DE60219937T2

DE60219937T2 - Mikroaktuator, mikroaktuatorvorrichtung, optischer schalter und optische schaltanordnung

Info

Publication number: DE60219937T2
Application number: DE60219937T
Authority: DE
Inventors: Keiichi Chiyoda-ku AKAGAWA; Junji Chiyoda-ku SUZUKI; Tohru Chiyoda-ku ISHIZUYA; Yoshihiko Chiyoda-ku SUZUKI
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: US20040183395A1; US6936950B2; EP1437325B1; WO2003024864A1; US20050206986A1; KR100623469B1; JP2003159698A; CN1268537C; EP1437325A4; KR20040035804A; DE60219937D1; JP4089215B2; CN1555339A; EP1437325A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrostellglied, eine Mikrostellgliedvorrichtung, einen optischen Schalter, und ein Array aus optischen Schaltern, sowie ein Verfahren zum Steuern einer Mikrostellgliedvorrichtung.
Technischer Hintergrund
Infolge der Fortschritte bei Mikro-Materialbearbeitungsverfahren hat das Bedürfnis nach Mikrostellgliedern auf verschiedenen Gebieten zugenommen. Optische Schalter, welche Lichtwege schalten, und bei der optischen Kommunikation und dergleichen eingesetzt werden, lassen sich als ein Beispiel für ein Gebiet nennen, bei welchem Mikrostellglieder verwendet werden. So kann als ein Beispiel für einen derartigen optischen Schalter jener optische Schalter angegeben werden, der in der japanischen Patentanmeldung Kokai Nr. 2001-42233 beschrieben wird.
Die EP-A-1 120 677 und die US-A-5 945 898 beschreiben jeweils ein Mikrostellglied nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die US 2001/021058 A1 beschreibt ein Mikrostellglied, das einen festen Permanentmagneten aufweist, und eine bewegliche Spiegelhalterungsanordnung, auf welcher eine leitende Wicklung vorgesehen ist, die ein magnetisches Moment erzeugt, wenn Strom fließt. Das magnetische Moment, das erzeugt wird, wenn Strom in der Wicklung fließt, steht in Wechselwirkung mit dem Feld des Permanentmagneten, so dass die Spiegelhalterungsanordnung in einen gewünschten Winkel gedreht wird.
Mikrostellglieder weisen üblicherweise ein festes Teil auf, und ein bewegliches Teil, das durch eine vorgegebene Kraft bewegt werden kann, und werden in einer vorgegebenen Position durch die voranstehend geschilderte, vorgegebene Kraft gehalten. Beispielsweise kann im Falle jenes Mikrostellglieds, das einen Mikrospiegel bewegt, der in dem optischen Schalter verwendet wird, der in der japanischen Patentanmeldung Kokai Nr. 2001-42233 beschrieben wird, das bewegliche Teil zu einer oberen Position (einer Position, in welcher der Mikrospiegel das einfallende Licht reflektiert) oder einer unteren Position (in welcher der Mikrospiegel das einfallende Licht unverändert hindurchgehen lässt) bewegt werden, und kann in diesen Positionen durch eine elektrostatische Kraft gehalten werden.
Bei derartigen Mikrostellgliedern, welche eine elektrostatische Kraft nutzen, ist ein erstes Elektrodenteil auf dem festen Teil angeordnet, ist ein zweites Elektrodenteil auf dem beweglichen Teil angeordnet, und wird eine elektrostatische Kraft zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil durch Anlegen einer Spannung über diesen Elektrodenteilen erzeugt.
Im Falle herkömmlicher Mikrostellglieder, die eine elektrostatische Kraft einsetzen, wie voranstehend geschildert, wird das bewegliche Teil durch eine elektrostatische Kraft bewegt und in einer vorbestimmten Position durch die elektrostatische Kraft gehalten; daher ist es schwierig, den Bewegungsbereich des beweglichen Teils zu vergrößern.
Die elektrostatische Kraft F1, die zwischen parallelen Elektroden in Form flacher Platten einwirkt, ergibt sich aus der folgenden Gleichung (1), wobei ε die Dielektrizitätskonstante ist, V die Potentialdifferenz, d die Entfernung zwischen den Elektroden, und S die Elektrodenoberfläche. F1 = ε × V2 × S (2d2) (1)
Wie aus Gleichung (1) hervorgeht, nimmt die elektrostatische Kraft F1 abrupt umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung d zwischen den Elektroden ab, wenn die Entfernung d zwischen den Elektroden zunimmt. Daher wird es im Falle der voranstehend geschilderten, herkömmlichen Mikrostellglieder schwierig, das bewegliche Teil zu bewegen, wenn die Entfernung d zwischen den Elektroden eine bestimmte Entfernung überschreitet, so dass es schwierig ist, den Bewegungsbereich des beweglichen Teils zu vergrößern. Weiterhin treten, wenn die Potentialdifferenz (Spannung über den Elektroden) V in dem Versuch erhöht wird, eine ausreichende elektrostatische Kraft F1 im Falle einer großen Entfernung d zwischen den Elektroden zu erhalten, Probleme in Bezug auf die Durchschlagsfestigkeit auf, und wird ein Teil zur Erzeugung von Hochspannung benötigt. Weiterhin werden, wenn die Elektrodenoberfläche S in dem Versuch vergrößert wird, eine ausreichende elektrostatische Kraft F1 im Falle einer großen Entfernung d zwischen den Elektroden zu erhalten, die Abmessungen der Vorrichtung vergrößert, was einer Miniaturisierung entgegenwirkt, die den eigentlichen Zweck eines Mikrostellgliedes darstellt.
Daher entwickelte als Ergebnis von Untersuchungen der vorliegende Erfinder den Einsatz der Lorentz-Kraft anstelle der elektrostatischen Kraft in einem Mikrostellglied.
Bekanntlich ist die Lorentz-Kraft F2(N) so, wie in der folgenden Gleichung (2) angegeben, wobei B die Magnetflussdichte (T) ist, L die Länge der elektrischen Schaltung (m) ist, und I der Strom (A) ist. F2 = I × B × L (2)
Da in Gleichung (2) kein Term vorhanden ist, der die Position der elektrischen Leitung vorgibt, ändert sich die Lorentz-Kraft F2, die bei konstanter Magnetflussdichte erzeugt wird, nicht, selbst wenn sich die Position der elektrischen Leitung ändert.
Die Lorentz-Kraft kann dazu veranlasst werden, auf das bewegliche Teil in einem Mikrostellglied einzuwirken, durch Einrichten eines Stromweges entsprechend der voranstehend geschilderten elektrischen Leitung in dem beweglichen Teil, Anlegen eines Magnetfeldes an diesen Stromweg, und Fließenlassen eines Stroms durch diesen Stromweg. Selbst wenn der Bewegungsbereich des beweglichen Teils im Vergleich zu jenem einer herkömmlichen Vorrichtung vergrößert wird, kann das Anlegen eines im wesentlichen gleichförmigen Magnetfeldes in diesem Bereich einfach erzielt werden, beispielsweise durch Einsatz eines Magneten oder dergleichen. Selbst wenn der Bewegungsbereich des beweglichen Teils vergrößert wird, kann daher eine konstante Kraft dazu veranlasst werden, auf das bewegliche Teil einzuwirken, unabhängig von der Position des beweglichen Teils. Im einzelnen kann, wenn diese Lorentz-Kraft anstelle einer elektrostatischen Kraft in einem Mikrostellglied eingesetzt wird, eine konstante Antriebskraft (im Prinzip) erzielt werden, unabhängig von der Position des beweglichen Teils (anders als in jenem Fall, bei welchem eine elektrostatische Kraft eingesetzt wird, bei welcher eine Änderung der Antriebskraft in Abhängigkeit von der Position des beweglichen Teils vorhanden ist).
Beispielsweise ist im Falle einer Entfernung von 50 μm zwischen den Elektroden, einer Elektrodenform von 50 μm im Quadrat, einer Spannung von 5 V und einer Dielektrizitätskonstante von 1 die elektrostatische Kraft F1, die gemäß der voranstehend angegebenen Gleichung (1) einwirkt, gleich 0,1 nN. Andererseits wird, wenn ein Stromweg mit einer Länge von 50 μm in einer Elektrode von 50 μm im Quadrat erzeugt wird, und ein Magnetfeld mit einer Magnetflussdichte von 0,1 T einwirkt, eine Lorentz-Kraft von 5 nN erzeugt, wenn man einen Strom von 1 mA fließen lässt. Um eine Kraft von 5 nN oder mehr unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft zu erzielen, muss die Entfernung zwischen den Elektroden auf 7 μm oder weniger eingestellt werden, oder muss die Elektrodenform auf 350 μm oder größer eingestellt werden. Daraus ersieht man, dass die Lorentz-Kraft vorteilhafter ist, um dieselbe Antriebskraft zu erreichen.
Weiterhin kann einfach beispielsweise dann, wenn ein Magnet des Neodym-Eisen-Bortyps mit Abmessungen von 20 mm im Quadrat an einer Position angeordnet wird, die von dem Mikrostellglied um eine Entfernung von 2 mm getrennt ist, eine Magnetflussdichte von 0,1 T einfach erzielt werden.
Der Einsatz der Lorentz-Kraft anstelle der elektrostatischen Kraft in einem Mikrostellglied ermöglicht daher eine Vergrößerung des Bewegungsbereiches des beweglichen Teils, ohne eine hohe Spannung anzulegen, oder Kompromisse in Bezug auf kleine Abmessungen einzugehen.
Allerdings hat sich herausgestellt, dass neue Probleme in solchen Fällen auftreten, bei welchen die Lorentz-Kraft anstelle der elektrostatischen Kraft bei einem Mikrostellglied eingesetzt wird. Im einzelnen wird in solchen Fällen, bei welchen die Lorentz-Kraft anstelle der elektrostatischen Kraft eingesetzt wird, das bewegliche Teil zu einer vorgegebenen Position infolge dieser Lorentz-Kraft bewegt, und neigt das bewegliche Teil dazu, in dieser Position durch die Lorentz-Kraft gehalten zu werden. Da der zur Erzeugung der Lorentz-Kraft eingesetzte Strom dauernd bereitgestellt werden muss, damit er ständig fließt, wird daher der Stromverbrauch beträchtlich erhöht.
Beispielsweise im Falle einer Anwendung, bei welchem ein optischer Schalter mit großen Abmessungen eingesetzt wird, sind einige Zehntausend Stellglieder bei einer einzigen optischen Schaltervorrichtung vorgesehen. Daher besteht ein starkes Bedürfnis nach einer Verringerung des Energieverbrauchs der jeweiligen Stellglieder. Im Falle eines optischen Schalters mit 100 × 100 Kanälen ist es beispielsweise unbedingt erforderlich, dass (beispielsweise) MOS-Schalter zur Auswahl der Kanäle auf einem Halbleitersubstrat hergestellt werden können. Nimmt man an, dass der Widerstand eines MOS-Schalters gleich 10 kΩ ist, dann beträgt in einem Fall, bei welchem ein Strom von 1 mA ständig durch diesen Schalter fließt, der Energieverbrauch eines MOS-Schalters 10 mW. Falls die Gesamtanzahl an MOS-Schaltern gleich 10000 ist, ist der Energieverbrauch so hoch wie 100 W. Dies führt dazu, dass die erzeugte Wärmemenge viel zu hoch ist, so dass Probleme in Bezug auf den Einsatz in der Praxis auftreten.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung derartiger Probleme entwickelt. Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mikrostellglied, eine Mikrostellgliedvorrichtung, einen optischen Schalter und ein Array aus optischen Schaltern zur Verfügung zu stellen, welche den Bewegungsbereich des beweglichen Teils vergrößern können, und den Energieverbrauch verringern können, ohne dass eine hohe Spannung angelegt wird, oder die Anforderung nach kleinen Abmessungen beeinträchtigt wird.
Als Ergebnis weiterer Untersuchungen stellte der vorliegende Erfinder fest, dass das voranstehend geschilderte Ziel dadurch erreicht werden kann, dass ein Mikrostellglied so ausgebildet wird, dass die Verwendung einer elektrostatischen Kraft und die Verwendung einer Lorentz-Kraft verbunden werden können. Speziell stellte der vorliegende Erfinder fest, dass das voranstehende Ziel bei einem Mikrostellglied erreicht werden kann, das ein festes Teil und ein bewegliches Teil aufweist, das so angeordnet ist, dass sich dieses bewegliche Teil in Bezug auf das voranstehend geschilderte, feste Teil bewegen kann, durch jeweiliges Anordnen von Elektrodenteilen auf dem festen Teil und dem beweglichen Teil von Elektrodenteilen, die dazu eingesetzt werden, zu ermöglichen, dass eine elektrostatische Kraft auf das bewegliche Teil einwirkt, wobei in dem beweglichen Teil ein Strompfad eingerichtet wird, der dazu verwendet wird, die Lorentz-Kraft auf das bewegliche Teil einwirken zu lasen.
