JP2005326620A

JP2005326620A - マイクロミラー素子

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Publication number: JP2005326620A
Application number: JP2004144552A
Authority: JP
Inventors: Mi Xiaoyu; シヤオユウミイ; Hiromitsu Soneta; 弘光曾根田; Tomoshi Ueda; 知史上田; Ippei Sawaki; 一平佐脇
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2005-11-24
Also published as: US6906849B1; CN1316281C; CN1696759A; KR20050109030A; KR100692449B1

Abstract

【課題】ミラー面の増加に伴う素子の大型化を抑制しつつ、ミラー面の作動状態を適正に検出可能なマイクロミラー素子を提供すること。
【解決手段】フレーム部１３０と、ミラー部を有する可動部１１０，１２０と、フレーム部１３０および可動部１１０，１２０を連結するトーションバー１５０とが形成されているマイクロミラー基板１００と、配線パターン２１０が形成されている配線基板２００と、マイクロミラー基板１００および配線基板２００を離隔させつつフレーム部１３０および配線パターン２１０を電気的に接続するための導電スペーサ３００と、を備えるマイクロミラー素子Ｘ１であって、配線基板２００は、マイクロミラー基板１００に対向する第１の面２０１を有し、第１の面２０１には、ミラー部の回転角度を検出するための検出手段４００が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光ファイバ間の光路の切り換えを行う光スイッチング装置などに組み込まれる素子であって、光反射によって光の進行方向を変更するためのマイクロミラー素子に関する。

近年、光通信技術が様々な分野で広く利用されるようになってきた。光通信においては、光ファイバを媒体として光信号が伝送され、光信号の伝送経路を或るファイバから他のファイバへと切換えるためには、一般に、いわゆる光スイッチング装置が使用されている。良好な光通信を達成するうえで光スイッチング装置に求められる特性としては、切換え動作における、大容量性、高速性、高信頼性などが挙げられる。これらの観点より、光スイッチング装置に組み込まれるスイッチング素子としては、マイクロマシニング技術によって作製されるマイクロミラー素子が注目を集めている。マイクロミラー素子によると、光スイッチング装置における入力側の光伝送路と出力側の光伝送路との間で、光信号を電気信号に変換せずに光信号のままでスイッチング処理を行うことができ、上述の特性を得るうえで好適だからである。

マイクロマシニング技術で作製したマイクロミラー素子を用いた光スイッチング装置は、例えば、下記特許文献１や、下記非特許文献１などに開示されている。

図１０は、一般的な光スイッチング装置５００の概略構成を表す。光スイッチング装置５００は、一対のマイクロミラーアレイ５０１，５０２と、入力ファイバアレイ５０３と、出力ファイバアレイ５０４と、複数のマイクロレンズ５０５，５０６とを備える。入力ファイバアレイ５０３は所定数の入力ファイバ５０３ａからなり、マイクロミラーアレイ５０１には、各入力ファイバ５０３ａに対応するマイクロミラー素子５０１ａが複数配設されている。同様に、出力ファイバアレイ５０４は所定数の出力ファイバ５０４ａからなり、マイクロミラーアレイ５０２には、各出力ファイバ５０４ａに対応するマイクロミラー素子５０２ａが複数配設されている。マイクロミラー素子５０１ａ，５０２ａは、各々、光を反射するためのミラー面を有し、当該ミラー面の向きを制御できるように構成されている。複数のマイクロレンズ５０５は、各々、入力ファイバ５０３ａの端部に対向するように配置されている。同様に、複数のマイクロレンズ５０６は、各々、出力ファイバ５０４ａの端部に対向するように配置されている。

光伝送時において、入力ファイバ５０３ａから出射される光Ｌ１は、対応するマイクロレンズ５０５を通過することによって、相互に平行光とされ、マイクロミラーアレイ５０１へ向かう。光Ｌ１は、対応するマイクロミラー素子５０１ａで反射し、マイクロミラーアレイ５０２へと偏向される。このとき、マイクロミラー素子５０１ａのミラー面は、光Ｌ１を所望のマイクロミラー素子５０２ａに入射させるように、予め所定の方向を向いている。次に、光Ｌ１は、マイクロミラー素子５０２ａで反射し、出力ファイバアレイ５０４へと偏向される。このとき、マイクロミラー素子５０２ａのミラー面は、所望の出力ファイバ５０４ａに光Ｌ１を入射させるように、予め所定の方向を向いている。

このように、光スイッチング装置５００によると、各入力ファイバ５０３ａから出射した光Ｌ１は、マイクロミラーアレイ５０１，５０２における偏向によって、所望の出力ファイバ５０４ａに到達する。すなわち、入力ファイバ５０３ａと出力ファイバ５０４ａは１対１で接続される。そして、マイクロミラー素子５０１ａ，５０２ａにおける偏向角度を適宜変更することによって、光Ｌ１が到達する出力ファイバ５０４ａが切換えられる。

