JP2002254399A - 静電的に作動されるマイクロ電気機械システム（ｍｅｍｓ）デバイス - Google Patents
静電的に作動されるマイクロ電気機械システム（ｍｅｍｓ）デバイスInfo
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
- G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
- G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
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- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 静電的に作動されるマイクロ電気機械システ
ム（ＭＥＭＳ）デバイス 【解決手段】 マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）
アクチュエータデバイスが開示される。このＭＥＭＳア
クチュエータデバイスは支持構造にねじり部材を介して
回転可能に接続された作動される要素を備える。これら
ねじり部材は被作動要素を下側の基板の表面に対して平
らに保つための回復力を与える。基板の表面には電極が
形成される。これら電極は電位を受けるように適合化さ
れる。これら電極の幾つかに電位が加えられると、被作
動要素を平面からはずれて回転させる静電力が生成され
る。これら電極は３つのコンポーネントから成る。これ
ら２つのコンポーネントの少なくとも一部分は被作動要
素の傾斜領域内にくるように配置される。第三のコンポ
ーネントは被作動要素の傾斜領域の外側にくるように配
置される。傾斜領域は、被作動要素の下側基板上に投影
されたときの表面領域として定義される。
ム（ＭＥＭＳ）デバイス 【解決手段】 マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）
アクチュエータデバイスが開示される。このＭＥＭＳア
クチュエータデバイスは支持構造にねじり部材を介して
回転可能に接続された作動される要素を備える。これら
ねじり部材は被作動要素を下側の基板の表面に対して平
らに保つための回復力を与える。基板の表面には電極が
形成される。これら電極は電位を受けるように適合化さ
れる。これら電極の幾つかに電位が加えられると、被作
動要素を平面からはずれて回転させる静電力が生成され
る。これら電極は３つのコンポーネントから成る。これ
ら２つのコンポーネントの少なくとも一部分は被作動要
素の傾斜領域内にくるように配置される。第三のコンポ
ーネントは被作動要素の傾斜領域の外側にくるように配
置される。傾斜領域は、被作動要素の下側基板上に投影
されたときの表面領域として定義される。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は静電的に作動される
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス、より
詳細には、静電的に作動されるＭＥＭＳデバイスを備え
る光クロスコネクトに関する。
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス、より
詳細には、静電的に作動されるＭＥＭＳデバイスを備え
る光クロスコネクトに関する。
【０００２】
【従来の技術】静電的に作動されるＭＥＭＳデバイスが
様々なアプリケーションに対して提唱されている。この
ようなデバイスの一つのアプリケーションにおいては、
可動の微細加工された鏡が入力光信号を所望の出力に方
路するためのスイッチング要素として用いられる。これ
ら微細加工された鏡の移動は静電作動によって達成され
る。単純な静電的に作動される光ファイバスイッチの一
例がChen,Richard T.らの論文“A Low Voltage Microma
chined Optical Switch by Stress-Induced Bending
（応力によって引き起こされる曲げを利用する低電圧微
細加工光スイッチ）”，ＩＥＥＥ（１９９９）において
開示されている。Ｃｈｅｎらによって開示されるこの静
電的に作動される光ファイバスイッチにおいては、個別
のヒンジ付の鏡が多結晶シリコン（ポリシリコン）の片
持ちばりの端に取り付けられる。この片持ちばりの上側
表面にはクロムと金の応力層が塗布される。動作の際に
は、この片持ちばりに電圧が加えられ、この結果として
これがアースされた基板に向って引き寄せられる。鏡が
光の経路内に入ったり出たりし、この結果として光があ
る与えられたあらかじめセットされた出力に方路され
る。
様々なアプリケーションに対して提唱されている。この
ようなデバイスの一つのアプリケーションにおいては、
可動の微細加工された鏡が入力光信号を所望の出力に方
路するためのスイッチング要素として用いられる。これ
ら微細加工された鏡の移動は静電作動によって達成され
る。単純な静電的に作動される光ファイバスイッチの一
例がChen,Richard T.らの論文“A Low Voltage Microma
chined Optical Switch by Stress-Induced Bending
（応力によって引き起こされる曲げを利用する低電圧微
細加工光スイッチ）”，ＩＥＥＥ（１９９９）において
開示されている。Ｃｈｅｎらによって開示されるこの静
電的に作動される光ファイバスイッチにおいては、個別
のヒンジ付の鏡が多結晶シリコン（ポリシリコン）の片
持ちばりの端に取り付けられる。この片持ちばりの上側
表面にはクロムと金の応力層が塗布される。動作の際に
は、この片持ちばりに電圧が加えられ、この結果として
これがアースされた基板に向って引き寄せられる。鏡が
光の経路内に入ったり出たりし、この結果として光があ
る与えられたあらかじめセットされた出力に方路され
る。
【０００３】Ｃｈｅｎらによって開示されるスイッチの
一つの短所は、限られた数の入力および出力信号しか収
容できないことである。Ｃｈｅｎらによって開示される
スイッチは、２つの入力ファイバと２つの出力ファイバ
を備える。Ｃｈｅｎらによって開示されるスイッチは、
限られた数の入力および出力しか扱うことができないた
めに、このスイッチは低密度スイッチと呼ばれる。
一つの短所は、限られた数の入力および出力信号しか収
容できないことである。Ｃｈｅｎらによって開示される
スイッチは、２つの入力ファイバと２つの出力ファイバ
を備える。Ｃｈｅｎらによって開示されるスイッチは、
限られた数の入力および出力しか扱うことができないた
めに、このスイッチは低密度スイッチと呼ばれる。
【０００４】Ｃｈｅｎらによって開示されるスイッチ要
素を用いるスイッチアーキテクチャの密度が低い一つの
理由は、このようなアーキテクチャにおけるスイッチン
グ要素の数は入／出力ポートの数の二乗に比例すること
による。このため、多数のポートを持つスイッチは、サ
イズが過度に大きくなる。加えて、このようなアーキテ
クチャを採用する大きなスイッチでは光路長および対応
する挿入損も過度に大きくなる。
素を用いるスイッチアーキテクチャの密度が低い一つの
理由は、このようなアーキテクチャにおけるスイッチン
グ要素の数は入／出力ポートの数の二乗に比例すること
による。このため、多数のポートを持つスイッチは、サ
イズが過度に大きくなる。加えて、このようなアーキテ
クチャを採用する大きなスイッチでは光路長および対応
する挿入損も過度に大きくなる。
【０００５】より高い密度のMEMS光クロスコネクトがNe
ilson,David T.らによって“FullyProvisioned 112×11
2 Micro-Mechanical Optical Crossconnect With 35.8
Tb/s Demonstrated Capacity（35.8 Tb/sなる実証容量
を持つ完全装備型１１２×１１２マイクロ機械光クロス
コネクト）”,Optical Fiber Communication Conferenc
e (March 8,2000)において開示されている。Neilsonら
によって開示されるクロスコネクトにおいては、基板上
に16×16アレイの鏡が形成される。これら鏡は基板表面
より上方にヒンジ付きの支持構造によって持ち上げられ
る。このヒンジ付きの支持構造は基板に取り付けられ
る。静電力によって鏡が動かされる。これら鏡の下側に
配置された電極に電位を供給すると静電力が生成され
