JP2008039867A - マイクロミラー、マイクロミラーアレイおよびそれを用いた光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はマイクロミラーの電気的短絡を回避する構造を提供する。
【解決手段】梁で支持された可動ミラーを有する可動ミラー基板と電極基板を具備し、前記可動ミラーが前記梁を中心軸として回転動作する静電駆動型のマイクロミラーにおいて、前記可動ミラーは一方の面に反射面を有し、該反射面を有する面の反対の面にミラー電極部を有し、該ミラー電極部は前記電極基板と対向配置されており、前記電極基板は前記ミラー電極部との間に静電引力を発生させる駆動電極部を有し、前記梁は中心軸に直交する方向に伸びた棒状部材が複数回折り返した折り返し梁であり、前記駆動電極部は、前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁の折り返し部に重ならないように形成されており、前記可動ミラーの端部が前記電極基板と接触する動作状態を有するマイクロミラーとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光スイッチ、光減衰器、その他光デバイス等に用いられる静電駆動型の微小可動構造体(マイクロデバイス)、より具体的にはマイクロミラー、およびそれを用いた光スイッチに関する。

フォトリソグラフィーやエッチングを用いて作製した微小可動構造体(マイクロデバイス)は各種提案されおり、その駆動方法も静電引力、電磁力、熱変形、圧電素子等様々な方法が提案されている。中でもギャップクロージング型の静電駆動方式を用いたマイクロミラーは、製造が比較的容易であることや、一方の電極にミラーとしての機能を与え易いことから、古くから研究されている(特許文献１)。ここで、ギャップクロージング型の静電駆動方式とは平板の電極間に静電引力を発生させ、電極間隔を低減させる方向に駆動させる駆動方式である。電極の動作は両電極が平行を保った並進動作をする場合と、何らかの中心軸に対する回転動作をする場合がある。微小可動構造体(マイクロデバイス)、特にマイクロミラーの事例では光の反射方向を変える目的で、回転動作型が用いられることが多い。

静電駆動方式における駆動力は電極面積に比例する。電極面積を拡大するとき、一般にデバイス体積も増大する。一般に面積は長さの二乗に比例、体積は長さの三乗に比例するので、微小可動構造体(マイクロデバイス)が大きくなると相対的な駆動力は低下する。つまり、静電駆動方式においては微小可動構造体(マイクロデバイス)は小さいほど有利である。ところが微小可動構造体(マイクロデバイス)には、機能的な制約で、一定の大きさが要求される。具体的には、例えば反射面の最大寸法を１ｍｍ未満とするマイクロミラーの事例でも、光の反射面積を確保することが必要である。つまり微小可動構造体(マイクロデバイス)が大きくなる。この結果、駆動力が相対的に小さいという課題が生じる。この課題に対して、いくつかの対策が開示されている。例えば、特許文献１においては直梁であったマイクロミラーを支持する梁を折り曲げ梁とすることで、少ない面積に長い梁を形成し梁の占有面積を小型化するとともに梁の剛性を小さくすることで小さな駆動力で大きな動作角度を得る方法が開示されている(特許文献２)。

米国特許４３１７６１１号公報 特開平４−２１１２１８号公報

前述した駆動力の確保という課題に対して、本発明者らは特願２００６-７０９６５に開示されたマイクロミラーのように、可動ミラーのミラー電極部側、すなわち電極基板に対向する側に梁を有し、該梁が折り曲げ梁であるマイクロミラーを有効な解の一つとして提案している。しかしながら、いわゆるシーソー型の動作をさせた場合、該構造においてはマイクロミラーを保持する梁と駆動電極部とが近接するので、両者の電気的短絡を防止することが新たな課題として発生する。マイクロミラーを保持する梁と駆動電極部とが近すぎると、梁が駆動電極に引き付けられて両者が接触し電気的な短絡が発生する。このとき電流が流れることで一種の溶接効果によりマイクロミラーが駆動電極部と固着し動作不能になる可能性や、流れた電流によってマイクロミラーの構成要素、特に梁、の焼き切れが発生しマイクロミラーが破損する可能性があった。このため電気的短絡の回避は極めて重要な課題である。

上記の課題に鑑み、本発明はマイクロミラーの電気的短絡を回避する構造を提供することを目的とする。

本発明は、梁で支持された可動ミラーを有する可動ミラー基板と電極基板を具備し、前記可動ミラーが前記梁を中心軸として回転動作する静電駆動型のマイクロミラーにおいて、前記可動ミラーは一方の面に反射面を有し、該反射面を有する面の反対の面にミラー電極部を有し、該ミラー電極部は前記電極基板と対向配置されており、前記電極基板は前記ミラー電極部との間に静電引力を発生させる駆動電極部を有し、前記梁は中心軸に直交する方向に伸びた棒状部材が複数回折り返した折り返し梁であり、前記駆動電極部は、前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁の折り返し部に重ならないように形成されており、前記可動ミラーの端部が前記電極基板と接触する動作状態を有するマイクロミラーである。かかる構成によれば、梁の折り返し部と駆動電極部が近接しない構成となるため、マイクロミラーの電気的短絡による動作不能や破損の回避を実現できる。

前記マイクロミラーにおいて、前記梁の厚さは前記可動ミラーの厚さよりも薄く、前記可動ミラーの厚さ方向において前記ミラー電極部側に偏った位置で前記梁が前記可動ミラーを支持することが好ましい。かかる構成によれば、マイクロミラーの電気的短絡による動作不能や破損の回避に加えて、マイクロミラーの高い剛性による優れた光学特性と剛性の低い梁による駆動力の確保が両立できる。また梁をミラー電極部側に偏らせることはミラー電極部と駆動電極部を近接させて駆動力を確保する構造を簡便に実現させるのに有利である。

前記マイクロミラーにおいて、前記駆動電極部は、前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁と重ならないように形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、マイクロミラーの電気的短絡による動作不能や破損の回避をより確実に実現できる。

前記マイクロミラーにおいて、前記駆動電極部の幅が前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁の下となる部分を除き、前記可動ミラーの幅よりも大きいことが好ましい。ここで前記幅とは、前記可動ミラーの回転動作の中心軸方向における前記駆動電極部または前記可動ミラーの幅のことをいう。かかる構成によれば、マイクロミラーの電気的短絡による動作不能や破損の回避に加えて、駆動力低下の防止を実現できる。

前記マイクロミラーにおいて、前記可動ミラー基板をＳＯＩ基板で作製することが好ましい。かかる構成によれば、電気的短絡による動作不能や破損の回避を実現できるマイクロミラーをより簡便に作製できる。

本発明のマイクロミラーアレイは、前記いずれかのマイクロミラーを複数個集積したマイクロミラーアレイである。かかる構成によれば、電気的短絡による動作不能や破損の回避を実現できるマイクロミラーを集積化できる。

本発明の光スイッチは、前記いずれかのマイクロミラーまたはマイクロミラーアレイを用いた光スイッチである。かかる構成によれば、光スイッチの電気的短絡による動作不能や破損の回避を実現できる。

本発明によれば、梁で支持された可動ミラーを有する可動ミラー基板と電極基板を具備し、前記可動ミラーが梁を中心軸として回転動作する静電駆動型のマイクロミラーにおいて、前記マイクロミラーが具備する梁と駆動電極部との電気的な短絡を防止し、該電気的な短絡およびその際に流れる電流によりマイクロミラーが動作不能になることや破損することを回避することができる。また、マイクロミラーにおける電気的な短絡等を回避したマイクロミラーアレイおよび光スイッチを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照しつつ説明する。なお、これら実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明に係るマイクロミラー１００(図２)に適用する電極基板１２０の一実施形態である。本マイクロミラー１００は、駆動力として静電引力を用いた静電駆動マイクロミラーである。さらに本マイクロミラー１００は梁１１４によって回転動作の中心軸が規定されており、静電引力によって可動ミラー１１１と電極基板１２０の間隔が低減する方向に回転動作するギャップクロージング型の静電駆動方式を用いている。