Durch Einsatz derartiger Maßnahmen wird beispielsweise ermöglicht, das bewegliche Teil dadurch zu bewegen, dass eine Lorentz-Kraft allein einwirkt, in solchen Fällen, bei welchen die Entfernung zwischen dem Elektrodenteil des beweglichen Teils und dem Elektrodenteil des festen Teils groß ist, und das bewegliche Teil nur durch Einwirkung einer elektrostatischen Kraft bei solchen Fällen zu haltern, in welchen die Entfernung zwischen dem Elektrodenteil des beweglichen Teils und dem Elektrodenteil des festen Teils verringert ist. Dies führt dazu, dass der Bewegungsbereich des beweglichen Teils vergrößert werden kann, und der Energieverbrauch verringert werden kann, ohne Anlegen von Hochspannung oder Kompromisse in Bezug auf kleine Abmessungen.
Im Falle des Antriebs durch eine elektrostatische Kraft tritt infolge der Tatsache, dass das Laden und Entladen eines Kondensators elektrisch durchgeführt wird, ein Energieverbrauch nur beim Laden und Entladen auf, also zu den Zeitpunkten, an welchen eine Änderung der Spannung auftritt.
Daher kann in solchen Fällen, bei welchen sich das bewegliche Teil nicht häufig bewegt, so dass der Zeitraum, in welchem das bewegliche Teil an einer vorbestimmten Position gehaltert wird (einer Position, die so ist, dass die Entfernung zwischen dem Elektrodenteil des festen Teils und dem Elektrodenteil des beweglichen Teils klein ist) relativ lang ist, wie bei einem Mikrostellglied, das bei einem optischen Schalter und dergleichen eingesetzt wird, der Energieverbrauch wesentlich verringert werden, wenn die Kraft, die zum Haltern des beweglichen Teils in der vorgegebenen Position verwendet wird, nur durch eine elektrostatische Kraft erzeugt wird. Beispielsweise beträgt in einem Fall, in welchem die Kapazität zwischen den Elektroden gleich 10 pF ist, die Spannung gleich 5 V ist, und die Bewegung des beweglichen Teils einmal pro Minute auftritt, der Energieverbrauch für den elektrostatischen Antrieb 4,2 pW. Wenn die Anzahl derartiger eingesetzter Mikrostellglieder gleich 10000 ist, ist der gesamte Energieverbrauch für den elektrostatischen Antrieb gleich 42 nW. Weiterhin kann im Falle einer Position, bei welcher die Entfernung zwischen dem Elektrodenteil des festen Teils und des Elektrodenteils des beweglichen Teils klein ist, eine elektrostatische Kraft mit ausreichender Größe erhalten werden, selbst wenn die Spannung über den beiden Elektrodenteilen relativ niedrig ist, und die Elektrodenoberfläche relativ klein ist.
Im Falle des Antriebs durch die Lorentz-Kraft kann eine konstante Antriebskraft unabhängig von der Position des beweglichen Teils erzielt werden; daher kann, wenn das bewegliche Teil mit Hilfe dieser Lorentz-Kraft bewegt wird, der Bewegungsbereich vergrößert werden. Der Energieverbrauch bei dieser Lorentz-Kraft ist wie folgt: nimmt man beispielsweise an, dass der Widerstand der Einschalt-MOS-Schalter zur Auswahl der Kanäle gleich 10 kΩ beträgt, wie bei dem voranstehend geschilderten Beispiel, dann beträgt, in einem Fall, bei welchem man einen Strom von 1 mA durch diesen MOS-Schalter über 10 msec jede Minute fließen lässt (entsprechend dem Bewegungszeitraum des beweglichen Teils), der Energieverbrauch beim Antrieb mit Lorentz-Kraft 1,7 μW. Wenn die Anzahl an Mikrostellgliedern gleich 10000 ist, ist der gesamte Energieverbrauch beim Antrieb mit Lorentz-Kraft gleich 17 mW, so dass der Energieverbrauch wesentlich verringert wird, im Vergleich zum Energieverbrauch von 100 W, der im Falle des voranstehend geschilderten Antriebs mit konstanter Lorentz-Kraft auftritt. Praktisch der gesamte Energieverbrauch wird durch die Lorentz-Kraft hervorgerufen; also stellt dies in der Praxis kein wesentliches Problem dar.
Durch Anbringung sowohl einer Vorrichtung, die eine elektrostatische Kraft erzeugt, als auch einer Vorrichtung, die eine Lorentz-Kraft in einem Mikrostellglied erzeugt, wird daher (beispielsweise) ermöglicht, den Energieverbrauch zu verringern, durch Erzeugung jener Kraft, die zum Haltern des beweglichen Teils an einer vorgegebenen Position verwendet wird, mit Hilfe einer elektrostatischen Kraft, und durch Betätigung des Mikrostellglieds mit Hilfe der Lorentz-Kraft in solchen Fällen, bei welchen der Zwischenraum zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode groß ist, so dass der Bewegungsbereich vergrößert werden kann, und das Anlegen von Hochspannung und eine Vergrößerung der Elektrodenoberfläche verhindert werden können.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der neuen Erkenntnisse entwickelt, die infolge der voranstehend geschilderten Untersuchungen erhalten wurden, die von dem vorliegenden Erfinder durchgeführt wurden.
Speziell ist die Erfindung, die zum Erreichen des Ziels verwendet wird, ein Mikrostellglied gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den vom Patentanspruch 1 abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorzugsweise ist das bewegliche Teil aus einem Dünnfilm hergestellt.
Da das bewegliche Teil als ein Dünnfilm ausgebildet ist, können die Abmessungen und das Gewicht des beweglichen Teils verringert werden, und kann der Energieverbrauch verringert werden. Da das bewegliche Teil durch einen Halbleiterprozess hergestellt werden kann, können darüber hinaus die Herstellungskosten verringert werden, und ist die Ausbildung eines Arrays einfach.
Vorzugsweise ist der Stromweg so angeordnet, dass eine Lorentz-Kraft in einer Richtung erzeugt werden kann, die das bewegliche Teil zur Bewegung in eine erste Position veranlasst, bei welcher die elektrostatische Kraft zunimmt.
Da die Lorentz-Kraft, die dazu erforderlich ist, das bewegliche Teil in eine Position zu bewegen, in welcher das bewegliche Teil gehaltert wird, wirksam einwirken kann, kann der Energieverbrauch zur Erzeugung dieser Lorentz-Kraft verringert werden.
Vorzugsweise ist das bewegliche Teil so angeordnet, dass sich dieses bewegliche Teil zwischen der ersten Position und einer zweiten Position bewegen kann, bei welcher die elektrostatische Kraft abnimmt oder verschwindet, und so, dass eine Rückstellkraft hervorgerufen wird, die das bewegliche Teil zur zweiten Position zurückstellt.
Das bewegliche Teil kann sich zu einer Position bewegen, die nicht durch die elektrostatische Kraft erreicht wird; daher kann der Bewegungsbereich des beweglichen Teils vergrößert werden. Weiterhin ist infolge der Tatsache, dass das bewegliche Teil durch die Rückstellkraft bewegt wird, wenn sich das bewegliche Teil in die zweite Position bewegt, keine elektrische Energie für diese Bewegung erforderlich.
Vorzugsweise sind (a) das erste Elektrodenteil und das zweite Elektrodenteil so angeordnet, dass sie einander zugewandt sind, ist (b) das bewegliche Teil mechanisch mit dem festen Teil über ein Federteil verbunden, welches Federeigenschaften aufweist, so dass der Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil abnimmt, wenn das bewegliche Teil in der ersten Position angeordnet ist, und sich der Zwischenraum vergrößert, wenn das bewegliche Teil in der zweiten Position angeordnet ist, und wird (c) die Rückstellkraft durch das Federteil erzeugt.
Auch bei dieser Ausführungsform kann sich das bewegliche Teil zu einer Position bewegen, die nicht durch die elektrostatische Kraft erreicht werden kann; daher kann der Bewegungsbereich des beweglichen Teils vergrößert werden. Da das bewegliche Teil durch die Rückstellkraft bewegt wird, wenn sich das bewegliche Teil in die zweite Position bewegt, ist darüber hinaus keine elektrische Energie für diese Bewegung erforderlich.
Vorzugsweise weist das feste Teil ein drittes Elektrodenteil auf, und weist das bewegliche Teil ein viertes Elektrodenteil auf, das eine elektrostatische Kraft zwischen diesem vierten Elektrodenteil und dem dritten Elektrodenteil erzeugen kann, infolge einer Spannung, die über diesem vierten Elektrodenteil und dem dritten Elektrodenteil angelegt wird.
Bei dieser Ausführungsform kann der Bewegungsbereich des beweglichen Teils weiter vergrößert werden.
Vorzugsweise wird das zweite Elektrodenteil auch als das vierte Elektrodenteil eingesetzt.
Bei dieser Ausführungsform kann infolge der Tatsache, dass die Konstruktion einfach ist, das Gewicht des beweglichen Teils verringert werden; da die Anzahl erforderlicher Herstellungsprozesse ebenfalls verringert ist, können darüber hinaus die Herstellungskosten verringert werden.
Vorzugsweise ist der Stromweg so angeordnet, dass eine Lorentz-Kraft in jeweiligen Richtungen erzeugt werden kann, die so sind, dass das bewegliche Teil jeweils in eine erste Position bewegt wird, bei welcher die elektrostatische Kraft, die zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil einwirkt, vergrößert wird, und die elektrostatische Kraft, die zwischen dem dritten und vierten Elektrodenteil einwirkt, abnimmt oder verschwindet, und zu einer zweiten Position, bei welcher die elektrostatische Kraft, die zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenteil erzeugt wird, abnimmt oder verschwindet, und die elektrostatische Kraft, die zwischen dem dritten und vierten Elektrodenteil erzeugt wird, zunimmt.
Bei dieser Ausführungsform kann infolge der Tatsache, dass die Lorentz-Kraft, die dazu erforderlich ist, das bewegliche Teil zu einer Position zu bewegen, an welcher das bewegliche Teil gehalten wird, wirksam ausgeübt werden kann, der Energieverbrauch verringert werden, der dazu erforderlich ist, diese Lorentz-Kraft zu erzeugen.
Vorzugsweise ist das bewegliche Teil so angeordnet, dass eine Rückstellkraft, die dazu neigt, das bewegliche Teil zu einer vorgegebenen Position zwischen der ersten und der zweiten Position zurückzustellen, erzeugt wird.
Bei dieser Ausführungsform ist keine elektrische Energie für diese Bewegung erforderlich, da das bewegliche Teil durch die Rückstellkraft bewegt wird, wenn sich das bewegliche Teil in die vorgegebene Position bewegt.
Vorzugsweise ist (a) das erste Elektrodenteil so angeordnet, dass es dem zweiten Elektrodenteil an einer Seite in Bezug auf das bewegliche Teil gegenüberliegt, ist (b) das dritte Elektrodenteil so angeordnet, dass es dem vierten Elektrodenteil an der anderen Seite in Bezug auf das bewegliche Teil gegenüberliegt, ist (c) das bewegliche Teil mechanisch mit dem festen Teil über ein Federteil verbunden, welches Federeigenschaften aufweist, so dass sich ein erster Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil verkleinert, sowie ein zweiter Zwischenraum zwischen dem dritten und dem vierten Elektrodenteil sich vergrößert, wenn das bewegliche Teil in der ersten Position angeordnet ist, und so, dass sich der erste Zwischenraum vergrößert und sich der zweite Zwischenraum verengt, wenn das bewegliche Teil in der zweiten Position angeordnet ist, und wird (d) die Rückstellkraft durch das Federteil erzeugt.
Auch bei dieser Ausführungsform wird keine elektrische Energie für die Bewegung benötigt, da das bewegliche Teil durch die Rückstellkraft bewegt wird, wenn sich das bewegliche Teil in die vorgegebene Position bewegt.
Die Erfindung stellt ebenfalls eine Mikrostellgliedvorrichtung dar, welche ein Mikrostellglied gemäß Patentanspruch 1 aufweist, und ein Steuerteil, welches die Spannung steuert, die über dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil angelegt wird, sowie den Strom, der durch den Stromweg fließt.
Bei dieser Ausführungsform können die Stärke der Lorentz-Kraft und der Zeitpunkt der Erzeugung der Lorentz-Kraft gesteuert werden; daher kann das Mikrostellglied unter geeigneten Bedingungen betrieben werden.
Vorzugsweise (a) steuert das Steuerteil die Spannung und den Strom so, dass das bewegliche Teil zur Bewegung in die erste Position durch die Lorentz-Kraft oder durch die Lorentz-Kraft und die elektrostatische Kraft versetzt wird, wenn das bewegliche Teil in die erste Position bewegt wird, und (b) steuert das Steuerteil die Spannung so, dass das bewegliche Teil in der ersten Position durch die elektrostatische Kraft gehalten wird, und steuert den Strom so, dass dieser Strom nicht fließt, zumindest in einem stabilen Haltezustand, in welchem das bewegliche Teil in der ersten Position gehalten wird.
