JP2003159698A - マイクロアクチュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ装置、光スイッチ及び光スイッチアレー - Google Patents

マイクロアクチュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ装置、光スイッチ及び光スイッチアレー

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い電圧をかけたり小型化を損なったりする
ことなく、可動部の可動範囲を広げ、しかも、消費電力
を低減する。 【解決手段】 可動板２１は、フレクチュア部２７ａ，
２７ｂを介して基板１１に固定され、基板１１に対して
上下動し得る。基板１１は固定電極を兼用する。可動板
２１は、基板１１との間の電圧により基板１１との間に
静電力を生じ得る第２の電極部２３ａ，２３ｂと、磁界
内に配置されて通電によりローレンツ力を生ずる電流経
路２５と、を有する。光路に進出及び退出するミラー１
２が、可動板２１に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロアクチュ
エータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ
装置、光スイッチ及び光スイッチアレーに関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】マイクロマシニング技術の進展に伴い、
種々の分野においてアクチュエータの重要性が高まって
いる。マイクロアクチュエータが用いられている分野の
一例として、例えば、光通信などに利用され光路を切り
替える光スイッチを挙げることができる。このような光
スイッチの一例として、例えば、特開平２００１−４２
２３３号公報に開示された光スイッチを挙げることがで
きる。
【０００３】マイクロアクチュエータは、一般的に、固
定部と、所定の力にて移動可能とされた可動部とを有
し、前記所定の力にて所定の位置に保持されるようにな
っている。従来のマイクロアクチュエータでは、前記所
定の力として静電力が用いられることが多かった。例え
ば、特開平２００１−４２２３３号公報に開示された光
スイッチにおいて採用されているマイクロミラーを移動
させるマイクロアクチュエータでは、静電力により、可
動部を上方位置（マイクロミラーが入射光を反射させる
位置）と下方位置（マイクロミラーが入射光をそのまま
通過させる位置）に移動させてその位置に保持してい
る。
【０００４】このような静電力を利用するマイクロアク
チュエータでは、固定部に第１の電極部を配置し、可動
部に第２の電極部を配置し、第１及び第２の電極部間に
電圧を印加して両者の間に静電力を発生させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前述したような静電力
を用いる従来のマイクロアクチュエータでは、静電力で
可動部を移動させて静電力で所定の位置に保持していた
ので、可動部の可動範囲を広くすることが困難であっ
た。
【０００６】平行平板の電極間に働く静電力Ｆ１は、誘
電率ε、電位差Ｖ、電極間距離ｄ、電極面積Ｓを用いる
と、下記の数１に示す通りとなる。
【０００７】
【数１】Ｆ１＝ε×Ｖ２×Ｓ／２ｄ２
【０００８】数１からわかるように、電極間距離ｄが大
きくなると、その２乗に反比例して静電力Ｆ１が急激に
小さくなる。したがって、前記従来のマイクロアクチュ
エータでは、電極間距離ｄがある距離以上になると可動
部を移動させることが困難となり、可動部の可動範囲を
広くすることが困難であった。また、大きな電極間距離
ｄに対して十分な静電力Ｆ１を得ようとして電位差（電
極間の電圧）Ｖを大きくすると、絶縁耐力の点で問題が
生じたり、高電圧発生部が必要になったりする。また、
大きな電極間距離ｄに対して十分な静電力Ｆ１を得よう
として電極面積Ｓを大きくすると、寸法が大きくなり、
小型化というマイクロアクチュエータの本来的な趣旨を
損なうことになる。
【０００９】そこで、本発明者は、研究の結果、マイク
ロアクチュエータにおいて、静電力の代わりにローレン
