JP2005238346A - Actuator and optical device - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an actuator and an optical device, and more particularly to an actuator and an optical device based on a microelectromechanical system.
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。 An optical switch which is one of optical devices is mainly classified into three types: a mechanical type, a waveguide type, and a micro-electro-mechanical system (MEMS) type. Among these, in the MEMS type, the optical waveguide, the mirror, and the driving mechanism can be integrally formed on one silicon chip by using a micromachining technology formed by a semiconductor process. Moreover, the core diameter of the optical fiber used for optical communication is as small as 9 μm, and the MEMS type has been expected to be applied to an optical switch in terms of size and cost.
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。 An attractive force due to static electricity has been used as a driving principle of the MEMS mechanism. It is roughly classified into a gap closing method that uses a surface-direction attractive force between two electrodes and a comb method that uses an attractive force in a plane-parallel direction of the comb-shaped electrodes arranged opposite to each other.
従来より、互いに対向して固定電極及び可動電極が配置され、両電極の間に発生する静電引力により可動電極が変位するアクチュエータ及びこれを用いた光スイッチにおいて、可動電極に対して当該変位した状態で嵌合するラッチ部材を用いて、静電引力を解除したあとも可動電極を当該変位した状態で保持する技術が知られている(例えば、特許文献1及び2参照)。
しかし、特許文献1及び2に開示された技術では、ラッチ部材は可動電極に対して当該変位した状態で嵌合するが、変位していない状態、即ち静電引力が加わっていない状態において可動電極の位置を保持することは出来ない。通常、可動電極は可撓性のある支持材を介して固定され、当該支持材が撓むことにより変位することが出来る。よって、当該支持材が撓んでいない状態での可動電極の位置は正確に定めることが出来ず、外部からの振動などにより容易に変位してしまう。 However, in the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, the latch member is fitted in the displaced state with respect to the movable electrode, but the movable electrode is not displaced, that is, in a state where no electrostatic attractive force is applied. The position of cannot be held. Usually, the movable electrode is fixed via a flexible support material, and can be displaced by bending the support material. Therefore, the position of the movable electrode in a state where the support member is not bent cannot be accurately determined, and is easily displaced by external vibration or the like.
本発明の第1の特徴は、アクチュエータ全体を支持する固定部に一端が接続された可撓性のプレート支持部と、プレート支持部の他端に接続され、プレート支持部が撓むことにより変位可能な可動プレートと、可動プレートに対して応力を加えて変位させるプレート駆動部と、固定部に一端が接続された可撓性のラッチ支持部と、ラッチ支持部の他端に接続され、ラッチ支持部が撓むことにより変位可能な可動ラッチ部と、可動ラッチ部に対して応力を加えて変位させるラッチ駆動部とを有するアクチュエータであって、プレート駆動部が可動プレートに対して応力を加えず、且つラッチ駆動部が可動ラッチ部に対して応力を加えていない時に、可動ラッチ部は可動プレートと接触して可動プレートの位置を保持し、プレート駆動部が可動プレートを変位させる時に、ラッチ駆動部が可動ラッチ部を可動プレートから離れる方向に変位させることを要旨とする。 The first feature of the present invention is that a flexible plate support part having one end connected to a fixed part that supports the entire actuator, and a displacement that is connected to the other end of the plate support part by bending the plate support part. A movable plate, a plate driving unit that applies displacement to the movable plate, a flexible latch support unit having one end connected to the fixed unit, and a latch connected to the other end of the latch support unit. An actuator having a movable latch part that can be displaced by bending of the support part, and a latch drive part that applies displacement to the movable latch part to displace it, and the plate drive part applies stress to the movable plate. When the latch drive unit does not apply stress to the movable latch unit, the movable latch unit contacts the movable plate to hold the position of the movable plate, and the plate drive unit When displacing the over preparative latch driving portion is summarized in that to displace in a direction away moving latch portion from the movable plate.
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、可動プレー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スイッチであることを要旨とする。 A second feature of the present invention is an optical switch including the actuator according to the first feature, a mirror connected to the movable plate, and a pair of optical waveguides that intersect or face each other in the vicinity of the mirror. And
本発明によれば、プレート駆動部が可動プレートに対して応力を加えていない状態において、可動プレートの位置を正確に定める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。 According to the present invention, it is possible to provide an actuator and an optical device that accurately determine the position of the movable plate in a state where the plate driving unit does not apply stress to the movable plate.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.
(第1の実施の形態)
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係わるアクチュエータは、アクチュエータ全体を支持する固定部10と、固定部10に一端が接続された可撓性のプレート支持部1と、プレート支持部1の他端に接続され、プレート支持部1が撓むことにより変位可能な可動プレート2と、可動プレート2に対して応力を加えて変位させるプレート駆動部3と、固定部10に一端が接続された可撓性のラッチ支持部4と、ラッチ支持部4の他端に接続され、ラッチ支持部4が撓むことにより変位可能な可動ラッチ部5と、可動ラッチ部5に対して応力を加えて変位させるラッチ駆動部6と、プレート駆動部3とラッチ駆動部6とを電気的に接続する電気的連動線7と、可動プレート2が変位した状態で保持するラッチ機構8とを有する。可動プレート2は、その側面に嵌合部材9を有し、嵌合部材9は、可動ラッチ部5の先端部分と嵌合している。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the actuator according to the first embodiment of the present invention includes a fixed portion 10 that supports the entire actuator, a flexible plate support portion 1 having one end connected to the fixed portion 10, and A movable plate 2 connected to the other end of the plate support portion 1 and displaceable by bending of the plate support portion 1, a plate driving portion 3 for applying displacement to the movable plate 2, and a fixed portion 10. A flexible latch support portion 4 connected at one end, a movable latch portion 5 connected to the other end of the latch support portion 4 and displaceable by bending the latch support portion 4, and a movable latch portion 5 A latch driving unit 6 that is displaced by applying stress, an electrical interlocking line 7 that electrically connects the plate driving unit 3 and the latch driving unit 6, and a latch mechanism 8 that holds the movable plate 2 in a displaced state. Have The movable plate 2 has a fitting member 9 on its side surface, and the fitting member 9 is fitted to the distal end portion of the movable latch portion 5.
プレート駆動部3が可動プレート2に対して応力を加えず、且つラッチ駆動部6が可動ラッチ部5に対して応力を加えていない時に、可動ラッチ部5の先端は可動プレート2の嵌合部材9と接触(嵌合)して可動プレート2の位置を保持する。 When the plate driving unit 3 does not apply stress to the movable plate 2 and the latch driving unit 6 does not apply stress to the movable latch unit 5, the tip of the movable latch unit 5 is a fitting member of the movable plate 2. The position of the movable plate 2 is maintained by contact (fitting) with 9.
可動プレート2は、プレート支持部1が撓むことにより、プレート駆動部3の側に変位可能である。プレート駆動部3は、可動プレート2に対して応力を加えてプレート駆動部3の側に変位させる。プレート駆動部3が可動プレート2に対して応力を加えなければ、プレート支持部1の弾性復元力により元の状態に戻る。なお、ラッチ機構8は、可動プレート2をプレート駆動部3の側に変位した状態で保持する。また、プレート支持部1の弾性復元力のみで図1に示す元の状態に戻り、可動ラッチ部5の先端と嵌合部材9とを嵌合させるためには、嵌合部材9の外側の傾斜を緩やかにしていくことが望ましい。これにより、プレート支持部1の弾性復元力のみで図1に示す元の状態においてラッチを掛けることが出来る。 The movable plate 2 can be displaced toward the plate driving unit 3 by bending the plate support unit 1. The plate driving unit 3 applies stress to the movable plate 2 and displaces it to the plate driving unit 3 side. If the plate driving unit 3 does not apply stress to the movable plate 2, it returns to the original state by the elastic restoring force of the plate support unit 1. Note that the latch mechanism 8 holds the movable plate 2 in a state of being displaced toward the plate driving unit 3. Moreover, in order to return to the original state shown in FIG. 1 only by the elastic restoring force of the plate support part 1 and to fit the front end of the movable latch part 5 and the fitting member 9, the inclination of the outside of the fitting member 9 is increased. It is desirable to loosen. Thus, the latch can be applied in the original state shown in FIG. 1 only by the elastic restoring force of the plate support portion 1.