Bei dieser Ausführungsform wird elektrische Energie, die zum Erzeugen der Lorentz-Kraft eingesetzt wird, nur dann benötigt, wenn das bewegliche Teil in die erste Position bewegt wird; da nur eine elektrostatische Kraft dazu eingesetzt wird, das bewegliche Teil in der ersten Position zu halten, kann der zum Halten erforderliche Energieverbrauch verringert werden.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Mikrostellgliedvorrichtung dar, welche das Mikrostellglied gemäß Patentanspruch 6 aufweist, und ein Steuerteil, welches die Spannung steuert, die über dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil angelegt wird, jene Spannung, die über dem dritten und vierten Elektrodenteil angelegt wird, sowie den Strom, der durch den Stromweg fließt.
Bei dieser Ausführungsform können die Größe der Lorentz-Kraft und der Zeitpunkt der Erzeugung dieser Lorentz-Kraft gesteuert werden; daher kann das Mikrostellglied unter geeigneten Bedingungen betrieben werden.
Vorzugsweise (a) steuert das Steuerteil die Spannung, die über dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil angelegt wird, jene Spannung, die über dem dritten und vierten Elektrodenteil angelegt wird, und den Strom, der durch den Stromweg fließt, so dass das bewegliche Teil zur Bewegung in die erste Position durch die Lorentz-Kraft oder durch die Lorentz-Kraft und die elektrostatische Kraft zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil veranlasst wird, wenn das bewegliche Teil in die erste Position bewegt wird, (b) steuert das Steuerteil die Spannung, die über dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil angelegt wird, jene Spannung, die über dem dritten und dem vierten Elektrodenteil angelegt wird, und den Strom, der durch den Stromweg fließt, so dass das bewegliche Teil zur Bewegung in die zweite Position durch die Lorentz-Kraft oder durch die Lorentz-Kraft und die elektrostatische Kraft zwischen dem dritten und dem vierten Elektrodenteil veranlasst wird, wenn das bewegliche Teil in die zweite Position bewegt wird, (c) steuert das Steuerteil die Spannung, die über dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil angelegt wird, und jene Spannung, die über dem dritten und vierten Elektrodenteil angelegt wird, so, dass das bewegliche Teil in der ersten Position durch die elektrostatische Kraft zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil gehalten wird, und steuert den Strom so, dass dieser Strom nicht fließt, zumindest in einem stabilen Haltezustand, in welchem das bewegliche Teil in der ersten Position gehalten wird, und (d) steuert das Steuerteil die Spannung, die über dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil angelegt wird, und jene Spannung, die zwischen dem dritten und dem vierten Elektrodenteil angelegt wird, so, dass das bewegliche Teil in der zweiten Position durch die elektrostatische Kraft zwischen dem dritten und dem vierten Elektrodenteil gehalten wird, und steuert den Strom so, dass dieser Strom nicht fließt, zumindest in einem stabilen Haltezustand, in welchem das bewegliche Teil in der zweiten Position gehalten wird.
Bei dieser Ausführungsform wird elektrische Energie, die zur Erzeugung der Lorentz-Kraft eingesetzt wird, nur dann benötigt, wenn das bewegliche Teil in die erste Position bewegt wird; da nur eine elektrostatische Kraft dazu eingesetzt wird, das bewegliche Teil in der ersten Position zu halten, kann der zum Halten erforderliche Energieverbrauch verringert werden.
Die Erfindung ist auch ein optischer Schalter, welcher das Mikrostellglied nach Patentanspruch 1 aufweist, und einen Spiegel, der auf dem beweglichen Teil angeordnet ist.
Die Erfindung ist ebenfalls ein Array aus optischen Schaltern, welches mehrere der optischen Schalter gemäß Patentanspruch 15 aufweist, wobei die mehreren optischen Schalter in einer zweidimensionalen Konfiguration angeordnet sind.
Vorzugsweise weist dieses Array aus optischen Schaltern eine Schaltung auf, welche mehrere Schaltelemente enthält, und welche den Strom und die Spannung für optische Schalter in ausgewählten Zeilen und Spalten in Reaktion auf Zeilenauswahlsignale für jede Zeile der mehreren optischen Schalter und Spaltenauswahlsignale für jede Spalte der mehreren optischen Schalter steuert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für ein optisches Schaltersystem zeigt, das ein Array aus optischen Schaltern aufweist, das eine erste Ausbildung der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine schematische Aufsicht, welche einen der optischen Schalter zeigt, welche das Array aus optischen Schaltern bilden, das in 1 gezeigt ist.
3 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie X1–X2 in 2.
4 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie Y1–Y2 in 2.
5 ist eine schematische Schnittansicht entsprechend 3.
6 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches die Beziehung (in Abhängigkeit von der Zeit) des Stroms, der für die Lorentz-Kraft eingesetzt wird, der Spannung, die für die elektrostatische Kraft eingesetzt wird, und der Position des Spiegels in einem der optischen Schalter zeigt, welche das Array aus optischen Schaltern von 1 bilden.
7 ist ein elektrisches Schaltbild, welches das Array aus optischen Schaltern von 1 zeigt.
8 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches die Signale zeigt, die den jeweiligen Klemmen in 7 zugeführt werden.
9 ist eine schematische Schnittansicht, welche modellartig die jeweiligen Prozesse des Arrays aus optischen Schaltern gemäß 1 zeigt.
10 ist eine schematische Schnittansicht, welche modellartig andere jeweilige Prozesse des Arrays aus optischen Schaltern von 1 zeigt.
11 ist eine schematische Aufsicht, welche einen der optischen Schalter zeigt, die ein Array aus optischen Schaltern bilden, das eine zweite Ausbildung der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie X3–X4 in 11.
13 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie Y3–Y4 in 11.
14 ist eine schematische Schnittansicht entsprechend 12.
15 ist eine andere schematische Schnittansicht entsprechend 12.
16 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches die Beziehung (in Abhängigkeit von der Zeit) des Stroms, der für die Lorentz-Kraft eingesetzt wird, der Spannung, die für die elektrostatische Kraft eingesetzt wird, und der Position des Spiegels in einem der optischen Schalter zeigt, die in 11 dargestellt sind.
17 ist ein elektrisches Schaltbild, welches das Array aus optischen Schaltern zeigt, das eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet.
18 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches die Signale zeigt, die den jeweilige Klemmen in 17 zugeführt werden.
Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
Mikrostellglieder, welche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bilden, sowie Mikrostellgliedvorrichtungen, optische Schalter und Arrays aus optischen Schaltern, welche diese Mikrostellglieder einsetzen, werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für ein optisches Schaltersystem zeigt, das ein Array 1 aus optischen Schaltern aufweist, das eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind Achsen X, Y und Z, die jeweils senkrecht aufeinander stehen, so festgelegt, wie dies in 1 gezeigt ist (dies gilt auch für später beschriebene Figuren). Die Oberfläche des Substrats 11 des Arrays 1 aus optischen Schaltern verläuft parallel zur XY-Ebene. Weiterhin wird zur Erleichterung der Beschreibung die positive Seite in Richtung der Z-Achse als die obere Seite bezeichnet, und wird die negative Seite in Richtung der Z-Achse als die untere Seite bezeichnet.
Wie in 1 dargestellt, weist dieses optische Schaltersystem ein Array 1 aus optischen Schaltern auf, M Lichtleitfasern 2, die zur Eingabe von Licht eingesetzt werden, M Lichtleitfasern 3, die zur Ausgabe von Licht eingesetzt werden, N Lichtleitfasern 4, die zur Ausgabe von Licht eingesetzt werden, einen Magneten 5, der als ein Magnetfelderzeugungsteil verwendet wird, das ein Magnetfeld (wie dies nachstehend erläutert wird) für das Array 1 aus optischen Schaltern erzeugt, sowie eine externe Steuerschaltung 6, die Steuersignale abgibt, die zur Erzielung von Lichtwegumschaltzuständen verwendet werden, die durch Lichtwegumschaltzustandsbefehlssignale angedeutet sind, an das Array 1 mit optischen Schaltern in Reaktion auf diese Lichtwegumschaltzustandsbefehlssignale. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist M = 3 und N = 3; jedoch können M und N frei wählbare Zahlen sein.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist, wie in 1 gezeigt, der Magnet 5 ein plattenförmiger Permanentmagnet, der so magnetisiert ist, dass die positive Seite in Richtung der Y-Achse der N-Pol ist, und die negative Seite in Richtung der Y-Achse der S-Pol ist. Dieser Magnet 5 ist an der Unterseite des Arrays 1 aus optischen Schaltern angeordnet, und erzeugt ein Magnetfeld, das durch die Magnetkraftlinien 5a für das Array 1 aus optischen Schaltern angedeutet ist. Im Einzelnen erzeugt der Magnet 5 ein im Wesentlichen gleichmäßiges Magnetfeld, das zur negativen Seite entlang der Richtung der Y-Achse in Bezug auf das Array 1 aus optischen Schaltern ausgerichtet ist. Selbstverständlich wäre es ebenfalls möglich, (beispielsweise) einen Permanentmagnet mit einer anderen Form oder einen Elektromagneten usw. einzusetzen, als das Magnetfelderzeugungsteil, anstelle des Magneten 5.
Wie in 1 dargestellt, weist das Array 1 aus optischen Schaltern ein Substrat 11 und M × N Spiegel 12 auf, die auf dem Substrat 11 angeordnet sind. Die M Lichtleitfasern 2, die zum Zuführen von Licht verwendet werden, sind in einer Ebene parallel zu der XY-Ebene angeordnet, so dass diese Lichtleitfasern einfallendes Licht in Richtung der X-Achse von einer Seite des Substrats 11 in Richtung der X-Achse führen. Die M Lichtleitfasern 3, die zur Ausgabe von Licht verwendet werden, sind an der anderen Seite des Substrats 11 angeordnet, so dass diese Lichtleitfasern jeweils den M Lichtleitfasern 2 zugewandt sind, die zum Zuführen von Licht verwendet werden, und in einer Ebene parallel zur XY-Ebene angeordnet sind, so dass Licht, das sich in Richtung der X-Achse ausbreitet, ohne durch einen der Spiegel 12 des Arrays 1 aus optischen Schaltern reflektiert zu werden, auf diese Lichtleitfasern einfällt. Die N Lichtleitfasern 4, die zur Ausgabe von Licht eingesetzt werden, sind in einer Ebene parallel zur XY-Ebene angeordnet, so dass Licht, das von irgendeinem der Spiegel 12 des Arrays 1 aus optischen Schaltern reflektiert wird, und sich daher in Richtung der Y-Achse ausbreitet, auf diese Lichtleitfasern einfällt. Die M × N Spiegel 12 sind auf dem Substrat 11 in Form einer zweidimensionalen Matrix angeordnet, so dass diese Spiegel geradlinig in Richtung der Z-Achse durch Mikrostellglieder (die nachstehend erläutert werden) so bewegt werden können, dass sich die Spiegel in die jeweiligen Schnittpunkte zwischen den Ausgangslichtwegen der M Lichtleitfasern 2, die zum Zuführen von Licht verwendet werden, und den Zuführungslichtwegen der Lichtleitfasern 4 vorstellen bzw. zurückstellen können, die zur Ausgabe von Licht verwendet werden. Beim vorliegenden Beispiel ist darüber hinaus die Orientierung des Spiegels 12 so eingestellt, dass die Normale dieser Spiegel einen Winkel von 45° mit der X-Achse in der Ebene parallel zur XY-Ebene aufweist. Selbstverständlich kann dieser Winkel geeignet geändert werden, und kann in solchen Fällen, bei welchen der Winkel des Spiegels 12 geändert wird, die Orientierung der Lichtleitfasern 4, die zur Ausgabe von Licht verwendet werden, entsprechend diesem Winkel eingestellt werden. Weiterhin ist bei diesem Beispiel jener Mechanismus, der die Spiegel 12 antreibt, ein Mikrostellglied.
Bei diesem optischen Schaltersystem ist das Prinzip für die Umschaltung des Lichtweges ebenso wie das Prinzip für das Umschalten des Lichtweges bei einem herkömmlichen, zweidimensionalen optischen Schalter.
Als nächstes wird der Aufbau eines der optischen Schalter, die als Einheitselement in dem Array 1 aus optischen Schaltern verwendet werden, das in 1 gezeigt ist, unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 beschrieben. 2 ist eine schematische Aufsicht, die einen optischen Schalter zeigt. 3 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie X1–X2 in 2. 4 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie Y1–Y2 in 2. 5 ist eine schematische Schnittansicht entsprechend 3, und zeigt einen Zustand, in welchem der Spiegel 12 auf der unteren Seite gehaltert wird. Weiterhin zeigt 3 einen Zustand, in welchem der Spiegel 12 auf der oberen Seite gehaltert wird.
