CN1439906A - 光控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种通过使可动板(31)变位、由安装在该可动板(31)上的反射镜(38)变位进行光路切换的光开关(光装置)，其结构如下，通过和该板面平行、从其互相对向的侧面突出延长的成对的支撑梁(32)、在基体(33)上双支撑可动板(31)、使可动板(31)和其板面平行地变位、可动板(31)、支撑梁(32)、基体(33)和驱动可动板变位的驱动零件(34、35)形成在一块基板上。

Description

光控制装置
技术领域
本发明涉及通过使可动板变位、形成具有由安装在该可动板上的反射镜或遮光板变位、进行光路的切换或光路的控制(光通量的控制)构造的光控制装置。
背景技术
图1A表示作为现有的此种光控制装置的一例的光开关的构造，此光开关是进行互相平行并且相逆向入射的两束入射光B1、B2的光路切换的2×2光开关。
在可动板11上安装4个反射镜12作为光控制零件，如图1A所示，这些反射镜12相对于入射光B1、B2分别成45°角配置。
通过两根支撑梁13支撑可动板11、其在和可动板11的面垂直的方向上可以变位，这些支撑梁从成为方形板状的可动板11的互相相对的侧面突出分别沿着可动板11的周围三边延伸。这些支撑梁13的端部分别连接固定在围着可动板11的框体14上的固定部15上。
如图1B所示，在可动板11的下方离开规定间隔相对向配置固定电极16。形成此固定电极16的基台17的周边和框体14接合。和固定电极16相对的可动板11作为可动电极利用。
如所述结构的光开关通过在可动板11和固定电极16之间加电压，可动板11通过静电力被固定电极16吸引向下方变位、去掉电压则恢复到原来位置。
从而，通过伴随可动板11的变位而变位的反射镜12能够进行光路的切换，即可动板11位于图1B所示的位置时，入射光B1、B2通过反射镜12反射按带箭头的实线前进。当可动板向下方变位时，反射镜12从光路离开，入射光B1，B2不会通过反射镜12反射、按原方向前进。
图2和图3表示该光开关的制作方法(制作工序)，光开关使用两块基板制作。图2的步骤S1～S4表示上侧基板的处理工序，图3的步骤S5，S6，S7表示下侧基板的处理工序。
在该例，如图2所示，在上侧基板上如图2所示使用在SiO2层21的两面上配置硅(Si)层22，23的多层构造的SOI(Silicon On Insuluter)基板24。以下，按顺序说明制作工序。
步骤S1：在SOI基板24的表里两面上形成热氧化膜25，26。
步骤S2：通过照像光刻技术在表面侧的热氧化膜25上形成可动板、支撑梁、固定部图形，按该图形蚀刻热氧化膜25，进而在该热氧化膜图形的掩膜上蚀刻Si层22。另外通过照像光刻技术在里面侧的热氧化膜26上形成框体图形、按该图形蚀刻热氧化膜26。
步骤S3：蚀刻去除表面侧的热氧化膜25，添布抗蚀厚膜，作图形、形成反射镜基体，在该基体表面上涂布金膜，形成反射镜12。
步骤S4：蚀刻里面侧的Si层23，再蚀刻SiO2层21形成框体14。由此，把固定部15放置在由Si层23和SiO2层21组成的框体14的SiO2层21上，在这此固定部15上通过支撑梁13形成支撑安装反射镜12的可动板11的状态。
另外，在下侧基板上使用Si基板27。以下参照图3说明各工序。
步骤S5：在Si基板27的表、里两面上形成热氧化膜28，29。
步骤S6：通过照像光刻技术在表面侧的热氧化膜28上、形成固定电极图形、按该图形蚀刻热氧化膜28。
步骤S7：在热氧化膜28的图形的掩膜上按规定量蚀刻Si基板27之后，蚀刻去除热氧化膜28。由此，在基台17上形成突出的固定电极16。
经过所述的工序的Si基板27和SOI基板24，在其基台17上安装框体14，例如通过粘接固定形成一体化的图1A，1B所示的光开关。
如所述的光开关，可动板做为可动电极，通过静电驱动使可动板变位、具有由安装在可动板上的反光镜或遮光板的变位进行光路切换和光路控制构造的光控制装置现在可动板在其厚度方向上，即和板面垂直的方向上驱动变位。