プレート駆動部3が可動プレート2を変位させる時に、ラッチ駆動部6が可動ラッチ部5を可動プレート2から離れる方向に変位させる。具体的には、図1に示した状態においては、可動ラッチ部5の先端は可動プレート2の嵌合部材9と嵌合しているため、当該嵌合が障害となり、可動プレート2は変位することが出来ない。可動プレート2を変位させる時は、可動ラッチ部5の先端と嵌合部材9との嵌合を解除する必要がある。そこで、電気的連動線7によりプレート駆動部3とラッチ駆動部6とを電気的に連動させて、プレート駆動部3が可動プレート2を駆動する動作とラッチ駆動部6が可動ラッチ部5を可動プレート2から離れる方向に駆動する動作を連動させる。 When the plate driving unit 3 displaces the movable plate 2, the latch driving unit 6 displaces the movable latch unit 5 in a direction away from the movable plate 2. Specifically, in the state shown in FIG. 1, since the tip of the movable latch portion 5 is fitted with the fitting member 9 of the movable plate 2, the fitting becomes an obstacle, and the movable plate 2 is displaced. I can't. When the movable plate 2 is displaced, it is necessary to release the fitting between the tip of the movable latch portion 5 and the fitting member 9. Therefore, the plate driving unit 3 and the latch driving unit 6 are electrically interlocked by the electric interlocking line 7 so that the plate driving unit 3 drives the movable plate 2 and the latch driving unit 6 moves the movable latch unit 5. The operation of driving away from the plate 2 is linked.
以上説明したように、従来では、可動プレート2は初期形成位置において構造的に応力が加わっていないため安定であるが、外乱に対して容易にその位置が変動してしまい、不安定であるといえる。しかし、図1に示したように、可動プレート2の初期形成位置において新たにラッチ機構を設けることにより、可動プレート2の初期形成位置における位置精度が向上し、振動や衝撃などの外乱に対しても容易に変位することを防止できる。 As described above, conventionally, the movable plate 2 is stable because no structural stress is applied at the initial formation position, but its position easily fluctuates due to disturbance and is unstable. I can say that. However, as shown in FIG. 1, by newly providing a latch mechanism at the initial formation position of the movable plate 2, the positional accuracy at the initial formation position of the movable plate 2 is improved, and against disturbances such as vibration and impact. Can also be prevented from being easily displaced.
また、プレート駆動部3とラッチ駆動部6とを電気的に連動させることにより、電子制御が必要なくなり、電気回路が簡略化することが出来る。 Further, by electrically interlocking the plate driving unit 3 and the latch driving unit 6, electronic control is not necessary, and the electric circuit can be simplified.
なお、可動プレート2、可動ラッチ部5は、それぞれ4本の可撓性の支持部1、4に懸吊されている。固定部10は、MEMS構造体の基本構成要素である。図1には支持部1、4はそれぞれ4本記載されているが、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1、4の伸びを緩和することができる。支持部1,4によって、可動プレート2、可動ラッチ部5は、それぞれ直線的(一次元的)に可動することができる。 The movable plate 2 and the movable latch portion 5 are suspended from four flexible support portions 1 and 4, respectively. The fixing unit 10 is a basic component of the MEMS structure. In FIG. 1, four support portions 1 and 4 are described, but one support portion may be provided for each of the upper and lower portions, and a folded structure may be used. In the case of the folded structure, the elongation of the support portions 1 and 4 when bent can be relaxed. By the support parts 1 and 4, the movable plate 2 and the movable latch part 5 can each move linearly (one-dimensionally).
また、図1に示したアクチュエータは、上層及び下層からなる2層構造を有する。図1に示すアクチュエータの総ての構成要素は上層内に配置されている。アクチュエータの構成要素のうち固定部10は、上層の下に絶縁膜を介して重ね合わされた下層内に配置されている基板に接続されている。固定部10を除く構成要素は、基板の上方に重ね合わせて配置されているが、絶縁膜は配置されていない。よって、固定部10にその一端が接続された支持部1、4は、基板に対して自由に撓む(変位する)ことができ、同様に支持部1、4に接続された可動要素は基板に対して可動することが出来る。このような2層構造を有するアクチュエータは、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)のウェットエッチング法を用いて、2層構造を容易に実現することができる。 The actuator shown in FIG. 1 has a two-layer structure composed of an upper layer and a lower layer. All the components of the actuator shown in FIG. 1 are arranged in the upper layer. Among the constituent elements of the actuator, the fixed portion 10 is connected to a substrate disposed in a lower layer that is overlapped with an insulating film below the upper layer. The components excluding the fixing part 10 are arranged so as to overlap above the substrate, but the insulating film is not arranged. Therefore, the support portions 1 and 4 whose one ends are connected to the fixed portion 10 can freely bend (displace) with respect to the substrate, and similarly, the movable element connected to the support portions 1 and 4 is the substrate. Can move against. An actuator having such a two-layer structure can be easily formed using a semiconductor process. That is, a two-layer structure can be easily realized by using an anisotropic etching method such as a photolithography method, a reactive ion etching method (RIE method), and a wet etching method of an insulating film (oxide film).
(第2の実施の形態)
図2に示すように、本発明の第2の実施の形態に係わるアクチュエータは、アクチュエータ全体を支持する固定部10と、固定部10に一端が接続された可撓性のプレート支持部1と、プレート支持部1の他端に接続され、プレート支持部1が撓むことにより変位可能な可動プレート2と、可動プレート2に対して応力を加えて変位させる第1及び第2のプレート駆動部3a、3bと、固定部10に一端が接続された可撓性のラッチ支持部4と、ラッチ支持部4の他端に接続され、ラッチ支持部4が撓むことにより変位可能な可動ラッチ部5と、可動ラッチ部5に対して応力を加えて変位させる第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bと、第1のプレート駆動部3aと第1のラッチ駆動部6a間及び第2のプレート駆動部3bと第2のラッチ駆動部6b間をそれぞれ電気的に接続する第1及び第2の電気的連動線7a、7bと、可動プレート2が変位した状態で保持する第1及び第2のラッチ機構8a、8bとを有する。可動プレート2は、その側面に嵌合部材9を有し、嵌合部材9は、可動ラッチ部5の先端部分と嵌合している。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 2, the actuator according to the second embodiment of the present invention includes a fixing portion 10 that supports the entire actuator, a flexible plate support portion 1 having one end connected to the fixing portion 10, and A movable plate 2 that is connected to the other end of the plate support portion 1 and can be displaced by bending the plate support portion 1, and first and second plate drive portions 3 a that are displaced by applying stress to the movable plate 2. 3b, a flexible latch support portion 4 having one end connected to the fixed portion 10, and a movable latch portion 5 connected to the other end of the latch support portion 4 and displaceable by bending the latch support portion 4. And first and second latch driving units 6a and 6b for applying displacement to the movable latch unit 5, and between the first plate driving unit 3a and the first latch driving unit 6a and the second plate. Drive unit 3b and second latch First and second electrical interlocking lines 7a and 7b that electrically connect the moving parts 6b, respectively, and first and second latch mechanisms 8a and 8b that hold the movable plate 2 in a displaced state. . The movable plate 2 has a fitting member 9 on its side surface, and the fitting member 9 is fitted to the distal end portion of the movable latch portion 5.
第1及び第2のプレート駆動部3a、3bが可動プレート2に対して応力を加えず、且つ第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bが可動ラッチ部5に対して応力を加えていない時に、可動ラッチ部5の先端は可動プレート2の嵌合部材9と接触して可動プレート2の位置を保持する。 The first and second plate driving units 3 a and 3 b do not apply stress to the movable plate 2, and the first and second latch driving units 6 a and 6 b do not apply stress to the movable latch unit 5. Sometimes, the tip of the movable latch portion 5 contacts the fitting member 9 of the movable plate 2 to hold the position of the movable plate 2.
可動プレート2は、プレート支持部1が撓むことにより、第1のプレート駆動部3aの側(上側)及び第2のプレート駆動部3bの側(下側)に変位可能である。第1のプレート駆動部3aは、可動プレート2に対して応力を加えて上側に変位させる。第2のプレート駆動部3bは、可動プレート2に対して応力を加えて下側に変位させる。可動プレート2は、第1及び第2のプレート駆動部3a、3bが可動プレート2に対して応力を加えなければ、プレート支持部1の弾性復元力により元の状態に戻る。なお、第1のラッチ機構8aは、可動プレート2を上側に変位した状態で保持する。第2のラッチ機構8bは、可動プレート2を下側に変位した状態で保持する。 The movable plate 2 can be displaced to the side of the first plate driving unit 3a (upper side) and the side of the second plate driving unit 3b (lower side) by bending the plate support unit 1. The first plate driving unit 3a applies stress to the movable plate 2 to displace it upward. The second plate driving unit 3b applies stress to the movable plate 2 and displaces it downward. The movable plate 2 returns to the original state by the elastic restoring force of the plate support 1 if the first and second plate driving units 3a and 3b do not apply stress to the movable plate 2. Note that the first latch mechanism 8a holds the movable plate 2 in a state of being displaced upward. The second latch mechanism 8b holds the movable plate 2 in a state of being displaced downward.