図２は本発明に係るマイクロミラー１００の断面図である。図３は本発明に係る可動ミラー基板の上面図である。可動ミラー１１１は一方の面に反射面１１２を有する。可動ミラー１１１は梁１１４によって可動ミラー基板１１０に連結され、梁１１４は可動ミラー１１１を可動ミラー基板１１０に対して回動可能に支持している。梁１１４は弾性を有しており、可動ミラーを挟んだ両側で一対の梁として可動ミラーに連結されている。可動ミラー１１１は梁１１４を中心軸１１５として回動し、静電引力を駆動力とし所定の角度で傾斜するようにしてある。

図２の実施形態では、駆動電極部１２１を配置した電極基板１２０を可動ミラー１１１に対向して配置するとともに、可動ミラー１１１の反射面を有する面の反対側、すなわち電極基板１２０と対向する側の面にはミラー電極部１１３を設ける。電極基板１２０には、ミラー電極部１１３に対向して駆動電極部１２１が配置されている。ミラー電極部１１３と反射面１１２は略平行な平面である。略平行とは、製造上の誤差程度は許容する意味である。ミラー電極部１１３と反射面１１２を略平行とした構成は、作製が容易であるとともに、高精度を確保しやすい。反射面１１２は、半導体または半導体酸化物の少なくとも一方で構成された可動ミラーの基体１１９に反射膜１３２を形成することで構成されている。

前記基体１１９は、反射面を有する部分よりも厚さの小さい肉薄部１１７を有する。肉薄部１１７は反射面を有する側の面において前記反射面を有する部分の高さと異なる高さの面を有している。すなわち、反射面を有する側の面において、肉薄部の面は反射面を有する部分の面よりも低くなっており、これによって可動ミラー１１１に凹部が形成されている。静電引力を作用させるため、可動ミラーには電極面積等を確保するためのある程度の大きさ、広がりが必要とされるが、反射面は必ずしも可動ミラー全面に形成されている必要はない。反射面１１２の面積は光ビームを反射するために必要十分な大きさに限定する。一方、ミラー電極部１１３の面積はマイクロミラー１００の構成上不都合がない範囲でできるだけ大きくして強い静電引力を発生させる。反射面１１２を有さない部分はできるだけ梁１１４と同じ厚さとすることが望ましい。

ここで反射面１１２の反りＲは、反射面を有する部分の基体１１９の厚さｈと基体１１９のヤング率Ｅと基体１１９のポアッソン比νと、反射膜１３２の厚さｔと反射膜１３２の応力σを用いて
Ｒ＝(Ｅ×ｈ^２)/{６×(１−ν)×ｔ×σ}
で表される。反射面１１２を有する部分の厚みを肉薄部の３.２倍以上とすることで、反り耐性を１０倍以上向上させることができる。上記構成をとることによって、反射面１１２の反りを防止しつつ可動ミラー１１１の質量増大と慣性モーメント増大を抑制することができる。そこで、図２の実施形態では、反射の機能に必要な広さの反射面は確保し、それ以外の部分において基体１１９に肉薄部を設けており、これにより可動ミラーの軽量化、高速制御性の向上が図られている。また、ミラーの反り等を防止するためには、基体１１９を厚くする必要があるが、本実施形態では肉薄部１１７を設けているので、ミラー質量の増加を抑えつつ、基体の厚さを大きくすることが可能である。
該構造として可動ミラー１１１の体積および慣性モーメントを低減することは、相対的な駆動力を増加させることになるので好ましい。ただし、本発明の目的である、電気的短絡に起因する動作不能や破損の回避を実現するには、可動ミラー１１１が肉薄部を有さない構造、すなわち全体に均一の厚さを有する構造であっても良い。

また、図２および図３に示す実施形態では、反射面１１２を有する部分の他に、肉薄部１１７よりも厚さが大きい肉厚部１１６が、肉薄部１１７を挟んで反射面１１２を有する部分を枠状に包囲している。該肉厚部は、反射面側から見て線状に形成されている。本実施形態では、反射面１１２を有する部分と肉厚部１１６の基体の厚さは等しくしてある。かかる肉厚部１１６は必ずしも設ける必要はなく、該肉厚部を設けなくてもミラーの軽量化、反りの防止等の効果が得られる。ただし、特にミラーの反り、特に肉薄部１１７での反り防止の観点からは、反射面を有する部分の他に肉厚部を設けることが好ましい。

図１では、回動の中心軸は、可動ミラーの面内方向の中央に位置しており、反射面１１２が、反射面側から見て中心軸１１５に跨がっている構成になっている。前記中央とは、可動ミラーの対称的動作を阻害しない誤差範囲内も許容する趣旨である。かかる構成とすることで可動ミラー１１１の慣性モーメントの増大を効果的に抑制でき、制御性の向上に寄与する。

また、図２の構成では、可動ミラー１１１の厚さが、反射面１１２を有する部分において最大となっており、該構成は容易に作製できるという利点がある。

反射面１１２を構成する部分の基体は梁１１４よりも厚く構成する。可動ミラー１１１には、望ましくは梁１１４と同じ厚さとした肉薄部をできるだけ多く与える。ただし、部分的に上記肉厚部のように梁１１４よりも厚く構成されている部分があっても良い。

図３を用いて梁１１４を説明する。梁１１４は可動ミラー１１１の中心軸１１５方向に直交する向きに伸びた棒状部材を連結させた折り曲げ梁(ミアンダ梁)である。梁１１４は可動ミラー１１１の厚み方向に対してミラー電極部１１３側に位置する。例えば、活性層(Ｓｉ層)/中間層(ＳｉＯ_２層)/ベース層(Ｓｉ層)からなるＳＯＩ基板で作製した可動ミラー１１１において梁１１４を活性層に形成した場合、ＳＯＩ基板の活性層側を電極基板１２０に対向させる。梁１１４の折り返し部１９１はミラーの端部１１８より内側(すなわち中心軸側)に位置する。なお図３に例示した梁１１４は梁１１４の構造を限定するものではない。従って、梁１１４のミラーに対する相対長さは同図に示した比率である必要はない。また、梁１１４の折り返し数は増減しても良い。梁１１４は可動ミラー１１１を可動ミラー基板１１０に支持し、可動ミラー１１１の変位に対する復元力を与える。梁１１４はミラー駆動電極部１１３を外部回路と電気的に接続する経路としての機能も有する。ただし、可動ミラー１１１のミラー駆動電極部１１３と外部回路(図示せず)との電気的接続は図示していない。

図３は可動ミラー１１１の反射面１１２側の形状を限定するものではない。図５(ａ)、(ｂ)、(ｃ)に本発明に係るマイクロミラーの別の実施形態を例示する。図５(ａ)は可動ミラー１１１の中央部に配置した反射面１１２にのみ厚さの大きい部分を有する実施形態である。反射面１１２を有する部分以外は全て肉薄部１１７であり、質量および慣性モーメントの低減効果は最も大きい。図５(ｂ)は可動ミラー１１１の中央部に反射面１１２を有し、ミラー長手方向、すなわち中心軸に垂直な方向に細幅の肉厚部１１６を有する実施形態である。肉厚部は反射面１１２を有する部分から長手方向両端部に向かって細幅の線状にそれぞれ２本ずつに延設されている。該肉厚部１１６の厚さは反射面１１２を有する部分の厚さと一致させている。肉厚部１１６は肉薄部１１７が残留応力や熱応力で変形することを抑制する効果を有する。図５(ｃ)は図５(ｂ)と同じ効果を有する肉厚部１１６の配置方法に関する別の実施形態である。肉厚部は反射面１１２を有する部分から長手方向両端部に向かって細幅の線状にそれぞれ１本ずつに延設されている。図５(ｂ)に比べ肉厚部１１６の領域が少ないので質量および慣性モーメントは図５(ｂ)の実施形態より優れる。

電極基板１２０は１つ以上、例えば一対(２つ)の駆動電極部１２１を有する。電極基板１２０が駆動電極部を1つ有する場合、可動ミラーの動作方向は一方向のみとなる。図１は一対(２つ)の駆動電極部１２１を有する構成の例示である。前記一対の駆動電極部は線状の突起１２２を挟んで両側、すなわち可動ミラーの中心軸１１５を挟んで両側に当たる部分に形成されている。該駆動電極部１２１と前記ミラー電極部１１３との間には静電アクチュエータが構成されており、該駆動電極部１２１と該ミラー電極部１１３との間に電位差を与えることで両者の間に静電引力を発生させ、可動ミラー１１１を動作させる。