从而，虽然必须把用于静电驱动可动板的相对方向的固定电极与可动板的板面对向配置，但因为用一块基板制作这样配置的可动板(可动电极)和固定电极是困难的。所以采用如图1A，图1B，图2和图3中所示的制作方法，即使用两块基板分别制作可动板和固定电极，然后用粘接等方法粘接成一体。
于是，现在必须对两块基板分别地进行所谓的照像光刻制图和蚀刻工序，在这点上耗费工时，另外从必须进行粘接作业上看也耗费工时，制作烦杂，成为很麻烦的工作。
发明内容
本发明的目的是鉴于所述的问题，提供可以少费工时，制作精度高的光控制装置。
本发明的光控制装置包括：基体；可动板，其具有互相相对的侧面；至少一对支撑梁，其在从所述可动板的所述侧面相互反方向且和所述可动板平行地突出延长，其端部分别固定在所述基体上，支撑所述可动板在其板面内方向上可以弹性变位；驱动零件，其对于所述基体相对地在所述可动板的板面内方向驱动所述可动板；光控制零件，其设置在所述可动板上，对应通过所述驱动零件的所述可动板的变位控制入射光束。
所述可动板，所述支撑梁，所述基体和所述驱动零件通过蚀刻，用一块基板形成。
所述驱动零件的构成也可以具有分别在所述两侧面上突出形成的可动平板电极和与这些可动平板电极相对配置的固定平板电极。
所述驱动零件的构成或者也可以具有分别在所述两侧面上突出形成的可动梳齿电极和与这些可动梳齿电极相对配置的固定梳齿电极。
在所述光控制装置也可以如下述构成：所述成对的支撑梁相对所述侧面具有规定的倾斜角，且以平行于可动板的与所述变位方向的中心线为对称配置，驱动零件在所述变位方向分别配置在可动板的两端，通过这些驱动零件的驱动支撑梁迅速动作。
在所述光控制装置也可以如下述构成，所述成对的支撑梁相对所述侧面具有规定的倾斜角，且以平行于所述可动板的与所述变位方向的中心线为对称配置，驱动零件具有多个由热膨胀体和将该热膨胀体的热膨胀变换成所述变位方向的按压力的变换机构形成的组合，其可以将正反两方向的按压力施加在可动体上，通过变换机构按压可动体，支撑梁迅速动作，驱动可动板变位。
在所述光控制装置，所述光控制零件也可以由反光镜构成，以变更入射光束的光路；或者所述光控制零件也可以由在所述可动板的移动方向上透光率变化的遮光板构成，以控制入射光束的透过量。
另外，在所述光控制装置，所述驱动零件也可以由在所述两侧面上分别突出形成的可动平板电极和与这些可动平板电极相对向配置的固定平板电极构成，或者也可以由在所述两侧面上分别突出形成的可动梳齿电极和与这些可动梳齿电极相对配置的固定梳齿电极构成。
在所述光控制装置，也可以将在SiO2层的两面上配置硅层的多层基板的一方作为所述基板使用，在另一方的硅层上形成固定光纤用的V槽。
附图说明
图1A表示现有的光开关构造的平面图；
图1B是在图1中的1B-1B的剖面图；
图2是用于说明在图1A，图1B中表示的光开关制作工序前半的图；
图3是用于说明光开关制作工序后半的图；
图4是表示本发明的实施例的分解立体图；
图5是表示由图4中下侧的Si层形成的部分构造的俯视图；
图6A是表示在图4所示的光开关光路切换动作的图；
图6B是表示在图4所示的光开关光路切换动作的图；
图7是用于说明在图4所示的光开关制作工序的图；
图8是用于说明本发明另一实施例的图；
图9是表示本发明再一实施例的一部分分解立体图；
图10是表示由图9中下侧的Si层形成的部分构造的俯视图；
图11A是表示图5的实施例场合的驱动量和积蓄在支撑梁的能量的关系曲线图；
图11B是表示图9的实施例场合的驱动量和积蓄在支撑梁的能量的关系曲线图；
图12A是表示图9中表示的光开关的光路切换动作的一方状态的图；
图12B是表示光路切换动作的另一方状态的图；
图13表示本发明的其他实施例的一部分立体略图；
图14是图13的俯视图；
图15A是用于说明驱动图13所示的光开关的可动板向一方侧变位状态的部分俯视图；
图15B是用于说明驱动光开关的可动板向另一方侧变位状态的部分俯视图。
具体实施方式
参照图面说明本发明的实施例
图4表示作为本发明的光控制装置的一实施例的光开关的构造。在该例光开关与在图1A，图1B中所示的现有的光开关同样，为2×2光开关，由在SiO2层21的两面上配置Si层22，23的多层构造的SOI基板24形成。另外，在图4中，相对SiO2层21、分离表示由位于上侧的Si层22形成的部分。