上述のような光スイッチング装置５００においては、光通信網が大規模化するほどファイバ数は増加し、従って、マイクロミラーアレイに組み込まれるマイクロミラー素子ないしミラー面の数も増加する。ミラー面の数が増加するほど、当該ミラー面を駆動するために必要な配線の量は増加するので、単一のマイクロミラーアレイにおいて、配線形成に必要な面積は増大する。同一基板に対してミラー面とともに配線パターンを形成する場合、配線形成領域が拡大するほど、ミラー面間のピッチを大きくする必要がある。その結果、当該基板ないしマイクロミラーアレイが大きなものとなってしまう。また、ミラー面の数が増加すると、同一基板に対してミラー面とともに配線パターンを形成すること自体が困難となる傾向にある。

一方、このような問題を解決するべく、揺動可能なミラー面と、このミラー面を駆動するための配線パターンとを別々の基板に形成し、これらの基板を導電スペーサで電気的に接続して構成されたマイクロミラー素子が提案されている（例えば、下記特許文献２を参照）。このような構成においては、ミラー面を駆動するための配線パターンがミラー面を形成する基板とは別の基板に形成されているため、ファイバ数の増加に伴ってミラー面の数が増加しても、ミラー面の形成ピッチが大きくなることを抑制することが可能となる。その結果、マイクロミラー素子の大型化を抑制することができる。

ところで、光通信網の大規模化によってファイバ数が増加すると、入力ファイバと出力ファイバを１対１で接続する際の組み合わせの数を増やすことができる。このようにファイバどうしの接続の組み合わせが増加するほど、マイクロミラー素子におけるミラー面の向きは高い精度で制御される必要があるため、すべてのミラー面の作動状態を適正に検出することが要請されている。

国際公開ＷＯ００／２０８９９号公報特開２００３−３４４７８５号公報論文Fully Provisioned 112×112 Micro-Mechanical Optical Crossconnect with 35.8Tb/sec Demonstrated Capacity (Proc. 25th Optical Fiber Communication Conf. Baltimore. PD12(2000))

本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、ミラー面の増加に伴う素子の大型化を抑制しつつ、ミラー面の作動状態を適正に検出可能なマイクロミラー素子を提供することを課題としている。

本発明の第１の側面によって提供されるマイクロミラー素子は、フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、前記フレーム部および前記可動部を連結するトーションバーとが形成されているマイクロミラー基板と、配線パターンが形成されている配線基板と、前記マイクロミラー基板および前記配線基板を離隔させつつ前記フレーム部および前記配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサと、を備えるマイクロミラー素子であって、前記配線基板は、前記マイクロミラー基板に対向する第１の面を有し、当該第１の面には、前記ミラー部の回転角度を検出するための検出手段が設けられていることを特徴としている。

本発明の第１の側面に係るマイクロミラー素子では、ミラー部が形成されているマイクロミラー基板と、配線が形成されている配線基板とは、導電スペーサにより離隔されているとともに、配線基板の上には、ミラー部の回転角度を検出するための検出手段が設けられている。当該検出手段は、導電スペーサを介してマイクロミラー基板と配線基板とを接続することにより両基板の間に生じた空間を利用して設けられている。そのため、検出手段をマイクロミラー素子から分離した別の部材に設ける必要がなく、検出手段を設けることによってマイクロミラー素子が大型化してしまうことはない。また、検出手段は、配線基板の上に設けられているので、検出対象であるミラー部とは比較的近接している。このため、ミラー部の作動状態を精度良く検出することが可能となる。なお、ミラー部を有する可動部と、これを駆動するために必要な配線とは、別々の基板に形成されている。したがって、可動部と配線とを同一基板に形成することに起因してマイクロミラー素子が大型化してしまうことはない。例えば、複数のミラー部ないし可動部を有する場合であっても、マイクロミラー基板に形成されるミラー部の数の増加に伴って当該ミラー部の形成ピッチが大きくなることは、適切に回避することができる。このように、本発明の第１の側面によると、マイクロミラー素子の大型化を抑制しつつ、マイクロミラー素子のミラー部の作動状態を適正に検出することができる。

本発明の第２の側面によって提供されるマイクロミラー素子は、フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、前記フレーム部および前記可動部を連結するトーションバーとを備える複数のマイクロミラーユニットが一体的に形成されているマイクロミラー基板と、配線パターンが形成されている配線基板と、前記マイクロミラー基板および前記配線基板を離隔させつつ前記フレーム部および前記配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサと、を備えるマイクロミラー素子であって、前記配線基板は、前記マイクロミラー基板に対向する第１の面を有し、当該第１の面には、前記各ミラー部ごとの回転角度を検出するための複数の検出手段が設けられていることを特徴としている。

本発明の第２の側面に係るマイクロミラー素子では、ミラー部を有する複数のマイクロミラーユニットが形成されているマイクロミラー基板と、配線が形成されている配線基板とは、導電スペーサにより離隔されているとともに、配線基板の上には、ミラー部の回転角度を検出するための複数の検出手段が設けられている。当該複数の検出手段は、導電スペーサを介してマイクロミラー基板と配線基板とを接続することにより両基板の間に生じた空間を利用して設けられている。そのため、複数の検出手段をマイクロミラー素子から分離した別の部材に設ける必要がなく、複数の検出手段を設けることによってマイクロミラー素子が大型化してしまうことはない。また、各検出手段は、配線基板の上に設けられているので、検出対象である各ミラー部とは比較的近接している。このため、ミラー部の作動状態を精度良く検出することが可能となる。なお、ミラー部を有する複数の可動部と、各可動部を駆動するための配線とは、別々の基板に形成されている。したがって、可動部と配線とを同一基板に形成することに起因してマイクロミラー素子が大型化してしまうことはない。すなわち、マイクロミラー基板に形成されるミラー部の数が増加しても、当該ミラー部の形成ピッチを一定に維持することができ、その結果、素子の過度な大型化を抑制することができる。このように、本発明の第２の側面によると、マイクロミラー素子の大型化を抑制しつつ、マイクロミラー素子のミラー部の作動状態を適正に検出することができる。