ツ力を用いることを着想するに至った。
【００１０】ローレンツ力Ｆ２（Ｎ）は、磁束密度をＢ
（Ｔ）、電線の長さをＬ（ｍ）、電流をＩ（Ａ）とする
と、下記の数２で示す通りとなることが知られている。
【００１１】
【数２】Ｆ２＝Ｉ×Ｂ×Ｌ
【００１２】数２には電線の位置を規定する項目がない
ので、一定の磁束密度の中では、電線の位置が変わって
も、発生するローレンツ力Ｆ２は変化しない。
【００１３】マイクロアクチュエータにおいて、可動部
に前記電線に相当する電流経路を設け、この電流経路に
対して磁場をかけ、前記電流経路に電流を流せば、可動
部にローレンツ力を作用させることができる。可動部の
可動範囲が従来に比べて広くても、その範囲において略
一様の磁場をかけておくことは、例えば磁石を用いるな
どにより、容易である。したがって、可動部の可動範囲
が広くても、可動部の位置に拘わらず可動部に一定の力
を作用させることができる。すなわち、マイクロアクチ
ュエータにおいて、静電力の代わりにローレンツ力を用
いれば、可動部の位置によって駆動力が変化する静電力
を用いる場合とは異なり、可動部の位置に無関係に一定
の駆動力を得ることが、原理的にできるのである。
【００１４】例えば、電極間隔が５０μｍ、電極形状が
５０μｍ角、電圧が５Ｖ、誘電率が１であれば、前記数
１の静電力Ｆ１は０．１ｎＮとなる。一方、５０μｍ角
の電極に５０μｍの長さの電流経路を作成し、磁束密度
０．１Ｔの磁場をかければ、電流を１ｍＡ流したときに
５ｎＮのローレンツ力が発生する。５ｎＮ以上の力を静
電力で得るためには、電極間隔を７μｍ以下するかある
いは電極形状を３５０μｍ角以上にしなければならず、
同じ駆動力を得るにはローレンツ力の方が有利であるこ
とがわかる。
【００１５】なお、例えば、２０ｍｍ角のネオジミウム
鉄ボロン系磁石をマイクロアクチュエータから２ｍｍ離
れた位置に配置すれば、０．１Ｔの磁束密度は容易に得
られる。
【００１６】このように、マイクロアクチュエータにお
いて、静電力の代わりにローレンツ力を用いれば、高い
電圧をかけたり小型化を損なったりすることなく、可動
部の可動範囲を広げることができる。
【００１７】ところが、マイクロアクチュエータにおい
て静電力の代わりにローレンツ力を用いると、新たな問
題が生ずることが判明した。すなわち、静電力の代わり
にローレンツ力を用いる場合には、ローレンツ力により
可動部を所定位置まで移動させ、ローレンツ力により可
動部をその位置に保持し続けることになる。したがっ
て、ローレンツ力を発生させるための電流を常に流し続
けることになるため、消費電力が著しく増大してしま
う。
【００１８】例えば、大規模光スイッチの応用では、数
万個のアクチュエータを一つの光スイッチ装置の中に持
つため、各アクチュエータの低消費電力化が強く要求さ
れる。例えば、１００×１００チャネルの光スイッチで
は、チャネルを選択するための例えばＭＯＳスイッチを
半導体基板上に製作することが必須である。ＭＯＳスイ
ッチの抵抗を１０ｋΩとすると、そこに１ｍＡの電流を
流し続けた場合、１つのＭＯＳスイッチの消費電力は１
０ｍＷとなる。これが１万個あるので合計では１００Ｗ
もの消費電力となり、発熱が大き過ぎるため実用上問題
がある。
【００１９】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、高い電圧をかけたり小型化を損なったりする
ことなく、可動部の可動範囲を広げることができ、しか
も、消費電力を低減することができる、マイクロアクチ
ュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエー
タ装置、光スイッチ及び光スイッチアレーを提供するこ
とを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明者は、更なる研究
の結果、マイクロアクチュエータにおいて、静電力の利
用とローレンツ力の利用とを結合し得るように構成する
ことにより、前述した目的を達成し得ることを見出し
た。すなわち、固定部と該固定部に対して移動し得るよ
うに設けられた可動部とを備えたマイクロアクチュエー