スペーサ１３０は、電極基板１２０と可動ミラー１１１との間に一定の空間を設けるために配置されている。スペーサ１３０は、可動ミラー基板１１０あるいは電極基板１２０と独立した部材で作製しても良いし、前記可動ミラー基板１１０あるいは電極基板１２０と一体形成してもよい。図２はスペーサ１３０を電極基板１２０と一体形成した例である。可動ミラー基板１１０は例えばシリコン(Ｓｉ)基板、シリコン(Ｓｉ)層間に酸化シリコン(ＳｉＯ_２)層を挟み込んだＳＯＩ(silicon on insulator)基板などを材料として作製する。可動ミラー１１１は反射面１１２に反射膜を形成することで反射率を向上させることが望ましい。反射膜は反射させる光の波長やミラーへの残留応力を考慮して選択する。反射膜として金(Ａｕ)、アルミニウム(Ａｌ)あるいは各種金属あるいは非金属の多層膜を用いることができる。可動ミラー１１１のミラー電極部１１３には、例えば金(Ａｕ)、アルミニウム(Ａｌ)、クロム(Ｃｒ)、ニッケル(Ｎｉ)、銅(Ｃｕ)、白金(Ｐｔ)あるいはチタン(Ｔｉ)を単独にあるいは適宜積層して導電性膜を形成する。ただし可動ミラー１１１を構成する材料が十分な導電性を有する場合、例えば導電性を向上させたシリコン(Ｓｉ)基板の場合、ミラー電極部１１３に導電性膜を形成しなくてもよい。

スペーサ１３０は各種材料を用いて作製することができる。マイクロミラー１００の構成に応じて、スペーサ１３０の表面を導電性とすることもできるし、絶縁性とすることもできる。例えば、スペーサ１３０の表面を導電性とすることで、可動ミラー１１１のミラー電極部１１３と外部回路(図示せず)を電気的に接続する経路の一部とすることができる。あるいは、スペーサ１３０の表面を絶縁性とすることで、電極基板１２０上の配線１２３との電気的短絡なしでスペーサ１３０を電極基板１２０上に配置できる。スペーサ１３０を可動ミラー基板１１０あるいは電極基板１２０と独立して形成する場合、該スペーサ１３０を構成する材料は、可動ミラー基板１１０および電極基板１２０と熱膨張係数が近い、または可動ミラー基板１１０および電極基板１２０と熱膨張係数を一致させた材料であることが望ましい。

図１および図４を用い本発明のマイクロミラー１００に適用する電極基板１２０を説明する。図４(a)、(b)、(c)に示した電極基板１２０は、可動ミラー１１１と突起１２２と可動ミラー１１１との接触面積を変化させた実施形態の例である。図４(b)は突起１２２を点状にした例であり、図４(c)は突起１２２を短くしかつ分割した例である。ただし図４は、切り欠き部１２７と突起１２２の組合せを限定するものではない。電極基板１２０は例えばシリコン(Ｓｉ)基板、シリコン(Ｓｉ)層間に酸化シリコン(ＳｉＯ_２)層を挟み込んだＳＯＩ基板、金属基板、または絶縁体基板(例えばガラス基板やセラミック基板)などを材料として作製する。電極基板１２０を作製する材料が導電性の場合、電極基板１２０の表面に絶縁膜(例えばシリコンの場合は酸化膜ＳｉＯ_２や窒化膜ＳｉＮ_x)を形成し、該絶縁膜上に導電性膜で駆動電極部１２１、配線１２３、電極パッド１２４を形成する。導電性膜は、例えば金(Ａｕ)、アルミニウム(Ａｌ)、クロム(Ｃｒ)、ニッケル(Ｎｉ)、銅(Ｃｕ)、白金(Ｐｔ)あるいはチタン(Ｔｉ)を単独にあるいは適宜積層し形成する。別の作製方法として、めっきやスクリーン印刷で駆動電極部１２１を形成することができる。

駆動電極部１２１の中心軸１１５から最も遠ざかった箇所は、可動ミラー１１１が電極基板１２０に接触する際にミラーの端部１１８が電極基板１２０と接触する位置よりも内側とする。駆動電極部１２１の形状は略長方形で、少なくとも一部に切り欠き部１２７を有する (図４(a)、(b))。かかる構成によって駆動電極部は、前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、折り返し梁の折り返し部１９１に重ならない位置に形成されている。ここで切り欠き部１２７は、一旦形成した駆動電極部１２１を部分的に取り除くことや、最初から切り欠き部１２７に相当する部分に駆動電極部１２１を形成しないことで作製する。切り欠き部１２７の上方には該切り欠き部１２７に対向させて梁１１４の折り返し部１９１を配置させている。

該構造の駆動電極部１２１とすることで、梁の折り返し部１９１と駆動電極部１２１の電気的に短絡、すなわち可動ミラー１１１と駆動電極部１２１との電気的短絡を回避することができる。

切り欠き部１２７の延長線上にあり、該切り欠き部１２７のよりも内側(すなわち中心軸を投影した側)の駆動電極部１２１は主として梁１１４に対して静電引力を作用させる。前記梁１１４の厚さは前記可動ミラー１１１の厚さよりも薄く、前記可動ミラー１１１の厚さ方向において前記ミラー電極部側に偏った位置で前記梁１１４が前記可動ミラー１１１を支持している。すなわち、本発明のマイクロミラー１００においては梁１１４は、反射面１１２側ではなくミラー電極部１１３側すなわち、電極基板１２０に対向する側に形成したので、梁１１４と駆動電極部１２１の間隔は小さい。可動ミラー１１１が電極基板１２０に接する状態では、特に強い静電引力が発生する。このため駆動電極部１２１と梁１１４との間に無視できない静電引力が発生する。梁１１４に対する静電引力は可動ミラー１１１の主要な駆動力とはならない。一方で梁１１４自身への静電引力を発生させるので、前記梁の折り返し部１９１以外の場所で、梁１１４と駆動電極部１２１が接触する危険性がある。これを回避するために梁１１４直下の駆動電極部１２１を全て切り欠き部として、前記駆動電極部１２１が前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁と重ならないようにしても良い(図４(c))。

駆動電極部１２１の幅は可動ミラー１１１の幅(図３のＭ_Ｗ)を超えていることが望ましい。ここで駆動電極部１２１の幅および可動ミラー１１１の幅とは中心軸１１５方向の寸法を意味する。可動ミラーの１１１の幅よりも駆動電極部１２１の幅を大きくすることで、組立位置ずれに対する駆動力の低下が抑制できる。前記切り欠き部１２７の大きさは想定した最大組立ずれを考慮して与える。

次に、可動ミラーの動きについて説明する。電極基板１２０には可動ミラー１１１を静電アクチュエータで駆動させる駆動電極部１２１が形成されている。可動ミラー１１１と駆動電極部１２１との位置関係は、可動ミラー１１１が電極基板１２０に接触した場合に、駆動電極部１２１と可動ミラー１１１が電気的に短絡しない関係とする。具体的には、駆動電極部１２１と可動ミラー１１１が接触しない位置にのみ駆動電極部１２１を配置する。電極基板１２０には、可動ミラー１１１の中心軸１１５を下部、すなわち電極基板１２０側へ投影した位置に突起を形成している。可動ミラー１１１は該可動ミラーの一方の端部１１８が電極基板１２０と接触し、該可動ミラー１１１のミラー電極部１１３を形成した側の面の中央付近が該突起１２２と接触する状態をとることで、該可動ミラー１１１の動作角度を機械的に安定に与える。