る。この構成においては、鏡を所望の角度に傾けること
で鏡に入射する光が出力アレイ内の所望の出力に方路さ
れる。この完全装備型クロスコネクト（fully provisio
ned cross connect）の場合は、入力当たり１つの鏡
と、出力当たり１つの鏡のみが要求される（つまり、Ｎ
なるポート数に対して２Ｎなる鏡が必要とされる）。こ
うして、このアーキテクチャにおいては、鏡の数は（Ｃ
ｈｅｎらの要素を用いるアーキテクチャの場合のよう
に）Ｎ２に比例して増加するのではなく、Ｎに比例して
増加する。
ilson,David T.らによって“FullyProvisioned 112×11
2 Micro-Mechanical Optical Crossconnect With 35.8
Tb/s Demonstrated Capacity（35.8 Tb/sなる実証容量
を持つ完全装備型１１２×１１２マイクロ機械光クロス
コネクト）”,Optical Fiber Communication Conferenc
e (March 8,2000)において開示されている。Neilsonら
によって開示されるクロスコネクトにおいては、基板上
に16×16アレイの鏡が形成される。これら鏡は基板表面
より上方にヒンジ付きの支持構造によって持ち上げられ
る。このヒンジ付きの支持構造は基板に取り付けられ
る。静電力によって鏡が動かされる。これら鏡の下側に
配置された電極に電位を供給すると静電力が生成され
る。この構成においては、鏡を所望の角度に傾けること
で鏡に入射する光が出力アレイ内の所望の出力に方路さ
れる。この完全装備型クロスコネクト（fully provisio
ned cross connect）の場合は、入力当たり１つの鏡
と、出力当たり１つの鏡のみが要求される（つまり、Ｎ
なるポート数に対して２Ｎなる鏡が必要とされる）。こ
うして、このアーキテクチャにおいては、鏡の数は（Ｃ
ｈｅｎらの要素を用いるアーキテクチャの場合のよう
に）Ｎ２に比例して増加するのではなく、Ｎに比例して
増加する。
【０００６】Neilsonらによって開示されるクロスコネ
クトデバイスにおいては、個々の鏡要素は可動支持構造
（つまり、ジンバル）にばねなどのねじり要素を介して
固着される。このジンバルは枠にこれもねじり要素を介
して結合される。２つのねじり要素にて鏡がジンバルに
結合され、これら２つの鏡ねじり要素は鏡要素の両側に
配置され、鏡の回転軸を定義する。同様にして、２つの
ねじり要素にてジンバルが枠に結合され、これら２つの
ジンバルねじり要素はジンバルの両側に配置され、ジン
バルの回転軸を定義する。鏡の回転軸はジンバルの回転
軸に直交する。これらねじり要素は、緩められた状態に
おいては、可動な鏡とジンバルを基板表面の平面に平行
な平面内に維持する。
クトデバイスにおいては、個々の鏡要素は可動支持構造
（つまり、ジンバル）にばねなどのねじり要素を介して
固着される。このジンバルは枠にこれもねじり要素を介
して結合される。２つのねじり要素にて鏡がジンバルに
結合され、これら２つの鏡ねじり要素は鏡要素の両側に
配置され、鏡の回転軸を定義する。同様にして、２つの
ねじり要素にてジンバルが枠に結合され、これら２つの
ジンバルねじり要素はジンバルの両側に配置され、ジン
バルの回転軸を定義する。鏡の回転軸はジンバルの回転
軸に直交する。これらねじり要素は、緩められた状態に
おいては、可動な鏡とジンバルを基板表面の平面に平行
な平面内に維持する。
【０００７】電極は鏡とシンバルの真下に配置される。
これら電極は、鏡要素もしくはジンバルをその軸のまわ
りをいずれかの方向に回転できるように構成される。鏡
もしくはジンバルは、鏡要素もしくはジンバルと固定さ
れた電極との間の静電的に引き付ける力（electrostati
c attractive force）に応答して回転する。平衡位置に
おいては、鏡のある与えられた角度（零度は緩められた
傾きのない状態における角度として定義される）におい
て、この引き付ける力は、ねじり要素の回復力と均衡す
る。回転の程度は電極に加えられた電圧の量に依存す
る。こうして、電極に加えられる電圧の量を制御するこ
とで、傾斜の角度が制御される。
これら電極は、鏡要素もしくはジンバルをその軸のまわ
りをいずれかの方向に回転できるように構成される。鏡
もしくはジンバルは、鏡要素もしくはジンバルと固定さ
れた電極との間の静電的に引き付ける力（electrostati
c attractive force）に応答して回転する。平衡位置に
おいては、鏡のある与えられた角度（零度は緩められた
傾きのない状態における角度として定義される）におい
て、この引き付ける力は、ねじり要素の回復力と均衡す
る。回転の程度は電極に加えられた電圧の量に依存す
る。こうして、電極に加えられる電圧の量を制御するこ
とで、傾斜の角度が制御される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】Neilsonらによって開
示されるクロスコネクトは、１１２の入力の任意の一つ
が１１２の出力の任意の一つに接続できるように構成さ
れる。この数の相互接続を達成するためには、このイン
タコネトク（つまり、鏡アレイ）は、入力信号を所望の
出力ポートに方路できることを必要とされる。入力信号
を所望の出力ポートに方路するためには、鏡の傾斜角度
を制御することが非常に重要となる。このため、鏡を正
確に傾斜させることが要求される。前述のように、鏡の
平衡位置（電極と鏡の間の静電力がねじり要素の回復力
と均衡する位置）によって鏡の傾斜角が定義される。こ
のため、鏡の傾きを正確に制御するための機構が要求さ
れる。
示されるクロスコネクトは、１１２の入力の任意の一つ
が１１２の出力の任意の一つに接続できるように構成さ
れる。この数の相互接続を達成するためには、このイン
タコネトク（つまり、鏡アレイ）は、入力信号を所望の
出力ポートに方路できることを必要とされる。入力信号
を所望の出力ポートに方路するためには、鏡の傾斜角度
を制御することが非常に重要となる。このため、鏡を正
確に傾斜させることが要求される。前述のように、鏡の
平衡位置（電極と鏡の間の静電力がねじり要素の回復力
と均衡する位置）によって鏡の傾斜角が定義される。こ
のため、鏡の傾きを正確に制御するための機構が要求さ
れる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、静電的に作動
されるＭＥＭＳデバイスに関する。このＭＥＭＳアクチ
ュエータデバイスは、作動される要素（例えば、鏡のよ
うな光学要素）を備える。この被作動要素は、支持構造
に光学要素の回転軸を定義するねじり要素を介して取り
付けられる。典型的には、光学要素の両側に固定された
２つのねじり要素が目的のために用意される。支持構造
は基板上に支持される。
されるＭＥＭＳデバイスに関する。このＭＥＭＳアクチ
ュエータデバイスは、作動される要素（例えば、鏡のよ
うな光学要素）を備える。この被作動要素は、支持構造
に光学要素の回転軸を定義するねじり要素を介して取り
付けられる。典型的には、光学要素の両側に固定された
２つのねじり要素が目的のために用意される。支持構造
は基板上に支持される。
【００１０】幾つかの実施例においては、この支持構造
は支持基板に移動可能に取り付けられる。可動支持構造
の一例としては、ジンバルリングが考えられる。このジ
ンバルを用いる構成は、被作動要素に第二の回転軸、従
って、より多数の鏡位置を与える。この被作動要素／支
持構造の下側の基板表面の上には固定電極が形成され
る。これら電極と被作動要素／支持構造との組合せによ
って静電アクチュエータが構成される。この被作動要素
／支持構造は、この構造と下側電極との間の電位差に応
答して移動する。
は支持基板に移動可能に取り付けられる。可動支持構造
の一例としては、ジンバルリングが考えられる。このジ
ンバルを用いる構成は、被作動要素に第二の回転軸、従
って、より多数の鏡位置を与える。この被作動要素／支
持構造の下側の基板表面の上には固定電極が形成され
る。これら電極と被作動要素／支持構造との組合せによ
って静電アクチュエータが構成される。この被作動要素
／支持構造は、この構造と下側電極との間の電位差に応
答して移動する。
【００１１】この電極は、被作動要素と下側電極との間
に静電力を生成するように構成される。この静電力は、
被作動要素を、ねじり要素にて定義される軸を中心とし
て回転させる。一つの実施例においては、ペアの電極が