本発明の第１および第２の側面において、好ましくは、前記検出手段は、光センサを用いて構成されている。あるいは、前記検出手段は、静電容量型センサを用いて構成されている。このような構成によれば、検出対象であるミラー部とは非接触でミラー部の回転角度を検出することができる。したがって、ミラー部の回転角度を検出するのに際し、ミラー部の作動は何ら影響を受けることがない。

好ましくは、前記配線基板は、前記第１の面とは反対の第２の面を有し、当該第２の面には、前記配線パターンの一部が形成されているとともに、前記配線基板は、前記第１の面に形成されている配線パターンと前記第２の面に形成されている配線パターンとを電気的に接続するように、前記配線基板を貫通する導電連絡部を有する。本発明では、配線基板の第２の面に対して配線パターンが形成されている。このため、配線基板の第１の面に検出手段が設けられていても、配線パターンを第２の面に形成することによって、配線形成領域を充分に確保することができる。

好ましくは、前記導電連絡部は、金属、半導体、導電性有機物のいずれかの導電性材料によって構成されている。好ましくは、前記導電性材料は、メッキ処理、ＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法のいずれかの方法を用いて形成されている。このような構成によれば、導電連絡部を介しての第１の面に形成された配線パターンと第２の面に形成された配線パターンとの電気的接続を、導電連絡部を介して適切に達成することができる。

好ましくは、前記導電スペーサは、単一のバンプ、または、積み重なる複数のバンプからなる。好ましい実施の形態においては、前記導電スペーサは、前記配線パターンまたは前記フレーム部の少なくとも一方に電極パッドを介して接続している。このような構成に代えて、又は、このような構成とともに、前記導電スペーサは、前記配線パターンまたは前記フレーム部の少なくとも一方に導電性接着剤を介して接続しているのが好ましい。これらの構成により、導電スペーサを介しての配線パターンとフレーム部との電気的接続を適切に達成することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロミラー素子Ｘ１の斜視図である。図２は、マイクロミラー素子Ｘ１の分解斜視図である。図３は、図１の線III−IIIに沿った断面図である。

マイクロミラー素子Ｘ１は、マイクロミラー基板１００と、配線基板２００と、これらの間に介在する導電スペーサ３００と、光センサユニット４００とを備える。マイクロミラー基板１００は、ミラー形成部１１０と、これを囲む内フレーム１２０と、内フレーム１２０を囲む外フレーム１３０と、ミラー形成部１１０および内フレーム１２０を連結する一対のトーションバー１４０と、内フレーム１２０および外フレーム１３０を連結する一対のトーションバー１５０とを備える。一対のトーションバー１４０は、内フレーム１２０に対するミラー形成部１１０の回転動作の回転軸心Ａ１を規定する。一対のトーションバー１５０は、外フレーム１３０に対する内フレーム１２０およびこれに伴うミラー形成部１１０の回転動作の回転軸心Ａ２を規定する。回転軸心Ａ１と回転軸心Ａ２は略直交している。このように、マイクロミラー基板１００には、２軸型のマイクロミラーが形成されている。

本実施形態のマイクロミラー基板１００は、例えば厚さ１００μｍの第１シリコン層と、例えば厚さ１００μｍの第２シリコン層と、これらに挟まれた例えば厚さ１μｍの絶縁層とからなる積層構造を有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハから、マイクロマシニング技術により形成されたものである。具体的には、マイクロミラー基板１００は、フォトリソグラフィ、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）などのドライエッチング技術、ウエットエッチング技術などを用いて、第１シリコン層、第２シリコン層、および絶縁層の一部をエッチング除去することにより形成されたものである。第１シリコン層および第２シリコン層は、シリコンに対してＰやＡｓなどのｎ型不純物やＢなどのｐ型不純物がドープされて導電性が付与されている。ただし、本発明では、マイクロミラー基板１００は、他の形態の基板から作製してもよい。

ミラー形成部１１０は、その上面にミラー面１１１が薄膜形成され、その下面に光センサユニットからの照射光を反射するための反射面１１２がミラー面１１１と同様に薄膜形成されている。また、ミラー形成部１１０の相対向する２つの側面には、櫛歯電極１１０ａ，１１０ｂが設けられている。ミラー形成部１１０は、第１シリコン層に由来する。