図５(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)に例示した可動ミラー１１１は、可動ミラー１１１と電極基板１２０との接触面積の低減を目的として、ミラーの端部１１８の形状を変えた実施形態である。該接触部面積を低減することにより、可動ミラー１１１が動作時に電極基板１２０に接触する際、可動ミラー１１１と電極基板１２０との凝着の抑制に寄与する。なお、図５(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)は反射面側の形状例とミラーの端部１１８の各形状例を示しているが、両者の組合せを限定するものではない。図５(ａ)、(ｂ)の実施形態では可動ミラー１１１と電極基板１２０との接触部を肉薄部１１７に有するが、図５(ｃ)、(ｄ)の実施形態においては可動ミラー１１１と電極基板１２０との接触部を肉厚部１１６に有する。図５(ｂ)の実施形態では、ミラーの端部１１８に曲線を形成しているので、可動ミラー１１１と電極基板１２０とが点接触することになり、接触面積低減効果が最も大きい。図５(ｃ)の実施形態では反射面１１２側から厚みを有するミラーの端部１１８が確認できる。ただし肉厚部を有するミラーの端部は一部である。図５(ｄ)はミラーの端部１１８を肉薄部としない例である。図５(ｄ)の実施形態ではミラー電極部１１３側を一部加工することで、肉厚部を有するミラーの端部１１８を実現している。図５(ｄ)の形態ではミラーの端部１１８全体が肉厚部を有する。肉厚部を有するミラーの端部１１８は強度があるので破損が発生し難い。図５(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)に例示した形状のミラーの端部１１８は、可動ミラー１１１と電極基板１２０との接触部を低減する。該接触部の近傍は可動ミラー１１１と電極基板１２０が近接している領域であるので、該領域を低減することは、該領域に混入した異物(ゴミ)によって、可動ミラーの動作角度が変動することを回避する効果を有する。前記異物(ゴミ)は電気的短絡の一因である。

図６は電極基板１２０の別の実施形態である。図６の電極基板１２０は掘り込み部１２８を有する。図６(a)に示した電極基板１２０において、掘り込み部１２８は、駆動電極部１２１の中心軸から遠い方の端部から可動ミラーの端部１１８が電極基板１２０と接触する位置までの少なくとも一部に存在する。図６(b)に示した電極基板１２０において、掘り込み部１２８は可動ミラーの端部１１８が電極基板１２０と接触する位置の一部分に存在する。同図は、掘り込み部１２８が可動ミラーの端部１１８が電極基板１２０と接触する位置の一部分に存在していることを示す図であり、掘り込み部１２８の個数を限定するものではない。該掘り込み部１２８が存在する位置は、可動ミラー１１１と電極基板１２０が近接する領域である。該領域に存在する掘り込み部１２８は、該領域に混入した異物(ゴミ)によって、可動ミラーの動作角度が変動することを回避する効果を有する。前記異物(ゴミ)は電気的短絡の一因である。図７は本発明のマイクロミラーに適用する駆動電極部１２１の形状を可動ミラー１１１と比較して示す図である。図７は駆動電極部１２１の幅が可動ミラー１１１の幅より大とした例である。図７は駆動電極部１２１、および位置決めパターン１２９を点線で示し、可動ミラー１１１、梁１１４、および可動ミラー基板１１０の外形を実線で示した。電極基板上の突起や可動ミラーの凹凸の図示は省略した。図７(a)は梁１１４の下全体を切り欠き部１２７とした。可動ミラー１１１と可動ミラー基板１１０との間隔を広く取ったので、駆動電極部１２１の幅方向の端は、可動ミラー１１１を上方から確認可能である。よって組立後の可動ミラー基板１１０と電極基板１２０との位置ずれが確認できる。図７(b)は梁１１４の下全体を切り欠き部１２７とした。可動ミラー１１１と可動ミラー基板１１０との間隔は部分的に広く、部分的に狭くした。可動ミラー１１１と可動ミラー基板１１０との間隔を狭くすることで、幅方向、すなわち図面縦横方向の衝撃が加わった場合の可動ミラー１１１の変位を抑制することができる。一方で、両者の間隔を広く取った部分、すなわち空気抜け孔１９２は空気抵抗により可動ミラー１１１の動作速度が鈍くなることを緩和する。なお、同図は空気抜け孔１９２の位置と大きさを限定するものではないが、空気抜け孔は可動ミラー基板１１０の可動ミラーに対向する辺に凹部を設けることで形成することが好ましい。かかる構成によれば可動ミラーの形状や強度を変えることなく、また可動ミラー基板による可動ミラーの前記図面縦横方向の変位抑制機能を阻害することなく、空気抜けの機能を発揮させることができる。駆動電極部１２１の幅が可動ミラー１１１の幅より大とするとき、駆動電極部１２１の幅方向の端は、可動ミラー１１１を上方から確認不能である。よって位置決めパターン１２９を配置することで、組立後の可動ミラー基板１１０と電極基板１２０との位置ずれを確認する。

位置決めパターン１２９は図４(c)にも例示した。位置決めパターン１２９は中心軸１１５を電極基板に投影した線上、すなわち一対の駆動電極部１２１を分割する中心線に沿って配置する。位置決めパターン１２９は駆動電極部から一定の間隔を空けて配置する。位置決めパターン１２９の位置は梁１１４の隙間から確認する。位置決めパターン１２９は１つのマイクロミラーに対して１個、例えば駆動電極部１２１の片側だけに配置しても良いが、図４(c)の例のように駆動電極部１２９の両側に配置すると相対位置が認識しやすい。位置決めパターン１２９の形状は問わない。例示した角型でなくても良い。例えば、位置決めパターンを三角形とし、その頂点を中心線に一致させることで位置関係をより明確にできる。三角形の位置決めパターンを図６に例示した。位置決めパターン１２９は可動ミラー１１１と同電位とする。梁１１４と位置決めパターン１２９が接触しても電流は流れない。位置決めパターン１２９と可動ミラー１１１を同電位とする方法は、電極基板表面に配置した配線を介し両者を接続するものでも良く、電極基板内部を介した接続でも良い。例示した位置決めパターン１２９は駆動電極部１２１に近接させた、すなわちマイクロミラーに付随させたが、可動ミラー基板１１０の外周付近に配置しても良い。特にマイクロミラーを複数アレイ化する場合は、可動ミラー基板の外周付近に配置した少数の位置決めパターンで、複数のマイクロミラーの位置決めパターンを共通化することができる。位置決めパターンを可動ミラー基板の外周に配置する場合、より正確には個々の可動ミラー１１１の動作範囲外に配置した場合、位置決めパターン１２９の電位は可動ミラー１１１の電位と共通化する必要はない。このとき、位置決めパターンの電位は電気回路的に浮いた状態であっても良い。また、位置決めパターン１２９の位置はマイクロミラーの梁１１４の隙間から確認する必要はない。そのような位置決めパターンを図１２に例示する。

可動ミラー１１１の厚さは、反射面１１２を有する部分において最大とすることで作製が容易になる。可動ミラー基板１１０の作製方法の例として、ＳＯＩ基板を用いた作製方法を、図８を用いて説明する。可動ミラー基板１１０を形成する基板として、ＳＯＩ基板を用いる(図８(ａ))。ＳＯＩ基板の活性層１７３(Ｓｉ層)側にミラー電極部１１３を形成し、ベース層(Ｓｉ層)１７１に反射面を形成する。ＳＯＩ基板は両面を鏡面研磨する。活性層１７３(Ｓｉ層)にミラー電極部１１３を形成するのは、活性層(Ｓｉ層)１７３側がベース層(Ｓｉ層)１７１側より薄いからであるので、もし、活性層(Ｓｉ層)１７３側がベース層(Ｓｉ層)１７１側より厚ければ、活性層(Ｓｉ層)１７３側に反射面１１２を形成する。通常、活性層(Ｓｉ層)１７３側がベース層(Ｓｉ層)１７１側より薄いので、以下活性層(Ｓｉ層)１７３側にミラー電極部１１３を形成する場合の作製方法を説明する。