第1のプレート駆動部3aが可動プレート2を変位させる時に、第1のラッチ駆動部6aが可動ラッチ部5を可動プレート2から離れる方向に変位させる。第2のプレート駆動部3bが可動プレート2を変位させる時に、第2のラッチ駆動部6bが可動ラッチ部5を可動プレート2から離れる方向に変位させる。具体的には、図2に示した状態においては、可動ラッチ部5の先端は可動プレート2の嵌合部材9と嵌合しているため、当該嵌合が障害となり、可動プレート2は変位することが出来ない。可動プレート2を変位させる時は、可動ラッチ部5の先端と嵌合部材9との嵌合を解除する必要がある。そこで、第1の電気的連動線7aにより第1のプレート駆動部3aと第1のラッチ駆動部6aとを電気的に連動させて、第1のプレート駆動部3aが可動プレート2を駆動する動作(可動プレート2を下位置或いは中央位置から上位置へ変位させる動作)と第1のラッチ駆動部6aが可動ラッチ部5を可動プレート2から離れる方向に駆動する動作を連動させる。同様に、第2の電気的連動線7bにより第2のプレート駆動部3bと第2のラッチ駆動部6bとを電気的に連動させて、第2のプレート駆動部3bが可動プレート2を駆動する動作(可動プレート2を上位置或いは中央位置から下位置へ変位させる動作)と第2のラッチ駆動部6bが可動ラッチ部5を可動プレート2から離れる方向に駆動する動作を連動させる。 When the first plate driving unit 3 a displaces the movable plate 2, the first latch driving unit 6 a displaces the movable latch unit 5 in a direction away from the movable plate 2. When the second plate driving unit 3 b displaces the movable plate 2, the second latch driving unit 6 b displaces the movable latch unit 5 in a direction away from the movable plate 2. Specifically, in the state shown in FIG. 2, the tip of the movable latch portion 5 is fitted with the fitting member 9 of the movable plate 2, so that the fitting becomes an obstacle and the movable plate 2 is displaced. I can't. When the movable plate 2 is displaced, it is necessary to release the fitting between the tip of the movable latch portion 5 and the fitting member 9. Therefore, the first plate driving unit 3a electrically operates the first plate driving unit 3a and the first latch driving unit 6a by the first electric interlocking line 7a, and the first plate driving unit 3a drives the movable plate 2. (Operation to move the movable plate 2 from the lower position or the center position to the upper position) and the operation in which the first latch driving unit 6a drives the movable latch unit 5 away from the movable plate 2 are linked. Similarly, the second plate driving unit 3b and the second latch driving unit 6b are electrically interlocked by the second electrical interlocking line 7b, and the second plate driving unit 3b drives the movable plate 2. The operation (the operation of displacing the movable plate 2 from the upper position or the center position to the lower position) and the operation of the second latch driving unit 6b driving the movable latch unit 5 in the direction away from the movable plate 2 are linked.
以上説明したように、図2に示したように、可動プレート2の初期形成位置において新たにラッチ機構を設けることにより、可動プレート2の初期形成位置における位置精度が向上し、振動や衝撃などの外乱に対しても容易に変位することを防止できる。 As described above, as shown in FIG. 2, by newly providing a latch mechanism at the initial formation position of the movable plate 2, the positional accuracy at the initial formation position of the movable plate 2 is improved, and vibration, impact, etc. It is possible to prevent displacement easily even against disturbance.
また、第1のプレート駆動部3aと第1のラッチ駆動部6aとを電気的に連動させることにより、電子制御が必要なくなり、電気回路が簡略化することが出来る。同様に、第2のプレート駆動部3bと第2のラッチ駆動部6bとを電気的に連動させることにより、電子制御が必要なくなり、電気回路が簡略化することが出来る。 Further, by electrically interlocking the first plate driving unit 3a and the first latch driving unit 6a, electronic control is not necessary, and the electric circuit can be simplified. Similarly, by electrically interlocking the second plate driving unit 3b and the second latch driving unit 6b, electronic control is not necessary, and the electric circuit can be simplified.
(第1の実施例)
図3を参照して、図1及び図2に示したアクチュエータを基本構成とするアクチュエータの第1の実施例について説明する。
(First embodiment)
With reference to FIG. 3, a first embodiment of the actuator having the basic structure of the actuator shown in FIGS. 1 and 2 will be described.
図3に示すように、第1の実施例に係わるアクチュエータは、固定部10と、固定部10に一端が接続された可撓性のプレート支持部1と、プレート支持部1の他端に接続され、プレート支持部1が撓むことにより変位可能な可動プレート2と、可動プレート2に対して応力を加えて変位させる第1及び第2のプレート駆動部3a、3bと、固定部10に一端が接続された可撓性のラッチ支持部4a、4bと、ラッチ支持部の他端に接続され、ラッチ支持部が撓むことにより変位可能な第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bと、第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bに対して応力を加えて変位させる第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bと、第1及び第2のプレート駆動部3a、3bと第1及び第2のラッチ駆動部6a、6b間をそれぞれ電気的に接続する第1の電気的連動線7a1、7a2及び第2の電気的連動線7b1、7b2とを有する。可動プレート2は、その側面に第1及び第2の嵌合部材9a、9bを有し、第1及び第2の嵌合部材9a、9bは、第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bの先端部分から、「所定の隙間」だけ離れている。なお、図3はアクチュエータの製造直後の状態を示すものであり、この状態から「不可逆動作」を行うことにより、第1及び第2の嵌合部材9a、9bは、第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bの先端部分とそれぞれ嵌合することになる。「所定の隙間」及び「不可逆動作」については、図4(a)及び図4(b)を参照して後述する。 As shown in FIG. 3, the actuator according to the first embodiment is connected to a fixed portion 10, a flexible plate support portion 1 having one end connected to the fixed portion 10, and the other end of the plate support portion 1. The movable plate 2 is displaceable by bending the plate support portion 1, the first and second plate driving portions 3 a and 3 b are displaced by applying stress to the movable plate 2, and the fixed portion 10 has one end. Are connected to the other end of the latch support, and the first and second movable latches 5a and 5b can be displaced by bending the latch support. The first and second latch driving portions 6a and 6b for applying stress to the first and second movable latch portions 5a and 5b and displacing the first and second movable latch portions 5a and 5b, the first and second plate driving portions 3a and 3b, and the first Between the first and second latch driving units 6a and 6b Re has a first electrical interlocking lines 7a 1, 7a 2 and second electrical interlock line 7b 1, and 7b 2 that electrically connects. The movable plate 2 has first and second fitting members 9a, 9b on its side surfaces, and the first and second fitting members 9a, 9b are first and second movable latch portions 5a, 5b. It is separated from the tip portion by a “predetermined gap”. FIG. 3 shows a state immediately after the manufacture of the actuator. By performing an “irreversible operation” from this state, the first and second fitting members 9a and 9b can move to the first and second movable members. The latch portions 5a and 5b are respectively fitted with the tip portions. The “predetermined gap” and “irreversible operation” will be described later with reference to FIGS. 4 (a) and 4 (b).
第1の実施の形態において、第1及び第2のプレート駆動部3a、3bは、相対して配置された櫛歯電極の電極面に平行方向の引力を利用するコム方式のアクチュエータである。一方、第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bは、相対して配置された櫛歯型電極の電極面に垂直な方向の引力を利用するギャップクロージング方式のアクチュエータである。即ち、第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bは、固定部10に接続された固定電極と自由に変位可能な可動電極を備え、固定電極及び可動電極の各電極面は、駆動方向に垂直に配置されている。いずれの方式のアクチュエータも、相対する櫛歯電極間に電位差を印加することにより静電引力(駆動力)が発生する。 In the first embodiment, the first and second plate driving units 3a and 3b are comb-type actuators that use an attractive force in a direction parallel to the electrode surfaces of the comb-shaped electrodes disposed opposite to each other. On the other hand, the first and second latch driving units 6a and 6b are gap closing type actuators that utilize an attractive force in a direction perpendicular to the electrode surfaces of the comb-shaped electrodes disposed in opposition to each other. That is, the first and second latch driving units 6a and 6b include a fixed electrode connected to the fixed unit 10 and a movable electrode that can be freely displaced, and the electrode surfaces of the fixed electrode and the movable electrode are arranged in the driving direction. It is arranged vertically. In any type of actuator, an electrostatic attractive force (driving force) is generated by applying a potential difference between opposing comb electrodes.