图5表示从上方看由下侧的Si层23形成的部分的构造。首先参照图5说明该下侧部分的构造。
可动板31成方形板状、从其相互对向的侧面31a，31b，窄幅的支撑梁32成对，位于同一直线上向相互相反方向突出延长。支撑梁32和可动板31的板面31c平行且和侧面31a，31b垂直地延伸。在该例从各侧面31a，31b分别突出两根，设置两对的支撑梁32。
这些支撑梁32的端部连接固定在分别设置在左右的基体33上，可动板31通过两对支撑梁32，形成可以在X方向变位双支撑在基体33上的构造。另外，以下，如图5所示把与可动板31的板面31c和侧面31a，31b平行的方向为X方向，把与侧面31a，31b垂直的方向为Y方向。
在可动板31的X方向的一端侧的两侧面31a，31b上、形成可动梳齿电极34，分别向Y方向突出。这些可动梳齿电极34由在Y方向延伸的基部34a和在其基部34a上在Y方向以等间隔配列的在X方向延伸的梳齿34b构成。
与两可动梳齿电极34相对配置的固定梳齿电极35由在Y方向延伸的基部35a和在其基部35a上在Y方向以等间隔配列在X方向延伸的梳齿35b构成，与两个可动梳齿电极34相互的梳齿啮合配置。在该例，通过这些可动梳齿电极34和固定梳齿电极35构成通过静电驱动可动板31在X方向变位的驱动零件。
另外，如图4所示，在上侧的Si层22的中央形成开口36，进而在该开口36的Y方向两侧各形成两条在Y方向延伸固定光纤用的V槽37。在这些V槽37中，在图4中没表示，例如，分别设置固定在端部具有镜头的光纤，即配置两对位于同一直线上成对的光纤。
位于开口36内的作为光控制零件的4个反射镜38，其基体通过Si层22形成，通过SiO2层21安装在由Si层23形成的可动板31上。这些反射镜38，相对入射光成45°角度配置。
图6A、6B表示在具有所述构造的光开关中的切换光路的状态，在处于图6A状态的可动梳齿电极34和固定梳齿电极35之间加上电压，如图6B所示，可动梳齿电极34通过静电被吸引固定梳齿电极35，由此支撑梁32弯曲可动板31向X方向变位、进行光路的切换。
其次，参照图7的步骤S1～S9说明该光开关的制作方法。
另外，Si层23表示梳齿34b，35b部分的剖面，Si层22表示V槽37部分的断面。
步骤S1：在SOI基板24的表里两面上形成热氧化膜。
步骤S2：通过照像光刻技术和蚀刻工艺在里面侧的热氧化膜26的需要处形成贯通孔41。
步骤S3：在里面侧形成Au/Cr(金/铬)二层膜，并蚀刻加工成电极接点形状。另外该电极接点42在图4和图5中看不见，设置在基体33和固定梳齿电极35的基部35a上。
步骤S4：在里面侧热氧化膜26上通过照像光刻技术形成可动板、支撑梁、基体、可动梳齿电极和固定梳齿电极图形，按该图形蚀刻热氧化膜26。
步骤S5：在表面侧的热化膜25上通过照像光刻技术形成光纤固定用的V槽、开口和反射镜图形，按该图形蚀刻热氧膜25。
步骤S6：以热氧化膜图形26作为掩膜，通过深度干蚀刻工艺蚀刻里面侧的Si层23。
步骤S7：以热氧化膜图形25作为掩膜，通过KOH湿式蚀刻工艺蚀刻表面侧的Si层22。
步骤S8：在反射镜基体的表面涂布Au膜43，形成反射镜38。
步骤S9：通过进行SiO2的湿式蚀刻，去除基体33和固定梳齿电极35的基部35a上的SiO2层21、反射镜38下的SiO2层21和电极接点42部分的热氧化膜26以外的SiO2，制成图4所示的光开关。
综上所述，在该例实现了与其板面31c平行地驱动可动板31进行光路的切换，对于一块基板，通过一次照像光刻·蚀刻制成由支撑梁32支撑的可动板31和由用于驱动可动板31变位的可动梳齿电极34和固定梳齿电极35组成的驱动零件。
从而，与使用两块基板驱动可动板在其板面垂直的方向变位的构造的现有的光开关相比，可以用少的工时制作光开关。
另外，因为同时进行(照像光刻·蚀刻)形成用于静电驱动可动板的固定电极和可动电极组成的驱动零件，所以可以高精度制成这些零件，因而如该例所示的互相啮合的高精度的梳齿电极的制作也可以容易地进行。