タにおいて、可動部に静電力を作用させ得るようにする
ための電極部を固定部及び可動部にそれぞれ設け、可動
部にローレンツ力を作用させるための電流経路を可動部
に設けておくことによって、前述した目的を達成し得る
ことを、見出した。
【００２１】この手段を採用することによって、例え
ば、可動部の電極部と固定部の電極部との距離が大きい
場合にはローレンツ力のみによって可動部を移動させ、
可動部の電極部と固定部の電極部との距離が小さくなっ
た場合には静電力のみによって可動部を保持すること
が、可能となる。これにより、高い電圧をかけたり小型
化を損なったりすることなく、可動部の可動範囲を広げ
ることができ、しかも、消費電力を低減することができ
る。
【００２２】静電力駆動では、電気的にはコンデンサの
充放電を行っているので、消費電力は、充放電時すなわ
ち電圧の変化時点でのみ発生する。よって、光スイッチ
等に用いるマイクロアクチュエータのように、可動部が
頻繁に移動せず可動部が所定位置（固定部の電極部と可
動部の電極部との間の距離が小さい位置）で保持されて
いる期間が比較的長い場合には、可動部を所定位置に保
持するための力を静電力のみで発生させれば、大幅に消
費電力を低減させることができるのである。例えば、電
極間の容量が１０ｐＦで、電圧が５Ｖで、可動部の移動
が１分毎に１回起こる場合、静電駆動分の消費電力は
４．２ｐＷとなる。このマイクロアクチュエータが１万
個ある場合、合計の静電駆動分の消費電力は４２ｎＷと
なる。また、固定部の電極部と可動部の電極との間の距
離が小さい位置では、両者の間の電圧が比較的低くかつ
電極面積が比較的狭くても、十分な大きさの静電力が得
られる。
【００２３】ローレンツ力駆動では、可動部の位置に無
関係に一定の駆動力を得ることができるので、ローレン
ツ力で可動部を移動させれば、可動範囲を広げることが
できる。ローレンツ力の消費電力は、例えば、前述した
例と同様にチャネルを選択するためのオンチップのＭＯ
Ｓスイッチの抵抗を１０ｋΩとすると、このＭＯＳスイ
ッチに１ｍＡの電流を１分ごとに１０ｍｓｅｃ（可動部
の移動期間に相当）流した場合、ローレンツ力駆動分の
消費電力は１．７μＷとなる。マイクロアクチュエータ
が１万個ある場合、合計のローレンツ力駆動分の消費電
力は、１７ｍＷとなり、前述した常時ローレンツ力駆動
する場合の消費電力１００Ｗに比べて、大幅に低減され
る。全体としての消費電力のうちのほとんどはローレン
ツ力で占めるが、実用上大きな問題となるほどではな
い。
【００２４】このように、マイクロアクチュエータの中
に、静電力を発生させる仕組みとローレンツ力を発生さ
せる仕組みの、両方を搭載することにより、例えば、可
動部を所定位置で保持するための力は静電力で発生させ
て消費電力を低減する一方、可動電極と固定電極の間隔
が広いときにはローレンツ力でアクチュエータを駆動し
て、高電圧の印加や電極面積の拡大を抑制しつつ可動範
囲を拡大することが、可能となる。
【００２５】本発明は、以上説明した本発明者の研究結
果による新たな知見に基づいてなされたものである。
【００２６】すなわち、前記課題を解決するため、本発
明の第１の態様によるマイクロアクチュエータは、
（ａ）固定部と、該固定部に対して移動し得るように設
けられた可動部と、を備え、（ｂ）前記固定部は第１の
電極部を有し、（ｃ）前記可動部は、前記第１の電極部
との間の電圧により前記第１の電極部との間に静電力を
生じ得る第２の電極部と、磁界内に配置されて通電によ
りローレンツ力を生ずる電流経路と、を有するものであ
る。
【００２７】本発明の第２の態様によるマイクロアクチ
ュエータは、前記第１の態様において、前記可動部が薄
膜で構成されたものである。
【００２８】本発明の第３の態様によるマイクロアクチ
ュエータは、前記第１又は第２の態様において、前記電
流経路は、前記静電力が増大する第１の位置に前記可動
部を移動させるような方向にローレンツ力を生じ得るよ
うに、配置されたものである。
【００２９】本発明の第４の態様によるマイクロアクチ
ュエータは、前記第３の態様において、前記可動部は、
前記第１の位置と前記静電力が低下又は消失する第２の
位置との間を移動し得るとともに、前記第２の位置に復
