動電極と固定電極との間隔ｇ”が５．５μｍ、間隔ｇ＝８μｍおよび間隔ｇ’＝６μｍの部分の固定電極の高さｈが６μｍである。なお、可動電極に連結されている梁部（不図示）は、長さ１２００μｍ、幅７０μｍ、厚さ８μｍ程度としている。
【００２９】
２つの固定電極の間隔が均一とされているアクチュエータ（ａ）は、図４の（ｄ）に白丸で示すように、印加電圧が８Ｖ程度までは変位が増加するが、可動電極の厚さｔが８μｍであるため、最大で８μｍ程度の変位しか得られない。一方、アクチュエータ（ｂ）は、図４の（ｄ）に黒三角で示すように、印加電圧が１４Ｖ程度まで変位が増加し、最大で１４μｍ程度の変位が得られる。また、アクチュエータ（ｃ）は、図４の（ａ）に白四角で示すように、印加電圧が２０Ｖ程度まで変位が増加する。
【００３０】
以上のことから明らかなように、固定電極３０２および固定電極３０３の間隔が基板３０１に近づくほど狭くなる領域を、高さ方向により長くすることで、可動電極３０４をより大きく変位させることができる。本発明では、可動電極と固定電極とがペアとなった１つの片持ち梁でも適用でき、可動電極と固定電極とのペアが複数配列された櫛歯型電極構造にも適用できる。
【００３１】
次に、本実施の形態におけるアクチュエータの製造方法例について図５Ａ〜図５Ｊを用いて簡単に説明する。まず、図５Ａに示すように、シリコンからなる基板５０１を用意する。次に、図５Ｂに示すように、基板５０１の上に、開口５０２ａを備えるレジストパターン５０２を形成する。次に、レジストパターン５０２をマスクとしてシリコン基板５０１を選択的にエッチングし、図５Ｃに示すように、溝部５０１ａを形成する。
【００３２】
次に、レジストパターン５０２を除去してから、図５Ｄに示すように、開口５０３ａを備えるレジストパターン５０３を形成する。開口５０３ａは、開口５０２ａと同じ幅に形成する。また、開口５０３ａは、形成しようとする階段状の階段部分の幅に対応し、開口５０２ａより位置をずらして形成する。次に、レジストパターン５０３をマスクとしてシリコン基板５０１を選択的にエッチングし、図５Ｅに示すように、溝部５０１ａ’および溝部５０１ｂを形成する。溝部５０１ａ’は、溝部５０１ａの幅を広くした部分である。
【００３３】
次に、レジストパターン５０３を除去してから、図５Ｆに示すように、開口５０４ａを備えるレジストパターン５０４を形成する。開口５０４ａは、開口５０３ａと同じ幅に形成する。また、開口５０４ａは、形成しようとする階段状の階段部分の幅に対応し、開口５０３ａおよび開口５０２ａより位置をずらして形成する。次に、レジストパターン５０４をマスクとしてシリコン基板５０１を選択的にエッチングし、図５Ｇに示すように、溝部５０１ａ”，溝部５０１ｂ’，および溝部５０１ｃを形成する。溝部５０１ａ”は、溝部５０１ａ’の幅を広くした部分である。また、溝部５０１ｂ’は、溝部５０１ｂの幅を広くした部分である。以上の工程により、上部に行くほど階段状に間隔が広く形成された溝部が形成され、上部に行くほど階段状に間隔が広がる２つの固定電極５２１ａ，５２２ｂが形成できる。
【００３４】
次に、図５Ｈに示すように、表面に絶縁層５０８を形成したＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板５１１を、基板５０１の上に貼り合わせる。ＳＯＩ基板５１１は、シリコン基部５０５の上に、埋め込み絶縁層５０６を介して表面シリコン層５０７が形成された基板である。絶縁層５０８は、表面シリコン層５０７に形成されている。次に、ＳＯＩ基板５１１のシリコン基部５０５および埋め込み絶縁層５０６を除去し、表面シリコン層５０７をパターニングすることで、図５Ｉに示すように、可動電極５０９を形成する。この後、可動電極５０９をマスクとして絶縁層５０８を選択的に除去することで、図５Ｊに示すように、２つの固定電極５２１ａ，５２１ｂの間に入り込んで基板５０１の法線方向に変位可能とされ、変位可能な範囲では、２つの固定電極５２１ａ，５２１ｂに接触しない範囲の幅とされた可動電極５０９が形成される。
【００３５】
[実施の形態３]
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図６は、本発明の実施の形態３におけるアクチュエータの構成を示す斜視図である。このアクチュエータは、基板６０１の上に離間して配置された２つの固定電極６０２，６０３と、２つの固定電極６０２，６０３の間に入り込んで基板６０１の法線方向に変位可能とされて２つの固定電極６０２，６０３に接触しない範囲の幅とされた可動電極６０４とを少なくとも備える。
【００３６】