被作動要素を時計まわりと反時計まわりの両方向に回転
させるために設けられる。
に静電力を生成するように構成される。この静電力は、
被作動要素を、ねじり要素にて定義される軸を中心とし
て回転させる。一つの実施例においては、ペアの電極が
被作動要素を時計まわりと反時計まわりの両方向に回転
させるために設けられる。
【００１２】この電極は３つのコンポーネントから成
る。第一のコンポーネントは、被作動要素と電極との間
に静電的に引き付ける力を与えることで軸のまわりの回
転を起こさせる電極である。第二のコンポーネントは中
性電極である。ここで用いられる中性電極とは、被作動
要素に対して中性である電極を意味する。つまり、中性
電極（第二のコンポーネント）は、被作動要素と同一の
電圧あるいは電位に維持される。第三のコンポーネント
は、被作動要素を回転させる静電力の非線形性を補償す
るように構成される。
る。第一のコンポーネントは、被作動要素と電極との間
に静電的に引き付ける力を与えることで軸のまわりの回
転を起こさせる電極である。第二のコンポーネントは中
性電極である。ここで用いられる中性電極とは、被作動
要素に対して中性である電極を意味する。つまり、中性
電極（第二のコンポーネント）は、被作動要素と同一の
電圧あるいは電位に維持される。第三のコンポーネント
は、被作動要素を回転させる静電力の非線形性を補償す
るように構成される。
【００１３】この静電力は、ある与えられた印加電圧に
対してこの力が被作動要素が電極に向って回転するにつ
れて増加するために非線形性である。ある一定の印加電
圧（つまり、光学要素を動かすために要求される電圧よ
り大きな電圧）および対応する回転の角度（光学要素の
平らな状態からの傾斜の角度）において、静電力がねじ
り要素の回復力より大きな速度にて増加するようにな
り、ある時点で傾斜の角度はもはや制御不能となる。こ
のため、被作動要素はある有限の角度まではその回転を
制御できるが、その後の回転は制御不能となる。
対してこの力が被作動要素が電極に向って回転するにつ
れて増加するために非線形性である。ある一定の印加電
圧（つまり、光学要素を動かすために要求される電圧よ
り大きな電圧）および対応する回転の角度（光学要素の
平らな状態からの傾斜の角度）において、静電力がねじ
り要素の回復力より大きな速度にて増加するようにな
り、ある時点で傾斜の角度はもはや制御不能となる。こ
のため、被作動要素はある有限の角度まではその回転を
制御できるが、その後の回転は制御不能となる。
【００１４】電極の第三のコンポーネントは、静電力と
ねじり要素の回復力との間のこの非線形な関係を補償す
る。こうして、電極のこの第三のコンポーネントは、被
作動要素を制御のきいた状態で回転できる角度レンジを
（一つあるいは２つのコンポーネントから成る電極を用
いて回転される光学要素と比較して）拡張する。
ねじり要素の回復力との間のこの非線形な関係を補償す
る。こうして、電極のこの第三のコンポーネントは、被
作動要素を制御のきいた状態で回転できる角度レンジを
（一つあるいは２つのコンポーネントから成る電極を用
いて回転される光学要素と比較して）拡張する。
【００１５】以下では本発明の３つのコンポーネントか
ら成る電極の構成を被作動要素によって定義される傾斜
領域に対する電極配置の観点から説明する。本発明の目
的に対しては、被作動要素の傾斜領域とは、被作動要素
の、被作動要素の下側の表面に投影されたときの表面領
域として定義される。要素構成が与えられた場合、この
傾斜領域は、傾斜度の関数として変化する。典型的に
は、この傾斜領域は、被作動要素が下側表面に対して概
ね平行なとき（つまり、傾斜角度が約０度のとき）最も
大きくなり、被作動要素が下側表面に向って傾斜してゆ
くにつれて（つまり、傾斜角度が大きくなるにつれて）
小さくなる。
ら成る電極の構成を被作動要素によって定義される傾斜
領域に対する電極配置の観点から説明する。本発明の目
的に対しては、被作動要素の傾斜領域とは、被作動要素
の、被作動要素の下側の表面に投影されたときの表面領
域として定義される。要素構成が与えられた場合、この
傾斜領域は、傾斜度の関数として変化する。典型的に
は、この傾斜領域は、被作動要素が下側表面に対して概
ね平行なとき（つまり、傾斜角度が約０度のとき）最も
大きくなり、被作動要素が下側表面に向って傾斜してゆ
くにつれて（つまり、傾斜角度が大きくなるにつれて）
小さくなる。
【００１６】本発明の目的に対しては、ある電極コンポ
ーネントは、そのコンポーネントの少なくとも幾らかの
部分が傾斜の全レンジを通じて被作動要素の下側にある
場合、傾斜領域の内側にあると定義される。逆に、ある
電極コンポーネントは、その電極コンポーネント全体が
傾斜のレンジの少なくともある部分の間に傾斜領域の外
側にくる場合、傾斜領域の外側にあると定義される。こ
の定義によると、第一と第二の電極コンポーネントは、
第一と第二のコンポーネントの両方とも、少なくとも一
部が全傾斜レンジを通じて光学要素の下側にあるため
に、傾斜領域の内側にあり；第三の電極コンポーネント
は、傾斜レンジの少なくともある部分ではあるが第三の
電極コンポーネントは光学要素の傾斜領域の完全に外側
にくるために、傾斜領域の外側にある。第三のコンポー
ネントは、好ましくは、全傾斜レンジを通じて光学要素
の傾斜領域の完全に外側にくるように配置される。
ーネントは、そのコンポーネントの少なくとも幾らかの
部分が傾斜の全レンジを通じて被作動要素の下側にある
場合、傾斜領域の内側にあると定義される。逆に、ある
電極コンポーネントは、その電極コンポーネント全体が
傾斜のレンジの少なくともある部分の間に傾斜領域の外
側にくる場合、傾斜領域の外側にあると定義される。こ
の定義によると、第一と第二の電極コンポーネントは、
第一と第二のコンポーネントの両方とも、少なくとも一
部が全傾斜レンジを通じて光学要素の下側にあるため
に、傾斜領域の内側にあり；第三の電極コンポーネント
は、傾斜レンジの少なくともある部分ではあるが第三の
電極コンポーネントは光学要素の傾斜領域の完全に外側
にくるために、傾斜領域の外側にある。第三のコンポー
ネントは、好ましくは、全傾斜レンジを通じて光学要素
の傾斜領域の完全に外側にくるように配置される。
【００１７】電極コンポーネントの被作動要素の傾斜領
域に対する位置は、電極コンポーネントの位置によって
電極コンポーネントによって生成される静電場の位置が
定義されるために重要である。より具体的には、電極の
第三のコンポーネントは、ある与えられた電圧に対し
て、第三のコンポーネントによって生成される静電場が
被作動要素の下において被作動要素の上におけるよりも
高くなる場合は、静電力を（第三のコンポーネントを備
えない電極に対する力／電圧の関係と比較して）増加さ
せる。本発明との関連では、この傾斜レンジの内の、静
電場が被作動要素の下側において優勢となるような角度
は、小さな傾斜角と呼ばれる。第三のコンポーネント
は、ある与えられた電圧に対して、第三のコンポーネン
トによって生成される静電場が被作動要素の上において
被作動要素の下におけるより高くなる場合は、静電力を
（これも第三のコンポーネントを備えない電極に対する
力／電圧関係と比較して）低減させる。こうして、これ
ら条件の下では、被作動要素の底側は第三のコンポーネ
ントによって生成される静電場の少なくとも一部から遮
蔽される。
域に対する位置は、電極コンポーネントの位置によって
電極コンポーネントによって生成される静電場の位置が
定義されるために重要である。より具体的には、電極の
第三のコンポーネントは、ある与えられた電圧に対し
て、第三のコンポーネントによって生成される静電場が
被作動要素の下において被作動要素の上におけるよりも
高くなる場合は、静電力を（第三のコンポーネントを備
えない電極に対する力／電圧の関係と比較して）増加さ
せる。本発明との関連では、この傾斜レンジの内の、静
電場が被作動要素の下側において優勢となるような角度
は、小さな傾斜角と呼ばれる。第三のコンポーネント
は、ある与えられた電圧に対して、第三のコンポーネン
トによって生成される静電場が被作動要素の上において
被作動要素の下におけるより高くなる場合は、静電力を
（これも第三のコンポーネントを備えない電極に対する
力／電圧関係と比較して）低減させる。こうして、これ
ら条件の下では、被作動要素の底側は第三のコンポーネ
ントによって生成される静電場の少なくとも一部から遮
蔽される。
【００１８】本発明のこの背景においては、この傾斜レ
ンジ内の、被作動要素の底が静電場から遮蔽され、鏡