内フレーム１２０は、内フレーム主部１２１と、一対の電極基台１２２と、これらの間の絶縁層とからなる積層構造を有し、内フレーム主部１２１と電極基台１２２は、絶縁層によって電気的に分断されている。一対の電極基台１２２には、内方に延出する櫛歯電極１２２ａ、１２２ｂが設けられている。内フレーム主部１２１には、外方に延出する櫛歯電極１２１ａ，１２１ｂが設けられている。櫛歯電極１２２ａ，１２２ｂは、ミラー形成部１１０の櫛歯電極１１０ａ，１１０ｂの下方に位置しており、ミラー形成部１１０の回転動作時において櫛歯電極１１０ａ，１１０ｂと当接しないように配置されている。内フレーム主部１２１は第１シリコン層に由来し、一対の電極基台１２２は第２シリコン層に由来する。

各トーションバー１４０は、ミラー形成部１１０と内フレーム主部１２１とに接続しており、第１シリコン層に由来する。

外フレーム１３０は、第１外フレーム部１３１と、第２外フレーム部１３２と、これらの間の絶縁層とからなる積層構造を有し、第１外フレーム部１３１と第２外フレーム部１３２は、絶縁層によって電気的に分断されている。第２外フレーム部１３２には、図４に表すように、空隙を介して第１アイランド１３４、第２アイランド１３５、第３アイランド１３６、および、第４アイランド１３７が設けられている。第１〜第４アイランド１３４〜１３７には、各々、電極パッド１３８ａ〜１３８ｄが設けられている。電極パッド１３８ａ〜１３８ｄは、ＡｕまたはＡｌよりなる。第３アイランド１３６および第４アイランド１３７には、各々、内方に延出する櫛歯電極１３２ａ、１３２ｂが設けられている。櫛歯電極１３２ａ，１３２ｂは、各々、内フレーム主部１２１の櫛歯電極１２１ａ，１２１ｂの下方に位置しているが、内フレーム１２０の回転動作時において、櫛歯電極１２１ａ，１２１ｂの歯と当接しないように配置されている。第１外フレーム部１３１は第１シリコン層に由来し、第２外フレーム部１３２は第２シリコン層に由来する。

各トーションバー１５０は、上層１５１と、下層１５２と、これらの間の絶縁層とからなる積層構造を有し、上層１５１と下層１５２は、絶縁層によって電気的に分断されている。この絶縁層は空気層でも良い。上層１５１は、内フレーム主部１２１と第１外フレーム部１３１とに接続し、下層１５２は、電極基台１２２と第２外フレーム部１３２とに接続している。上層１５１は第１シリコン層に由来し、下層１５２は第２シリコン層に由来する。

配線基板２００は第１面２０１および第２面２０２を有する。第１面２０１には、所定の配線パターン２１０が形成されている。配線パターン２１０には、導通接続用の４つの電極パッド２１１ａ〜２１１ｄおよび外部接続用の４つの電極パッド２１２ａ〜２１２ｄが含まれる。電極パッド２１１ａ〜２１１ｄは、マイクロミラー基板に設けられている電極パッド１３８ａ〜１３８ｄに対応する位置に配置されている。配線基板２００の本体は、例えば厚さ３００μｍのＳｉなどの半導体基板やガラス基板などである。配線基板２００の第１面２０１は、機械研削などにより平坦化のための加工がなされている。したがって、配線基板２００においては、第１面２０１の平面度を高く維持することができる。配線パターン２１０は、配線基板２００の第１面２０１に対して金属材料を成膜した後にこれをパターニングすることによって、形成される。金属材料としては、ＡｕやＡｌを用いることができる。また、成膜手法としては、スパッタリング法やメッキ処理を採用することができる。

導電スペーサ３００は、マイクロミラー基板の電極パッド１３８ａ〜１３８ｄと配線基板の電極パッド２１１ａ〜２１１ｄとの間に介在している。本実施形態では、導電スペーサ３００は、Ａｕボールバンプが２段に積み重なった構造を有し、電極パッド２１１ａ〜２１１ｄとは融着しており、電極パッド１３８ａ〜１３８ｄとは導電性接着剤３０３を介して接合している。積層されたＡｕボールバンプ間は、超音波ボンディングにより接合されている。

光センサユニット４００は、ミラー形成部１１０の回転角度を検出するためのものであり、配線基板の第１面２０１に接着剤などを介して設けられている。光センサユニット４００は、ミラー形成部１１０の下面に対向する位置に配置されている。光センサユニット４００は、例えばセンサ素子として光を利用した位置検出が可能なＰＳＤセンサを用いた構成とされている。光センサユニット４００は、その上面に矩形状の受光部４０１が設けられているとともに、受光部４０１の中心部には、ミラー形成部の反射面１１２に光を照射するための光源４０２が設けられている。受光部４０１の表面の周縁付近には、４つの電極４０３ａ〜４０３ｄが配されている。配線基板２００には、光源４０２に電力を供給するため、および電極からの出力電流を流すための配線（図示略）が設けられている。光センサユニットのセンサ素子については、ＰＳＤセンサの他にも、ホトダイオードをマトリックス状に二次元配列したホトダイオードアレイなど、光を利用したセンサであれば、種々の態様をとることができる。