加えて、２つの固定電極６０２，６０３は、可動電極６０４が延在する１方向に行くほど高さが低く形成されている。本実施の形態では、２つの固定電極６０２，６０３の高さは、上記１方向に行くほど階段状に低く形成している。なお、本実施の形態では、固定電極６０２と固定電極６０３との間隔は、均一な状態としている。
【００３７】
このようにすることで、静電力の働いていない初期状態においては、可動電極６０４は、固定電極６０２および固定電極６０３の上段６０２ａおよび上段６０３ａに最も近く、固定電極６０３の上段６０２ａおよび上段６０３ａと可動電極６０４の間にコンデンサが形成されている。固定電極６０２,６０３に電圧を印加すると、これらの間の静電引力が強く働き、上段６０２ａおよび上段６０３ａの方へ変位する。
【００３８】
ここで、可動電極６０４が中段６０２ｂおよび中段６０３ｂまで変位すると、中段６０２ｂおよび中段６０３ｂと可動電極６０４の間にもコンデンサが形成されるため、静電引力が増加する。このため、可動電極６０３は、さらに基板６０１の方へ変位する。
【００３９】
ここで、可動電極６０４が下段６０２ｃおよび下段６０３ｃまで変位すると、下段６０３ｂおよび下段６０３ｃと可動電極６０４の間にもコンデンサが形成されるため、静電引力が増加する。このため、可動電極６０３は、さらに基板６０１の方へ変位することができる。
【００４０】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、可動電極６０３を、より基板６０１に近づける状態に変位させることが可能となり、可動電極６０３の可動範囲を大きくできる。また、本実施の形態によれば、可動電極６０３の基板６０１の法線方向の長さ（厚さ）を大きくすることなく、可動範囲を大きくすることができる。
【００４１】
例えば、図７において、可動電極６０４が延在する１方向に行くほど３段階に高さが低く形成されている固定電極６０２によるアクチュエータ（ａ）、可動電極６０４が延在する１方向に行くほど４段階に高さが低く形成されている固定電極７０２によるアクチュエータ（ｂ）は、図７の（ｃ）に示すように、印加電圧に対して可動電極が変位する。
【００４２】
ここで、アクチュエータ（ａ）は、可動電極６０４の厚さｔが８μｍ、固定電極６０２の高さＴｆが３０μｍ、階段状の一段の高さｈが６μｍ、一段の長さが１４μｍ、および可動電極６０４と固定電極との間隔ｇが８μｍである。また、アクチュエータ（ｂ）は、可動電極６０４の厚さｔが８μｍ、固定電極７０２の高さＴｆが３０μｍ、階段状の一段の高さｈが６μｍ、一段の長さが１４μｍ、および可動電極６０４と固定電極との間隔ｇが８μｍである。なお、可動電極６０３に連結されている梁部（不図示）は、長さ１２００μｍ、幅７０μｍ、厚さ８μｍ程度としている。
【００４３】
固定電極が階段状とされていない高さが均一とされているアクチュエータは、図７の（ｃ）に白丸で示すように、印加電圧が７０Ｖ程度までは、変位が増加するが、可動電極の厚さに制限され、７０Ｖを超えてもこれ以上変位は変化しない。一方、アクチュエータ（ａ）は、図７の（ｃ）に白三角で示すように、印加電圧が１２５Ｖ程度まで変位が増加する。また、アクチュエータ（ｂ）は、図７の（ｃ）に白四角で示すように、印加電圧が２００Ｖ程度まで変位が増加する。
【００４４】
以上のことから明らかなように、固定電極における、可動電極が延在する１方向に行くほど高さが低く形成されている領域を、高さ方向により長くすることで、可動電極をより大きく変位させることができる。
【００４５】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。可動電極と固定電極の対向する極板面積が増加するようにするためには、固定電極の高さが階段状に変化する必要はなく、高さが異なった複数の領域があればよい。また、例えば、２つの固定電極の間隔を、基板に近いほど狭くするとともに、可動電極が延在する１方向に行くほど高さが低く形成されているようにしてもよい。
【００４６】
また、上述した実施の形態では、２つの固定電極が、可動電極が延在する１方向に行くほど、高さが低く形成されているようにしたが、これに限るものではない。２つの固定電極は、可動電極が延在する方向に配置された各々異なる高さの部分を備えていればよい。例えば、可動電極の延在方向において、一端側より中央部に行くほど高くなり、また、中央部から他端側に行くほど低くなるように各固定電極が形成されていてもよい。この場合、例えば、中央部が、基板側より見て初期状態の可動電極と同じ他笹とされていればよい。また、可動電極の延在方向において、一端側および他端側は、基板側より見て初期状態の可動電極と同じ高さとされ、一端側および他端側から中央部に行くほど低くなるように形成されていてもよい。また、これらが、階段状に変化していてもよい。
【００４７】