活性層(Ｓｉ層)１７３側の面にフォトリソグラフィーによりミラー電極部１１３の形状および梁１１４の形状を、フォトレジスト、またはアルミニウム膜、または酸化シリコン膜、あるいはその他のマスク材で、パターニングし、ドライエッチングを施す(図８(ｂ))。図８(ｂ)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。梁１１４の厚さは活性層(Ｓｉ層)１７３の厚さで与えられる。ベース層(Ｓｉ層)１７１側に反射面１１２側の可動ミラー形状を、フォトレジスト、またはアルミニウム膜、または酸化シリコン膜、あるいはその他のマスク材で、パターニングし、ドライエッチングを施す(図８(ｃ))。図８(ｃ)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。反射面１１２側にパターンニングする可動ミラー形状は、例えば、図２に示した形状とする。反射面１１２を有する部分の厚さはベース層(Ｓｉ層)１７１の厚さで与えられるので、可動ミラー１１１の厚さは反射面１１２を有する部分で最大となる。ドライエッチングで薄くした肉薄部１１７の厚さは活性層(Ｓｉ層)１７３の厚さに中間層(ＳｉＯ_２層)１７２を加えた厚さとなる。中間層(ＳｉＯ_２層)１７２をウェットエッチングで除去する(図８(ｄ))。図８(ｄ)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。この工程によって可動ミラーは梁１１４のみで可動ミラー基板１１０に連結された状態となる。すなわち梁１１４で与えられる中心軸１１５の周りに回動自在な状態となる。ドライエッチングで薄くした肉薄部１１７の厚さは梁１１４の厚さと一致する。図８(ｄ)に示した状態の可動ミラーを構成する要素を基体１１９と称する。すなわち基体１１９とは可動ミラー１１１構成要素の内、構成材料として用いた基板のみで形成されている部分を示す。最後に反射面１１２に反射膜、ミラー電極部１１３に導電性膜を、例えばスパッタリングや蒸着で成膜する(図８(ｅ))。その後、可動ミラー基板１１０は活性層(Ｓｉ層)１７３側、すなわち梁１１４側が電極基板１２０に対向する向きで、電極基板１２０と一体化させる。

上述したＳＯＩ基板を用いた可動ミラー基板１１０の作製方法の場合、可動ミラー１１１の各部分の厚さをＳＯＩ基板の各層の厚さで制御することができるので製造が容易である。反射面１１２およびミラー電極部１１３は、特に反射面１１２は光学特性を維持するために、平坦であることが必要である。反射面１１２およびミラー電極部１１３の平坦性は両面を鏡面研磨したＳＯＩ基板の平坦性で確保する。上述した作製方法例ではエッチング面を反射面１１２に用いないので、エッチング面の平坦を要求する必要は無い。上述した手順ではＳＯＩ基板の中間層(ＳｉＯ_２層)１７２をドライエッチング(図８(ｂ)、(ｃ))でのエッチストップ層として利用することができるので製造を容易にできる。同様にドーパントをドープしてエッチングレートが異なる層を作製し、該層をエッチストップ層として機能させるシリコン基板を材料とする場合も、可動ミラー基板１１０の製造を容易にできる。該基板を用いた作製方法例の説明は、ＳＯＩ基板を用いた作製方法に準じるので、説明は省略する。

なお、上述した製法は一例であって、本発明のマイクロミラー１００の製法を限定するものではない。例えばベース層(Ｓｉ層)１７１側のシリコンを部分的に適当な深さ(例えば半分)エッチングし、エッチング面を反射面１１２とする構造としても良い。図９(ａ)に可動ミラー１１１を一定量エッチングしてエッチング面を反射面１１２とした静電駆動型のマイクロミラー１００の実施形態を図示する。反射面１１２は可動ミラー基板１１０の表面よりも低く、反射面１１２を有する部分は可動ミラー基板１１０よりも厚さが小さくなっている。また、形成されている肉厚部１１６の表面も可動ミラー基板１１０の表面よりも低く、肉厚部も可動ミラー基板１１０よりも厚さが小さくなっている。図９(ａ)の例では、反射面１１２と同じ厚さとなっている。図９(ａ)の構成では、可動ミラー基板１１０を厚くして、該基板の剛性を高く保ちつつ、可動ミラー基板の質量を小さくすることができる。

別の実施例として肉厚部１１６部分の厚さを、反射面１１２を有する部分の厚さより薄く、かつ可動ミラー１１１で最も薄い部分である肉薄部１１７の厚さより厚くする構成例を図９(ｂ)に示す。図９(ｂ)に示した構成は、例えば肉厚部１１６に意図的にサイドエッチ(マスク側面から回り込んだエッチャントによる側面からのエッチングの進行)を発生させることで実現することができる。あるいは反射面１１２を有する部分のマスク厚を肉厚部１１６のマスク厚より厚くすることで、図９(c)のエッチング工程の途中から意図的に肉厚部１１６をエッチングすることで実現することができる。肉厚部１１６の厚さを低減することで可動ミラー１１１の質量および慣性モーメントを低減することができる。特にミラーの端部１１８付近の肉厚部１１６を薄くすることは慣性モーメントの低減に効果的に寄与する。なお、図に明記していないが、肉薄部１１６の厚さは一様でなくても良く、部分的に薄くすることもできる。例えば反射面１１２付近では反射面１１２部分の厚さと同じ厚さであり、ミラーの端部１１８に近付くに連れて徐々に薄くなる構造とすることもできる。

次に電極基板１２０の作製方法例を、図１０を用いて説明する。図１０の電極基板１２０はスペーサ１３０を電極基板と一体形成した例であり、図２のマイクロミラー１００に用いる電極基板１２０の作製例に相当する。電極基板１２０を形成する基板として、シリコン(Ｓi)基板１８１を用いる(図１０(ａ))。表面にフォトリソグラフィーによりスペーサ１３０の形状を、フォトレジスト、または酸化シリコン膜、あるいはその他のマスク材で、パターニングし、エッチャントにＫＯＨ(水酸化カリウム水溶液)等を用いた異方性ウェットエッチングを施す(図１０(ｂ))。図１０(ｂ)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。本工程でスペーサ１３０の高さと突起１２２の高さの差が形成される。表面にフォトリソグラフィーによりスペーサ１３０の形状と突起１２２の形状をパターニングし、エッチャントにＫＯＨ(水酸化カリウム水溶液)等を用いた異方性ウェットエッチングを施す(図１０(ｃ))。図１０(ｃ)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。シリコン(Ｓｉ)基板１８１の表面に絶縁膜として熱酸化膜(ＳｉＯ_２) を形成する(図１０ (ｄ))。図６に示した掘り込み部１２８は、例えば、該熱酸化膜を除去することで形成できる。最後に、例えばスパッタリングや蒸着で導電性の駆動電極部１２１、配線１２３、電極パッド１２４を成膜する(図１０(ｅ))。駆動電極部１２１は切り欠き部１２７を有する。位置決めパターン１２９は駆動電極部１２１と同じ工程で作製すると効率的であるが、別工程で作製しても良い。

なお、上記した製法は一例であり、電極基板１２０の作製方法を限定するものではない。例えばエッチング方法は等方性ウェットエッチングでもドライエッチングでも良い。あるいは突起１２２、スペーサ１３０を積層で作製することもできる。本実施形態の電極基板１２０はスペーサ１３０の高さと突起１２２の高さが異なっているので、エッチングを２回施したが、両者の高さは一致していてもよく、その場合、エッチング回数を１回とすることができる。本実施形態の電極基板１２０はスペーサ１３０を一体形成した例であるが、スペーサ１３０を別部材で作製する場合、エッチング回数を１回とすることができる。スペーサ１３０を可動ミラー基板１１０や電極基板１２０と独立に作製する場合の作製方法は図示しないが、例えばシリコン(Ｓi)基板の厚さをエッチングで調整して形成することができる。さらに必要に応じて、表面を熱酸化し絶縁性を与えることや、表面に導電性膜を成膜して導電性を与えることができる。