Über den voranstehend geschilderten Spiegel 12 und das voranstehend geschilderte Substrat 11 hinaus, das als ein festes Teil verwendet wird, weist dieser optische Schalter eine bewegliche Platte 21 auf, die als ein bewegliches Teil eingesetzt wird, das so angeordnet ist, dass sich dieses Teil in Bezug auf das Substrat 11 bewegen kann. Ein ausgenommenes Teil 13, welches einen Bereich bildet, in welchen sich die bewegliche Platte 21 vorstellt, ist auf dem Substrat 11 vorgesehen. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Halbleitersubstrat, beispielsweise ein Siliziumsubstrat, als das Substrat 11 verwendet, und bildet jener Abschnitt des Substrats 11, welcher der beweglichen Platte 21 zugewandt ist, ein erstes Elektrodenteil. Selbstverständlich wäre es ebenfalls möglich, ein erstes Elektrodenteil getrennt von dem Substrat 11 durch einen Metallfilm und dergleichen auf dem Substrat 11 auszubilden.
Die bewegliche Platte 21 ist als ein Dünnfilm ausgebildet, und weist einen Isolierfilm 22 an der Unterseite auf, zwei zweite Elektrodenteile 23a und 23b, die auf dem Isolierfilm 22 an der Unterseite vorgesehen sind, Abschnitte von Verdrahtungsmustern 24a und 24b, die auf dem Isolierfilm 22 an der Unterseite vorgesehen sind, und jeweils zur elektrischen Verbindung der Elektrodenteile 23a und 23b mit vorgegebenen Orten auf dem Substrat 11 eingesetzt werden, eine Wicklungsschicht 25, die auf dem Isolierfilm 22 an der Unterseite vorgesehen ist, und dazu verwendet wird, als ein Stromweg zu dienen, der in dem Magnetfeld angeordnet ist, das durch den in 1 gezeigten Magneten 5 erzeugt wird, und eine Lorentz-Kraft erzeugt, wenn ein Strom durch diese Wicklungsschicht hindurchgeht, und einen Isolierfilm 26 an der Oberseite, der die Oberseiten der voranstehend geschilderten Elemente abdeckt. Die zweiten Elektrodenteile 23a und 23b können eine elektrostatische Kraft zwischen diesen Elektrodenteilen 23a und 23b und dem Substrat 11 (welches das voranstehend geschilderte, erste Elektrodenteil bildet) mit Hilfe einer Spannung erzeugen, die über diesen Elektrodenteilen und dem Substrat 11 angelegt wird.
Es können beispielsweise SiN-Filme oder SiO₂-Filme und dergleichen als die Isolierfilme 22 und 26 eingesetzt werden. Weiterhin können beispielsweise Metallfilme, etwa Al-Filme, als die Elektrodenteile 23a und 23b, die Verdrahtungsmuster 24a und 24b, und die Wicklungsschicht 25 verwendet werden. Da die Elektrodenteile 23a und 23b, und Abschnitte der Verdrahtungsmuster 24a und 24b und der Wicklungsschicht 25 durch den Isolierfilm 26 abgedeckt werden, sollten diese Teile tatsächlich durch gestrichelte Linien in 2 dargestellt werden; zur Vereinfachung der Darstellung sind auch jene Teile, die durch den Isolierfilm 26 an der Oberseite verborgen werden, mit durchgezogenen Linien dargestellt. Allerdings ist jener Abschnitt der Wicklungsschicht 25, der durch den Spiegel 12 abgedeckt wird, mit gestrichelten Linien dargestellt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind beide Endabschnitte der beweglichen Platte 21 in Richtung der X-Achse mechanisch mit den Umfangsteilen des ausgenommenen Teils 13 in dem Substrat 11 über Biegeteile 27a und 27b verbunden, die als Federteile eingesetzt werden, welche federnde Eigenschaften aufweisen, und über Verankerungsteile 28a und 28b, in dieser Reihenfolge. Die Biegeteile 27a und 27b und die Verankerungsteile 28a und 28b bestehen aus dem Isolierfilm 22 an der Unterseite, den übrigen Abschnitten der voranstehend geschilderten Verdrahtungsmuster 24a und 24b, der Verdrahtungsmuster 29a und 29b, die jeweils für die elektrische Verbindung der Wicklungsschicht 25 mit vorgegebenen Orten auf dem Substrat 11 eingesetzt werden, und dem Isolierfilm 26 an der Oberseite, die sich sämtlich "unverändert" als Fortsetzungen der beweglichen Platte 21 erstrecken. Weiterhin erstrecken sich die Verdrahtungsmuster 29a und 29b "unverändert" als Fortsetzungen des Metallfilms usw., welcher die Wicklungsschicht 25 bildet. Bei den Verankerungsteilen 28a und 28b sind die Verdrahtungsmuster 24a, 24b, 29a und 29b jeweils mit vorgegebenen Orten auf dem Substrat 11 über Durchgangskontaktierungslöcher (in den Figuren nicht dargestellt) verbunden, die in dem Isolierfilm 22 an der Unterseite vorgesehen sind. Die Verdrahtungsmuster 24a und 24b sind elektrisch miteinander durch eine Verdrahtung (in den Figuren nicht gezeigt) verbunden, die auf dem Substrat 11 vorgesehen ist.
Wie in 2 gezeigt, weisen die Biegeteile 27a und 27b eine Mäanderform auf, wie aus der Aufsicht hervorgeht. Dies führt dazu, dass sich die bewegliche Platte 21 nach oben und unten (in Richtung der Z-Achse) bewegen kann. Im einzelnen kann sich bei der vorliegenden Ausführungsform die bewegliche Platte 21 zwischen einer oberen Position (zweiten Position) (siehe die 3 und 4) bewegen, in welche die bewegliche Platte 21 durch eine Federkraft (Rückstellkraft) der Biegeteile 27a und 27b zurückgestellt wird, wenn keine elektrostatische Kraft oder Lorentz-Kraft auf die bewegliche Platte 21 einwirkt, sowie einer unteren Position (ersten Position) (siehe 5), bei welcher die bewegliche Platte 21 sich in das ausgenommene Teil 13 des Substrats 11 vorstellt, und das untere Teil dieses ausgenommenen Teils 13 berührt. Bei der in den 3 und 4 gezeigten, oberen Position wird der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem Substrat 11, das als das erste Elektrodenteil verwendet wird, vergrößert, so dass die elektrostatische Kraft, die zwischen diesen Teilen erzeugt werden kann, absinkt oder verschwindet. In der in 5 gezeigten, unteren Position ist der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem Substrat 11, das als das erste Elektrodenteil verwendet wird, verkleinert, so dass die elektrostatische Kraft vergrößert werden kann, die zwischen diesen Teilen hervorgerufen werden kann.
Die Wicklungsschicht 25 ist so angeordnet, dass eine Lorentz-Kraft in einer Richtung (Richtung nach unten) erzeugt werden kann, welche die bewegliche Platte 21 dazu veranlasst, sich in die in 5 gezeigte, untere Position zu bewegen, bei welcher die voranstehend erwähnte elektrostatische Kraft vergrößert wird. Konkret ist bei der vorliegenden Ausführungsform infolge der Tatsache, dass ein Magnetfeld, das zur negativen Seite hin ausgerichtet ist, entlang der Richtung der Y-Achse durch den in 1 gezeigten Magneten 5 wie voranstehend geschildert erzeugt wird, die Wicklungsschicht 25 so angeordnet, dass sich diese Schicht entlang der Richtung der X-Achse erstreckt, wie in 1 gezeigt ist.
Der Spiegel 12 ist an der oberen Oberfläche der beweglichen Platte 21 aufrechtstehend befestigt. Wie voranstehend geschildert, ist die Orientierung der reflektierenden Oberfläche des Spiegels 12 so eingestellt, dass die Normale dieser reflektierenden Oberfläche einen Winkel von 45° zur X-Achse in der Ebene parallel zur XY-Ebene ausbildet.
Ein Mikrostellglied, welches den Spiegel 12 antreibt, wird durch die Bauteile mit Ausnahme des Spiegels 12 bei der Konstruktion des voranstehend geschilderten optischen Schalters ausgebildet.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf 6 ein Beispiel für das eingesetzte Steuerverfahren und der Betriebsablauf des optischen Schalters bei diesem Steuerverfahren unter Konzentration auf einen einzigen optischen Schalter geschildert. 6 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches die Beziehung (in Abhängigkeit von der Zeit) des Stroms, der durch die Wicklungsschicht 25 eines optischen Schalters fließt, und zur Erzeugung einer Lorentz-Kraft führt (nachstehend als "Strom für die Lorentz-Kraft" bezeichnet), der Spannung, die über dem ersten Elektrodenteil (Substrat 11) dieses optischen Schalters und den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 angelegt wird, und zu einer elektrostatischen Kraft zwischen diesen Teilen (nachstehend als "für die elektrostatische Kraft verwendete Spannung" bezeichnet), und der Position des Spiegels 12 dieses optischen Schalters schildert (und daher der Position der beweglichen Platte 21).
Zunächst wird angenommen, dass der für die Lorentz-Kraft eingesetzte Strom gleich Null ist, und die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung gleich Null ist, so dass der Spiegel 12 in der in den 3 und 4 gezeigten, oberen Position durch die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b gehalten wird. In diesem Zustand wird, wie in 3 gezeigt, das einfallende Licht durch den Spiegel 12 reflektiert, und breitet sich nach vorn in Bezug auf die Figurenebene aus.
Daraufhin wird zum Zeitpunkt T1 eine Steuerung so eingeleitet, dass die Position des Spiegels 12 zu der in 5 gezeigten, unteren Position umgeschaltet wird. Genauer gesagt wird zum Zeitpunkt T1 der für die Lorentz-Kraft eingesetzte Strom auf +I eingestellt. Hierbei ist +I ein Strom, der eine nach unten gerichteten Lorentz-Kraft in der Wicklungsschicht 25 erzeugt, die stärker ist als die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b.
Der Spiegel 12 wird allmählich durch diese Lorentz-Kraft abgesenkt, und hält zum Zeitpunkt T2 an, an welchem die beweglichen Platte 21 das Substrat 11 berührt, so dass der Spiegel 12 in der in 5 gezeigten, unteren Position gehaltert wird.
Der Spiegel 12 wird nicht weiterhin in der unteren Position durch die "unveränderte" Lorentz-Kraft gehalten; zum Zeitpunkt T3 wird die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf V eingestellt, und zum Zeitpunkt T4 wird der für die Lorentz-Kraft eingesetzte Strom auf Null verringert. Hierbei ist V eine Spannung, die eine elektrostatische Kraft erzeugt, die stärker ist als die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b, zumindest dann, wenn der Spiegel 12 in der unteren Position angeordnet ist. In dem Zeitraum von T2–T3 wird der Spiegel 12 in der unteren Position allein durch die Lorentz-Kraft gehalten; in dem Zeitraum von T3–T4 wird der Spiegel 12 in der unteren Position durch die Lorentz-Kraft und die elektrostatische Kraft gehalten, und vom Zeitpunkt T4 an wird der Spiegel 12 in der unteren Position allein durch die elektrostatische Kraft gehalten. Der Zeitraum T2–T4 wird als ein so genannter Unterseitenhalteübergangsabschnitt bezeichnet, in welchem das Halten des Spiegels 12 in der unteren Position von der Lorentz-Kraft auf die elektrostatische Kraft umgeschaltet wird, wogegen der Zeitraum vom Zeitpunkt T4 an als ein so genannter stabiler Zeitraum des Haltens an der unteren Seite bezeichnet wird.
Während jenes Zeitraums, in welchem der Spiegel 12 in der unteren Position gehalten wird, gelangt, wie in 5 gezeigt, das einfallende Licht "unverändert" hindurch, ohne durch den Spiegel 12 reflektiert zu werden, und bildet das ausgesandte Licht.
Dann wird zum Zeitpunkt T5 die Steuerung eingeleitet, um die Position des Spiegels 12 auf die in den 3 und 4 gezeigte, obere Position umzuschalten. Im einzelnen wird zum Zeitpunkt T5 die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf Null verringert. Dies führt dazu, dass der Spiegel 12 in die in den 3 und 4 gezeigte, obere Position relativ schnell durch die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b zurückgestellt wird, und weiterhin in der oberen Position durch diese Federkraft gehalten wird.
Wenn der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b des beweglichen Platte 21 und dem Substrat 11 (ersten Elektrodenteil) groß ist, wird daher der Spiegel 12 in die untere Position gegen die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b durch eine Lorentz-Kraft bewegt, deren Stärke nicht von der Position des Spiegels 12 (also der Position der beweglichen Platte 21) abhängt. Daher kann der Bewegungsbereich der beweglichen Platte 21 vergrößert werden, ohne eine hohe Spannung anzulegen, oder die Anforderung an kleine Abmessungen zu opfern, um die elektrostatische Kraft zu erhöhen. Weiterhin wird in dem stabilen Zustand beim Halten in der unteren Position dann, wenn der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem Substrat 11 (dem ersten Elektrodenteil) verkleinert wird, der Spiegel 12 in der unteren Position nur durch die elektrostatische Kraft gehalten; daher kann der Energieverbrauch verringert werden.