（被作動要素）の上側が静電場に曝される角度は、大き
な傾斜角と呼ばれる。本発明の目的に対しては、傾斜角
度のレンジとは、（作動されてない状態における鏡の傾
斜角として定義される）零度から回転を制御可能な最大
の角度（つまり最大傾斜角度）までのレンジとして定義
される。こうして（この定義によると）、本発明による
と回転を制御することできる角度レンジが、全ての電極
コンポーネントの少なくとも一部分が光学デバイスの傾
斜領域内にくるように構成された電極を備えるアクチュ
エータと比較して拡張される。
ンジ内の、被作動要素の底が静電場から遮蔽され、鏡
（被作動要素）の上側が静電場に曝される角度は、大き
な傾斜角と呼ばれる。本発明の目的に対しては、傾斜角
度のレンジとは、（作動されてない状態における鏡の傾
斜角として定義される）零度から回転を制御可能な最大
の角度（つまり最大傾斜角度）までのレンジとして定義
される。こうして（この定義によると）、本発明による
と回転を制御することできる角度レンジが、全ての電極
コンポーネントの少なくとも一部分が光学デバイスの傾
斜領域内にくるように構成された電極を備えるアクチュ
エータと比較して拡張される。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明は静電MEMSアクチュエータ
に関する。本発明の静電的に作動されるＭＥＭＳデバイ
ス（electrostatically actuated MEMS device）がここ
では光学要素および関連する電極との関連で説明され
る。光学要素は、加えられる静電力に応答して回転する
ように構成される。関連する電極は光学要素を回転させ
る静電力を生成するように構成される。
に関する。本発明の静電的に作動されるＭＥＭＳデバイ
ス（electrostatically actuated MEMS device）がここ
では光学要素および関連する電極との関連で説明され
る。光学要素は、加えられる静電力に応答して回転する
ように構成される。関連する電極は光学要素を回転させ
る静電力を生成するように構成される。
【００２０】回転可能なＭＥＭＳ光学要素（rotatable
MEMS optical element）の一例を図１との関連で説明す
る。デバイス１０は、支持リング２０に回転可能に取り
付けられた反射器１５を備える。反射器１５はばね要素
２１、２２を介して回転可能に取り付けられる。ばね要
素２１と２２は反射器１５の回転の軸を定義する。
MEMS optical element）の一例を図１との関連で説明す
る。デバイス１０は、支持リング２０に回転可能に取り
付けられた反射器１５を備える。反射器１５はばね要素
２１、２２を介して回転可能に取り付けられる。ばね要
素２１と２２は反射器１５の回転の軸を定義する。
【００２１】支持リング２０は枠２５に回転可能に取り
付けられる。支持リング２０は枠２５にばね要素２６と
２７を介して回転可能に取り付けられる。ばね要素２
６、２７は支持リング２０の回転の軸を定義する。こう
して、支持リング２０は、反射器１５の第二の回転軸を
与えるジンバルの働きをする。
付けられる。支持リング２０は枠２５にばね要素２６と
２７を介して回転可能に取り付けられる。ばね要素２
６、２７は支持リング２０の回転の軸を定義する。こう
して、支持リング２０は、反射器１５の第二の回転軸を
与えるジンバルの働きをする。
【００２２】この光学デバイスは基板表面３０の上に形
成される。反射器１５、ジンバル２０および枠２５は、
基板３０の表面より高く持ち上げられる。この目的のた
めに、ヒンジ付の側壁３５と３６が設けられる。ヒンジ
３８は、側壁３５、３６が第一の位置（図示せず）から
図１に示す位置に旋回できるように設けられる。
成される。反射器１５、ジンバル２０および枠２５は、
基板３０の表面より高く持ち上げられる。この目的のた
めに、ヒンジ付の側壁３５と３６が設けられる。ヒンジ
３８は、側壁３５、３６が第一の位置（図示せず）から
図１に示す位置に旋回できるように設けられる。
【００２３】側壁３５、３６は、Ｖ字型のノッチ４１を
持つ。側壁３５、３６は枠２５に結合される。枠２５は
テーパセクション４０を持つ。Ｖ字型のノッチ４１とテ
ーパセクション４０との位置関係によってＶ字型ノッチ
がテーパセクション４０を捉えるように構成される。こ
うして、側壁３５、３６がそれらの直立位置へと旋回す
ると、枠２５がその最終位置へと上昇し、結果として支
持リング２０と反射器１５が基板表面より上に持ち上げ
られ、枠２５は側壁３５、３６によってその最終位置に
固定される。
持つ。側壁３５、３６は枠２５に結合される。枠２５は
テーパセクション４０を持つ。Ｖ字型のノッチ４１とテ
ーパセクション４０との位置関係によってＶ字型ノッチ
がテーパセクション４０を捉えるように構成される。こ
うして、側壁３５、３６がそれらの直立位置へと旋回す
ると、枠２５がその最終位置へと上昇し、結果として支
持リング２０と反射器１５が基板表面より上に持ち上げ
られ、枠２５は側壁３５、３６によってその最終位置に
固定される。
【００２４】枠２５を基板３０の表面より高く持ち上げ
るためにアクチュエータ７０が設けられる。アクチュエ
ータ７０の一端は基板３０に固定される（図示せず）。
アクチュエータ７０の他端７２は、基板には固着され
ず、アクチュエーティング力（例えば、層状構造内の残
留応力）によって基板から上方に反らされる。このタイ
プのアクチュエータは当業者においては周知であるた
め、ここでの詳細な説明は割愛する。適当なアクチュエ
ータについては１９９９年９月３日付けで出願された本
発明と譲受人を同一とする合衆国特許出願第０９／３９
０１５７号において開示されているため、これを参照さ
れたい。
るためにアクチュエータ７０が設けられる。アクチュエ
ータ７０の一端は基板３０に固定される（図示せず）。
アクチュエータ７０の他端７２は、基板には固着され
ず、アクチュエーティング力（例えば、層状構造内の残
留応力）によって基板から上方に反らされる。このタイ
プのアクチュエータは当業者においては周知であるた
め、ここでの詳細な説明は割愛する。適当なアクチュエ
ータについては１９９９年９月３日付けで出願された本
発明と譲受人を同一とする合衆国特許出願第０９／３９
０１５７号において開示されているため、これを参照さ
れたい。
【００２５】図１に示すデバイスは微細製造技術を用い
て製造される。ＭＥＭＳデバイスを形成するための微細
製造技術については当業者においては周知である。この
ような微細製造技術の一つは表面微細機械加工として知
られている。表面微細機械加工においては、基板上に形
成された材料の一つあるいは複数の層内に部材が描画さ
れる。表面微細機械加工の一例においては、部材は支持
層にヒンジ接続される。この技法についてはPisterらに
よって“Microfabiricated Hinges”,Vol.33,Sensors a
nd Actuators,pp.249-256（1997）において説明されて
いる。この部材が次に部材と基板との間に設けられた犠
牲層（典型的には二酸化シリコン）を除去することで基
板から解き放される。この部材は支持層にヒンジ接続さ
れているために、こうして解き放されると、支持層の平
面から外れる方向に旋回する能力を持つ。こうして、こ
れら部材は、解き放された時点で、それらが製造された
層の平面から飛び出るように旋回し、三次元構造を形成
する。
て製造される。ＭＥＭＳデバイスを形成するための微細
製造技術については当業者においては周知である。この
ような微細製造技術の一つは表面微細機械加工として知
られている。表面微細機械加工においては、基板上に形
成された材料の一つあるいは複数の層内に部材が描画さ
れる。表面微細機械加工の一例においては、部材は支持
層にヒンジ接続される。この技法についてはPisterらに
よって“Microfabiricated Hinges”,Vol.33,Sensors a
nd Actuators,pp.249-256（1997）において説明されて
いる。この部材が次に部材と基板との間に設けられた犠
牲層（典型的には二酸化シリコン）を除去することで基
板から解き放される。この部材は支持層にヒンジ接続さ
れているために、こうして解き放されると、支持層の平
面から外れる方向に旋回する能力を持つ。こうして、こ
れら部材は、解き放された時点で、それらが製造された
層の平面から飛び出るように旋回し、三次元構造を形成
する。
【００２６】表面微細機械加工を用いると、三次元構造