以下、マイクロミラー１００を形成する方法を説明する。図２に示したマイクロミラー１００は、図１に例示したスペーサ１３０を一体形成した電極基板１２０と、図３に例示した可動ミラー基板１１０とを接着、接合または締結することで形成する。可動ミラー基板１１０と電極基板１２０の位置関係は、梁１１４を有する面が電極基板１２０に近接する関係とする。可動ミラー基板１１０と、スペーサ１３０を一体形成した電極基板１２０の並進位置は、例えば、両者に位置決め用孔(図示せず)を形成し、該位置決め用孔にピンまたは球体等を挿入することで、両者の並進位置を制御することができる。別の例として、可動ミラー基板１１０と、スペーサを一体形成した電極基板１２０に位置決めパターンを形成し、パターン認識(例えば画像処理)によって両者の並進位置を制御することができる。可動ミラー基板１１０と電極基板１２０の積層方向の間隔はスペーサ１３０の精度で与える。接着によってマイクロミラー１００を形成する場合は、接着剤として、例えば紫外線硬化樹脂を用いることができる。あるいは、熱硬化樹脂を用いることができる。接合でマイクロミラー１００を形成する場合は、例えば金-錫はんだ等を用いることができる。スペーサ１３０を可動ミラー基板１１０や電極基板１２０と独立に作製する場合、あるいは可動ミラー基板１１０にスペーサ１３０を一体形成する場合も同様の方法でマイクロミラー１００が作製できる。

図１１に本発明のマイクロミラー１００の別の実施形態を示す。図１１(ａ)に示すマイクロミラー１００は、マイクロミラー１００を密封可能な筐体１４０に収め、筐体内部を光学オイル１５０で充填することを特徴とする。マイクロミラー１００周囲に充填された光学オイル１５０は、可動ミラー１１１に衝撃が加わった時の抑制力として機能するので可動ミラー１１１の耐衝撃性を向上させることができる。図１１(ｂ)は図１１(a)に示した電極基板１２０を可動ミラー基板１１０側から見た図である。基本的な構成は図１で説明した電極基板１２０と同じであるが、可動ミラー１１１の端部１１８が電極基板１２０に接触する付近に抵抗配線１２５を有することを特徴とする。該抵抗配線１２５は可動ミラー１１１とは接触しない。可動ミラー１１１を動作させ始めるとき、少なくとも可動ミラーの端部１１８が接近している側の抵抗配線１２５に通電することで、該抵抗配線１２５上の光学オイル１５０に気泡１５１を発生させる。該気泡１５１で可動ミラー１１１に押上げ力を加えることで、可動ミラー１１１に初速度を与え、可動ミラー１１１の動作を補助し、可動ミラー１１１の凝着防止にも寄与する。気泡１５１の発生を図11(ｃ)に示す。

上述した実施形態に基づく構成は全て、マイクロミラー１００を支持する梁１１４と駆動電極部１２１との電気的短絡を回避する構成を有するので、マイクロミラーの動作不能や破損を回避できる。該構成を有するマイクロミラー１００を構成する可動ミラー１１１を可動ミラー基板１１０に複数個形成し、それに対応した数の駆動電極部１２９を電極基板１２０に形成し、該可動ミラー基板１１１と該電極基板１２０および適宜与えたスペーサ１３０を組み合わせることで、上述したマイクロミラー１００を複数集積したマイクロミラーアレイが実現できる。該マイクロミラーアレイは、個々のマイクロミラーの動作不能や破損を回避できる。図１２にマイクロミラーアレイ４００の構成例を示す。図１２のマイクロミラーアレイ４００は本発明のマイクロミラー１００をアレイ化したものであるが、図１２のマイクロミラーアレイ４００がマイクロミラー１００のアレイ数、アレイ配置等を限定するものではない。アレイ数は増減しても良く、アレイ配置は２次元マトリクス状であっても良い。図１２においては位置決めパターン１２９をアレイ化した８つのマイクロミラー１１０で共通化している。位置決めパターンは可動ミラー基板１１０と電極基板１２０の両方に配置している。

図１３を用いて本発明のマイクロミラーを用いた光スイッチを説明する。前述のマイクロミラー１００は、２値デジタル駆動をするので、該マイクロミラー１００を用いて１入力２出力の光スイッチ(１×２光スイッチ)が実現できる。図１３は本発明のマイクロミラーを用いた静電駆動型の１入力２出力の光スイッチ(１×２光スイッチ)の一実施形態例である。

図１３に示した光スイッチ２００は、入力側光ファイバ２０２ａと入力側コリメートレンズ２０４aを有する入力ポートと、シリンドリカルレンズ２０５、前述したいずれかのマイクロミラー１００、出力側コリメートレンズ２０４ｂ、２０４ｃと出力側光ファイバ２０２ｂ、２０２ｃを有する出力ポート１００、を構成要素として有する。図１３に示す実施形態では、集光光学系をコリメートレンズとマイクロミラーの間に配置し、該集光光学系を用いて反射面に光ビームを集光する構成である。図１３では、集光光学系としてシリンドリカルレンズを用いる。

光スイッチ２００の構成要素として、マイクロミラー１００の反射面１１２に光ビーム２０９を集光する集光光学系としてシリンドリカルレンズ２０５を用いたことで、マイクロミラー１００の反射面１１２を小型化できる。このことを、図１４を用いて説明する。図１４にＤ_０で示した領域は集光光学系を用いない場合の反射面１１２における光ビーム径である。前記領域Ｄ_０を十分にカバーするマイクロミラー１００の反射面１１２の長さはＬ_０である。一方ハッチングで示した領域Ｄは集光光学系としてシリンドリカルレンズを用いた場合の反射面１１２における光ビーム径である。前記領域Ｄを十分にカバーする反射面１１２の長さＬとなる。つまり反射面１１２を小さくすることができる。その結果、マイクロミラー１００の質量と慣性モーメントを低減することができるので、マイクロミラー１００の耐衝撃性、高速制御性が向上する。なお、反射面１１２において光ビーム２０９が集光する特性を有しているのであれば、シリンドリカルレンズ２０５は他の集光光学素子(レンズ)で置き換えることができる。

図１３に示す光スイッチをその機能とともに更に詳述する。図１３は、１本の入力側光ファイバ２０２ａと２本の出力側光ファイバ２０２ｂ、２０２ｃを有し、前述したいずれかのマイクロミラー１００が前記入力側光ファイバ２０２ａと第一の出力側光ファイバ２０２ｂとの間に光路を形成する第一の姿勢と前記入力側光ファイバ２０２ａと第二の出力側光ファイバ２０２ｃとの間に光路を形成する第二の姿勢を選択する構成例である。該構成の光スイッチ２００は、電気的短絡による動作不能や破損を回避できるだけでなく、動作角度の時間的な安定性にも優れるので、光スイッチの光学特性向上にも効果的である。該構成の光スイッチ２００は入力側光ファイバ２０２ａと出力側光ファイバ２０２ｂ、２０２ｃが一直線上に配置可能であるので、集光光学系としてシリンドリカルレンズを適用することができる。

図１３(a)は、入力側光ファイバ２０２ａから第一の出力側光ファイバ２０２ｃへの光路形成状態を示す図である。図１３(a)において可動ミラー１１１は第一の姿勢をとる。図１３(b)は入力側光ファイバ２０２ａから第二の出力側光ファイバ２０２ｂへの光路形成状態を示す図である。図１３(c)において可動ミラー１１１は第二の姿勢をとる。図１３(c)は可動ミラー１１１に駆動力を与えない状態を示す図である。

本発明の光スイッチは図１５に示す各構成でも実現できる。図１５(a)は光ファイバ２０２同士を角度配置する光スイッチの構成である。光偏向手段として、本発明に係るいずれかのマイクロミラーを用いている。光ファイバ２０２ａからの入射光はコリメートレンズ２０４ａでコリメートされ、可動ミラー１１１の反射面１１２に入射する。その光路２０９は可動ミラー１１１の回動によって切り替えられ、光ファイバ２０２ｂと２０２ｃの間で結合を切り替える。可動ミラー１１１で反射された光は光ファイバ２０２ｂまたは２０２ｃに再結合する前にコリメートレンズ２０４ｂまたは２０４ｃで集光される。本構成の光スイッチ２００は、本発明に係るいずれかのマイクロミラーを用いることで、梁１１４と駆動電極部１２１の電気的短絡および電流が流れることによる動作不能や破損を回避できる。