Weiterhin wird bei dem voranstehend geschilderten Beispiel die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf V zum Zeitpunkt T3 zwischen den Zeitpunkten T2 und T4 eingestellt; allerdings kann die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf V zu jedem Zeitpunkt während des Zeitraums T1–T4 eingestellt werden, oder kann die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf V vor dem Zeitpunkt T1 eingestellt werden. Weiterhin kann, wenn die elektrostatische Kraft, die erzeugt wird, wenn die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf V eingestellt ist, kleiner ist als die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b, wenn die bewegliche Platte 21 in der oberen Position angeordnet wird, die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung ebenfalls auf V während des Oberseiten-Haltezeitraums eingestellt werden, nachdem sich die bewegliche Platte 21 in die obere Position bewegt hat, nach dem Zeitpunkt T5. Der Spannungsauffrischungszeitraum an der rechten Seite bei dem in 8 gezeigten Beispiel (nachstehend erläutert) entspricht einem derartigen Fall.
Das in 1 gezeigte Array 1 mit optischen Schaltern weist mehrere optische Schalter jener Art, die in den 2 bis 5 gezeigt sind, als die voranstehend geschilderten Einheitselemente auf; diese optischen Schalter sind in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet. Weiterhin ist die in 7 gezeigte Schaltung, welche mehrere Schaltelemente aufweist, auf dem Array 1 mit optischen Schaltern gemäß 1 angebracht, um die voranstehend geschilderte Steuerung für jeden dieser optischen Schalter unter Einsatz einer kleinen Anzahl an Steuerleitungen zu realisieren. 7 ist ein elektrisches Schaltbild, welches das Array 1 mit optischen Schaltern zeigt.
In 7 sind neun optische Schalter in drei Zeilen und drei Spalten angeordnet, um die Beschreibung zu vereinfachen. Selbstverständlich gibt es keine Einschränkung auf diese Anzahlen; das Prinzip ist beispielsweise ebenso in einem Fall, bei welchem optische Schalter in 100 Zeilen und 100 Spalten angeordnet sind.
In Bezug auf die betreffende elektrische Schaltung kann der einzelne optische Schalter, der in den 2 bis 5 gezeigt ist, als ein einziger Kondensator angesehen werden (entsprechend einem zusammengesetzten Kondensator, bei welchem ein Kondensator, der durch die zweite Elektrode 23a und die erste Elektrode (Substrat 11), und einen Kondensator, der durch die zweite Elektrode 23b und die erste Elektrode (Substrat 11) gebildet werden, parallel geschaltet sind), und als eine einzelne Wicklung (entsprechend der Wicklungsschicht 25). In 7 werden die Kondensatoren und Wicklungen der optischen Schalter in m Zeilen und n Spalten jeweils mit Cmn und Lmn bezeichnet. So sind beispielsweise der Kondensator und die Wicklung des optischen Schalters oben links (Zeile eins, Spalte eins) in 7 mit C11 und L11 bezeichnet.
Bei der in 7 gezeigten Schaltung sind, um die Anzahl an Steuerleitungen zu verringern, Spaltenauswahlschalter Mmnb und Mmnd und Zeilenauswahlschalter Mmna und Mmnc jeweils für die Kondensatoren Cmn bzw. die Wicklungen Lmn vorgesehen. Ein Ende jedes Kondensators Cmn ist an ein Ende des zugehörigen Zeilenauswahlschalters Mmna angeschlossen, das andere Ende dieses Zeilenauswahlschalters Mmna ist an eines Ende des zugehörigen Spaltenauswahlschalters Mmnb angeschlossen, und das andere Ende dieses Spaltenauswahlschalters Mmnb ist an eines Ende eines Spannungssteuerschalters MC1 und an eines Ende eines Spannungssteuerschalters MC2 angeschlossen. Das andere Ende jedes Kondensators Cmn ist an Masse angeschlossen. Das andere Ende des Spannungssteuerschalters MC1 ist an eine Klemmspannung VC angeschlossen, und das andere Ende des Spannungssteuerschalters MC2 ist an Masse angeschlossen.
Weiterhin ist ein Ende jeder Wicklung Lmn an ein Ende des entsprechenden Zeilenauswahlschalters Mmnc angeschlossen, ist das andere Ende dieses Zeilenauswahlschalters Mmnc an ein Ende des zugehörigen Spaltenauswahlschalters Mmnd angeschlossen, und ist das andere Ende dieses Spaltenauswahlschalters Mmnd an ein Ende eines Stromsteuerschalters MC3 angeschlossen. Das andere Ende jeder Wicklung Lmn ist an Masse angeschlossen. Das andere Ende des Stromsteuerschalters MC3 ist an ein Ende einer Stromquelle I1 angeschlossen, welche den voranstehend erwähnten Strom +I liefert, und das andere Ende der Stromquelle I1 ist an Masse angeschlossen.
Die Spaltenauswahlschalter Mmnb und Mmnd, die Zeilenauswahlschalter Mmna und Mmnc, die Spannungssteuerschalter MC1 und MC2, und der Stromsteuerschalter MC3, die als Schaltelemente ausgebildet sind, können aus (beispielsweise) N-Transistoren des Typs MOS bestehen, die auf dem Substrat 11 vorgesehen sind, falls ein Siliziumsubstrat als das Substrat 11 verwendet wird.
Die Gates der Zeilenauswahlschalter M11a, M11c, M12a, M12c, M13a, und M13c der ersten Zeile sind an eine Klemme V1 angeschlossen. Entsprechend sind die Gates der Zeilenauswahlschalter der zweiten Zeile an eine Klemme V2 angeschlossen, und sind die Gates der Zeilenauswahlschalter der dritten Zeile an eine Klemme V3 angeschlossen.
Die Gates der Spaltenauswahlschalter M11b, M11d, M21b, M21d, M31b, und M31d der ersten Spalte sind an eine Klemme H1 angeschlossen. Entsprechend sind die Gates der Spaltenauswahlschalter der zweiten Spalte an eine Klemme H2 angeschlossen, und sind die Gates der Spaltenauswahlschalter der dritten Spalte an eine Klemme H3 angeschlossen.
Als nächstes ist in 8 ein Beispiel für ein Zeitablaufdiagramm der Spannungen dargestellt, welche an die Klemmen V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2 und C3 angelegt werden. In 8 ist der Zeitraum vor dem Zeitpunkt t1 ein Spannungsauffrischungszeitraum, in welchem die Kondensatoren Cmn sämtlicher optischer Schalter auf eine Klemmspannung VC vorgespannt werden. Daher befinden sich während dieses Zeitraums sämtliche Klemmen V1, V2, V3, H1, H2 und H3 auf einem hohen Pegel, und befinden sich sämtliche Spaltenauswahlschalter Mmnb und Mmnd und Zeilenauswahlschalter Mmna und Mmnc im leitfähigen Zustand. Weiterhin befindet sich in diesem Zeitraum die Klemme C1 auf hohem Pegel, und die Klemme C2 auf niedrigem Pegel, so dass der Spannungssteuerschalter MC1 sich im leitfähigen Zustand befindet, und sich der Spannungssteuerschalter MC2 im nicht leitenden Zustand befindet. Weiterhin liegt die Klemme C3 auf niedrigem Pegel, so dass sich der Stromsteuerschalter MC3 im nicht leitenden Zustand befindet. Während des Spannungsauffrischungszeitraums werden die Spiegel 12 entweder in der oberen Position oder in der unteren Position gehalten. Bei dem in 8 dargestellten Beispiel werden die Spiegel 12 in der unteren Position während des Spannungsauffrischungszeitraums vor dem Zeitpunkt t1 gehalten.
Hierbei werden bei der vorliegenden Ausführungsform die Signale (Spannungen), die an die Klemmen V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2 und C3 angelegt werden, als Steuersignale von der in 1 dargestellten, externen Steuerschaltung 6 geliefert. Beispielsweise untersucht die externe Steuerschaltung 6 optische Schalter, deren Positionszustand von dem momentanen Positionszustand aus auf Grundlage von Lichtwegumschaltzustandsbefehlssignalen geändert werden soll, und stellt daraufhin einzeln Änderungszeiträume für jeden der optischen Schalter ein, dessen Zustand geändert werden soll. In Fällen, bei welchen keine optischen Schalter vorhanden sind, deren Positionszustand sich von dem momentanen Positionszustand aus ändern soll, wird der voranstehend geschilderte Spannungsauffrischungszeitraum eingestellt. Weiterhin können in solchen Fällen, bei welchen mehrere Zustandsänderungszeiträume eingestellt sind (also in solchen Fällen, in welchen die Anzahl optischer Schalter, deren Positionszustand von dem momentanen Positionszustand aus geändert werden soll, gleich zwei oder größer ist), Spannungsauffrischungszeiträume zwischen den jeweiligen Zustandsänderungszeiträumen eingestellt werden, oder können derartige Spannungsauffrischungszeiträume weggelassen werden. Beispielsweise in einem Fall, in welchem die Anzahl optischer Schalter, deren Positionszustand von dem momentanen Positionszustand geändert werden soll, gleich drei beträgt, kann eine Abfolge folgendermaßen eingestellt werden: Zustandsänderungszeitraum → Spannungsauffrischungszeitraum → Zustandsänderungszeitraum → Spannungsauffrischungszeitraum → Zustandsänderung, oder können Zustandsänderungszeiträume durchgehend eingestellt werden. Weiterhin werden in den jeweiligen eingestellten Zustandsänderungszeiträumen Signale, die an die Klemmen V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2 und C3 angelegt werden, so zugeführt, dass die voranstehend erwähnte, in 6 dargestellte Steuerung entsprechend den vorgegebenen Lichtwegumschaltzuständen für die entsprechenden optischen Schalter erzielt wird. Darüber hinaus kann selbstverständlich die externe Steuerschaltung 6 auch auf dem Array 1 aus optischen Schaltern angebracht sein.
8 zeigt ein Beispiel, bei welchem durch die externe Steuerschaltung 6 folgende Abfolge eingestellt ist: Spannungsauffrischungszeitraum → Zustandsänderungszeitraum für den optischen Schalter von Zeile 1 und Spalte 1 → Spannungsauffrischungszeitraum. Bei dem in 8 dargestellten Beispiel werden die Spiegel 12 in der unteren Position während des Spannungsauffrischungszeitraums vom Zeitpunkt t1 gehalten. Zum Zeitpunkt t1 wird ein Zustandsänderungszeitraum für den optischen Schalter von Zeile 1 und Spalte 1 eingeleitet, und werden die Klemmen V2, V3, H2 und H3 auf den niedrigen Pegel gesetzt, so dass die Kondensatoren mit Ausnahme des Kondensators C11 isoliert sind. Dann wird zum Zeitpunkt t3 die Klemme C2 auf den hohen Pegel versetzt, so dass die Ladung von C11 entladen wird, und die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf Null verringert wird. Dieser Zeitpunkt t3 entspricht dem Zeitpunkt T5 in 6. Dies führt dazu, dass die elektrostatische Kraft abgeschaltet ist, so dass sich der Spiegel 12 in die in den 3 und 5 gezeigte, obere Position bewegt, und in dieser Position gehalten wird. Dann wird zum Zeitpunkt t4 die Klemme C2 auf den niedrigen Pegel eingestellt, und wird zum Zeitpunkt t5 die Klemme C1 auf den hohen Pegel eingestellt. Dann wird zum Zeitpunkt t6 dieser Zustandsänderungszeitpunkt beendet, und wird ein Spannungsauffrischungszeitraum eingeleitet.
Während des Zeitraums, der sich vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t6 erstreckt, wird das Halten der Spiegel 12 der optischen Schalter mit Ausnahme des optischen Schalters von Zeile 1 und Spalte 1 in der unteren Position durch die Spannung erzielt, die durch die Ladungen hervorgerufen wird, die in den jeweiligen Kondensatoren verbleiben. Daher ist es wünschenswert, dass die jeweiligen Kondensatoren so ausgebildet sind, dass ein geringer Kriechstrom auftritt, wenn sich die MOS-Schalter im nicht-leitenden Zustand befinden.
Als nächstes wird ein Beispiel für das Verfahren, das zur Herstellung des Arrays 1 aus optischen Schaltern verwendet wird, welches die vorliegende Ausführungsform bildet, unter Bezugnahme auf die 9 und 10 erläutert. Die jeweiligen, in den 9 und 10 dargestellten Darstellungen sind schematische Schnittansichten, welche diesen Herstellungsprozess modellartig erläutern, und 4 entsprechen.