を三次元製造プロセスを用いて製造する場合と比較し
て、その三次元構造を構成する部材の解像度（つまり、
描画の精度）をより容易に上げることが可能となる。こ
の解像度の向上は、垂直方向の解像度（つまり、基板表
面に対して直角方向の解像度）は水平方向の解像度（つ
まり、層の平面内の解像度）より達成が困難であるとい
う事実に由来する。つまり、この表面微細機械加工にお
いては、部材を水平方向に加工することで高い解像度が
得られるという長所と、基板から部材を解き放した後に
三次元構造を組み立てることができるという能力の両方
が活かされる。
を三次元製造プロセスを用いて製造する場合と比較し
て、その三次元構造を構成する部材の解像度（つまり、
描画の精度）をより容易に上げることが可能となる。こ
の解像度の向上は、垂直方向の解像度（つまり、基板表
面に対して直角方向の解像度）は水平方向の解像度（つ
まり、層の平面内の解像度）より達成が困難であるとい
う事実に由来する。つまり、この表面微細機械加工にお
いては、部材を水平方向に加工することで高い解像度が
得られるという長所と、基板から部材を解き放した後に
三次元構造を組み立てることができるという能力の両方
が活かされる。
【００２７】表面微細機械加工アプローチのもう一つの
例としてマルチユーザＭＥＭＳプロセス（Multi-User M
EMS Process、MUMP）として知られている。このＭＵＭ
Ｐプロセスは一商業MEMS鋳造業者であるCronos JDS Uni
phaseから提供されている。このＭＵＭＰプロセスにつ
いてはAksyuk,V.によって“Micro Electro Mechanical
Systems for Experimental Physics and Optical Telec
ommunication”,Ph.Dthesis.New Brunswick,NJ:Rutgers
University（1999）において概要が説明されているた
め、これを参照されたい。
例としてマルチユーザＭＥＭＳプロセス（Multi-User M
EMS Process、MUMP）として知られている。このＭＵＭ
Ｐプロセスは一商業MEMS鋳造業者であるCronos JDS Uni
phaseから提供されている。このＭＵＭＰプロセスにつ
いてはAksyuk,V.によって“Micro Electro Mechanical
Systems for Experimental Physics and Optical Telec
ommunication”,Ph.Dthesis.New Brunswick,NJ:Rutgers
University（1999）において概要が説明されているた
め、これを参照されたい。
【００２８】図１においては、反射器１５はその軸１−
１を中心として傾斜した状態にて示されている。支持リ
ング２０はその軸２−２を中心として傾斜した状態にて
示されている。これら傾斜は、静電力を反射器１５、支
持リング２０あるいはこの両方に加えることで達成され
る。より具体的には、支持リング２０と反射器１５は、
線形の弾性懸垂部材から成るばね２１、２２、２６およ
び２７として示されるねじり要素を介して空中に保持さ
れる。ばね２１、２２、２６および２７は、反射器１５
および支持リング２０が固定枠２５に対して１つのある
いはそれ以上の自由度にて移動できるように構成され
る。ばね２１、２２、２６および２７は、加えて、回復
力を与えるようにも構成される。これらばねは、反射器
に、平行移動よりも回転運動を与えるように構成され
る。本発明との関連では、平行移動とはＸ、ＹおよびＺ
方向の移動として定義され、回転運動とはこれらばねに
よって定義される軸を中心としての回転として定義され
る。ねじり要素に対する適当な構成の例としては、ヘビ
状構成や、長方形の断面を持つ真直ぐなビームが含まれ
る。Ｚ方向の変位には耐え、ねじり要素の軸のまわりの
所望の回転スチフネス（rotational stiffness）を持つ
構成が好ましい。
１を中心として傾斜した状態にて示されている。支持リ
ング２０はその軸２−２を中心として傾斜した状態にて
示されている。これら傾斜は、静電力を反射器１５、支
持リング２０あるいはこの両方に加えることで達成され
る。より具体的には、支持リング２０と反射器１５は、
線形の弾性懸垂部材から成るばね２１、２２、２６およ
び２７として示されるねじり要素を介して空中に保持さ
れる。ばね２１、２２、２６および２７は、反射器１５
および支持リング２０が固定枠２５に対して１つのある
いはそれ以上の自由度にて移動できるように構成され
る。ばね２１、２２、２６および２７は、加えて、回復
力を与えるようにも構成される。これらばねは、反射器
に、平行移動よりも回転運動を与えるように構成され
る。本発明との関連では、平行移動とはＸ、ＹおよびＺ
方向の移動として定義され、回転運動とはこれらばねに
よって定義される軸を中心としての回転として定義され
る。ねじり要素に対する適当な構成の例としては、ヘビ
状構成や、長方形の断面を持つ真直ぐなビームが含まれ
る。Ｚ方向の変位には耐え、ねじり要素の軸のまわりの
所望の回転スチフネス（rotational stiffness）を持つ
構成が好ましい。
【００２９】当業者においてはこれら緒条件を考慮して
これらばねに対する適当な構成を選択できるものと考え
る。従来の技術による電極構造が図２に示される。図２
は、反射器１５の図１の線２−２に沿っての一半分の切
り取り図である。反射器１５のこの一半分は、線２−２
に沿ってのこの回転の軸から外周までの半分である。線
１−１が反射器の回転の軸である。この回転の軸が図２
においては点７５として示され、矢印７６は回転の方向
を示す。
これらばねに対する適当な構成を選択できるものと考え
る。従来の技術による電極構造が図２に示される。図２
は、反射器１５の図１の線２−２に沿っての一半分の切
り取り図である。反射器１５のこの一半分は、線２−２
に沿ってのこの回転の軸から外周までの半分である。線
１−１が反射器の回転の軸である。この回転の軸が図２
においては点７５として示され、矢印７６は回転の方向
を示す。
【００３０】電極８０は２つのコンポーネント８１と８
２を持つ。これら電極は基板３０上に形成された導電要
素から成る。電極コンポーネント８１は電圧源（図示せ
ず）に電気的に接続される。電極コンポーネント８２は
反射器１５に対して中性に維持される（つまり、電極コ
ンポーネント８２と反射器１５との間の電位差は０であ
る）。こうして、電極コンポーネント８２と反射器１５
は、共通電圧かグランドのいずれかに接続される。反射
器１５を回転させるためには、電極コンポーネント８１
に非零の電圧が加えられる。反射器１５も導電性である
ために、反射器１５と電極コンポーネント８１との間に
静電力が生成される。この静電力は、回転軸のまわりに
非零のトルクを生ずる。この静電トルクに応答して、反
射器１５は（ダッシュの線８５にて示される）その休止
位置から角度αだけ回転する。反射器要素１５がその回
転された均衡位置にある状態においては、静電トルクと
ばね（図１の２１と２２）の回復トルクの和は零とな
る。静電トルクはこの構成においてはある与えられた非
零の電圧に対してαの関数となる。
２を持つ。これら電極は基板３０上に形成された導電要
素から成る。電極コンポーネント８１は電圧源（図示せ
ず）に電気的に接続される。電極コンポーネント８２は
反射器１５に対して中性に維持される（つまり、電極コ
ンポーネント８２と反射器１５との間の電位差は０であ
る）。こうして、電極コンポーネント８２と反射器１５
は、共通電圧かグランドのいずれかに接続される。反射
器１５を回転させるためには、電極コンポーネント８１
に非零の電圧が加えられる。反射器１５も導電性である
ために、反射器１５と電極コンポーネント８１との間に
静電力が生成される。この静電力は、回転軸のまわりに
非零のトルクを生ずる。この静電トルクに応答して、反
射器１５は（ダッシュの線８５にて示される）その休止
位置から角度αだけ回転する。反射器要素１５がその回
転された均衡位置にある状態においては、静電トルクと
ばね（図１の２１と２２）の回復トルクの和は零とな
る。静電トルクはこの構成においてはある与えられた非
零の電圧に対してαの関数となる。
【００３１】この関係のために、鏡が安定的に回転でき
る最大角度αが存在し、この最大距離を超えると、反射
器は不安定となる（つまり、その位置を印加電圧によっ
て制御することは困難になる）。図２に示す構成に対し
ては、最大各αは、反射器４４がライン８５から電極の