また、前述では、可動電極を板状の片持ち梁の構造とした場合について説明したが、これに限るものではなく、可動電極は、少なくとも一端がばね部により支持されて変位可能とされていればよい。ばね部は、変形可能な弾性部材から構成されてればよく、どの様な形状であってもよい。例えば、可動電極とは別体の弾性部材からなる連結部（ばね部）により、可動電極と支持構造体とを連結する構造としてもよい。また、実施の形態２で説明した階段状の固定電極は、メッキ法により金属層を積層することで、形成するようにしてもよい。本発明では、可動電極と固定電極とがペアとなった１つの片持ち梁でも適用でき、可動電極と固定電極とのペアが複数配列された櫛歯型電極構造にも適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１０１…基板、１０２…固定電極、１０３…固定電極、１０４…可動電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に離間して配置されて前記基板に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極と、
少なくとも一端がばね部で支持されて２つの前記固定電極の間に入り込んで前記基板の法線方向に変位可能とされて２つの前記固定電極に接触しない範囲の幅とされた可動電極と
を少なくとも備え、
前記可動電極は、前記固定電極に電圧を印加することで発生する静電引力により変位することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載のアクチュエータにおいて、
２つの前記固定電極の間隔は、前記基板に近づくほど階段状に前記間隔が狭く形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
基板の上に離間して配置された２つの固定電極と、
少なくとも一端がばね部で支持されて２つの前記固定電極の間に入り込んで前記基板の法線方向に変位可能とされて２つの前記固定電極に接触しない範囲の幅とされた可動電極と
を少なくとも備え、
２つの前記固定電極は、前記可動電極が延在する方向に配置された各々異なる高さの部分を備え、
前記可動電極は、前記固定電極に電圧を印加することで発生する静電引力により変位することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項３記載のアクチュエータにおいて、
２つの前記固定電極の高さは、前記可動電極が延在する方向に階段状に形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１】
基板の上に離間して配置されて前記基板に近づくほど間隔が狭く形成された２つの固定電極と、
少なくとも一端がばね部で支持されて２つの前記固定電極の間に入り込んで前記基板の法線方向に変位可能とされて２つの前記固定電極に接触しない範囲の幅とされた可動電極と
を少なくとも備え、
前記可動電極は、前記固定電極に電圧を印加することで発生する静電引力により変位することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載のアクチュエータにおいて、
２つの前記固定電極の間隔は、前記基板に近づくほど階段状に前記間隔が狭く形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
基板の上に離間して配置された２つの固定電極と、
少なくとも一端がばね部で支持されて２つの前記固定電極の間に入り込んで前記基板の法線方向に変位可能とされて２つの前記固定電極に接触しない範囲の幅とされた可動電極と
を少なくとも備え、
２つの前記固定電極は、前記可動電極が延在する方向に配置された各々異なる高さの部分を備え、
前記可動電極は、前記固定電極に電圧を印加することで発生する静電引力により変位することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項３記載のアクチュエータにおいて、
２つの前記固定電極の高さは、前記可動電極が延在する方向に階段状に形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【図５Ｉ】
【図５Ｊ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【図５Ｉ】
【図５Ｊ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２７１４２（Ｐ２０１３−２７１４２Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５９５８５（Ｐ２０１１−１５９５８５）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]