Zuerst werden MOS-Transistoren (in den Figuren nicht dargestellt), welche die in 7 gezeigten Schalter Mmna, Mmnb, Mmnc, Mmnd, MC1, MC2 und MC3 bilden, durch einen üblichen MOS-Prozess auf einem Siliziumsubstrat 31 hergestellt, welches das voranstehend geschilderte Substrat 11 bilden soll. Weiterhin wird eine Verdrahtung (in den Figuren nicht dargestellt), die dazu erforderlich ist, die in 7 dargestellte Schaltung auszubilden, auf dem Siliziumsubstrat 31 ausgebildet. Ein SiO₂-Film 32 wird auf der Oberfläche des Substrats 31 in diesem Zustand ausgebildet. Dann wird ein SiN-Film 33, welcher den Isolierfilm 22 an der Unterseite bilden soll, oben auf dem SiO₂-Film 32 hergestellt. Weiterhin werden Löcher, die für Verbindungen benötigt werden, durch ein Photoätzverfahren in dem SiO₂-Film 32 und dem SiN-Film 33 an Orten ausgebildet, an welchen die Verdrahtungsmuster 24a, 24b, 29a und 29b mit den MOS-Transistoren verbunden werden sollen, die auf dem Substrat 31 vorgesehen sind. Ein Al-Film 34, der zur Ausbildung der Elektrodenteile 23a und 23b, der Verdrahtungsmuster 24a, 24b, 29a und 29b dienen soll, und der Wicklungsschicht 25, wird durch ein Dampfablagerungsverfahren und dergleichen auf dem Substrat 31 in diesem Zustand ausgebildet; dieser Film wird dann mit einem Muster versehen, um die Form dieser Teile auszubilden. Danach wird ein SiN-Film 35, der den Isolierfilm 26 an der Oberseite ausbilden soll, hergestellt, und werden die SiN-Filme 33 und 35 zu Mustern mit den Formen der beweglichen Platte 21, der Biegeteile 27a und 27b, und der Verankerungsteile 28a und 28b ausgeformt, durch ein Photoätzverfahren (9(a)).
Dann wird ein SiO₂-Film 36 auf dem Substrat 31 in dem in 9(a) dargestellt Zustand hergestellt. Dann wird dieser Film 36 an den Orten entfernt, an welchen der Spiegel 12 in dem SiO₂-Film 36 hergestellt werden soll, und werden die SiO₂-Filme 32 und 36 an den Orten entfernt, an welchen Ätzlöcher in den SiO₂-Filmen 32 und 36 ausgebildet werden sollen (9(b)).
Dann wird das Substrat in dem in 9(b) gezeigten Zustand dick mit einem Resist 37 beschichtet. Hierbei wird das Resist 37 so belichtet und entwickelt, dass ein Bereich, in welchem der Spiegel 12 aufwächst, in dem Resist 37 hervorgerufen wird (9(c)). Dann wird Au, Ni oder ein anderes Metall 38, das den Spiegel 12 ausbilden soll, durch Elektroplattieren angebracht (10(a)).
Dann wird, nachdem das Resist 37 entfernt wurde, eine KOH-Lösung über die Ätzlöcher eingespritzt, und werden Abschnitte des Substrats 31 entfernt (10(b)).
Schließlich werden die verbleibenden SiO₂-Filme 32 und 36 entfernt. Dies führt dazu, dass das Array 1 aus optischen Schaltern gemäß der vorliegenden Ausführungsform fertig gestellt ist.
[Zweite Ausführungsform]
11 ist eine schematische Aufsicht, die einen optischen Schalter zeigt, der als ein Einheitselement in einem Array mit optischen Schaltern verwendet wird, welches eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet. In 11 sollte eigentlich das obere Elektrodenteil 41 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt sein; zur Vereinfachung des Verständnisses ist allerdings dieses Elektrodenteil 41 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. 12 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie X3–X4 in 11. 13 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie Y3–Y4 in 11. 14 ist eine schematische Schnittansicht entsprechend 12, und zeigt einen Zustand, in welchem der Spiegel 12 in der oberen Position gehalten wird. 15 ist eine schematische Schnittansicht entsprechend 12, und zeigt einen Zustand, in welchem der Spiegel 12 in der unteren Position gehalten wird. Weiterhin zeigen die voranstehend erläuterten 3 und 4, die 12 und 13 einen Zustand, bei welchem die bewegliche Platte 21 in der Position angeordnet ist, zu welcher diese bewegliche Platte 21 durch die Federkraft (Rückstellkraft) der Biegeteile 27a und 27b zurückgestellt werden soll, wenn keine elektrostatische Kraft oder Lorentz-Kraft auf die bewegliche Platte 21 einwirkt; bei der vorliegenden Ausführungsform wird diese Position als die neutrale Position bezeichnet.
In den 11 bis 15 werden gleiche Elemente wie die Elemente in den 1 bis 5, welche derartigen Elementen entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und wird auf eine redundante Beschreibung verzichtet.
Das Array aus optischen Schaltern gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann anstelle des Arrays 1 aus optischen Schaltern in dem optischen Schaltersystem von 1 eingesetzt werden. Das Array mit optischen Schaltern gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Array 1 aus optischen Schaltern in der Hinsicht, dass ein oberes Elektrodenteil (drittes Elektrodenteil) 41, das oberhalb der beweglichen Platte 21 angeordnet ist, bei den einzelnen optischen Schaltern zusätzlich vorgesehen ist, welche als Einheitselemente eingesetzt werden.
Das obere Elektrodenteil 41 wird unter Einsatz von Polysilizium als Material für dieses Teil hergestellt. In den 11 bis 15 sind mit 42a und 42b obere Elektrodenverankerungsteile bezeichnet, mit 43a und 43b Anstiegsteile, und ist mit 44 ein Durchgangsloch bezeichnet, das in dem zentralen Abschnitt des oberen Elektrodenteils 41 vorgesehen ist. Das obere Elektrodenteil 41 ist als einstückige oder vereinigte Einheit ausgebildet, mit den Anstiegsteilen 43a und 43b und den Verankerungsteilen 42a und 42b für die obere Elektrode, und ist mechanisch mit den Umfangsabschnitten des ausgenommenen Teils 13 in dem Substrat 11 über die Anstiegsteile 43a und 43b und die Verankerungsteile 42a und 42b für die obere Elektrode in dieser Reihenfolge verbunden. Daher bildet, da das obere Elektrodenteil 41 an dem Substrat 11 befestigt ist, das obere Elektrodenteil 41 ein festes Teil zusammen mit dem Substrat 11.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wirken die Elektrodenteile 23a und 23b der beweglichen Platte 21 nicht nur als zweite Elektrodenteile, welche eine elektrostatische Kraft zwischen diesen Elektrodenteilen und dem ersten Elektrodenteil (Substrat 11) erzeugen können, sondern auch als vierte Elektrodenteile, welche eine elektrostatische Kraft zwischen diesen Elektrodenteilen und dem oberen Elektrodenteil (dritten Elektrodenteil) 41 erzeugen können. Selbstverständlich wäre es anstelle eines derartigen vereinigten Einsatzes ebenfalls (beispielsweise) möglich, einen Metallfilm und dergleichen auszubilden, der ein derartiges viertes Elektrodenteil oben auf dem Isolierfilm 26 in der beweglichen Platte 21 ausbildet, und darüber hinaus einen weiteren Isolierfilm oben auf diesem vierten Elektrodenteil vorzusehen.
Weiterhin ist bei der vorliegenden Ausführungsform die bewegliche Platte 21 so ausgelegt, dass sich diese bewegliche Platte zwischen einer oberen Position (zweiten Position) (vgl. 14), an welcher sich die bewegliche Platte 21 nach oben von der voranstehend geschilderten Neutralposition bewegt, und das obere Elektrodenteil 41 berührt, und einer unteren Position (ersten Position) (siehe 15) bewegen kann, an welcher die bewegliche Platte 21 in das ausgenommene Teil 13 des Substrats 11 eindringt, und das untere Teil dieses ausgenommenen Teils berührt. Bei der in 14 gezeigten, oberen Position ist der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem Substrat 11, das als ein erstes Elektrodenteil verwendet wird, vergrößert, so dass die elektrostatische Kraft, die zwischen diesen Elektrodenteilen erzeugt werden kann, absinkt oder verschwindet, und der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem oberen Elektrodenteil (dritten Elektrodenteil) 41 verkleinert wird, so dass die elektrostatische Kraft, die zwischen diesen Elektrodenteilen erzeugt werden kann, vergrößert wird. Andererseits wird in der in 15 gezeigten, unteren Position der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem Substrat 11, das als ein erstes Elektrodenteil verwendet wird, verkleinert, so dass die elektrostatische Kraft, die zwischen diesen Elektrodenteilen erzeugt werden kann, vergrößert wird, und wird der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem oberen Elektrodenteil (dritten Elektrodenteil) 41 vergrößert, so dass die elektrostatische Kraft, die zwischen diesen Elektrodenteilen erzeugt werden kann, absinkt oder verschwindet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind das erste Elektrodenteil (Substrat 11) und das obere Elektrodenteil 41, das als ein drittes Elektrodenteil verwendet wird, elektrisch zusammengeschaltet. Dies führt dazu, dass in Bezug auf die zweiten Elektrodenteile 23a und 23b der beweglichen Platte 21 die gleiche Spannung gleichzeitig zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem ersten Elektrodenteil (Substrat 11) angelegt wird, und über den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem oberen Elektrodenteil 41, das als ein drittes Elektrodenteil eingesetzt wird. Selbstverständlich wäre es ebenfalls möglich, das System so auszulegen, dass das erste Elektrodenteil (Substrat 11) und das obere Elektrodenteil 41, die als ein drittes Elektrodenteil verwendet werden, nicht elektrisch verbunden sind, und so, dass Spannungen unabhängig über den zweiten Elektrodenteilen 23a und 13b der beweglichen Platte 21 und dem ersten Elektrodenteil (Substrat 11) angelegt werden können, und über den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem oberen Elektrodenteil 41, das als ein drittes Elektrodenteil bezeichnet wird.
Weiterhin wird ein Mikrostellglied, das den Spiegel 12 antreibt, durch andere Bestandteile als den Spiegel 12 bei dem Aufbau des optischen Schalters ausgebildet, der in den 11 bis 15 gezeigt ist.
Als nächstes wird ein Beispiel für das Steuerverfahren, das bei der vorliegenden Ausführungsform eingesetzt wird, und den Betriebablauf des optischen Schalters, der bei diesem Steuerverfahren erreicht wird, unter Bezugnahme auf die 16 beschrieben, unter Konzentration auf einen einzigen optischen Schalter. 16 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches die Beziehung (in Abhängigkeit von der Zeit) des Stroms, der durch die Wicklungsschicht 25 eines optischen Schalters fließt, und zu einer Lorentz-Kraft führt (nachstehend als "für die Lorentz-Kraft eingesetzter Strom" bezeichnet), jener Spannung, die über das erste Elektrodenteil (Substrat 11) dieses optischen Schalters und den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte angelegt wird, und über den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 dieses optischen Schalters und dem oberen Elektrodenteil (drittes Elektrodenteil), und welche zur jeweiligen elektrostatischen Kraft zwischen diesen Teilen (nachstehend als "für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung" bezeichnet) führt, und der Position des Spiegels 12 dieses optischen Schalters zeigt (und daher der Position der beweglichen Platte 21).
Zunächst wird angenommen, dass der für die Lorentz-Kraft eingesetzte Strom gleich Null ist, und die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung gleich V ist, so dass der Spiegel 12 in der oberen Position in 14 durch die elektrostatische Kraft zwischen den Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem oberen Elektrodenteil 41 gehalten wird. In diesem Fall wird die Spannung V so eingestellt, dass die elektrostatische Kraft zwischen den Elektrodenteilen 23a und 23b und dem oberen Elektrodenteil 41 stärker ist als die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b. In diesem Fall wird das einfallende Licht durch den Spiegel 12 reflektiert, und breitet sich nach vorn in Bezug auf die Figurenebene aus, wie in 14 gezeigt ist.
Dann wird zum Zeitpunkt T1 die Steuerung eingeleitet, um die Position des Spiegels 12 auf die in 15 gezeigte, untere Position umzuschalten. Im Einzelnen wird zum Zeitpunkt T1 die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf Null verringert. Dies führt dazu, dass der Spiegel 12 zum Zurückstellen in die in den 12 und 13 gezeigte Neutralposition relativ schnell durch die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b veranlasst wird.
Dann wird zum Zeitpunkt T2 der für die Lorentz-Kraft eingesetzte Strom auf +I eingestellt. Hierbei ist +I ein Strom, der eine nach unten orientierte Lorentz-Kraft erzeugt, die stärker ist als die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b in der Wicklungsschicht 25.
Der Spiegel 12 wird allmählich durch diese Lorentz-Kraft abgesenkt, und hält zum Zeitpunkt T3 an, an welchem die bewegliche Platte 21 das Substrat 11 berührt; der Spiegel 12 wird dann in der in 15 gezeigten, unteren Position gehalten.
Der Spiegel 12 bleibt nicht "unverändert" in der unteren Position durch diese Lorentz-Kraft gehaltert; nachdem die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf V zum Zeitpunkt T4 eingestellt wurde, wird der für die Lorentz-Kraft eingesetzte Strom zum Zeitpunkt T5 auf Null verringert. Hierbei weist die Spannung V denselben Wert wie voranstehend geschildert auf; diese Spannung V wird auf eine Spannung eingestellt, die eine elektrostatische Kraft erzeugt, die stärker ist als die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b, wenn der Spiegel 12 in der unteren Position angeordnet ist. Während des Zeitraums von T3–T4 wird der Spiegel 12 in der unteren Position nur durch die Lorentz-Kraft gehalten; während des Zeitraums T4–T5 wird der Spiegel 12 in der unteren Position durch die Lorentz-Kraft und die elektrostatische Kraft gehalten, und während des Zeitraums vom Zeitpunkt T5 an wird der Spiegel 12 in der unteren Position nur durch die elektrostatische Kraft gehalten. Der Zeitraum von T3–T5 ist ein so genannter Unterseitenhalte-Übergangszeitraum, in welchem das Haltern des Spiegels 12 in der unteren Position von der Lorentz-Kraft auf die elektrostatische Kraft umgeschaltet wird, und der Zeitraum vom Zeitpunkt T5 an wird als ein so genannter stabiler Zeitraum des Halterns der unteren Seite bezeichnet.