コム方式のアクチュエータは、(1)駆動するストロークは長いが、その分、可撓性支持体が駆動方向に垂直な方向の応力に対して耐性が低くなる。(2)駆動方向の垂直方向に長い形状を有し、広いスペースを必要とする。等の特性を有するため、比較的長い駆動ストロークを必要とする可動プレート用アクチュエータである第1及び第2のプレート駆動部3a、3bに適している。 The comb type actuator (1) has a long driving stroke, but the resistance to the stress in the direction perpendicular to the driving direction of the flexible support becomes low. (2) It has a long shape in the direction perpendicular to the driving direction and requires a large space. Therefore, it is suitable for the first and second plate driving units 3a and 3b, which are movable plate actuators that require a relatively long driving stroke.
一方、ギャップクロージング方式のアクチュエータは、(1)稼動するストロークは短いが、容易に多段化することが可能であり高い出力を得ることが出来る。(2)駆動方向に長い形状を有する。(3)可撓性支持体が比較的短く、距離を置いて配置できるので、横方向の応力に対しての耐性が高い。等の特性を有するため、ラッチ解放用アクチュエータである第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bに適している。また、ギャップクロージング方式のアクチュエータは、駆動方向に対して左右の静電駆動部を独立して荷電することが出来る。したがって、第1の電気的連動線7a1は第1のラッチ駆動部6a1に接続され、第1の電気的連動線7a2は第1のラッチ駆動部6a2に接続され、第1のラッチ駆動部6a1、6a2はそれぞれ独立して第1の可動ラッチ部5aを駆動することが出来る。同様に、第2の電気的連動線7b1は第2のラッチ駆動部6b1に接続され、第2の電気的連動線7b2は第2のラッチ駆動部6b2に接続され、第2のラッチ駆動部6b1、6b2はそれぞれ独立して第2の可動ラッチ部5bを駆動することが出来る。 On the other hand, the gap closing type actuator (1) has a short operating stroke, but can be easily multi-staged to obtain a high output. (2) It has a long shape in the driving direction. (3) Since the flexible support is relatively short and can be placed at a distance, the resistance to lateral stress is high. Therefore, it is suitable for the first and second latch driving units 6a and 6b, which are latch release actuators. Further, the gap closing type actuator can charge the left and right electrostatic driving units independently with respect to the driving direction. Accordingly, the first electrical interlocking line 7a 1 is connected to the first latch driving part 6a 1 , the first electrical interlocking line 7a 2 is connected to the first latch driving part 6a 2 , and the first latch The driving units 6a 1 and 6a 2 can independently drive the first movable latch unit 5a. Similarly, the second electrical interlocking line 7b 1 is connected to the second latch driver 6b 1 , the second electrical interlocking line 7b 2 is connected to the second latch driver 6b 2 , and the second The latch driving units 6b 1 and 6b 2 can independently drive the second movable latch unit 5b.
なお、図3のアクチュエータにおいては、可動プレート2の両側面にそれぞれ嵌合部材9a、9bを有し、左右対称な構成を有するが、力のバランスを考慮する必要がない場合は、片方のみであっても構わない。この場合、可動ラッチ部5a、5b及びラッチ駆動部6a、6bもそれぞれ片方のみとなる。 3 has fitting members 9a and 9b on both side surfaces of the movable plate 2, respectively, and has a bilaterally symmetric configuration. However, when it is not necessary to consider the balance of force, only one of them is used. It does not matter. In this case, each of the movable latch portions 5a and 5b and the latch drive portions 6a and 6b is only one.
また、コム方式及びギャップクロージング方式の組み合わせは、図3に示したアクチュエータの例に限定されるものではなく、他の組み合わせであっても構わない。 Further, the combination of the comb method and the gap closing method is not limited to the example of the actuator shown in FIG. 3, and other combinations may be used.
次に、図4(a)及び図4(b)を参照して、初期形成直後の第2の可動ラッチ部5bの状態(初期状態)、及び不可逆動作を行った後の第2の可動ラッチ部5bの状態(嵌合状態)について説明する。なお、第1の可動ラッチ部5aについても第2の可動ラッチ部5bと同様である。 Next, referring to FIGS. 4A and 4B, the state (initial state) of the second movable latch portion 5b immediately after the initial formation and the second movable latch after performing the irreversible operation. The state (fitting state) of the part 5b will be described. The first movable latch portion 5a is the same as the second movable latch portion 5b.
図4(a)に示すように、第2の可動ラッチ部5bは、第2の嵌合部材9bと接触するラッチ部材13と、ラッチ部材13に接続された柱状部材14と、柱状部材14の側面に配置されたテーパー状のラッチ爪15と、可撓性の戻り防止部材16と、フレーム18と、支持部4とを有する。第2の可動ラッチ部5bは、ラッチ支持部4を介してフレーム18に接続され、ラッチ支持部4が撓むことにより変位することが出来る。柱状部材14は、ラッチ支持部4により4箇所(少なくとも2箇所)において懸吊されている。なお、ラッチ爪15は、三角状或いは錐状の形状を有していても構わない。 As shown in FIG. 4A, the second movable latch portion 5b includes a latch member 13 that comes into contact with the second fitting member 9b, a columnar member 14 connected to the latch member 13, and a columnar member 14. A tapered latch claw 15 disposed on the side surface, a flexible return preventing member 16, a frame 18, and the support portion 4 are provided. The second movable latch portion 5b is connected to the frame 18 via the latch support portion 4 and can be displaced by the latch support portion 4 being bent. The columnar member 14 is suspended at four places (at least two places) by the latch support portion 4. The latch claw 15 may have a triangular shape or a cone shape.
一連の半導体製造プロセスを経て製造されるMEMS構造体はその製造直後においては、複数の部材が接触していることはなく、隣接する部材の間には、半導体製造プロセスの必要条件により定まる所定の隙間(例えば、5μm程度)が必ず形成されている。よって、一連の半導体製造プロセスを経て製造された図1のアクチュエータも例外ではなく、その製造直後において、ラッチ部材13と第2の嵌合部材9bとの間には、上記所定の隙間が形成されている。また、戻り防止部材16はラッチ爪15に沿って2つづつ配置され、戻り防止部材16とラッチ爪15と間にも上記所定の隙間が形成されている。 In a MEMS structure manufactured through a series of semiconductor manufacturing processes, a plurality of members are not in contact with each other immediately after the manufacturing, and there is a predetermined structure determined by the requirements of the semiconductor manufacturing process between adjacent members. A gap (for example, about 5 μm) is always formed. Therefore, the actuator of FIG. 1 manufactured through a series of semiconductor manufacturing processes is no exception, and immediately after the manufacture, the predetermined gap is formed between the latch member 13 and the second fitting member 9b. ing. Two return prevention members 16 are arranged along the latch claw 15, and the predetermined gap is formed between the return prevention member 16 and the latch claw 15.
図4(b)に示すように、ラッチ支持部4が撓んでラッチ部材13、柱状部材14及びラッチ爪15が第2の嵌合部材9bの側へ変位する。この変位動作は、第2の嵌合部材9bとラッチ部材13が接触するまで行われる。そして、戻り防止部材16がラッチ爪15と勘合することにより、第2の嵌合部材9bとラッチ部材13が接触した状態を不可逆的に保持する。即ち、一旦図4(a)の初期状態から図4(b)の嵌合状態へ不可逆動作を行った後は、ラッチ支持部4の弾性反力により再び図4(a)の初期状態に戻ることはない。図4(a)に示す初期状態から図4(b)に示す嵌合状態への不可逆動作を行うことにより、第1及び第2のプレート駆動部3a、3bが可動プレート2に対して応力を加えず、且つ第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bが第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bに対して応力を加えていない時に、第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bは可動プレート2と接触して可動プレート2の位置を保持することが出来る。なお、この不可逆動作は、手動或いは何らかの駆動手段を用いて行うことが出来る。また、第2の可動ラッチ部5bの変位長さは、前述の所定の隙間を埋める長さと、ラッチ部材13が第2の嵌合部材9bを適当な圧力で加圧するために必要なラッチ支持部4の撓み長さとを合計した長さである。 As shown in FIG. 4B, the latch support 4 is bent and the latch member 13, the columnar member 14 and the latch claw 15 are displaced toward the second fitting member 9b. This displacement operation is performed until the second fitting member 9b and the latch member 13 come into contact with each other. And when the return prevention member 16 engages with the latch claw 15, the state where the second fitting member 9b and the latch member 13 are in contact with each other is irreversibly held. That is, once the irreversible operation is performed from the initial state of FIG. 4A to the fitted state of FIG. 4B, the initial state of FIG. There is nothing. By performing an irreversible operation from the initial state shown in FIG. 4A to the fitted state shown in FIG. 4B, the first and second plate driving units 3a and 3b apply stress to the movable plate 2. In addition, when the first and second latch driving units 6a, 6b are not applying stress to the first and second movable latch units 5a, 5b, the first and second movable latch units 5a, 5b can hold the position of the movable plate 2 in contact with the movable plate 2. This irreversible operation can be performed manually or using some drive means. The displacement length of the second movable latch portion 5b is such that the predetermined gap is filled and the latch support portion necessary for the latch member 13 to pressurize the second fitting member 9b with an appropriate pressure. This is the total length of the four deflection lengths.