このような構成のマイクロミラー素子Ｘ１において、第１外フレーム部１３１をグランド接続すると、第１外フレーム部１３１と同一のシリコン系材料により一体的に成形された第１シリコン層由来のトーションバー１５０の上層１５１、内フレーム主部１２１、トーションバー１４０およびミラー形成部１１０を介して、櫛歯電極１１０ａ、１１０ｂと櫛歯電極１２１ａ、１２１ｂとがグランド接続されることとなる。この状態において、櫛歯電極１２２ａまたは櫛歯電極１２２ｂに所望の電位を付与し、櫛歯電極１１０ａと櫛歯電極１２２ａとの間、または、櫛歯電極１１０ｂと櫛歯電極１２２ｂとの間に静電力を発生させることによって、ミラー形成部１１０を、回転軸心Ａ１まわりに揺動させることができる。また、櫛歯電極１３２ａまたは櫛歯電極１３２ｂに所望の電位を付与し、櫛歯電極１２１ａと櫛歯電極１３２ａとの間、または、櫛歯電極１２１ｂと櫛歯電極１３２ｂとの間に静電力を発生させることによって、内フレーム１２０およびミラー形成部１１０を、回転軸心Ａ２まわりに揺動させることができる。

櫛歯電極１２２ａへの電位の付与は、図２〜図４を併せて参照するとよく理解できるように、配線基板２００の電極パッド２１２ａ、電極パッド２１１ａ、その上の導電スペーサ３００、マイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ａ、第１アイランド１３４、これに接続しているトーションバー１５０の下層１５２、これに接続している電極基台１２２を介して行うことができる。櫛歯電極１２２ｂへの電位の付与は、配線基板２００の電極パッド２１２ｂ、電極パッド２１１ｂ、その上の導電スペーサ３００、マイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ｂ、第２アイランド１３５、これに接続しているトーションバー１５０の下層１５２、これに接続している電極基台１２２を介して行うことができる。櫛歯電極１３２ａへの電位の付与は、配線基板２００の電極パッド２１２ｃ、電極パッド２１１ｃ、その上の導電スペーサ３００、マイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ｃ、第３アイランド１３６を介して行うことができる。櫛歯電極１３２ｂへの電位の付与は、配線基板２００の電極パッド２１２ｄ、電極パッド２１１ｄ、その上の導電スペーサ３００、マイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ｄ、第４アイランド１３７を介して行うことができる。このように４つの導電経路を介して所定の電位を付与することにより、ミラー形成部１１０を所定の方向に向けることができる。

このような電位の付与によりミラー形成部１１０または内フレーム１２０の少なくとも一方を揺動駆動させると、これら可動部の何れかの端部は、配線基板２００に向かって変位する。例えば、内フレーム１２０における電極基台１２２の長さＬ３が６００μｍである場合、内フレーム１２０が回転軸心Ａ２まわりに５°回転すると、電極基台１２２の端部は、非回転時の位置から６０μｍ下がることとなる。このような内フレームの変位を阻害しないように、マイクロミラー基板１００および配線基板２００は離隔している必要がある。したがって、本実施形態では、導電スペーサ３００の高さは例えば１００μｍとされている。

上述したような電位の付与によりミラー形成部１１０を所定の方向に向けた状態において、光センサユニット４００を用いてミラー形成部１１０の回転角度を検出することができる。具体的には、図３に表すように、光センサユニットの光源４０２からミラー形成部１１０の下面に形成された反射面１１２の中心に向けて光を照射する。ミラー形成部１１０が同図における仮想線で示すように変位している場合には、反射面１１２で反射した光はミラー形成部の回転角度に応じて光源４０２から変位して受光部４０１に照射される。ここで、ミラー形成部１１０の回転角度には、ミラー形成部１１０が回転軸心Ａ１まわりに揺動する角度および回転軸心Ａ２まわりに揺動する角度が含まれる。受光部４０１の一点に光が照射されると、光により発生したキャリアによる電流が電極４０３ａ〜４０３ｄに流れる。電極４０３ａ〜４０３ｄのうち、対向する電極４０３ａ，４０３ｃを流れる電流の比ならびに対向する電極４０３ｂ，４０３ｄを流れる電流の比より、受光部４０１における光の照射位置を検出することができる。そして、光の照射位置に基づいて、ミラー形成部の回転角度を算出することができる。このように光センサユニット４００を用いると、ミラー形成部１１０と非接触でその回転角度を検出することができるため、ミラー形成部１１０の回転角度を検出するのに際し、ミラー形成部１１０の作動は何ら影響を受けることがない。また、ミラー形成部の回転角度を検出した結果、ミラー形成部１１０が所望の方向に向いていないと判定された場合には、櫛歯電極１２２ａ，１２２ｂ，１３２ａ，１３２ｂへ付与する電位を増減して、ミラー形成部１１０が所望の方向に向くように調整することができる。

このように、マイクロミラー素子Ｘ１は、マイクロミラー素子の大型化を抑制しつつ、マイクロミラー素子のミラー形成部１１０の作動状態を適正に検出するための構成を有する。具体的には、導電スペーサ３００により、マイクロミラー基板１００に形成されている導電経路と、配線基板２００に形成されている配線パターン２１０とが電気的に接続されている。それとともに、導電スペーサ３００により、マイクロミラー基板１００および配線基板２００の良好な離隔状態が達成されている。光センサユニット４００は、マイクロミラー基板１００と配線基板２００との間に生じた空間を利用して設けられている。このため、光センサユニット４００を設けることによってマイクロミラー素子Ｘ１が大型化することもない。また、光センサユニット４００は、ミラー形成部１１０とは比較的近接して設けられている。このため、ミラー形成部１１０の回転角度の検出の精度は良好となる。また、ミラー形成部１１０および内フレーム１２０からなる可動部を駆動するための配線は、当該可動部が形成されているマイクロミラー基板１００には形成されていないため、マイクロミラー基板１００ひいてはマイクロミラー素子Ｘ１の小型化が達成されている。