Während des Zeitraums, in welchem der Spiegel 12 in der unteren Position gehalten wird, wie in 15 gezeigt, gelangt das auftreffende Licht "unverändert" hindurch, und wird so zu ausgesandtem Licht, das nicht von dem Spiegel 12 reflektiert wird.
Dann wird zum Zeitpunkt T6 eine solche Steuerung eingeleitet, dass die Position des Spiegels 12 auf die obere Position umgeschaltet wird, die in 14 gezeigt ist. Im Einzelnen wird zum Zeitpunkt T6 die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf Null verringert. Dies führt dazu, dass der Spiegel 12 zu der Neutralposition, die in den 12 und 13 dargestellt ist, relativ schnell zurückgestellt wird, durch die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b.
Dann wird zum Zeitpunkt T7 der für die Lorentz-Kraft eingesetzte Strom auf –I eingestellt. Hierbei ist –I ein Strom, der eine nach oben gerichtete Lorentz-Kraft erzeugt, die stärker ist als die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b in der Wicklungsschicht 25.
Der Spiegel 12 wird allmählich durch diese Lorentz-Kraft angehoben, und hält zum Zeitpunkt T8 an, bei welchem die bewegliche Platte 21 das obere Elektrodenteil 41 berührt; der Spiegel 12 wird dann in der in 14 gezeigten, oberen Position gehalten.
Der Spiegel 12 bleibt nicht "unverändert" in der oberen Position durch diese Lorentz-Kraft gehalten; nachdem die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf V zum Zeitpunkt T9 eingestellt wurde, wird der für die Lorentz-Kraft verwendete Strom auf Null zum Zeitpunkt T10 verringert. Während des Zeitraums von T8–T9 wird der Spiegel 12 in der oberen Position nur durch die Lorentz-Kraft gehalten; während des Zeitraums von T9–T10 wird der Spiegel 12 in der oberen Position durch die Lorentz-Kraft und die elektrostatische Kraft gehalten, und während des Zeitraums seit dem Zeitpunkt T10 wird der Spiegel 12 in der oberen Position nur durch die elektrostatische Kraft gehalten. Der Zeitraum von T8–T10 ist ein so genannter Oberseitenhalte-Übergangszeitraum, in welchem das Haltern des Spiegels 12 in der oberen Position von der Lorentz-Kraft auf die elektrostatische Kraft umgeschaltet wird, und der Zeitraum seit dem Zeitpunkt T10 ist ein so genannter stabiler Zeitraum des Halterns der oberen Seite.
Wenn der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem Substrat 11 (dem ersten Elektrodenteil) groß ist, wird daher der Spiegel 12 in die untere Position gegen die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b durch eine Lorentz-Kraft bewegt, deren Größe nicht von der Position des Spiegels 12 (also der Position der beweglichen Platte 21) abhängt. Weiterhin wird, wenn der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem oberen Elektrodenteil 41 (dem dritten Elektrodenteil) groß ist, der Spiegel 12 in die obere Position gegen die Federkraft der Biegeteile 27a und 27b durch eine Lorentz-Kraft bewegt, deren Größe nicht von der Position des Spiegels 12 abhängt. Daher kann der Bewegungsbereich der beweglichen Platte 21 vergrößert werden, ohne eine hohe Spannung anzulegen, oder die kleinen Abmessungen zu beeinträchtigen, um die elektrostatische Kraft zu erhöhen. Weiterhin wird in dem stabilen Zustand des Halterns in der unteren Position, wenn der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem Substrat 11 (dem ersten Elektrodenteil) kleiner wird, und in dem stabilen Zustand des Halterns in der oberen Position, bei welchem der Zwischenraum zwischen den zweiten Elektrodenteilen 23a und 23b der beweglichen Platte 21 und dem oberen Elektrodenteil 41 (dem dritten Elektrodenteil) kleiner wird, der Spiegel 12 in der unteren Position bzw. oberen Position allein durch die elektrostatische Kraft gehalten; daher kann der Energieverbrauch verringert werden.
Weiterhin wird bei dem letzten voranstehend geschilderten Beispiel die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf V zum Zeitpunkt T4 zwischen den Zeitpunkten T3 und T5 eingestellt; allerdings kann die für die elektrostatische Kraft verwendete Spannung auf V zu jedem Zeitpunkt während des Zeitraums von T1–T4 eingestellt werden. Entsprechend wird bei dem letzten voranstehend geschilderten Beispiel die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf V zum Zeitpunkt T9 zwischen den Zeitpunkten T8 und T10 eingestellt; allerdings kann die für die elektrostatische Kraft verwendete Spannung auf V zu jedem Zeitpunkt während des Zeitraums von T6–T9 eingestellt werden.
Das Array 1 aus optischen Schaltern gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist mehrere optische Schalter der in den 11 bis 15 gezeigten Art als die voranstehend geschilderten Einheitselemente auf, und diese optischen Schalter sind in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet. Weiterhin ist die in 17 dargestellte Schaltung, die mehrere Schaltelemente aufweist, auf dem Array 1 aus optischen Schaltern der vorliegenden Ausführungsform angebracht, um die voranstehend geschilderte Steuerung jedes dieser optischen Schalter unter Einsatz einer kleinen Anzahl an Steuerleitungen zu erzielen. 17 ist ein elektrisches Schaltbild, welches das Array aus optischen Schaltern gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In 17 sind gleiche Elemente wie in 7 oder entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und insoweit wird auf eine redundante Beschreibung verzichtet.
Die in 17 dargestellte Schaltung unterscheidet sich von der in 7 dargestellten Schaltung in der Hinsicht, dass ein Stromsteuerschalter MC4 und eine Stromquelle I2 zugefügt sind, welche den voranstehend geschilderten Strom –I liefern. Ein Ende des Stromsteuerschalters MC4 ist an das zweite Ende jedes Spaltenauswahlschalters Mmnd angeschlossen, und das andere Ende des Stromsteuerschalters MC4 ist an ein Ende der Stromquelle I2 angeschlossen. Das andere Ende der Stromquelle I2 ist mit Masse verbunden. Das Gate des Stromsteuerschalters MC4 ist an eine Klemme C4 angeschlossen.
Weiterhin entsprechen in 17 die Kondensatoren Cmn der optischen Schalter in m Zeilen und n Spalten vereinigten Kondensatoren, bei welchen die Kondensatoren, die durch die zweite Elektrode 23a und die erste Elektrode (Substrat 11) gebildet werden, die Kondensatoren, die durch die zweite Elektrode 23b und die erste Elektrode (Substrat 11) gebildet werden, die Kondensatoren, die durch die zweite Elektrode 23a und das obere Elektrodenteil 41 (das dritte Elektrodenteil) gebildet werden, und die Kondensatoren, die auf der zweiten Elektrode 23b und dem oberen Elektrodenteil 41 vorgesehen sind, parallel geschaltet sind.
Als nächstes ist ein Beispiel für ein Zeitablaufdiagramm für jene Spannungen, die an die jeweilige Klemme V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2, C3 und C4 angelegt werden, in 18 dargestellt. In 18 ist der Zeitraum vor dem Zeitpunkt t1 ein Spannungsauffrischungszeitraum, in welchem die Kondensatoren Cmn sämtlicher optischer Schalter auf eine Klemmspannung VC vorgespannt werden. Daher befinden sich während dieses Zeitraums die Klemmen V1, V2, V3, H1, H2 und H3 sämtlich auf hohem Pegel, so dass sich sämtliche Spaltenauswahlschalter Mmnb und Mmnd und Zeilenauswahlschalter Mmna und Mmnc im leitfähigen Zustand befinden. Weiterhin befindet sich während dieses Zeitraums die Klemme C1 auf hohem Pegel, und befindet sich die Klemme C2 auf niedrigem Pegel, so dass der Steuerspannungsschalter MC1 sich im leitfähigen Zustand befindet, und der Spannungssteuerschalter MC2 sich im nicht-leitfähigen Zustand befindet. Weiterhin liegen die Klemmen C3 und C4 auf niedrigem Pegel, so dass sich die Stromsteuerschalter MC3 und MC4 im nicht leitenden Zustand befinden. Während des Spannungsauffrischungszeitraums werden die Spiegel 12 entweder in der oberen oder in der unteren Position gehalten.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Signale (Spannungen), die an die Klemmen V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2, C3 und C4 angelegt werden, als Steuersignale von einer externen Steuerschaltung zugeführt, welche der in 1 gezeigten, externen Steuerschaltung 6 entspricht. Wie die externe Steuerschaltung 6 von 1 untersucht diese externe Steuerschaltung optische Schalter, deren Positionszustand von dem momentanen Positionszustand geändert werden soll, (beispielsweise) auf Grundlage von Lichtwegumschaltzustandsbefehlssignalen, und stellt aufeinanderfolgend Zustandsänderungszeiträume jeweils zu einem Zeitpunkt für jeden der optischen Schalter ein, deren Zustand geändert werden soll. In Fällen, bei welchen keine optischen Schalter vorhanden sind, dessen Positionszustand von dem momentanen Positionszustand geändert werden soll, wird der voranstehend geschilderte Spannungsauffrischungszeitraum eingestellt. Weiterhin können in solchen Fällen, bei welchen mehrere Zustandsänderungszeiträume eingestellt werden (also in solchen Fällen, bei welchen die Anzahl an optischen Schaltern, deren Positionszustand von dem momentanen Positionszustand aus geändert werden soll, gleich zwei oder größer ist), Spannungsauffrischungszeiträume zwischen den jeweiligen Zustandsänderungszeiträumen eingestellt werden, oder können derartige Spannungsauffrischungszeiträume weggelassen werden. Beispielsweise in einem Fall, in welchem die Anzahl optischer Schalter, deren Positionszustand von dem momentanen Positionszustand geändert werden soll, gleich drei ist, kann eine Abfolge des Zustandsänderungszeitraums → Spannungsauffrischungszeitraum → Zustandsänderungszeitraum → Spannungsauffrischungszeitraum → Zustandsänderungszeitraum eingestellt werden, oder können Zustandsänderungszeiträume durchgehend eingestellt werden. Weiterhin werden bei den jeweiligen eingestellten Zustandsänderungszeiträumen Signale, die an die Klemmen V1, V2, V3, H1, H2, H3, C1, C2, C3 und C4 angelegt werden geliefert, so dass die voranstehend geschilderte, in 6 dargestellte Steuerung erzielt wird, entsprechend den vorgegebenen Lichtwegumschaltzuständen für die entsprechenden optischen Schalter. Darüber hinaus kann selbstverständlich die externe Steuerschaltung 6 auch auf dem Array 1 aus optischen Schaltern angebracht sein.
18 zeigt ein Beispiel, bei welchem durch die externe Steuerschaltung 6 folgende Abfolge eingestellt ist: Spannungsauffrischungszeitraum → Zustandsänderungszeitraum für den optischen Schalter von Zeile 1 und Spalte 1 → Spannungsauffrischungszeitraum. Bei dem in 18 gezeigten Beispiel wird während des Spannungsauffrischungszeitraums vor dem Zeitpunkt t1 der Spiegel 12 entweder in der oberen Position oder der unteren Position gehalten. Zum Zeitpunkt t1 wird ein Zustandsänderungszeitraum für den optischen Schalter von Zeile 1 und Spalte 1 eingeleitet; die Klemmen V2, V3, H2 und H3 werden auf den unteren Pegel gesetzt, so dass Kondensatoren mit Ausnahme des Kondensators C11 isoliert sind. Dann wird zum Zeitpunkt t3 die Klemme C2 auf hohen Pegel gesetzt, so dass die Ladung in C11 entladen wird, und die für die elektrostatische Kraft eingesetzte Spannung auf Null verringert wird. Dies führt dazu, dass die elektrostatische Kraft ausgeschaltet ist, so dass sich der Spiegel 12 in die in den 12 und 13 gezeigte, neutrale Position bewegt. Dann wird, nachdem die Klemme C2 auf niedrigen Pegel zum Zeitpunkt t4 gesetzt wurde, die Klemme C3 auf hohen Pegel zum Zeitpunkt t5 gesetzt, so dass verursacht wird, dass ein Strom +I durch die Wicklung L11 fließt. Bei solchen Fällen, bei welchen die Bewegungsrichtung die entgegengesetzte Richtung ist, wird C4 anstelle von C3 auf hohen Pegel gesetzt, so dass ein Strom –I zum Fließen veranlasst wird. Dann wird zum Zeitpunkt t6 die Klemme C1 auf hohen Pegel gesetzt, so dass der Kondensator C11 erneut mit einer Klemmspannung VC geladen wird, wodurch ein Anklemmen durchgeführt wird. Dann wird zum Zeitpunkt t7 die Klemme C3 auf einen niedrigen Pegel gesetzt, so dass die Stromversorgung für die Wicklung L11 unterbrochen wird. Dann wird zum Zeitpunkt t8 dieser Zustandsänderungszeitraum beendet, und wird ein Spannungsauffrischungszeitraum eingeleitet.