８０の端までの総距離の４４％に対応する点Ａを横切る
ところの角度によって定義される。このラインが図２に
線７４として示される。
る最大角度αが存在し、この最大距離を超えると、反射
器は不安定となる（つまり、その位置を印加電圧によっ
て制御することは困難になる）。図２に示す構成に対し
ては、最大各αは、反射器４４がライン８５から電極の
８０の端までの総距離の４４％に対応する点Ａを横切る
ところの角度によって定義される。このラインが図２に
線７４として示される。
【００３２】図３は（図２に示す従来の電極構成と比較
して）反射器の傾斜の制御が改善される電極の一つの実
施例を示す。図２に示す従来の技術による形態と同様
に、電極８０は、２つのコンポーネント８１と８２を持
つ。コンポーネント８１は、コンポーネント８１と反射
器１５との間に静電力を生成するために電圧を受けるよ
うに適合化される。コンポーネント８２は反射器１５に
対して中性に維持される。電極コンポーネント８２は反
射器１５の端の付近で終端することに注意する。この様
子を反射器１５の端を超えて延びる図２のコンポーネン
ト８２と比較されたい。
して）反射器の傾斜の制御が改善される電極の一つの実
施例を示す。図２に示す従来の技術による形態と同様
に、電極８０は、２つのコンポーネント８１と８２を持
つ。コンポーネント８１は、コンポーネント８１と反射
器１５との間に静電力を生成するために電圧を受けるよ
うに適合化される。コンポーネント８２は反射器１５に
対して中性に維持される。電極コンポーネント８２は反
射器１５の端の付近で終端することに注意する。この様
子を反射器１５の端を超えて延びる図２のコンポーネン
ト８２と比較されたい。
【００３３】電極８０はさらに第三のコンポーネント８
３を持つ。コンポーネント８３は反射器１５の傾斜領域
の外側に配置される。第三のコンポーネント８３も、コ
ンポーネント８１と同様に、電圧を受けるように適合化
される。電極８１と８３は電気的に接続することも、独
立に付勢することもできる。コンポーネント８３は二重
の目的を持つ。前述のように、傾斜角の第一のレンジ
（図示せず）においては、この電極（コンポーネント８
３）からの電場は反射器の底側と電極との間に集中す
る。この力は、従って（電圧の符号によって）任意に決
まる電場の方向と関係なく、引き付ける力となる。こう
して、この電極（コンポーネント８３）は、傾斜角度が
小さなときは、引く力（つまり、正のトルク）を与え
る。
３を持つ。コンポーネント８３は反射器１５の傾斜領域
の外側に配置される。第三のコンポーネント８３も、コ
ンポーネント８１と同様に、電圧を受けるように適合化
される。電極８１と８３は電気的に接続することも、独
立に付勢することもできる。コンポーネント８３は二重
の目的を持つ。前述のように、傾斜角の第一のレンジ
（図示せず）においては、この電極（コンポーネント８
３）からの電場は反射器の底側と電極との間に集中す
る。この力は、従って（電圧の符号によって）任意に決
まる電場の方向と関係なく、引き付ける力となる。こう
して、この電極（コンポーネント８３）は、傾斜角度が
小さなときは、引く力（つまり、正のトルク）を与え
る。
【００３４】傾斜角度の第二のレンジ（つまり、先に定
義され、図３に示すような大きな傾斜角度）において
は、コンポーネント８３からの電場は反射器１５上に対
して上向きの力を生成する。この上向きの力が矢印８７
によって示される。この上向きの力は、電極コンポーネ
ント８３が反射器１５の横に配置されることと、電極コ
ンポーネント８２が存在することによる。電極コンポー
ネント８２が存在しない場合は、電極コンポーネント８
３は反射器１５の横に位置するために、電極コンポーネ
ント８３が反射器１５に与えるトルクは本質的に０とな
る。ただし、電極コンポーネント８２が反射器１５の底
側のコンポーネント８３からの電場をスクリーニング
し、こうして、コンポーネント８３からの電場が反射器
１５の上側表面上に上向きの力を生成し、反射器１５に
負のトルクを与える。この電場が矢印８８として示され
る。
義され、図３に示すような大きな傾斜角度）において
は、コンポーネント８３からの電場は反射器１５上に対
して上向きの力を生成する。この上向きの力が矢印８７
によって示される。この上向きの力は、電極コンポーネ
ント８３が反射器１５の横に配置されることと、電極コ
ンポーネント８２が存在することによる。電極コンポー
ネント８２が存在しない場合は、電極コンポーネント８
３は反射器１５の横に位置するために、電極コンポーネ
ント８３が反射器１５に与えるトルクは本質的に０とな
る。ただし、電極コンポーネント８２が反射器１５の底
側のコンポーネント８３からの電場をスクリーニング
し、こうして、コンポーネント８３からの電場が反射器
１５の上側表面上に上向きの力を生成し、反射器１５に
負のトルクを与える。この電場が矢印８８として示され
る。
【００３５】こうして、小さな傾斜角を生じさせる電圧
においては、電極コンポーネント８３は（コンポーネン
ト８３を備えない電極と比較して）要求される作動電圧
を低減させ、大きな傾斜角を生じさせる電圧において
は、電極コンポーネント８３は（コンポーネント８３を
備えない電極と比較して）傾斜角の増加とともに正味静
電力が増加する速度を押さえる。こうして、電極コンポ
ーネント８３は、（コンポーネント８３を備えない電極
と比較して）反射器が安定した応答を持つことができる
傾斜角度を拡張する。
においては、電極コンポーネント８３は（コンポーネン
ト８３を備えない電極と比較して）要求される作動電圧
を低減させ、大きな傾斜角を生じさせる電圧において
は、電極コンポーネント８３は（コンポーネント８３を
備えない電極と比較して）傾斜角の増加とともに正味静
電力が増加する速度を押さえる。こうして、電極コンポ
ーネント８３は、（コンポーネント８３を備えない電極
と比較して）反射器が安定した応答を持つことができる
傾斜角度を拡張する。
【００３６】本発明においては、第二の電極コンポーネ
ントは上側要素（反射器）の傾斜領域を超えて延長する
ように構成される。当業者においては気付かれるよう
に、第三の電極コンポーネントからの電場は、第三の電
極コンポーネントの寸法並びに他の全てのコンポーネン
トおよび上側要素の寸法と位置の関数となる。つまり、
ある第三の電極コンポーネントが与えられた場合、その
電場が上側光学要素（反射器）に与える効果は、一般的
には、第三の電極コンポーネントと上側光学要素との間
の距離が増加するにつれて減少する。さらに、第三の電
極コンポーネントが上側光学要素の傾斜領域内に入り込
みすぎる場合は、第三の電極コンポーネントからの電場
が傾斜の際に上側光学要素を不安定にさせる恐れがあ
る。
ントは上側要素（反射器）の傾斜領域を超えて延長する
ように構成される。当業者においては気付かれるよう
に、第三の電極コンポーネントからの電場は、第三の電
極コンポーネントの寸法並びに他の全てのコンポーネン
トおよび上側要素の寸法と位置の関数となる。つまり、
ある第三の電極コンポーネントが与えられた場合、その
電場が上側光学要素（反射器）に与える効果は、一般的
には、第三の電極コンポーネントと上側光学要素との間
の距離が増加するにつれて減少する。さらに、第三の電
極コンポーネントが上側光学要素の傾斜領域内に入り込
みすぎる場合は、第三の電極コンポーネントからの電場
が傾斜の際に上側光学要素を不安定にさせる恐れがあ
る。
【００３７】一つの代替実施例として、第二の電極コン
ポーネントを第一と第三のコンポーネントの下側に配置
することもできる。この構成は製造が容易である。つま
り、これら電極がその上に形成される基板は、典型的に
は導電性であり、このためこの基板表面自体を第二の電
極コンポーネントとして利用することができる。
ポーネントを第一と第三のコンポーネントの下側に配置
することもできる。この構成は製造が容易である。つま
り、これら電極がその上に形成される基板は、典型的に
は導電性であり、このためこの基板表面自体を第二の電
極コンポーネントとして利用することができる。
【００３８】本発明の一つの実施例を図４との関連で説
明する。図４に示すように、ジンバル付の鏡１００が電
極基板１１０の上側に配置される。鏡要素１１５は丸
く、５００ミクロンなる直径を持つ。鏡要素１１５は、
ジンバル１２０に線形の弾性ばね１１６、１１７を介し
て取り付けられる。ジンバル要素１２０は、６６０ミク
ロンなる外径を持つ。ジンバル要素１２０は、枠１２５