図１５(ｂ)の構成例では、光ファイバ２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃと可動ミラー１１１との間にコリメートレンズアレイを配置して、前記各光ファイバにはコリメートレンズ２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃを対置させている。ここで、複数の光ファイバのうちの少なくとも一部、例えば図１５(ｂ)の例では光ファイバ２０２ａ、２０２ｃとそれぞれに対置するコリメートレンズ２０４ａ、２０４ｃをオフセット配置する。オフセット配置とは光ファイバの光軸とコリメートレンズの光軸をずらして配置することとする。光ファイバの光軸とコリメートレンズの光軸をずらすと、コリメートレンズを通過後の光ビーム２０９の光軸は、光ファイバのずれ方向と逆方向に偏向する。従って、図１５(ｂ)において光ファイバ２０２ａをコリメートレンズ２０４ａに対し光ファイバ２０２ｂから遠ざかる方向にずらすと、光ビーム２０９の光軸はマイクロミラー中央方向に偏向する。その結果、光ファイバ２０２ａからの入射光は可動ミラー１１１の反射面で反射される。反射光がコリメートレンズ２０４ｃへ向かった場合、光ファイバ２０２ｃがコリメートレンズ２０４ｃに対して光ファイバ２０２ｂから遠ざかる方向にずらしておくことで、光ビームは光ファイバ２０２ｃに結合する。本構成では本発明のマイクロミラー１００の特性、すなわち光スイッチが動作不能になることや破損することを回避できる特徴を活かしつつ、シリンドリカルレンズを不要とすることで光学素子数が低減できる。また入出力側の光ファイバ２０２が平行配列であるので配列し易い。

図１５(ｃ)の構成例は、コリメートレンズ２０４ａ、２０４ｂ、２０５ｃと可動ミラー１１１との間に固定ミラー２３０が配置され、光ファイバ２０２ａからの入射光は可動ミラー１１１の反射面に集光し、該反射面による反射光は光ファイバ２０２ｃに結合される。図１５(ｂ)のコリメートレンズをオフセット配置する変わりに、固定ミラー２３０を用いている。入出力側の光ファイバ２０２は図１５(ｂ)の場合と同様に平行配列である。固定ミラー２３０は反射損失、波長依存性損失に優れた光学部品であるので、本構成においては、本発明のマイクロミラー１００を用いることで光スイッチが動作不能になることや破損することを回避できるだけでなく、光スイッチ２００の光学特性向上が期待できる。また固定ミラー２３０は集光光学系(レンズ)に比べて作製が容易という利点もある。

図１３や図１５は本発明のマイクロミラーを光スイッチに適用する例を示したが、光ファイバの一部の代わりにフォトダイオードなどの光検出素子を配置して、光検出器を構成しても良い。あるいはレーザ光源から発した光の進行方向を本発明のマイクロミラーで切り替えて所望の光ファイバに結合させる光デバイスを構成しても良い。本発明のマイクロミラーは、上述のように光偏向手段として優れる一方、その適用形態に制限はないことから、光偏向手段を必要とする光部品に広く適用することができる。すなわち、本発明のマイクロミラーを光偏向手段として用いて各種の光部品を構成することができる。

本発明に係るマイクロミラーを図１３に示した１×２光スイッチに適用し、さらに該１×２光スイッチをアレイ化して光スイッチアレイ３００とする例を図１６に示し、本発明に係るマイクロミラー、マイクロミラーアレイおよび光スイッチをさらに詳しく説明する。

図１６に示した光スイッチアレイ３００は、光ファイバアレイ２０３と、コリメートレンズアレイ２０４と、シリンドリカルレンズ２０５と、静電駆動型のマイクロミラー１００を構成要素に持つ。図１６に示した光スイッチアレイ３００は独立に動作する８組の１×２光スイッチが集積化された光スイッチアレイである。ただし、図１６は１×２光スイッチの集積化可能な数を限定するものではない。また、本発明のマイクロミラー１００の適用デバイスを限定するものでもない。各１×２光スイッチ要素は図１３に示した構造をとる。各１×２光スイッチ要素で使用するマイクロミラー１００は図1〜３に示したマイクロミラーである。可動ミラー１１１はミラーの端部１１８とミラー電極部１１３の中央付近が、電極基板１２０と突起１２２に接触することで、動作角度を決定する。光スイッチ２００の切替動作中には一時的に可動ミラー１１１と突起１２２の接触が開放される。

光ファイバアレイ２０３は２４本の光ファイバ２０２と該ファイバを整列させる基板(光ファイバ整列基板)２１８、２１９を構成要素に持つ。本実施例は８組の１×２光スイッチを集積化するので、２４本の光ファイバ２は一方向に３本、それと直交する方向に８本配列する。ここで、３本配列した光ファイバは１つの１×２光スイッチに対応する1本の入力光ファイバと２本の出力光ファイバに対応する。この配列方向を切り替え方向と定義する。切り替え方向と直交する配列方向を集積化方向と定義する。切り替え方向と集積化方向の定義は図１６に記載する。

本実施例においては切り替え方向の光ファイバピッチを０.５ｍｍとし、集積化方向の光ファイバピッチを１ｍｍとする。光ファイバアレイ２０３においては、光ファイバが精度よく整列されている。本実施例では、光ファイバ整列用孔を形成した光ファイバ整列基板２１８を用いて光ファイバを整列させる。光ファイバアレイ２０３の整列精度は、光ファイバ整列基板２１８に形成する光ファイバ整列用孔の精度で与える。

本実施例は８組の１×２光スイッチの集積化しているので、コリメートレンズアレイ２０４は切り替え方向に３つ配列し、集積化方向に８つ配列した合計２４個のコリメートレンズを構成要素に持つ。ここで切り替え方向と集積化方向の定義は、光ファイバアレイ２０３で定義した方向に準ずる。コリメートレンズアレイ２０４のピッチは光ファイバアレイ２０３のピッチに対応させる。本実施例においてはコリメートレンズアレイの切り替え方向のピッチは０.５ｍｍ、集積化方向のピッチは１ｍｍとする。本実施例ではコリメートレンズアレイ２０４は基板厚さが０.６２５ｍｍのシリコン基板をエッチングすることで作製する。コリメートレンズアレイ２０４の表裏面には使用する光の波長(１３００〜１６５０ｎｍ)に対応した反射防止膜を成膜する。コリメートレンズアレイ２０４は光ファイバアレイ２０３に対向する側が平面でシリンドリカルレンズ２０５に対向する側に凸レンズを形成する構造とする。コリメートレンズアレイ２０４を構成する各コリメートレンズはレンズ径が０.４５ｍｍの球面凸レンズとし、その曲率半径は３ｍｍとする。光ファイバ整列基板２１８とコリメートレンズアレイ２０４との間隙は入力光ファイバから出射された光が所望の特性を持つコリメートビームとなるように選択する。

本実施例では８つの１×２光スイッチで1つのシリンドリカルレンズ２０５を共用する。該シリンドリカルレンズ２０５は光学ガラス(ＢＫ７)製とし、曲率半径を３.５８ｍｍ、焦点距離を７.１５ｍｍとする。シリンドリカルレンズ２０５には表裏面に使用する光の波長(１３００〜１６５０ｎｍ)に対応する反射防止膜を成膜する。シリンドリカルレンズ２０５は曲面側をコリメートレンズアレイ２０４に対向させ、平面側をマイクロミラー１１０に対向させる向きに配置する。

本実施例は８組の１×２光スイッチを集積化しているので、本発明のマイクロミラー１００を８つ有する。各マイクロミラー１００はマイクロミラーの配列方向に中心軸１１５を取った一軸回転可能な構造とする。マイクロミラーの配列方向は、光ファイバアレイ２０３およびコリメートレンズアレイ２０４の集積化方向に対応する方向とする。したがってマイクロミラー１００は光ファイバアレイ２０３の集積化方向のピッチに対応したピッチで一列に配列される。本実施例ではマイクロミラー１００のピッチは１ｍｍとする。

可動ミラー基板１１０は活性層(Ｓｉ層)１７３厚さ１０μｍ、中間層(ＳｉＯ_２層)１７２厚さ１μｍ、ベース層(Ｓｉ層)１７１厚さ３００μｍのＳＯＩを材料とする。可動ミラー１１１は図８に示した方法で作製する。反射面１１２を有する部分の厚さと可動ミラーの肉厚部の厚さはＳＯＩ基板の初期厚さと同じ３１１μｍである。可動ミラーの肉薄部１１７の厚さと梁１１４の厚さはＳＯＩの活性層(Ｓｉ層)の厚さの１０μｍである。