Weiterhin kann das Array aus optischen Schaltern gemäß der vorliegenden Ausführungsform grundsätzlich ebenso hergestellt werden wie das Array 1 aus optischen Schaltern gemäß der voranstehend geschilderten, ersten Ausführungsform. Bei der vorliegenden Ausführungsform können infolge der Tatsache, dass ein oberes Elektrodenteil 41 hinzugefügt ist, geeignet Änderungen durchgeführt werden, wie beispielsweise die Ausbildung des oberen Elektrodenteils 41 nach Ausbildung einer Opferschicht, entsprechend dem Zwischenraum zwischen der beweglichen Platte 21 und dem oberen Elektrodenteil 41.
Bei den jeweiligen, voranstehend geschilderten Ausführungsformen wäre es dann, wenn eine Hochspannung über den Elektrodenteilen angelegt werden sollte, erforderlich, die Spannungsfestigkeit der MOS-Transistoren in den 7 und 8 zu erhöhen. Allerdings weisen MOS-Transistoren, die eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen, große Abmessungen in der Ebene auf, so dass eine Chipverkleinerung schwierig wird. Im Gegensatz hierzu ist es bei den jeweiligen, voranstehend geschilderten Ausführungsformen nicht erforderlich, eine hohe Spannung über den Elektrodenteilen anzulegen; daher können MOS-Transistoren mit kleineren Abmessungen in der Ebene eingesetzt werden. Auch in dieser Hinsicht kann eine Verkleinerung erzielt werden.
Jeweilige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden voranstehend geschildert. Allerdings ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Beispielsweise sind die jeweiligen, voranstehend geschilderten Ausführungsformen Beispiele für Arrays aus optischen Schaltern, bei welchen mehrere optische Schalter in einer zweidimensionalen Konfiguration angeordnet waren. Allerdings kann die vorliegende Erfindung auch einen einzigen optischen Schalter darstellen. Weiterhin waren die jeweiligen, voranstehend geschilderten Ausführungsformen Beispiele, bei welchen das Mikrostellglied gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem optischen Schalter eingesetzt wurde; allerdings gibt es keine Einschränkungen in Bezug auf den Einsatz dieses Mikrostellglieds.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das Mikrostellglied und die Mikrostellgliedvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können zum Betreiben von Vorrichtungen mit einer extrem kleinen Konstruktion verwendet werden, beispielsweise von Vorrichtungen, die durch Mikro-Materialbearbeitung hergestellt sind. So können beispielsweise der optische Schalter und das Array mit optischen Schaltern gemäß der vorliegenden Erfindung in der optischen Kommunikation und dergleichen eingesetzt werden.

Claims

Mikrostellglied, bei welchem vorgesehen sind: ein Magnet (5) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (5a); ein festes Teil (11) und ein bewegliches Teil (21), das so angeordnet ist, dass sich dieses bewegliche Teil in Bezug auf das feste Teil bewegen kann, wobei das feste Teil (11) ein erstes Elektrodenteil aufweist, und das bewegliche Teil (21) ein zweites Elektrodenteil (23a, 23b) aufweist, das eine elektrostatische Kraft zwischen diesem zweiten Elektrodenteil und dem ersten Elektrodenteil mit Hilfe einer Spannung erzeugen kann, die über dem ersten Elektrodenteil und diesem zweiten Elektrodenteil angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Teil (21) einen Stromweg (25) aufweist, der in dem Magnetfeld (5a) angeordnet ist und der eine Lorentzkraft erzeugt, wenn Strom durch diesen Stromweg hindurchgeleitet wird, und das Magnetfeld (5a) in einer ersten Richtung (–Y) ausgerichtet ist, der Stromweg (25) im Wesentlichen in einer zweiten Richtung (–X) senkrecht zur ersten Richtung (–Y) verläuft, die Lorentzkraft in einer dritten Richtung (–Z) senkrecht sowohl zur ersten (–Y) als auch zur zweiten (–X) Richtung erzeugt wird, und das bewegliche Teil sich geradlinig in der dritten Richtung bewegen kann.
Mikrostellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Teil (21) aus einem Dünnfilm hergestellt ist.
Mikrostellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromweg (25) so angeordnet ist, dass eine Lorentzkraft in einer Richtung erzeugt werden kann, welche das bewegliche Teil (21) zur Bewegung in eine erste Position veranlasst, an welcher die elektrostatische Kraft erhöht ist.
Mikrostellglied nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Teil (21) so angeordnet ist, dass sich dieses bewegliche Teil zwischen der ersten Position und einer zweiten Position bewegen kann, in welcher die elektrostatische Kraft absinkt oder verschwindet, und so, dass eine Rückstellkraft erzeugt wird, die dazu neigt, das bewegliche Teil (21) zur zweiten Position zurückzustellen.
Mikrostellglied nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Elektrodenteil und das zweite Elektrodenteil (23a, 23b) einander zugewandt angeordnet sind, das bewegliche Teil (21) mechanisch mit dem festen Teil (11) über ein Federteil (27a, 27b) verbunden ist, welches Federeigenschaften aufweist, so dass der Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenteil kleiner wird, wenn das bewegliche Teil (21) in der ersten Position angeordnet ist, und der Zwischenraum zunimmt, wenn das bewegliche Teil in der zweiten Position angeordnet ist, und die Rückstellkraft durch das Federteil (27a, 27b) erzeugt wird.
Mikrostellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Teil (11) ein drittes Elektrodenteil (41) aufweist und das bewegliche Teil (21) ein viertes Elektrodenteil (23a, 23b) aufweist, welches eine elektrostatische Kraft zwischen diesem vierten Elektrodenteil und dem dritten Elektrodenteil (41) mit Hilfe einer Spannung erzeugen kann, die über diesem vierten Elektrodenteil und dem dritten Elektrodenteil angelegt wird.
Mikrostellglied nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Elektrodenteil (23a, 23b) auch als das vierte Elektrodenteil eingesetzt wird.
Mikrostellglied nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromweg (25) so angeordnet ist, dass eine Lorentzkraft in jeweiligen Richtungen erzeugt werden kann, die so liegen, dass das bewegliche Teil (21) jeweils in eine erste Position bewegt wird, an welcher die zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil erzeugte elektrostatische Kraft erhöht ist, und die elektrostatische Kraft, die zwischen dem dritten (41) und dem vierten (23a, 23b) Elektrodenteil erzeugt wird, kleiner wird oder verschwindet, bzw. in eine zweite Position, in welcher die elektrostatische Kraft, die zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil erzeugt wird, verringert wird oder verschwindet und die zwischen dem dritten und dem vierten Elektrodenteil erzeugte elektrostatische Kraft zunimmt.
Mikrostellglied nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Teil (21) so angeordnet ist, dass eine Rückstellkraft erzeugt wird, die dazu neigt, das bewegliche Teil zu einer bestimmten Position zwischen der ersten und der zweiten Position zurückzustellen.
Mikrostellglied nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Elektrodenteil dem zweiten Elektrodenteil (23a, 23b) zugewandt an einer Seite in Bezug auf das bewegliche Teil (21) angeordnet ist, das dritte Elektrodenteil (41) dem vierten Elektrodenteil (23a, 23b) zugewandt an der anderen Seite in Bezug auf das bewegliche Teil (21) angeordnet ist, das bewegliche Teil (21) mechanisch mit dem festen Teil (11) über ein Federteil (27a, 27b) verbunden ist, welches Federeigenschaften aufweist, so dass ein erster Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil kleiner wird und ein zweiter Zwischenraum zwischen dem dritten und dem vierten Elektrodenteil größer wird, wenn das bewegliche Teil in der ersten Position angeordnet ist, und der erste Zwischenraum größer wird und der zweite Zwischenraum kleiner wird, wenn das bewegliche Teil in der zweiten Position angeordnet ist, und die Rückstellkraft durch das Federteil (27a, 27b) erzeugt wird.
Mikrostellgliedvorrichtung, welche aufweist: das Mikrostellglied nach Anspruch 1, und ein Steuerteil, welches die Spannung steuert, die über dem ersten und dem zweiten (23a, 23b) Elektrodenteil angelegt wird, sowie den Strom, der durch den Stromweg (25) fließt.
Verfahren zum Steuern der Mikrostellgliedvorrichtung nach Anspruch 11, bei welchem das Steuerteil die Spannung und den Strom so steuert, dass das bewegliche Teil (21) zur Bewegung in die erste Position durch die Lorentzkraft veranlasst wird, oder durch die Lorentzkraft und die elektrostatische Kraft, wenn das bewegliche Teil in die erste Position bewegt wird, und das Steuerteil die Spannung so steuert, dass das bewegliche Teil (21) in der ersten Position durch die elektrostatische Kraft gehalten wird, und den Strom so steuert, dass dieser Strom nicht fließt, zumindest in einem stabilen Haltezustand, in welchem das bewegliche Teil in der ersten Position gehalten wird.
Mikrostellgliedvorrichtung, welche aufweist: das Mikrostellglied nach Anspruch 6 und ein Steuerteil, das die Spannung steuert, die über dem ersten und dem zweiten (23a, 23b) Elektrodenteil angelegt wird, die Spannung, die zwischen dem dritten (41) und dem vierten (23a, 23b) Elektrodenteil angelegt wird, und den Strom, der durch den Stromweg (25) fließt.
Verfahren zum Steuern der Mikrostellgliedvorrichtung nach Anspruch 13, bei welchem das Steuerteil die Spannung steuert, die über dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil angelegt wird, die Spannung, die über dem dritten und dem vierten (23a, 23b) Elektrodenteil angelegt wird, und den Strom, der durch den Stromweg (25) fließt, so dass das bewegliche Teil (21) zur Bewegung in die erste Position durch die Lorentzkraft veranlasst wird, oder durch die Lorentzkraft und die elektrostatische Kraft zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil, wenn das bewegliche Teil in die erste Position bewegt wird, das Steuerteil die Spannung steuert, die über dem ersten und dem zweiten (23a, 23b) Elektrodenteil angelegt wird, die Spannung, die über dem dritten (41) und dem vierten (23a, 23b) Elektrodenteil angelegt wird, und den Strom, der durch den Stromweg (25) fließt, so dass das bewegliche Teil (21) dazu veranlasst wird, sich in die zweite Position durch die Lorentzkraft zu bewegen, oder durch die Lorentzkraft und die elektrostatische Kraft zwischen dem dritten und dem vierten Elektrodenteil, wenn das bewegliche Teil in die zweite Position bewegt wird, das Steuerteil die Spannung steuert, die über dem ersten und dem zweiten (23a, 23b) Elektrodenteil angelegt wird, und die Spannung, die über dem dritten (41) und dem vierten (23a, 23b) Elektrodenteil angelegt wird, so dass das bewegliche Teil (21) in der ersten Position durch die elektrostatische Kraft zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenteil gehalten wird, und den Strom so steuert, dass dieser Strom nicht fließt, zumindest in einem stabilen Haltezustand, in welchem das bewegliche Teil in der ersten Position gehalten wird, und das Steuerteil die Spannung steuert, die über dem ersten und dem zweiten (23a, 23b) Elektrodenteil angelegt wird, und die Spannung, die über dem dritten (41) und vierten (23a, 23b) Elektrodenteil angelegt wird, so dass das bewegliche Teil (21) in der zweiten Position durch die elektrostatische Kraft zwischen dem dritten und dem vierten Elektrodenteil gehalten wird, und den Strom so steuert, dass dieser Strom nicht fließt, zumindest in einem stabilen Haltezustand, in welchem das bewegliche Teil in der zweiten Position gehalten wird.
Optischer Schalter, der das Mikrostellglied nach Anspruch 1 aufweist und einen Spiegel (12), der auf dem beweglichen Teil (21) angeordnet ist.
Array (1) aus optischen Schaltern, das mehrere der optischen Schalter nach Anspruch 15 aufweist, wobei die mehreren optischen Schalter in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind.
Array aus optischen Schaltern nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Array (1) aus optischen Schaltern eine Schaltung aufweist, die mehrere Schaltelemente (MC1, MC2, MC3) enthält, und welche den Strom und die Spannung für optische Schalter in ausgewählten Zeilen und Spalten in Reaktion auf Zeilenauswahlsignale für jede Zeile der mehreren optischen Schalter und Spaltenauswahlsignale für jede Spalte der mehreren optischen Schalter steuert.
Mikrostellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromweg (25) getrennt von dem zweiten Elektrodenteil (23a, 23b) und elektrisch diesem gegenüber isoliert ist.
Mikrostellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Teil ein Substrat (11) ist und das bewegliche Teil (21) mechanisch mit dem Substrat (11) über ein Federteil (27a, 27b) verbunden ist.