帰しようとする復帰力が生ずるように、設けられたもの
である。
【００３０】本発明の第５の態様によるマイクロアクチ
ュエータは、前記第４の態様において、（ａ）前記第１
の電極部と前記第２の電極部とが対向して配置され、
（ｂ）前記可動部は、前記可動部が前記第１の位置に位
置するときには前記第１及び第２の電極部間の間隔が狭
まるとともに前記可動部が前記第２の位置に位置すると
きには前記間隔が広がるように、バネ性を有するバネ性
部を介して前記固定部に対して機械的に接続され、
（ｃ）前記復帰力が前記バネ性部により生ずるものであ
る。
【００３１】本発明の第６の態様によるマイクロアクチ
ュエータは、前記第１又は第２の態様において、前記固
定部は第３の電極部を有し、前記可動部は、前記第３の
電極部との間の電圧により前記第３の電極部との間に静
電力を生じ得る第４の電極部を有するものである。
【００３２】本発明の第７の態様によるマイクロアクチ
ュエータは、前記第６の態様において、前記第２の電極
部と前記第４の電極部とが兼用されたものである。
【００３３】本発明の第８の態様によるマイクロアクチ
ュエータは、前記第６又は第７の態様において、前記電
流経路は、前記第１及び第２の電極部間に生ずる静電力
が増大するとともに前記第３及び第４の電極部間に生ず
る静電力が低下又は消失する第１の位置、並びに、前記
第１及び第２の電極部間に生ずる静電力が低下又は消失
するとともに前記第３及び第４の電極部間に生ずる静電
力が増大する第２の位置に、それぞれ前記可動部を移動
させるような各方向にローレンツ力を生じ得るように、
配置されたものである。
【００３４】本発明の第９の態様によるマイクロアクチ
ュエータは、前記第８の態様において、前記可動部は、
前記第１及び第２の位置間の所定位置に復帰しようとす
る復帰力が生ずるように、設けられたものである。
【００３５】本発明の第１０の態様によるマイクロアク
チュエータは、前記第９のマイクロアクチュエータにお
いて、（ａ）前記第１の電極部は、前記可動部に対する
一方の側において、前記第２の電極部と対向して配置さ
れ、（ｂ）前記第３の電極部は、前記可動部に対する他
方の側において、前記第４の電極部と対向して配置さ
れ、（ｃ）前記可動部は、前記可動部が前記第１の位置
に位置するときには前記第１及び第２の電極部間の第１
の間隔が狭まるとともに前記第３及び第４の電極部間の
第２の間隔が広がり、前記可動部が前記第２の位置に位
置するときには前記第１の間隔が広がるとともに前記第
２の間隔が狭まるように、バネ性を有するバネ性部を介
して前記固定部に対して機械的に接続され、（ｄ）前記
復帰力が前記バネ性部により生ずるものである。
【００３６】本発明の第１１の態様によるマイクロアク
チュエータ装置は、前記第１乃至第５のいずれかの態様
によるマイクロアクチュエータと、前記磁界を発生させ
る磁界発生部と、前記第１及び第２の電極部間の電圧並
びに前記電流経路に流れる電流を制御する制御部と、を
備えたものである。
【００３７】本発明の第１２の態様によるマイクロアク
チュエータ装置は、前記第１１の態様において、（ａ）
前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置へ移動させ
る際には、前記ローレンツ力によってあるいは前記ロー
レンツ力及び前記静電力によって前記可動部が前記第１
の位置へ移動するように、前記電圧及び前記電流を制御
し、（ｂ）前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置
に保持している少なくとも定常的な保持状態において
は、前記静電力によって前記可動部が前記第１の位置に
保持されるように前記電圧を制御するとともに、前記電
流を流さないように制御するものである。
【００３８】本発明の第１３の態様によるマイクロアク
チュエータ装置は、前記第６乃至第１０のいずれかの態
様によるマイクロアクチュエータと、前記磁界を発生さ
せる磁界発生部と、前記第１及び第２の電極部間の電
圧、前記第３及び第４の電極部間の電圧並びに前記電流
経路に流れる電流を制御する制御部と、を備えたもので
ある。