に線形の弾性ばね１２１、１２２を介して取り付けられ
る。線形弾性要素１１６、１１７は鏡要素１１５の回転
の軸を定義し、線形弾性要素１２１、１２２はジンバル
要素１２０の回転の軸を定義する。
明する。図４に示すように、ジンバル付の鏡１００が電
極基板１１０の上側に配置される。鏡要素１１５は丸
く、５００ミクロンなる直径を持つ。鏡要素１１５は、
ジンバル１２０に線形の弾性ばね１１６、１１７を介し
て取り付けられる。ジンバル要素１２０は、６６０ミク
ロンなる外径を持つ。ジンバル要素１２０は、枠１２５
に線形の弾性ばね１２１、１２２を介して取り付けられ
る。線形弾性要素１１６、１１７は鏡要素１１５の回転
の軸を定義し、線形弾性要素１２１、１２２はジンバル
要素１２０の回転の軸を定義する。
【００３９】電極基板１１０は、ジンバル付の鏡１００
の下（平な状態において）50ミクロンの距離に配置され
る。２つのセットの電極が設けられ；線形弾性要素１２
１、１２２によって定義される回転軸の各側に１つのセ
ットが配置される。ジンバルを回転させる電極は、電極
１３２、１３２’と１３３、１３３’である。ジンバル
を図４に示すように回転させるためには、電極１３２’
と１３３’に電圧が加えられる。他の電極（１３０、１
３０’；１３１、１３２および１３３）は中性（０ボル
ト）に維持される。電極１３３’はジンバル要素１２０
の傾斜領域の外側に置かれることに注意する。こうし
て、この実施例においては、電極１３２’が第一の電極
コンポーネントとして機能し、電極１３３’が第三の電
極コンポーネントとして機能し、電極１３１が第二の電
極コンポーネントとして機能する。図５に示すように鏡
１１５を回転させるためには、電極１３０、１３２およ
び１３２’に電圧が加えられ、他の全ての電極には０ボ
ルトが加えられる。電極１３２と１３２’は、鏡１１５
の傾斜領域の外側にあることに注意する。こうして、こ
の実施例においては、電極１３０が第一の電極コンポー
ネントとして機能し、電極１３１が第二の電極コンポー
ネントとして機能し、電極１３２と１３２’が第三の電
極コンポーネントとして機能する。
の下（平な状態において）50ミクロンの距離に配置され
る。２つのセットの電極が設けられ；線形弾性要素１２
１、１２２によって定義される回転軸の各側に１つのセ
ットが配置される。ジンバルを回転させる電極は、電極
１３２、１３２’と１３３、１３３’である。ジンバル
を図４に示すように回転させるためには、電極１３２’
と１３３’に電圧が加えられる。他の電極（１３０、１
３０’；１３１、１３２および１３３）は中性（０ボル
ト）に維持される。電極１３３’はジンバル要素１２０
の傾斜領域の外側に置かれることに注意する。こうし
て、この実施例においては、電極１３２’が第一の電極
コンポーネントとして機能し、電極１３３’が第三の電
極コンポーネントとして機能し、電極１３１が第二の電
極コンポーネントとして機能する。図５に示すように鏡
１１５を回転させるためには、電極１３０、１３２およ
び１３２’に電圧が加えられ、他の全ての電極には０ボ
ルトが加えられる。電極１３２と１３２’は、鏡１１５
の傾斜領域の外側にあることに注意する。こうして、こ
の実施例においては、電極１３０が第一の電極コンポー
ネントとして機能し、電極１３１が第二の電極コンポー
ネントとして機能し、電極１３２と１３２’が第三の電
極コンポーネントとして機能する。
【００４０】以下では図６との関連で本発明の長所につ
いて説明する。図６は、２つのアクチュエータ構成に対
して、回転の角度を電圧の関数として示す。第一の構成
は、両方のコンポーネントともその部分が傾斜領域内に
位置する２つのコンポーネントから成る電極を備える。
この構成の傾斜角と電圧との関係がライン２００として
示される。第二の構成は、図５に示すような本発明によ
る３つのコンポーネントから成る電極を備える。本発明
によるアクチュエータに対する傾斜角と電圧との関係が
ライン２１０として示される。ライン２１０をライン２
００と比較することで、本発明のアクチュエータは、２
つのコンポーネントから成る電極を備えるアクチュエー
タと比較して、より大きな傾斜角のレンジを持つことが
はっきりとわかる。
いて説明する。図６は、２つのアクチュエータ構成に対
して、回転の角度を電圧の関数として示す。第一の構成
は、両方のコンポーネントともその部分が傾斜領域内に
位置する２つのコンポーネントから成る電極を備える。
この構成の傾斜角と電圧との関係がライン２００として
示される。第二の構成は、図５に示すような本発明によ
る３つのコンポーネントから成る電極を備える。本発明
によるアクチュエータに対する傾斜角と電圧との関係が
ライン２１０として示される。ライン２１０をライン２
００と比較することで、本発明のアクチュエータは、２
つのコンポーネントから成る電極を備えるアクチュエー
タと比較して、より大きな傾斜角のレンジを持つことが
はっきりとわかる。
【００４１】本発明が幾つかの実施例との関連で説明さ
れた。これら実施例は本発明を詳しく説明するために示
されたものであり、当業者においては理解できるよう
に、上で説明の実施例に対する様々な修正がクレームに
おいて定義される本発明の精神および範囲から逸脱する
ことなく可能である。より具体的には、静電アクチュエ
ータが光スイッチとの関連で説明されたが、当業者にお
いては説明のアクチュエータに対する様々なアプリケー
ションが可能である考えられる。例えば、本発明のアク
チュエータを、作動される要素にプローブチップが設け
られたセンサとして用いるために適合化することも考え
られる。
れた。これら実施例は本発明を詳しく説明するために示
されたものであり、当業者においては理解できるよう
に、上で説明の実施例に対する様々な修正がクレームに
おいて定義される本発明の精神および範囲から逸脱する
ことなく可能である。より具体的には、静電アクチュエ
ータが光スイッチとの関連で説明されたが、当業者にお
いては説明のアクチュエータに対する様々なアプリケー
ションが可能である考えられる。例えば、本発明のアク
チュエータを、作動される要素にプローブチップが設け
られたセンサとして用いるために適合化することも考え
られる。
【図１】静電的に作動される光学要素の斜視図である。
【図２】図１の２つのコンポーネントから成る電極によ
って作動される光学要素の線２−２に沿っての部分の切
取り略側面図である。
って作動される光学要素の線２−２に沿っての部分の切
取り略側面図である。
【図３】本発明による３つのコンポーネントから成る電
極によって静電的に作動される光学要素の略側面図であ
る。
極によって静電的に作動される光学要素の略側面図であ
る。
【図４】本発明による静電アクチュエータと上側光学デ
バイスの一つの実施例を示す分解斜視図である。
バイスの一つの実施例を示す分解斜視図である。
【図５】本発明による静電アクチュエータと上側光学デ
バイスのもう一つの実施例を示す分解斜視図である。
バイスのもう一つの実施例を示す分解斜視図である。
【図６】本発明によるアクチュエータを用いて達成され
る傾斜角のレンジを電圧の関数として示す図である。
る傾斜角のレンジを電圧の関数として示す図である。
１０ 光学デバイス ２０ 支持リング（ジンバル） １５ 反射器 ２１、２２ ばね要素 ２５ 枠 ２６、２７ ばね要素 ３０ 基板表面 ３５、３６ ヒンジ付の側壁 ４１ Ｖ字型ノッチ ４０ テーパセクション ７０ アクチュエータ ８０ 電極 ８１ 第一の電極コンポーネント ８２ 第一の電極コンポーネント ８３ 第三のコンポーネント １００ ジンバル付の鏡 １１０ 電極基板 １１５ 鏡要素
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブラッドミール アナトリーヴッチ アク シュック アメリカ合衆国 08854 ニュージャーシ ィ，ピスカッタウェイ，ミンディ レーン 405 (72)発明者 クリスチャン エー．ボール アメリカ合衆国 08807 ニュージャーシ ィ，ブリッジウォーター，フットヒル ロ ード 708 (72)発明者 フラヴィオ パルド アメリカ合衆国 07974 ニュージャーシ ィ，ニュープロヴィデンス，イーザン ド ライヴ 12 Ｆターム(参考） 2H041 AA12 AB14 AC06 AZ01 AZ05
Claims (14)
- 【請求項１】 マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）
アクチュエータデバイスであって、 支持構造に回転可能に結合された光学要素を備え、前記