図5に示すように、第1及び第2のプレート駆動部3a、3bが可動プレート2に対して応力を加えず、且つ第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bが可動ラッチ部5a、5bに対してそれぞれ応力を加えていない時(無荷電状態)に、第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bの先端は第1及び第2の嵌合部材9とそれぞれ接触して可動プレート2の位置(中央位置)を保持する。第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bの先端が、ラッチ支持部4の撓みによる弾性反力によって第1及び第2の嵌合部材9に対して適当な圧力で加圧するため、可動プレート2は中央位置で正確に位置決めされている。 As shown in FIG. 5, the first and second plate driving units 3a and 3b do not apply stress to the movable plate 2, and the first and second latch driving units 6a and 6b are movable latch units 5a, When no stress is applied to 5b (uncharged state), the tips of the first and second movable latch portions 5a and 5b come into contact with the first and second fitting members 9, respectively, and the movable plate 2 position (center position) is held. Since the tips of the first and second movable latch portions 5a and 5b pressurize the first and second fitting members 9 with an appropriate pressure by the elastic reaction force caused by the bending of the latch support portion 4, the movable plate 2 is accurately positioned at the center position.
可動プレート2は、プレート支持部1が撓むことにより、第1のプレート駆動部3aの側(上側)及び第2のプレート駆動部3bの側(下側)に変位可能である。第1のプレート駆動部3aは、可動プレート2に対して応力を加えて上側に変位させる。第2のプレート駆動部3bは、可動プレート2に対して応力を加えて下側に変位させる。可動プレート2は、第1及び第2のプレート駆動部3a、3bが可動プレート2に対して応力を加えなければ、プレート支持部1の弾性復元力により元の状態に戻る。 The movable plate 2 can be displaced to the side of the first plate driving unit 3a (upper side) and the side of the second plate driving unit 3b (lower side) by bending the plate support unit 1. The first plate driving unit 3a applies stress to the movable plate 2 to displace it upward. The second plate driving unit 3b applies stress to the movable plate 2 and displaces it downward. The movable plate 2 returns to the original state by the elastic restoring force of the plate support 1 if the first and second plate driving units 3a and 3b do not apply stress to the movable plate 2.
図6に示すように、第2のプレート駆動部3bが可動プレート2を変位させる時に、第1及び第2のラッチ駆動部6a2、6b2が第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bを可動プレート2から離れる方向にそれぞれ変位させる。具体的には、図5に示した状態においては、第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bの先端は可動プレート2の第1及び第2の嵌合部材9a、9bとそれぞれ嵌合しているため、当該嵌合が障害となり、可動プレート2は変位することが出来ない。可動プレート2を変位させる時は、第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bの先端と第1及び第2の嵌合部材9a、9bとの嵌合を解除する必要がある。そこで、第1及び第2の電気的連動線7a2、7b2により第2のプレート駆動部3bと第1及び第2のラッチ駆動部6a2、6b2とを電気的に連動させて、第2のプレート駆動部3bが可動プレート2を駆動する動作(可動プレート2を中央位置から下位置へ変位させる動作)と第1及び第2のラッチ駆動部6a2、6b2が第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bを可動プレート2から離れる方向に駆動する動作を連動させる。 As shown in FIG. 6, when the second plate driving unit 3b displaces the movable plate 2, the first and second latch driving units 6a 2 and 6b 2 are used as the first and second movable latch units 5a and 5b. Are displaced in the direction away from the movable plate 2. Specifically, in the state shown in FIG. 5, the tips of the first and second movable latch portions 5a and 5b are fitted with the first and second fitting members 9a and 9b of the movable plate 2, respectively. Therefore, the fitting becomes an obstacle, and the movable plate 2 cannot be displaced. When the movable plate 2 is displaced, it is necessary to release the fitting between the tips of the first and second movable latch portions 5a and 5b and the first and second fitting members 9a and 9b. Therefore, the second plate driving unit 3b and the first and second latch driving units 6a 2 and 6b 2 are electrically linked by the first and second electrical interlocking lines 7a 2 and 7b 2 , The second plate driving unit 3b drives the movable plate 2 (the operation of displacing the movable plate 2 from the center position to the lower position), and the first and second latch driving units 6a 2 and 6b 2 are the first and second. The operation of driving the movable latch portions 5a and 5b in the direction away from the movable plate 2 is interlocked.
同様にして、第1のプレート駆動部3aが可動プレート2を変位させる時に、第1及び第2のラッチ駆動部6a1、6b1が第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bを可動プレート2から離れる方向にそれぞれ変位させる。即ち、第1及び第2の電気的連動線7a1、7b1により第1のプレート駆動部3aと第1及び第2のラッチ駆動部6a1、6b1とを電気的に連動させて、第1のプレート駆動部3aが可動プレート2を駆動する動作(可動プレート2を中央位置から上位置へ変位させる動作)と第1及び第2のラッチ駆動部6a1、6b1が第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bを可動プレート2から離れる方向に駆動する動作を連動させる。 Similarly, when the first plate driving unit 3a displaces the movable plate 2, the first and second latch driving units 6a 1 and 6b 1 use the first and second movable latch units 5a and 5b as the movable plate. Displace in the direction away from 2. That is, the first plate driving unit 3a and the first and second latch driving units 6a 1 and 6b 1 are electrically linked by the first and second electrical interlocking lines 7a 1 and 7b 1 , One plate driving unit 3a drives the movable plate 2 (an operation to move the movable plate 2 from the central position to the upper position), and the first and second latch driving units 6a 1 and 6b 1 are the first and second ones. The operation of driving the movable latch portions 5a and 5b in the direction away from the movable plate 2 is interlocked.
なお、第1及び第2のプレート駆動部3a、3bの駆動力により、第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bの先端と第1及び第2の嵌合部材9a、9b間のそれぞれ嵌合面に摩擦力が働くが、第1及び第2の可動ラッチ部5a、5bの先端と第1及び第2の嵌合部材9a、9b間のそれぞれ嵌合角度及び第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bの駆動力を適切に設定することにより、ラッチ解放動作を円滑に実施できる。 The first and second movable latch portions 5a and 5b are fitted with the first and second fitting members 9a and 9b by the driving force of the first and second plate driving portions 3a and 3b, respectively. The friction force acts on the mating surface, but the fitting angle and the first and second latches between the tips of the first and second movable latch portions 5a and 5b and the first and second fitting members 9a and 9b, respectively. By appropriately setting the driving force of the driving units 6a and 6b, the latch releasing operation can be smoothly performed.
(第2の実施例)
図7を参照して、図3に示したアクチュエータを用いた光デバイス(例えば、光スイッチ)の第2の実施例について説明する。
(Second embodiment)
A second embodiment of an optical device (for example, an optical switch) using the actuator shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG.
第2の実施例に係わる光スイッチは、図3に示したアクチュエータと、可動プレート2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90a、90b、90cと、ミラー90a〜90c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、101c、101dとを有する。可動プレート2が中央位置で保持されている状態では、光導波路101aから出力される光は、ミラー90bにより反射して光導波路101cに入光する。第1のプレート駆動部3aを駆動して可動プレート2が上位置に変位している状態では、光導波路101aから出力される光は、ミラー90aにより反射して光導波路101bに入光する。第2のプレート駆動部3bを駆動して可動プレート2が下位置に変位している状態では、光導波路101aから出力される光は、ミラー90cにより反射して光導波路101dに入光する。 The optical switch according to the second embodiment includes an actuator shown in FIG. 3, a rigid arm 88 extended from the movable plate 2, mirrors 90a, 90b, 90c connected to the tip of the rigid arm 88, and a mirror 90a. To 90c, optical waveguides (for example, optical fibers) 101a, 101b, 101c, and 101d that face each other in the vicinity. In a state where the movable plate 2 is held at the center position, the light output from the optical waveguide 101a is reflected by the mirror 90b and enters the optical waveguide 101c. In a state where the first plate driving unit 3a is driven and the movable plate 2 is displaced to the upper position, the light output from the optical waveguide 101a is reflected by the mirror 90a and enters the optical waveguide 101b. In a state where the second plate driving unit 3b is driven and the movable plate 2 is displaced to the lower position, the light output from the optical waveguide 101a is reflected by the mirror 90c and enters the optical waveguide 101d.