可動ミラーの反射面を有する側の反対側の面の中心軸１１５に直交する方向の長さ(図３のＭ_Ｌ)は１７３５μｍとし、中心軸１１５に沿う方向の最大幅(図３のＭ_Ｗ)は５００μｍとする。可動ミラー１１１は、電極基板１２０に接触するまで動作させる。可動ミラー１１１と電極基板１２０は、ミラーの端部１１８が電極基板１２０と接触し、反射面を有する側の反対側の面の中央付近が突起１２２と接触して、傾斜角度１度を実現する。電極基板１２０のミラーの端部１１８が接触する部分には駆動電極部１２１を配置しない。

入力側の光ファイバ２０２aから出射され対応するコリメートレンズ２０４ａでコリメートビーム化された光はシリンドリカルレンズ２０５の作用で可動ミラーの反射面１１２において可動ミラーの配列方向に長径を有する擬楕円形状となる(図１４参照)。反射面１１２において、光は長径方向に０.２〜０.２５ｍｍ、短径方向に０.１〜０.１５ｍｍとなるので、可動ミラーの反射面１１２は０.４ｍｍ×０.３ｍｍとする。反射面側の肉厚部１１６の形状は図３に示した形状とする。肉厚部１１６の線幅は５０μｍとする。

可動ミラー１１１は、弾性部材である２本一対の梁１１４によって支持され、該梁１１４は可動ミラーが形成されている基板(可動ミラー基板)１１０に連結されている。梁１１４は可動ミラー１１１が回転および沈み込み、すなわち可動ミラー１１１が突起１２２と接触する方向の変位を行いやすいように、折り返し梁として相対的に大きな静電引力を確保する。梁幅は１５μｍ、梁厚さは可動電極基板を作製したＳＯＩ基板の活性層(Ｓｉ層)の厚さと同じ１０μｍとする。梁の長さ、すなわち梁１１４を構成する棒状部材の長さは７６０μｍとする。梁の折り返し数は３回とする。前記寸法の梁を与えることで光スイッチ２００は４０Ｖで動作させることができる。

電極基板１２０には可動ミラー１１１を駆動するための駆動電極部１２１を形成する。電極基板１２０には１５μｍの突起１２２と１８μｍのスペーサ１３０を形成する。電極基板１２０は図１０に示した方法で作製する。電極基板１２０はシリコン(Ｓｉ)を材料とし、該シリコン基板の表面に熱酸化膜(ＳｉＯ_２膜)を形成した後、切り欠き部１２７を有する駆動電極部１２１、配線１２３、電極パッド１２４、(位置決めパターン１２９)を表面が金(Ａｕ)の膜で形成する。駆動電極部１２１の幅は可動ミラー１１１の最大幅５００μｍよりも片側５０μｍずつ大きくする、すなわち幅６００μｍとする。切り欠き部１２７は梁１１４を投影した領域全体に各方向５０μｍ拡大する。

本実施例のマイクロミラーは質量と慣性モーメントがそれぞれ２．５×１０^−７［ｋｇ］、６.３×１０^−１４［ｋｇ・ｍ^２］となる。ただし、シリコン(Ｓｉ)の密度は２３３０［ｋｇ／ｍ^３］とした。該質量および慣性モーメントは可動ミラー全体がＳＯＩ基板の初期厚さである３１１μｍである構成例の質量および慣性モーメント６.３×１０^−７［ｋｇ］、１.８×１０^−１３［ｋｇ・ｍ^２］に対して、それぞれ０.４倍、０.３５倍に低減する。したがって、同じ剛性の梁で支持する場合、耐衝撃性は質量に反比例し、２．５倍に向上し、回転動作の共振周波数は慣性モーメントの平方根に反比例し、１.７倍に向上する。また、可動ミラー全体を活性層(Ｓｉ層)の厚さである１０μｍとした場合に対して、反りに対する耐性は厚さの２乗倍すなわち９００倍以上に向上する。なお、本実施例のＳＯＩ基板は十分な厚みを有するので取り扱いが容易な点でも好適である。本構成の光スイッチに、本発明に係るマイクロミラーを用いることで、電気的短絡による動作不能や破損を回避した光スイッチを提供することができる。なお、前記実施例では、本発明に係る構成を反射面の最大寸法が１ｍｍ未満のマイクロミラーに適用しているが、機能・構造上の制約が許せば反射面の最大寸法が１ｍｍ以上のミラーにも適用することが可能である。

本発明のマイクロミラーに適用する電極基板の実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態を示す断面図である。 本発明のマイクロミラーに適用する可動ミラー基板の反射面側の形状を示す図である。 本発明のマイクロミラーに適用する電極基板の形状を示す図である。 本発明のマイクロミラーに適用する可動ミラーの反射面側の形状を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーに適用する電極基板の形状を示す図である。 本発明のマイクロミラーに適用する可動ミラー基板の作製方法例を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーに適用する電極基板の作製方法例を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーアレイの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーを用いた光スイッチの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーを用いた光スイッチの実施形態において集光光学素子を用いる効果を示す図である。 本発明のマイクロミラーを用いた光スイッチの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーを用いた光スイッチをアレイ化した光スイッチアレイの実施形態を示す図である。

符号の説明

１００：マイクロミラー １１０：可動ミラー基板 １１１：可動ミラー
１１２：反射面 １１３：ミラー電極部 １１４：梁 １１５：中心軸 １１６：肉厚部
１１７：肉薄部 １１８：端部 １１９：基体 １２０：電極基板 １２１：駆動電極部１２２：突起 １２３：配線 １２４：電極パッド １２５：抵抗配線
１２６：抵抗配線パッド
１２７：切り欠き部 １２８：掘り込み部 １２９：位置決めパターン
１３０：スペーサ １３２：反射膜 １４０：筐体 １５０：光学オイル
１５１：気泡 １６０：外枠部 １６２：第２の梁部 １７１：ベース層
１７２：中間層 １７３：活性層 １８１：シリコン基板
１９１：折り返し部 １９２：空気抜け孔
２００：光スイッチ
２０２、２０２a、２０２b、２０２c：光ファイバ ２０３：光ファイバアレイ
２０４：コリメートレンズアレイ ２０４a、２０４b、２０４c：コリメートレンズ
２０５：シリンドリカルレンズ ２０９：光路(光ビーム)
２１８、２１９：光ファイバ整列基板 ２３０：固定ミラー ３００：光スイッチアレイ
４００：マイクロミラーアレイ

Claims (7)

1. 梁で支持された可動ミラーを有する可動ミラー基板と電極基板を具備し、前記可動ミラーが前記梁を中心軸として回転動作する静電駆動型のマイクロミラーにおいて、
   前記可動ミラーは一方の面に反射面を有し、該反射面を有する面の反対の面にミラー電極部を有し、
   該ミラー電極部は前記電極基板と対向配置されており、
   前記電極基板は前記ミラー電極部との間に静電引力を発生させる駆動電極部を有し、
   前記梁は中心軸に直交する方向に伸びた棒状部材が複数回折り返した折り返し梁であり、
   前記駆動電極部は、前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁の折り返し部に重ならないように形成されており、
   前記可動ミラーの端部が前記電極基板と接触する動作状態を有するマイクロミラー。
2. 前記梁の厚さは前記可動ミラーの厚さよりも薄く、前記可動ミラーの厚さ方向において前記ミラー電極部側に偏った位置で前記梁が前記可動ミラーを支持することを特徴とする請求項1に記載のマイクロミラー。
3. 前記駆動電極部は、前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁と重ならないように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロミラー。
4. 前記駆動電極部の幅が前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁の下となる部分を除き、前記可動ミラーの幅よりも大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマイクロミラー。
5. 前記可動ミラー基板をＳＯＩ基板で作製したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマイクロミラー。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のマイクロミラーを複数個集積したマイクロミラーアレイ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のマイクロミラーまたはマイクロミラーアレイを用いた光スイッチ。

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