図５は、本発明の第２の実施形態に係るマイクロミラー素子Ｘ２の斜視図である。図６は、マイクロミラー素子Ｘ２の分解斜視図である。図７は、マイクロミラー素子Ｘ２の断面構造を表す部分断面図である。

第２の実施形態に係るマイクロミラー素子Ｘ２は、マイクロミラー基板１００と、配線基板２００と、これらの間に介在する導電スペーサ３００と、合計９個の光センサユニット４００とを備える。マイクロミラー基板１００には、合計９個のマイクロミラーユニットＸ２’と、これらを囲む共通外フレーム１３０’とを備える。マイクロミラーユニットＸ２’は、ミラー形成部１１０と、これを囲む内フレーム１２０と、ミラー形成部１１０および内フレーム１２０を連結する一対のトーションバー１４０と、内フレーム１２０および共通外フレーム１３０’を連結する一対のトーションバー１５０とを備える。マイクロミラーユニットＸ２’のミラー形成部１１０、内フレーム１２０、トーションバー１４０，１５０は、マイクロミラー素子Ｘ１のそれと同様の構成を有している。共通外フレーム１３０’は、各マイクロミラーユニットＸ２’ごとに、マイクロミラー素子Ｘ１の外フレーム１３０と同様の構成を有する。

配線基板２００は第１面２０１および第２面２０２を有する。第１面２０１および第２面２０２には、各マイクロミラーユニットＸ２’を個別に駆動するように配線パターン２１０が形成されている。第１面２０１の配線パターン２１０には、各マイクロミラーユニットＸ２’に対応する導通接続用の４つの電極パッド２１１ａ〜２１１ｄが含まれる。第２面の配線パターン２０２には、外部接続用の４つの電極パッド２１２ａ〜２１２ｄが含まれる。このような構成の配線パターン２１０においては、第１面の配線パターン２１０と第２面の配線パターン２１０は、配線基板２００を貫通する導電連絡部２２０によって電気的に接続されている。導電連絡部２２０の形成は、配線パターン２１０の形成の前に行なう。導電連絡部２２０は、配線基板２００に穴加工を施して貫通孔を形成した後、貫通孔の内周面および配線基板の第１面２０１，第２面２０２における貫通孔の開口端周辺部分にＣｕなどの金属材料を成膜することによって、形成される。穴加工の手法としては、レーザーやＤＲＩＥを採用することができる。金属材料の成膜手法としては、無電解メッキ処理を採用することができる。電極パッド２１２には、外部接続用の例えばハンダバンプ２３０が形成されている。配線基板２００に関する他の構成については、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様である。

導電スペーサ３００は、マイクロミラー基板の電極パッド１３８ａ〜１３８ｄと配線基板の電極パッド２１１ａ〜２１１ｄとの間に介在している。導電スペーサ３００に関する他の構成については、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様である。

光センサユニット４００は、配線基板の第１面２０１に接着剤などを介して設けられている。光センサユニット４００を、配線基板の第１面２０１に作りこんでも良い。各光センサユニット４００は、各マイクロミラーユニットＸ２’のミラー形成部１１０の下面に対向する位置に配置されている。光センサユニット４００に関する他の構成については、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様である。

マイクロミラー素子Ｘ２は、セラミックスやガラスエポキシ樹脂などからなるマザー基板Ｙ２に設けられている。マザー基板Ｙ２は、マイクロミラー素子Ｘ２の他にも例えば図外のＩＣなどの回路部品を搭載している。マザー基板Ｙ２の第１面６０１には、配線パターン６１０および電極パッド６１１が形成されており、電極パッド６１１に配線基板のハンダバンプ２３０が接続されている。マザー基板の第２面６０２には、電極パッド６１２が形成されている。第１面の配線パターン６１０と第２面の電極パッド６１２は、マザー基板Ｙ２を貫通する導電連絡部６２０によって電気的に接続されている。マザー基板の第２面６０２には、例えばハンダバンプ６３０を介してコネクタ６４０が接続されている。このような構成によれば、配線基板２００は、マザー基板Ｙ２とマイクロミラー基板１００との間に位置する中継基板としての機能を果たす。マザー基板Ｙ２は、上述したようにマイクロミラー素子のほかにも回路部品を搭載しているため、大型化する傾向にある。マザー基板Ｙ２が大きくなると、その表面の平面度は低下しやすくなる。本実施形態の構成に代えて、マザー基板上に配線パターンを形成するとともに光センサユニットを設けて、マザー基板とマイクロミラー基板とを導電スペーサを介して接続することもできる。しかし、そのような構成にすると、マザー基板の表面の平面度が低下することに起因して、光センサユニットによるミラー形成部の回転角度の検出が適正になされないといった不具合が発生するおそれがある。本実施形態では、上述したように、配線基板２００の第１面２０１の平面度を高く維持することが可能であり、このような不具合の発生を抑制することができる。