可動プレートは、上位置、中央位置、下位置で正確に保持されるので、可動プレートに連結されている剛体アーム88の先端に取り付けられたミラー90a〜90cの位置も正確に決定される。したがって、第2の実施例によれば、光導波路101aにより導かれた光軸を3つの方向に正確に反射し、それぞれに対応した光導波路101b〜101dに正確に入光させる3分岐の光スイッチを提供することが出来る。 Since the movable plate is accurately held at the upper position, the center position, and the lower position, the positions of the mirrors 90a to 90c attached to the distal end of the rigid arm 88 connected to the movable plate are also accurately determined. Therefore, according to the second embodiment, a three-branch optical switch that accurately reflects the optical axis guided by the optical waveguide 101a in three directions and accurately enters the corresponding optical waveguides 101b to 101d. Can be provided.
(第1の参考例)
図8を参照して、MEMS構造を有するアクチュエータを単層のシリコン基板を用いて形成する場合における配線の困難性について説明する。図8に示すアクチュエータの基本構成は、図2に示したアクチュエータの基本構成と比べて、第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bの部分の構成のみが異なり、他の構成要素は一致している。
(First reference example)
With reference to FIG. 8, the difficulty of wiring when an actuator having a MEMS structure is formed using a single-layer silicon substrate will be described. The basic configuration of the actuator shown in FIG. 8 differs from the basic configuration of the actuator shown in FIG. 2 only in the configuration of the first and second latch drive units 6a and 6b, and the other components are the same. ing.
図8のアクチュエータにおいては、第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bとして、左右独立に荷電可能な多段のコム方式のアクチュエータを使用している。櫛歯型の固定電極12a〜12dと、可動ラッチ部5に接続された可動電極11a〜11dとが交互に配置され、櫛歯電極の電極面は、可動方向に平行に向いている。第1の電気的連動線7aは、第1のプレート駆動部3aと固定電極12aとの間を連結している。第2の電気的連動線7bは、第2のプレート駆動部3bと固定電極12cとの間を連結している。そして、固定電極12aと固定電極12dは、第3の電気的連動線7cにより接続されている。しかし、固定電極12bと第2のプレート駆動部3bとを配線することが出来ない。単層のシリコン基板を用いてMEMS構造を有するアクチュエータを形成する場合、配線同士を交差せさせることができないからである。但し、3次元で配線できるワイヤーボンディング等を追加した場合は接続することが出来る。したがって、多段のコム方式のアクチュエータを左右独立に荷電して、第1及び第2のプレート駆動部3a、3bと連動させることが出来ない。よって、図3に示したように、第1及び第2のラッチ駆動部6a、6bとしては、ギャップクロージング方式のアクチュエータを用いることが望ましい。 In the actuator of FIG. 8, multistage comb type actuators that can be charged independently on the left and right are used as the first and second latch driving units 6a and 6b. The comb-shaped fixed electrodes 12a to 12d and the movable electrodes 11a to 11d connected to the movable latch portion 5 are alternately arranged, and the electrode surfaces of the comb-shaped electrodes are parallel to the movable direction. The first electrical interlocking line 7a connects the first plate driving unit 3a and the fixed electrode 12a. The second electrical interlocking line 7b connects the second plate driving unit 3b and the fixed electrode 12c. The fixed electrode 12a and the fixed electrode 12d are connected by a third electrical interlocking line 7c. However, the fixed electrode 12b and the second plate driving unit 3b cannot be wired. This is because when an actuator having a MEMS structure is formed using a single-layer silicon substrate, the wirings cannot be crossed. However, if wire bonding or the like that can be wired in three dimensions is added, it can be connected. Therefore, the multi-stage comb-type actuator cannot be charged in the left and right directions independently and interlocked with the first and second plate driving units 3a and 3b. Therefore, as shown in FIG. 3, it is desirable to use a gap closing type actuator as the first and second latch driving units 6a and 6b.
(第2の参考例)
図9を参照して、単層のシリコン基板を用いて形成されたアクチュエータであって、第1の方向(左方向)に変位した「第1の変位状態」、これに対抗する第2の方向(右方向)に変位した「第2の変位状態」及びいずれの方向にも変位していない「中央状態」の3つの状態において状態保持機能を有するアクチュエータの参考例について説明する。なお、図9に示すアクチュエータは、本願と同一出願人による未公開先願(特願2003−301549号)に詳細に開示されている。
(Second reference example)
Referring to FIG. 9, an actuator formed using a single-layer silicon substrate, the “first displacement state” displaced in the first direction (left direction), and the second direction to counter this A reference example of an actuator having a state holding function in three states of “second displacement state” displaced in the right direction and “center state” not displaced in any direction will be described. The actuator shown in FIG. 9 is disclosed in detail in an unpublished prior application (Japanese Patent Application No. 2003-301549) by the same applicant as the present application.
図9に示すように、第2の参考例に係わるアクチュエータは、アクチュエータ全体を支持する固定部55と、固定部55にその一端が接続された可撓性の中央支持部56と、中央支持部56の他端に接続された中央電極ユニット51と、固定部55に接続された嵌合ユニット52と、固定部55にその一端が接続された可撓性の第1の側支持部57と、第1の側支持部57の他端に接続された第1の側電極ユニット53と、固定部55にその一端が接続された可撓性の第2の側支持部58と、第2の側支持部58の他端に接続された第2の側電極ユニット54とを有する。 As shown in FIG. 9, the actuator according to the second reference example includes a fixing portion 55 that supports the entire actuator, a flexible central support portion 56 having one end connected to the fixing portion 55, and a central support portion. A central electrode unit 51 connected to the other end of 56, a fitting unit 52 connected to the fixing portion 55, a flexible first side support portion 57 having one end connected to the fixing portion 55, A first side electrode unit 53 connected to the other end of the first side support portion 57; a flexible second side support portion 58 having one end connected to the fixing portion 55; and a second side. And a second side electrode unit 54 connected to the other end of the support portion 58.
中央電極ユニット51は、中央支持部56の他端に接続された可動プレート62と、可動プレート62に第1の方向へ接続された第1の中央電極63と、可動プレート62に第2の方向へ接続された第2の中央電極64と、可動プレート62に第1及び第2の方向へ接続された中央嵌合部(65a、65b)とを有する。第1の側電極ユニット53は、第1の側支持部57の他端に接続された第1の側電極68と、第1の側電極68に接続された第1の嵌合解除部69とを有する。第2の側電極ユニット54は、第2の側支持部58の他端に接続された第2の側電極71と、第2の側電極71に接続された第2の嵌合解除部72とを有する。図9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。 The central electrode unit 51 includes a movable plate 62 connected to the other end of the central support portion 56, a first central electrode 63 connected to the movable plate 62 in the first direction, and a second direction connected to the movable plate 62. And a second center electrode 64 connected to the movable plate 62 and a center fitting portion (65a, 65b) connected to the movable plate 62 in the first and second directions. The first side electrode unit 53 includes a first side electrode 68 connected to the other end of the first side support portion 57, a first fitting release portion 69 connected to the first side electrode 68, and Have The second side electrode unit 54 includes a second side electrode 71 connected to the other end of the second side support portion 58, a second fitting release portion 72 connected to the second side electrode 71, Have In FIG. 9, the first direction corresponds to the left direction, and the second direction corresponds to the right direction.
中央嵌合部(65a、65b)は、可動プレート62に第1の方向へ接続された第1の中央嵌合部65aと、可動プレート62に第2の方向へ接続された第2の中央嵌合部65bとを有する。嵌合ユニット52は、第1の中央嵌合部65aと嵌合する第1の側嵌合部52aと、第2の中央嵌合部65bと嵌合する第2の側嵌合部52bとを有する。 The central fitting portions (65a, 65b) are a first central fitting portion 65a connected to the movable plate 62 in the first direction, and a second central fitting connected to the movable plate 62 in the second direction. And a joint portion 65b. The fitting unit 52 includes a first side fitting portion 52a that fits with the first center fitting portion 65a, and a second side fitting portion 52b that fits with the second center fitting portion 65b. Have.