另外，在该例，制作可动体和驱动零件的基板是硅基板，以该硅基板作为SOI基板的一方的Si层，在另一方的Si层上形成固定光纤用的V槽和反射镜，于是可以简单并且小型地构成立体地配置的这些可动板和V槽和反射镜。
图8是表示代替所述的可动梳齿电极34和固定梳齿电极35相对配置可动平板电极51和固定平板电极52的例，代替梳齿电极，也可以把这样的平板电极用作驱动零件。
另外，在这样的平板型的对向电极，当可动电极和固定电极接触的时候的范德华力比支撑梁32的弹性恢复力大时，会产生长久的附着(即使不加电压可动电极也不恢复到原来的位置的现象)。为了避免这种附着，必须在可动电极不被吸附在固定电极的范围施加电压作非接触驱动，但是这种场合对于切换光束的光路必要的驱动距离D，可动电极和固定电极之间需要其三倍即3D以上的距离，在这样的状态，为了驱动距离D必要的驱动电压和接触驱动相比，需要约5.2倍的高驱动电压。
对此，梳齿型的对向电极在位置控制容易，可以非接触驱动且可以用低电压驱动这些方面可以说非常有利。
在所述的实例举例说明了在可动板上安装反射镜，通过随可动板的变位的反射镜的变位进行光路切换的光开关。但是本发明不仅限于这样的光开关，也可以适用于把在X方向连续地或者阶段地变化透光率的遮光板作为光控制零件安装在可动板上代替反射镜，通过使遮光板在X方向变位进行光路的控制(通过光量的控制)的所谓可变光阻尼器(VOA)等的光控制装置。
可是，在所述的使用静电的驱动零件，因为只在加电压的状态下才能保持可动的变位，所以为了保持可动板变位状态的光路必须持续加电压。另外，因此有因发生停电等驱动电源侧的故障而不能保持光路的问题。
图9和图10是表示针对这些问题在图4和图5中所示的构造上增设具有可动板的位置保持机能的机构(以下称止动机能)。
在该例，如图10所示，两对支撑梁32相对于可动板31的侧面31a，31b具有规定的倾斜角延伸，并且成对的支撑梁32对称于可动板31的在X方向的平行的中心线配置。
也就是用这样倾斜的支撑梁32，使相对于驱动距离积存在支撑梁内的能量保持在峰值，形成Bi-stable构造。
如图11A所示，在Y方向平行的支撑梁，伴随着X方向的驱动量的增减，积蓄在支撑梁内的能量单调增加·单调减少，为了在这样的支撑梁保持所希望的驱动量，需要从外部持续施加能平衡在该位置的支撑梁的能量的能量。
对照这种情况，在具有Y方向倾斜配置的支撑梁，如图11B所示相对于驱动量的增减，积蓄在支撑梁内的能量产生峰值，如果从外部加上超过峰值的能量，即使停止从外部加上能量，也保持在一定的位置。也就是如果施加与超过峰值的能量、支撑梁迅速动作并稳定地保持规定的驱动位置。
另外，为了使具有规定倾斜角的支撑梁这样地迅速动作并使可动板31在X方向变位，需要正反两方向的力(静电吸引力)，为此，如图9和图10所示，在此例，在可动板31的X方向另一端侧，也和一端侧同样地配置由可动梳齿电极34和固定梳齿电极35组成的驱动零件。
图12A，12B表示了通过这些配置在可动板31的X方向两侧上的驱动零件，可动板31被驱动变位进行光路切换的情景。
以上例示了由对向电极组成驱动零件，通过静电力驱动可动板的构造，但也可以利用静电力之外的力使可动板变位。
作为其一例，图13和14表示了具有利用热膨胀的驱动零件的光开关，在该例，支撑梁32与图9和图10中所示的光开关同样地相对于Y方向倾斜，形成迅速动作。另外，在图13中省略了与图9所示的通过SOI基板24的上侧的Si层22同样构成部分的图示。再有，图14是表示从上方看图13中表示的在下侧的Si层23构成部分的构造。
以下，参照图14说明驱动零件的构造。
在该例，用于驱动可动板31变位的驱动零件由热膨胀体61和将该热膨胀体61的热膨胀变换为X方向的按压力的变换机构62组成，其具有4组这样的组合，通过各两组的驱动零件，把在X方向的正反两方向的按压力沿X方向施加在分别在可动板31的两侧面31a，31b上沿Y方向突出形成的按压部71上。
热膨胀体61在Y方向延伸，其基端连接固定在固定电极63上。
变换机构62由在端部具有按压突起64的L字形状的臂65和幅度很窄的连接部66，67组成，该连接部66，67在X方向相错开一点间隙突设在那个臂65的基端的两侧。一个连接部66连接在热膨胀体61的端部，另一个连接部67连接固定在固定电极68上。再有，臂65的连接部66突设的部分P为力点，连接部67突设的部分Q起支点作用。