【００３９】本発明の第１４の態様によるマイクロアク
チュエータ装置は、前記第１３の態様において、（ａ）
前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置へ移動させ
る際には、前記ローレンツ力によって、あるいは、前記
ローレンツ力及び前記第１及び第２の電極部間の前記静
電力によって、前記可動部が前記第１の位置へ移動する
ように、前記第１及び第２の電極部間の電圧、前記第３
及び第４の電極部間の電圧並びに前記電流経路に流れる
電流を制御し、（ｂ）前記制御部は、前記可動部を前記
第２の位置へ移動させる際には、前記ローレンツ力によ
って、あるいは、前記ローレンツ力及び前記第３及び第
４の電極部間の前記静電力によって、前記可動部が前記
第２の位置へ移動するように、前記第１及び第２の電極
部間の電圧、前記第３及び第４の電極部間の電圧並びに
前記電流経路に流れる電流を制御し、（ｃ）前記制御部
は、前記可動部を前記第１の位置に保持している少なく
とも定常的な保持状態においては、前記第１及び第２の
電極部間の前記静電力によって前記可動部が前記第１の
位置に保持されるように、前記第１及び第２の電極部間
の電圧並びに前記第３及び第４の電極部間の電圧を制御
するとともに、前記電流を流さないように制御し、
（ｄ）前記制御部は、前記可動部を前記第２の位置に保
持している少なくとも定常的な保持状態においては、前
記第３及び第４の電極部間の前記静電力によって前記可
動部が前記第２の位置に保持されるように、前記第１及
び第２の電極部間の電圧並びに前記第３及び第４の電極
部間の電圧を制御するとともに、前記電流を流さないよ
うに制御するものである。
【００４０】本発明の第１５の態様による光スイッチ
は、前記第１乃至第１０のいずれかの態様によるマイク
ロアクチュエータと、前記可動部に設けられたミラー
と、を備えたものである。
【００４１】本発明の第１６の態様による光スイッチア
レーは、前記第１５の態様による光スイッチを複数備
え、該複数の光スイッチが２次元状に配置されたもので
ある。
【００４２】本発明の第１７の態様による光スイッチア
レーは、前記第１６の態様において、複数のスイッチン
グ素子を含む回路であって、前記複数の光スイッチの各
行ごとの行選択信号及び前記複数の光スイッチの各列ご
との列選択信号に応答して、選択された行及び列の光ス
イッチに対して前記電流及び前記電圧の制御を行う回路
を、備えたものである。
【００４３】
【発明の実施の形態】以下、本発明によるマイクロアク
チュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエ
ータ装置、光スイッチ及び光スイッチアレーについて、
図面を参照して説明する。
【００４４】［第１の実施の形態］
【００４５】図１は、本発明の第１の実施の形態による
光スイッチアレー１を備えた光スイッチシステムの一例
を示す概略構成図である。説明の便宜上、図１に示すよ
うに、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する
（後述する図についても同様である。）。光スイッチア
レー１の基板１１の面がＸＹ平面と平行となっている。
なお、説明の便宜上、Ｚ軸方向の＋側を上側、Ｚ軸方向
の−側を下側という。
【００４６】この光スイッチシステムは、図１に示すよ
うに、光スイッチアレー１と、Ｍ本の光入力用光ファイ
バ２と、Ｍ本の光出力用光ファイバ３と、Ｎ本の光出力
用光ファイバ４と、光スイッチアレー１に対して後述す
るように磁界を発生する磁界発生部としての磁石５と、
光路切替状態指令信号に応答して、当該光路切替状態指
令信号が示す光路切換状態を実現するための制御信号を
光スイッチアレー１に供給する外部制御回路６と、を備
えている。図１に示す例では、Ｍ＝３、Ｎ＝３となって
いるが、Ｍ及びＮはそれぞれ任意の数でよい。
【００４７】本実施の形態では、磁石５は、図１に示す
ように、Ｙ軸方向の＋側がＮ極に−側がＳ極に着磁され
た板状の永久磁石であり、光スイッチアレー１の下側に
配置され、光スイッチアレー１に対して磁力線５ａで示
す磁界を発生している。すなわち、磁石５は、光スイッ