このように、マイクロミラー素子Ｘ２は、単一のマイクロミラー基板１００および単一の配線基板２００において、９個のマイクロミラー素子Ｘ１が一体的に形成されたものに相当する。したがって、マイクロミラー素子Ｘ２においては、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様に、各マイクロミラーユニットＸ２’を駆動して、マイクロミラーユニットＸ２’の可動部すなわちミラー形成部１１０および内フレーム１２０を揺動することができる。また、配線基板２００に設けられた９個の光センサユニット４００により、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様の方法によって、ミラー形成部１１０ごとの回転角度をそれぞれ個別に検出することができる。

このように、マイクロミラー素子Ｘ２は、マイクロミラー素子の大型化を抑制しつつ、マイクロミラー素子の各ミラー形成部１１０の作動状態を適正に検出するための構成を有する。具体的には、マイクロミラー素子Ｘ２においては、導電スペーサ３００により、マイクロミラー基板１００に形成されている導電経路と、配線基板２００に形成されている配線パターン２１０とが電気的に接続されている。それとともに、導電スペーサ３００により、マイクロミラー基板１００および配線基板２００の良好な離隔状態が達成されている。光センサユニット４００は、マイクロミラー基板１００と配線基板２００との間に生じた空間を利用して設けられている。このため、光センサユニット４００を設けることによってマイクロミラー素子Ｘ２が大型化することもない。また、光センサユニット４００は、ミラー形成部１１０と比較的近接して設けられている。このため、ミラー形成部１１０の回転角度の検出の精度は良好となる。また、ミラー形成部１１０および内フレーム１２０からなる可動部を駆動するための配線は、当該可動部が形成されているマイクロミラー基板１００には形成されていないため、マイクロミラー基板１００ひいてはマイクロミラー素子Ｘ２の小型化が達成されている。さらに、配線基板の第２面２０２に対しても配線パターン２１０が形成されているため、配線基板の第１面２０１に光センサユニット４００が設けられていても、配線パターン２１０の形成領域を充分に確保することができる。本実施形態では、マイクロミラー基板１００において、合計９個のマイクロミラーユニットＸ２’が形成されているが、本発明では、これよりも多い数のマイクロミラーユニットＸ２’をマイクロミラー基板１００に一体成形する場合においても、第２の実施形態に関して上述した効果が奏される。

上述の第１および第２の実施形態では、ミラー形成部１１０の回転角度の検出手段は、光センサを用いて構成していたが、本発明では、このような構成に代えて静電容量型センサを用いて構成してもよい。例えば図８に表すように、静電容量型センサユニット８００は、４つの固定電極８０３ａ〜８０３ｄを配置したセンサ基板８０１をミラー形成部１１０の下面に対向する位置に設けることによって構成することができる。固定電極８０３ａ〜８０３ｄは、ミラー形成部１１０の回転軸心Ａ１およびＡ２まわりの回転動作に伴い、ミラー形成部１１０の端部が変位する方向に対応する位置に配置されている。ミラー形成部１１０は、変位電極として機能する。このような構成によれば、ミラー形成部１１０の回転動作により、各固定電極８０３ａ〜８０３ｄにおける静電容量が変化する。このときの静電容量の増減により、ミラー形成部１１０の回転角度を検出することができる。

上述の第１および第２の実施形態では、配線基板２００の表面に配線パターン２１０を形成していたが、本発明では、このような構成に代えて配線基板の表面に絶縁被膜を形成し、当該絶縁被膜上に配線パターンを形成してもよい。第２の実施形態において上述した導電連絡部を有する構成においては、例えば図９に表すように、配線基板２００の表面にＳｉＯ₂などからなる絶縁膜２４０を形成し、絶縁膜２４０上に導電連絡部２２０および配線パターン２１０を形成することができる。絶縁膜２４０の形成は、ＣＶＤ法を採用することができる。このような構成によれば、配線基板２００としてＳｉなどの半導体基板を用いた場合であっても、配線基板２００と配線パターン２１０または導電連絡部２２０との絶縁が確実になされているため、配線基板２００への電流リークは防止することができる。

また、上述の第２の実施形態では、導電連絡部にＣｕなどの金属材料を用いて構成したが、このような構成に代えてシリコンなどにｎ型やｐ型の不純物をドープして導電性を付与した半導体材料あるいは銀、金などの金属粒子を含んだ樹脂ペーストからなる導電性有機物材料を用いることができる。また、導電連絡部の形成手法は、導電連絡部を構成する材料に応じて、ＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法などの手法を適宜採用することができる。また、導電連絡部は、上記したような成膜手法による形成に代えて、貫通孔に導電性材料を充填することによって形成してもよい。