第1の中央嵌合部65aは、第1の中央爪82aと、第1の側爪83aとを有する。第2の中央嵌合部65bは、第2の中央爪82bと、第2の側爪83bとを有する。第1の側嵌合部52aは、第1の嵌合爪81aと、第1の嵌合解除部69に接触する第1の凸部66aとを有する。第2の側嵌合部52bは、第2の嵌合爪81bと、第2の嵌合解除部72に接触する第2の凸部66bとを有する。 The 1st center fitting part 65a has the 1st center nail | claw 82a and the 1st side nail | claw 83a. The second center fitting portion 65b has a second center claw 82b and a second side claw 83b. The first side fitting portion 52 a includes a first fitting claw 81 a and a first convex portion 66 a that contacts the first fitting releasing portion 69. The second side fitting portion 52 b includes a second fitting claw 81 b and a second convex portion 66 b that contacts the second fitting release portion 72.
可動プレート62、第1の中央電極63、第2の中央電極64、及び中央嵌合部(65a、65b)は、中央支持部56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。 The movable plate 62, the first central electrode 63, the second central electrode 64, and the central fitting portions (65a, 65b) are bent in the first direction and the first direction by the deflection of the central support portion 56. Each can be displaced in the opposing second direction.
具体的には、第1の中央電極63と第1の側電極68の間に電位差を生じさせることにより、第1の中央電極63と第1の側電極68の間に静電引力が生じ、第1の中央電極63を含む中央電極ユニット51は第1の方向へ変位し、第1の側電極68を含む第1の側電極ユニット53は第2の方向へ変位する。一方、第2の中央電極64と第2の側電極71の間に電位差を生じさせることにより、第2の中央電極64と第2の側電極71の間に静電引力が生じ、第2の中央電極64を含む中央電極ユニット51は第2の方向へ変位し、第2の側電極71を含む第2の側電極ユニット54は第1の方向へ変位する。 Specifically, by generating a potential difference between the first central electrode 63 and the first side electrode 68, an electrostatic attractive force is generated between the first central electrode 63 and the first side electrode 68, The central electrode unit 51 including the first central electrode 63 is displaced in the first direction, and the first side electrode unit 53 including the first side electrode 68 is displaced in the second direction. On the other hand, by generating a potential difference between the second central electrode 64 and the second side electrode 71, an electrostatic attractive force is generated between the second central electrode 64 and the second side electrode 71. The central electrode unit 51 including the central electrode 64 is displaced in the second direction, and the second side electrode unit 54 including the second side electrode 71 is displaced in the first direction.
嵌合ユニット52は、中央電極ユニット51と嵌合することにより、中央電極ユニット51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。 The fitting unit 52 is fitted with the central electrode unit 51 to thereby displace the central electrode unit 51 in the first direction, “first displacement state”, and in the second direction, “second displacement state”. ”And“ central state ”that is not displaced in any of the first and second directions.
具体的には、第1の側嵌合部52aは、第1の嵌合爪81aと第1の中央嵌合部65aの第1の中央爪82aと嵌合することにより、可動プレート62を中央状態に保持する。また、第1の側嵌合部52aは、第1の嵌合爪81aと第1の中央嵌合部65aの第1の側爪83aと嵌合することにより、可動プレート62を第2の変位状態に保持する。即ち、第1の中央爪82aは、可動プレート62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83aは、可動プレート62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52bは、第2の嵌合爪81bと第2の中央嵌合部65bの第2の中央爪82bと嵌合することにより、可動プレート62を中央状態に保持する。また、第2の側嵌合部52bは、第2の嵌合爪81bと第2の中央嵌合部65bの第2の側爪83bと嵌合することにより、可動プレート62を第1の変位状態に保持する。即ち、第2の中央爪82bは、可動プレート62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83bは、可動プレート62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。 Specifically, the first side fitting portion 52a is fitted to the first fitting claw 81a and the first central claw 82a of the first central fitting portion 65a, thereby moving the movable plate 62 to the center. Keep in state. The first side fitting portion 52a is fitted with the first fitting claw 81a and the first side claw 83a of the first center fitting portion 65a, thereby moving the movable plate 62 to the second displacement. Keep in state. That is, the first central claw 82a prevents the movable plate 62 from moving in the first direction relative to the central state, and the first side claw 83a prevents the movable plate 62 from moving in the second displacement state. It is prevented from moving in the direction of 1. On the other hand, the 2nd side fitting part 52b hold | maintains the movable plate 62 to a center state by fitting with the 2nd fitting nail | claw 81b and the 2nd center nail | claw 82b of the 2nd center fitting part 65b. To do. The second side fitting portion 52b is fitted with the second fitting claw 81b and the second side claw 83b of the second center fitting portion 65b, thereby moving the movable plate 62 to the first displacement. Keep in state. In other words, the second central claw 82b prevents the movable plate 62 from moving in the second direction relative to the central state, and the second side claw 83b prevents the movable plate 62 from moving in the first displacement state. It is prevented from moving in the direction of 2.
しかし、図10(a)及び図10(b)に示すように、一連の半導体製造プロセスを経て製造されるMEMS構造体はその製造直後においては、隣接して配置される部材91、92が接触して形成されることは無く(図10(b))、隣接する部材91、92の間には、半導体製造プロセスの必要条件により定まる所定の隙間(例えば、5μm)が必ず形成されてしまう(図10(a))。一連の半導体製造プロセスを経て製造された図9のアクチュエータも例外ではなく、その製造直後では、図10(c)に示すように、第1の嵌合爪81aと第1の中央爪82aとは接触しておらず、上記所定の隙間が形成されてしまう。第2の嵌合爪81bと第2の中央爪82bについても同様である。例えば、5μmの隙間が形成されるとした場合、第1の嵌合爪81aと第1の中央爪82aとの間、及び第2の嵌合爪81bと第2の中央爪82bとの間にそれぞれ5μmの隙間が形成される。よって、第1及び第2の方向に合計10μmの隙間が発生し、中央電極ユニット51の位置は、中央状態において、第1及び第2の方向に合計10μmの範囲内で不安定となる。 However, as shown in FIGS. 10A and 10B, the MEMS structures manufactured through a series of semiconductor manufacturing processes are in contact with adjacent members 91 and 92 immediately after the manufacturing. (FIG. 10B), and a predetermined gap (for example, 5 μm) determined by the necessary conditions of the semiconductor manufacturing process is necessarily formed between the adjacent members 91 and 92 ( FIG. 10 (a)). The actuator of FIG. 9 manufactured through a series of semiconductor manufacturing processes is no exception. Immediately after the manufacture, as shown in FIG. 10C, the first fitting claw 81a and the first central claw 82a are There is no contact, and the predetermined gap is formed. The same applies to the second fitting claw 81b and the second central claw 82b. For example, when a gap of 5 μm is formed, between the first fitting claw 81a and the first central claw 82a and between the second fitting claw 81b and the second central claw 82b. A gap of 5 μm is formed in each case. Therefore, a gap of 10 μm in total is generated in the first and second directions, and the position of the central electrode unit 51 becomes unstable within the range of 10 μm in the first and second directions in the center state.
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は、第1及び第2の実施の形態及びその実施例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。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described with reference to the first and second embodiments and examples thereof. However, it should be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. is not. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. That is, it should be understood that the present invention includes various embodiments not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from this disclosure.
以上説明したように、請求項1及び5に係わる発明によれば、可動プレート2の状態を保持する可動ラッチ部5が不可逆構造を有することにより、MEMS構造の形成時に必要な部材間の所定の隙間を、簡単な後処理により埋めると共に、加圧した接触状態を作り出すことが出来る。よって、無荷電状態において部材間の機械的嵌合による確実な位置決めが可能となる。換言すれば、無荷電状態の可動プレート2と勘合するノーマルラッチを形成することが出来る。 As described above, according to the inventions related to claims 1 and 5, the movable latch portion 5 that holds the state of the movable plate 2 has an irreversible structure, so that a predetermined distance between members necessary for forming the MEMS structure can be obtained. The gap can be filled by simple post-processing and a pressurized contact state can be created. Therefore, reliable positioning by mechanical fitting between members in an uncharged state is possible. In other words, it is possible to form a normal latch that engages with the uncharged movable plate 2.
請求項2に係わる発明によれば、第1及び第2のプレート駆動部3a、3bが可動プレート2に対して第1及び第2の方向に応力を加えて変位させることができるため、3位置型のアクチュエータを構成することが出来る。 According to the second aspect of the present invention, the first and second plate driving units 3a and 3b can be displaced by applying stress in the first and second directions with respect to the movable plate 2, so that three positions are provided. Mold actuators can be constructed.
請求項3に係わる発明によれば、ラッチ駆動部の構成を小型化することが出来、2次元構造においても容易には、3位置型のアクチュエータを構成することが出来る。 According to the third aspect of the invention, the configuration of the latch driving unit can be reduced, and a three-position actuator can be easily configured even in a two-dimensional structure.