チアレー１に対して、Ｙ軸方向に沿ってその−側へ向か
う略均一な磁界を発生している。もっとも、磁界発生部
として、磁石５に代えて、例えば、他の形状を有する永
久磁石や、電磁石などを用いてもよい。
【００４８】光スイッチアレー１は、図１に示すよう
に、基板１１と、基板１１上に配置されたＭ×Ｎ個のミ
ラー１２とを備えている。Ｍ本の光入力用光ファイバ２
は、基板１１に対するＸ軸方向の一方の側からＸ軸方向
に入射光を導くように、ＸＹ平面と平行な面内に配置さ
れている。Ｍ本の光出力用光ファイバ３は、Ｍ本の光入
力用光ファイバ２とそれぞれ対向するように基板１１に
対する他方の側に配置され、光スイッチアレー１のいず
れのミラー１２によっても反射されずにＸ軸方向に進行
する光が入射するように、ＸＹ平面と平行な面内に配置
されている。Ｎ本の光出力用光ファイバ４は、光スイッ
チアレー１のいずれかのミラー１２により反射されてＹ
軸方向に進行する光が入射するように、ＸＹ平面と平行
な面内に配置されている。Ｍ×Ｎ個のミラー１２は、Ｍ
本の光入力用光ファイバ２の出射光路と光出力用光ファ
イバ４の入射光路との交差点に対してそれぞれ、後述す
るマイクロアクチュエータにより進出及び退出可能にＺ
軸方向に直線移動し得るように、２次元マトリクス状に
基板１１上に配置されている。なお、本例では、ミラー
１２の向きは、その法線がＸＹ平面と平行な面内におい
てＸ軸と４５゜をなすように設定されている。もっと
も、その角度は適宜変更することも可能であり、ミラー
１２の角度を変更する場合には、その角度に応じて光出
力用光ファイバ４の向きを設定すればよい。
【００４９】この光スイッチシステムの光路切替原理自
体は、従来の２次元光スイッチの光路切替原理と同様で
ある。
【００５０】次に、図１中の光スイッチアレー１の単位
素子としての１つの光スイッチの構造について、図２乃
至図５を参照して説明する。図２は、１つの光スイッチ
を示す概略平面図である。図３は、図２中のＸ１−Ｘ２
線に沿った概略断面図である。図４は、図２中のＹ１−
Ｙ２線に沿った概略断面図である。図５は、図３に対応
する概略断面図であり、ミラー１２が下側に保持された
状態を示している。なお、図３は、ミラー１２が上側に
保持された状態を示している。
【００５１】この光スイッチは、前述したミラー１２及
び固定部としての前記基板１１の他に、基板１１に対し
て移動し得るように設けられた可動部としての可動板２
１を備えている。基板１１には、可動板２１が進入する
領域となる凹部１３が形成されている。本実施の形態で
は、基板１１としてシリコン基板等の半導体基板が用い
られ、基板１１における可動板２１との対向部分が第１
の電極部を構成している。もっとも、基板１１とは別
に、基板１１上に金属膜等により第１の電極部を形成し
てもよい。
【００５２】可動板２１は、薄膜で構成され、下側絶縁
膜２２と、下側絶縁膜２２上に形成された２つの第２の
電極部２３ａ，２３ｂと、下側絶縁膜２２上に形成され
電極部２３ａ，２３ｂをそれぞれ基板１１の所定箇所に
電気的に接続するための配線パターン２４ａ，２４ｂの
一部と、下側絶縁膜２２上に形成され図１中の磁石５に
より生じた磁界内に配置されて通電によりローレンツ力
を生ずる電流経路としてのコイル層２５と、これらの上
側を覆う上側絶縁膜２６と、を有している。第２の電極
部２３ａ，２３ｂは、前記第１の電極部を構成している
基板１１との間の電圧により基板１１との間に静電力を
生じ得るものである。
【００５３】絶縁膜２２，２６としては、例えば、Ｓｉ
Ｎ膜又はＳｉＯ２膜などを用いることができる。電極部
２３ａ，２３ｂ、配線パターン２４ａ，２４ｂ及びコイ
ル層２５としては、例えば、Ａｌ膜等の金属膜などを用
いることができる。なお、電極部２３ａ，２３ｂ、配線
パターン２４ａ，２４ｂの一部、及びコイル層２５は、
上側絶縁膜２６で覆われているため、図２では本来隠れ
線で示すべきであるが、図面表記の便宜上、上側絶縁膜
２６で隠れた部分も実線で示している。ただし、コイル
層２５におけるミラー１２で隠れた部分は隠れ線で示し
ている。
【００５４】本実施の形態では、可動板２１のＸ軸方向
の両端部が、バネ性を有するバネ性部としてのフレクチ