所述构造的驱动零件通过在固定电极63，68之间施加电压并在热膨胀体内流过电流，通过焦耳热膨胀体61膨胀。
通过该热膨胀按压力点P，由此臂65围着支点Q转动，按压突起64大体在X方向上变位，推动突设在可动体31上的按压部71。
通过该按压力支撑梁32迅速动作，从图15A表示的状态变位成图15B的状态，这样可动体31形成变位。
另外，在使可动体31向反方向变位的场合。在对于可动体31施加反方向的按压力侧的固定电极63，68之间施加电压。
按压突起64的变量，在支点Q和力点P间的距离为b，L字形状的臂65的按压突起64的边长设为L时，可以得到对于热膨胀体61的热膨胀量a相对L/b比的大的变位量。
另外，在该例，如图13和14所示，支撑梁32通过阻尼器72固定在基体33上，这样更容易进行迅速动作。
发明的效果
综上所述的那样，根据本发明，可动板形成和其板面平行地变位，用于驱动可动板变位的驱动零件在形成可动板基板的同一基板上形成，于是，可能通过一次的照像光刻蚀刻形成所述的零件。
从而，可以用少的工时高精度地制作通过使可动板变位，由安装在可动板上面的反射镜或遮光板变位进行光路切换或光量控制构造的光开关或可变光阻尼器等的光控制装置。
进而，由可动梳齿电极和固定梳齿电极构成驱动零件的场合，因位置控制容易可以避免因接触造成的贴接，并且可以实现驱动电压的低电压。
另外，通过对可动板的侧面稍微倾斜形成支撑梁，可以构成支撑梁迅速动作并具有止动机能的装置。一旦使可动板变位后，不需要用于保持其状态的电源供给，于是，例如可以提高相对于驱动电源异常的可靠性。

Claims (8)

1.一种光控制装置，其包括：
基体；可动板，其具有互相相对的侧面；至少一对支撑梁，其在从所述可动板的所述侧面相互反方向且和所述可动板平行地突出延长，其端部分别固定在所述基体上支撑所述可动板在其板面内方向上可以弹性变位；驱动零件，其对于所述基体相对地在所述可动板的板面内方向驱动所述可动板；光控制零件，其设置在所述可动板上，对应通过所述驱动零件的所述可动板的变位控制入射光束，
所述可动板，所述支撑梁，所述基体和所述驱动零件通过蚀刻用一块基板形成。
2.如权利要求1所述的光控制装置，其特征在于：
所述驱动零件具有分别在所述两侧面上突出形成的可动平板电极和与这些可动平板电极相对向配置的固定平板电极。
3.如权利要求1所述的光控制装置，其特征在于：
所述驱动零件具有分别在所述两侧面上突出形成的可动梳齿电极和与这些可动梳齿电极相对向配置的固定梳齿电极。
4.如权利要求2或3的任意一项要求所述的光控制装置，其特征在于：
所述成对的支撑梁相对所述的侧面具有规定的倾斜角，且以平行于所述可动板的与所述变位方向的中心线为对称配置，
所述驱动零件在所述变位方向分别配置在所述可动板的两端，通过所述驱动零件的驱动所述的支撑梁迅速动作。
5.如权利要求1所述的光控制装置，其特征在于：
所述成对的支撑梁相对所述的侧面具有规定的倾斜角，且以平行于所述可动板的与所述变位方向的中心线为对称配置，
所述驱动零件具有多个由热膨胀体和将该热膨胀体的热膨胀变成所述变位方向的按压力的变换机构形成的组合，其可以将正反两方向的按压力施加在所述可动体上，通过所述变换机构按压所述可动体，所述支撑梁迅速动作，驱动所述可动板变位。
6.如权利要求1、2、3或5中任意一项要求所述的光控制装置，其特征在于，
所述光控制零件具有在所述可动板的规定位置按规定的方向改变所述光束的光路的反射镜。
7.如权利要求1、2、3或5中任意一项要求所述的光控制装置，其特征在于，
所述的光控制零件具有在所述可动板的移动方向光透过率变化的遮光板。
8.如权利要求1、2、3或5中任意一项要求所述的光控制装置，其特征在于，
所述基板是硅基板、该硅基板是在SiO2层的两面上配置硅层形成的多层基板的一方的硅层，在另一方的所述硅层上形成固定光纤用的V槽。
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