請求項4に係わる発明によれば、簡単な操作で不可逆動作を行ってノーマルラッチを形成することが出来る。 According to the invention of claim 4, the normal latch can be formed by performing the irreversible operation with a simple operation.
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。 The present invention can be used for an optical switch that performs optical path switching in an optical device used for optical communication.
1…プレート支持部
2…可動プレート
3…プレート駆動部
3a…第1のプレート駆動部
3b…第2のプレート駆動部
4…ラッチ支持部
5…可動ラッチ部
5a…第1の可動ラッチ部
5b…第2の可動ラッチ部
6…ラッチ駆動部
6a1、6a2…第1のラッチ駆動部
6b1、6b2…第2のラッチ駆動部
7…電気的連動線
7a1、7a2…第1の電気的連動線
7b1、7b2…第2の電気的連動線
7c…第3の電気的連動線
8…ラッチ機構
8a…第1のラッチ機構
8b…第2のラッチ機構
9…嵌合部材
9a…第1の嵌合部材
9b…第2の嵌合部材
10…固定部
11a〜11d…可動電極
12a〜12d…固定電極
13…ラッチ部材
14…柱状部材
15…ラッチ爪
16…防止部材
18…フレーム
51…中央電極ユニット
52…嵌合ユニット
52a…第1の側嵌合部
52b…第2の側嵌合部
53…第1の側電極ユニット
54…第2の側電極ユニット
55…固定部
56…中央支持部
57…第1の側支持部
58…第2の側支持部
62…可動プレート
63…第1の中央電極
64…第2の中央電極
65a…第1の中央嵌合部
65b…第2の中央嵌合部
66a…第1の凸部
66b…第2の凸部
68…第1の側電極
69…第1の嵌合解除部
71…第2の側電極
72…第2の嵌合解除部
81a…第1の嵌合爪
81b…第2の嵌合爪
82a…第1の中央爪
82b…第2の中央爪
83a…第1の側爪
83b…第2の側爪
88…剛体アーム
90a〜90c…ミラー
101a〜101d…光導波路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plate support part 2 ... Movable plate 3 ... Plate drive part 3a ... 1st plate drive part 3b ... 2nd plate drive part 4 ... Latch support part 5 ... Movable latch part 5a ... 1st movable latch part 5b ... 2nd movable latch part 6 ... Latch drive part 6a1, 6a2 ... 1st latch drive part 6b1, 6b2 ... 2nd latch drive part 7 ... Electrical interlocking line 7a1, 7a2 ... 1st electrical interlocking line 7b1, 7b2 ... second electrical interlocking line 7c ... third electrical interlocking line 8 ... latch mechanism 8a ... first latch mechanism 8b ... second latch mechanism 9 ... fitting member 9a ... first fitting member 9b ... 2nd fitting member 10 ... Fixed part 11a-11d ... Movable electrode 12a-12d ... Fixed electrode 13 ... Latch member 14 ... Columnar member 15 ... Latch claw 16 ... Prevention member 18 ... Frame 51 ... Central electrode unit 52 ... Fitting Unit 52a ... 1st side fitting part 52b ... 2nd side fitting part 53 ... 1st side electrode unit 54 ... 2nd side electrode unit 55 ... Fixing part 56 ... Center support part 57 ... 1st side support Part 58 ... second side support part 62 ... movable plate 63 ... first center electrode 64 ... second center electrode 65a ... first center fitting part 65b ... second center fitting part 66a ... first Convex part 66b ... second convex part 68 ... first side electrode 69 ... first fitting release part 71 ... second side electrode 72 ... second fitting release part 81a ... first fitting claw 81b ... second fitting claw 82a ... first central claw 82b ... second central claw 83a ... first side claw 83b ... second side claw 88 ... rigid arm 90a-90c ... mirror 101a-101d ... optical waveguide
Claims (5)
前記プレート支持部の他端に接続され、前記プレート支持部が撓むことにより変位可能な可動プレートと、
前記可動プレートに対して応力を加えて変位させるプレート駆動部と、
前記固定部に一端が接続された可撓性のラッチ支持部と、
前記ラッチ支持部の他端に接続され、前記ラッチ支持部が撓むことにより変位可能な可動ラッチ部と、
前記可動ラッチ部に対して応力を加えて変位させるラッチ駆動部とを有し、
前記プレート駆動部が前記可動プレートに対して応力を加えず、且つ前記ラッチ駆動部が前記可動ラッチ部に対して応力を加えていない時に、前記可動ラッチ部は前記可動プレートと接触して前記可動プレートの位置を保持し、
前記プレート駆動部が前記可動プレートを変位させる時に、前記ラッチ駆動部が前記可動ラッチ部を前記可動プレートから離れる方向に変位させることを特徴とするアクチュエータ。 A flexible plate support having one end connected to a fixed part that supports the entire actuator;
A movable plate connected to the other end of the plate support and displaceable by bending of the plate support;
A plate driving section for applying stress to the movable plate and displacing the movable plate;
A flexible latch support having one end connected to the fixed portion;
A movable latch part connected to the other end of the latch support part and displaceable by bending the latch support part;
A latch driving section that applies stress to the movable latch section to displace it,
When the plate driver does not apply stress to the movable plate and the latch driver does not apply stress to the movable latch, the movable latch contacts the movable plate and moves the movable plate. Hold the position of the plate,
The actuator, wherein when the plate driving unit displaces the movable plate, the latch driving unit displaces the movable latch unit in a direction away from the movable plate.
前記可動プレートに対して第1の方向に応力を加えて変位させる第1のプレート駆動部と、
前記可動プレートに対して前記第1の方向に対向する第2の方向に応力を加えて変位させる第2のプレート駆動部
と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。 The plate driving unit is
A first plate driving section for applying stress to the movable plate in a first direction and displacing the movable plate;
2. The actuator according to claim 1, further comprising: a second plate driving unit configured to apply stress to the movable plate in a second direction opposite to the first direction to displace the movable plate.
前記可動プレートと接触するラッチ部材と、
前記ラッチ部材に接続された柱状部材と、
前記柱状部材の側面に配置されたラッチ爪と、
前記ラッチ爪と嵌合して前記柱状部材を変位した状態で不可逆的に保持する可撓性の戻り防止部材
と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。 The movable latch portion is
A latch member in contact with the movable plate;
A columnar member connected to the latch member;
A latch claw disposed on a side surface of the columnar member;
The actuator according to claim 1, further comprising: a flexible return preventing member that irreversibly holds the columnar member in a displaced state by fitting with the latch claw.
前記プレート支持部の他端に接続され、前記プレート支持部が撓むことにより変位可能な可動プレートと、
前記可動プレートに対して応力を加えて変位させるプレート駆動部と、
前記固定部に一端が接続された可撓性のラッチ支持部と、
前記ラッチ支持部の他端に接続され、前記ラッチ支持部が撓むことにより変位可能な可動ラッチ部と、
前記可動ラッチ部に対して応力を加えて変位させるラッチ駆動部と、
前記可動プレー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、
前記プレート駆動部が前記可動プレートに対して応力を加えず、且つ前記ラッチ駆動部が前記可動ラッチ部に対して応力を加えていない時に、前記可動ラッチ部は前記可動プレートと接触して前記可動プレートの位置を保持し、
前記プレート駆動部が前記可動プレートを変位させる時に、前記ラッチ駆動部が前記可動ラッチ部を前記可動プレートから離れる方向に変位させることを特徴とする光デバイス。 A flexible plate support having one end connected to a fixed part that supports the entire actuator;
A movable plate connected to the other end of the plate support and displaceable by bending of the plate support;
A plate driver that applies stress to the movable plate to displace it;
A flexible latch support having one end connected to the fixed portion;
A movable latch part connected to the other end of the latch support part and displaceable by bending the latch support part;
A latch driving section for applying stress to the movable latch section and displacing the movable latch section;
A mirror connected to the movable plate;
A pair of optical waveguides that intersect or face each other in the vicinity of the mirror;
When the plate driver does not apply stress to the movable plate and the latch driver does not apply stress to the movable latch, the movable latch contacts the movable plate and moves the movable plate. Hold the position of the plate,
The optical device, wherein when the plate driving unit displaces the movable plate, the latch driving unit displaces the movable latch unit in a direction away from the movable plate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012524515A (en) * | 2009-04-17 | 2012-10-11 | シーウェア システムズ | MEMS actuator with long travel range |
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2004
- 2004-02-24 JP JP2004048082A patent/JP2005238346A/en not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20070501 |