以上のまとめとして、本発明の構成およびそのバリエーションを以下に付記として列挙する。

（付記１）
フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、前記フレーム部および前記可動部を連結するトーションバーとが形成されているマイクロミラー基板と、
配線パターンが形成されている配線基板と、
前記マイクロミラー基板および前記配線基板を離隔させつつ前記フレーム部および前記配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサと、を備えるマイクロミラー素子であって、
前記配線基板は、前記マイクロミラー基板に対向する第１の面を有し、当該第１の面には、前記ミラー部の回転角度を検出するための検出手段が設けられていることを特徴とする、マイクロミラー素子。
（付記２）
フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、前記フレーム部および前記可動部を連結するトーションバーとを備える複数のマイクロミラーユニットが一体的に形成されているマイクロミラー基板と、
配線パターンが形成されている配線基板と、
前記マイクロミラー基板および前記配線基板を離隔させつつ前記フレーム部および前記配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサと、を備えるマイクロミラー素子であって、
前記配線基板は、前記マイクロミラー基板に対向する第１の面を有し、当該第１の面には、前記各ミラー部ごとの回転角度を検出するための複数の検出手段が設けられていることを特徴とする、マイクロミラー素子。
（付記３）
前記検出手段は、光センサを用いて構成されている、付記１または２に記載のマイクロミラー素子。
（付記４）
前記検出手段は、静電容量型センサを用いて構成されている、付記１ないし３のいずれかに記載のマイクロミラー素子。
（付記５）
前記配線基板は、前記第１の面とは反対の第２の面を有し、当該第２の面には、前記配線パターンの一部が形成されているとともに、
前記配線基板は、前記第１の面に形成されている配線パターンと前記第２の面に形成されている配線パターンとを電気的に接続するように、前記配線基板を貫通する導電連絡部を有する、付記１ないし４のいずれかに記載のマイクロミラー素子。
（付記６）
前記導電連絡部は、金属、半導体、導電性有機物のいずれかの導電性材料によって構成されている、付記１ないし５のいずれかに記載のマイクロミラー素子。
（付記７）
前記導電性材料は、メッキ処理、ＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法のいずれかの方法を用いて形成されている、付記１ないし６のいずれかに記載のマイクロミラー素子。
（付記８）
前記導電スペーサは、単一のバンプ、または、積み重なる複数のバンプからなる、付記１ないし７のいずれかに記載のマイクロミラー素子。
（付記９）
前記導電スペーサは、前記配線パターンまたは前記フレーム部の少なくとも一方に電極パッドを介して接続している、付記１ないし８のいずれかに記載のマイクロミラー素子。
（付記１０）
前記導電スペーサは、前記配線パターンまたは前記フレーム部の少なくとも一方に導電性接着剤を介して接続している、付記１ないし９のいずれかに記載のマイクロミラー素子。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。図１に示すマイクロミラー素子の分解斜視図である。図１に示すマイクロミラー素子の断面図である。図１に示すマイクロミラー素子のマイクミラー基板の裏面図である。本発明の第２の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。図５に示すマイクロミラー素子の分解斜視図である。本発明の第２の実施形態に係るマイクロミラー素子の断面構造を表す部分断面図である。検出手段の他の例を表す斜視図である。配線基板の他の例を表す要部断面図である。光スイッチング装置の一例の概略構成図である。

符号の説明

Ｘ１，Ｘ２マイクロミラー素子
Ｘ２’ マイクロミラーユニット
１００マイクロミラー基板
１１０ミラー形成部
１２０内フレーム
１３０外フレーム
１３０’ 共通外フレーム
１４０，１５０トーションバー
２００配線基板
２１０配線パターン
３００導電スペーサ
３０１，３０２ボールバンプ
４００光センサユニット
８００静電容量型センサユニット

Claims

フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、前記フレーム部および前記可動部を連結するトーションバーとが形成されているマイクロミラー基板と、
配線パターンが形成されている配線基板と、
前記マイクロミラー基板および前記配線基板を離隔させつつ前記フレーム部および前記配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサと、を備えるマイクロミラー素子であって、
前記配線基板は、前記マイクロミラー基板に対向する第１の面を有し、当該第１の面には、前記ミラー部の回転角度を検出するための検出手段が設けられていることを特徴とする、マイクロミラー素子。
フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、前記フレーム部および前記可動部を連結するトーションバーとを備える複数のマイクロミラーユニットが一体的に形成されているマイクロミラー基板と、
配線パターンが形成されている配線基板と、
前記マイクロミラー基板および前記配線基板を離隔させつつ前記フレーム部および前記配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサと、を備えるマイクロミラー素子であって、
前記配線基板は、前記マイクロミラー基板に対向する第１の面を有し、当該第１の面には、前記各ミラー部ごとの回転角度を検出するための複数の検出手段が設けられていることを特徴とする、マイクロミラー素子。
前記検出手段は、光センサを用いて構成されている、請求項１または２に記載のマイクロミラー素子。
前記検出手段は、静電容量型センサを用いて構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロミラー素子。
前記配線基板は、前記第１の面とは反対の第２の面を有し、当該第２の面には、前記配線パターンの一部が形成されているとともに、
前記配線基板は、前記第１の面に形成されている配線パターンと前記第２の面に形成されている配線パターンとを電気的に接続するように、前記配線基板を貫通する導電連絡部を有する、請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロミラー素子。
前記導電スペーサは、単一のバンプ、または、積み重なる複数のバンプからなる、請求項１ないし５のいずれかに記載のマイクロミラー素子。