支持構造が前記光学要素を下側基板の表面の平面より上
方の平面内に支持し、前記下側基板の表面の前記光学要
素の真下の部分によって前記下側基板上の傾斜領域が定
義され；このデバイスがさらに前記下側基板の表面上に
形成された電極を備え、この電極が前記光学要素をこの
電極に電位が供給されたとき回転させるように構成さ
れ、この電極が少なくとも３つのコンポーネントから成
り、第一のコンポーネントと第三のコンポーネントが作
動電圧を受けるように適合化され、第二のコンポーネン
トが前記光学要素の電位と実質的に同一の電位となるよ
うに適合化され、前記第一と第二のコンポーネントが前
記光学要素の傾斜領域内に少なくとも部分的に入るよう
に配置され、前記第三のコンポーネントが前記光学要素
の傾斜領域の外側に配置され、前記第二のコンポーネン
トが前記第一と第三のコンポーネントの中間に配置され
ることを特徴とするデバイス。 - 【請求項２】 前記光学デバイスが鏡から成ることを特
徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項３】 前記第二の電極と前記光学要素がグラン
ド電位に維持されるように適合化されることを特徴とす
る請求項１記載のデバイス。 - 【請求項４】 さらに、入力ポートのアレイとＭＥＭＳ
アクチュエータの関連する第一のアレイおよび出力ポー
トのアレイとＭＥＭＳアクチュエータの関連する第二の
アレイを備え、前記ＭＥＭＳアクチュエータの第一のア
レイがこの第一のアレイ内の光学要素に当たる光信号を
入力ポートからＭＥＭＳアクチュエータの第二のアレイ
に制御下で方路するように適合化され、前記ＭＥＭＳア
クチュエータの第二のアレイがこのアレイ内の光学要素
に当たる光信号を出力ポートに方路するように構成され
ることを特徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項５】 前記光学要素がある角度レンジだけ回転
し、前記第三の電極コンポーネントが前記全角度レンジ
を通じて前記光学要素の傾斜領域の外側にあることを特
徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項６】 前記光学要素が前記支持構造に少なくと
も２つのねじり部材によって回転可能に結合されること
を特徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項７】 光クロスコネクトであって、 基板によって支持される光学要素を含み、この光学要素
が前記基板の上方に対応する支持部材に固着された複数
のねじり部材によって懸垂され、前記光学要素が前記基
板上に設けられた電極によって与えられる作動力に応答
して前記ねじり要素によって定義される軸のまわりを回
転するように適合化され、前記電極が少なくとも３つの
コンポーネントから成り、第一のコンポーネントが作動
電圧を受けるように適合化され、第二のコンポーネント
が前記光学要素の電位と実質的に同一の電位となるよう
に適合化され、第三のコンポーネントが作動電圧を受
け、かつ前記基板上の前記光学要素によって定義される
傾斜領域の下にはこないように適合化されることを特徴
とする光クロスコネクト。 - 【請求項８】 さらに、入力ポートのアレイとＭＥＭＳ
アクチュエータの関連する第一のアレイおよび出力ポー
トのアレイとＭＥＭＳアクチュエータの関連する第二の
アレイを備え、前記ＭＥＭＳアクチュエータの第一のア
レイがこの第一のアレイ内の光学要素に当たる光信号を
入力ポートからＭＥＭＳアクチュエータの第二のアレイ
に制御下で方路するように適合化され、前記ＭＥＭＳア
クチュエータの第二のアレイがこのアレイ内の光学要素
に当たる光信号を出力ポートに方路するように構成され
ることを特徴とする請求項７記載の光クロスコネクト。 - 【請求項９】 マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）
アクチュエータデバイスであって、 支持構造に回転可能に結合された被作動要素を含み、前
記支持構造が前記被作動要素を下側基板の表面の平面の
上方の平面内に支持し、前記下側基板の表面の前記被作
動要素の真下の部分によって前記下側基板上の傾斜領域
が定義され；このデバイスがさらに前記下側基板の表面
上に形成された電極を含み、この電極が前記被作動要素
をこの電極に電位が供給されたとき回転させるように構
成され、この電極が少なくとも３つのコンポーネントか
ら成り、第一のコンポーネントと第三のコンポーネント
が作動電圧を受けるように適合化され、第二のコンポー
ネントが前記被作動要素の電位と実質的に同一の電位と
なるように適合化され、前記第一と第二のコンポーネン
トが前記被作動要素の傾斜領域内に少なくとも部分的に
入るように配置され、前記第三のコンポーネントが前記
被作動要素の傾斜領域の外側にくるように配置され、前
記第二のコンポーネントが前記第一と第三のコンポーネ
ントの中間に配置されることを特徴とするデバイス。 - 【請求項１０】 前記被作動デバイスが鏡から成ること
を特徴とする請求項９記載のデバイス。 - 【請求項１１】 前記被作動デバイスがプローブから成
ることを特徴とする請求項１０記載のデバイス。 - 【請求項１２】 前記第二の電極と光学要素がグランド
電位となるように適合化されることを特徴とする請求項
９記載のデバイス。 - 【請求項１３】 前記被作動要素がある角度レンジだけ
回転し、前記第三の電極コンポーネントが前記全角度レ
ンジを通じて前記被作動要素の傾斜領域の外側にあるこ
とを特徴とする請求項９記載のデバイス。 - 【請求項１４】 前記被作動要素が前記支持構造に少な
くとも２つのねじり部材によって回転可能に結合される
ことを特徴とする請求項９記載のデバイス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/755727 | 2001-01-05 | ||
| US09/755,727 US6600851B2 (en) | 2001-01-05 | 2001-01-05 | Electrostatically actuated micro-electro-mechanical system (MEMS) device |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002254399A true JP2002254399A (ja) | 2002-09-10 |
| JP2002254399A5 JP2002254399A5 (ja) | 2005-07-28 |
| JP4402861B2 JP4402861B2 (ja) | 2010-01-20 |
Family
ID=25040385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001399599A Expired - Fee Related JP4402861B2 (ja) | 2001-01-05 | 2001-12-28 | 静電的に作動されるマイクロ電気機械システム（ｍｅｍｓ）デバイス |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6600851B2 (ja) |
| EP (1) | EP1223453B1 (ja) |
| JP (1) | JP4402861B2 (ja) |
| CA (1) | CA2366527C (ja) |
| DE (1) | DE60124498T2 (ja) |
| TW (1) | TW544437B (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP2005221903A (ja) * | 2004-02-09 | 2005-08-18 | Hitachi Metals Ltd | ミラーシステム及び光スイッチ |
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| US6760511B2 (en) | 2001-03-19 | 2004-07-06 | Capella Photonics, Inc. | Reconfigurable optical add-drop multiplexers employing polarization diversity |
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