ュア部２７ａ，２７ｂと、アンカー部２８ａ，２８ｂと
を、それぞれこの順に介して、基板１１における凹部１
３の周辺部に機械的に接続されている。フレクチュア部
２７ａ，２７ｂ及びアンカー部２８ａ，２８ｂは、可動
板２１からそのまま連続して延びた、下側絶縁膜２２、
前記配線パターン２４ａ，２４ｂの残りの部分、コイル
層２５をそれぞれ基板１１の所定箇所に電気的に接続す
るための配線パターン２９ａ，２９ｂ、及び上側絶縁膜
２６で構成されている。なお、配線パターン２９ａ，２
９ｂは、コイル層２５を構成する金属膜等がそのまま連
続して延びたものとなっている。配線パターン２４ａ，
２４ｂ，２９ａ，２９ｂは、アンカー部２８ａ，２８ｂ
において、下側絶縁膜２２に形成した穴（図示せず）を
介して基板１１の所定箇所にそれぞれ電気的に接続され
ている。配線パターン２４ａ，２４ｂは、基板１１に形
成された配線（図示せず）により、電気的に共通に接続
されている。
【００５５】フレクチュア部２７ａ，２７ｂは図２に示
すように平面視で曲がりくねった形状を有している。こ
れにより、可動板２１は、上下に（Ｚ軸方向に）移動し
得るようになっている。すなわち、本実施の形態では、
可動板２１は、可動板２１に静電力及びローレンツ力が
作用してないときにフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバ
ネ力（復帰力）により復帰する上側位置（第２の位置）
（図３及び図４参照）と、可動板２１が基板１１の凹部
１３に進入してその底部に当接する下側位置（第１の位
置）（図５参照）との間を、移動し得るようになってい
る。図３及び図４に示す上側位置では、可動板２１の第
２の電極部２３ａ，２３ｂと第１の電極部としての基板
１１との間隔が広がって、両者の間に生じ得る静電力は
低下又は消失する。図５に示す下側位置では、可動板２
１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと第１の電極部として
の基板１１との間隔が狭まって、両者の間に生じ得る静
電力は増大する。
【００５６】コイル層２５は、前記静電力が増大する図
５に示す下側位置に可動板２１を移動させるような方向
（下方向）にローレンツ力を生じ得るように、配置され
ている。具体的には、本実施の形態では、前述したよう
に図１中の磁石５によりＹ軸方向に沿ってその−側へ向
かう磁界が発生されているので、コイル層２５は、図１
に示すように、Ｘ軸方向に延びるように配置されてい
る。
【００５７】ミラー１２は、可動板２１の上面に直立し
て固定されている。前述したように、ミラー１２の反射
面の向きは、その法線がＸＹ平面と平行な面内において
Ｘ軸と４５゜をなすように設定されている。
【００５８】前述した光スイッチの構造のうちミラー１
２以外の構成要素によって、ミラー１２を駆動するマイ
クロアクチュエータが構成されている。
【００５９】次に、１つの光スイッチに着目して、その
制御方法の一例とこれによる光スイッチの動作につい
て、図６を参照して説明する。図６は、１つの光スイッ
チのコイル層２５に流れてローレンツ力を起こす電流
（以下、「ローレンツ力用電流」という）と、当該光ス
イッチの第１の電極部（基板１１）と可動板２１の第２
の電極部２３ａ，２３ｂとの間に静電力を起こす両者間
の電圧（以下、「静電力用電圧」という。）と、当該光
スイッチのミラー１２の位置（したがって、可動板２１
の位置）との、時間変化による関係を示す、タイミング
チャートである。
【００６０】最初に、ローレンツ力用電流がゼロである
とともに静電力用電圧がゼロであり、フレクチュア部２
７ａ，２７ｂのバネ力により、ミラー１２が図３及び図
４に示すように上側位置に保持されていたとする。この
状態では、図３に示すように、入射光はミラー１２にて
反射され紙面手前側に進行する。
【００６１】その後、時刻Ｔ１において、ミラー１２の
位置を図５に示す下側位置に切り替えるべく制御を開始
する。すなわち、時刻Ｔ１において、ローレンツ力用電
流を＋Ｉとする。ここで、＋Ｉは、コイル層２５に、フ
レクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より強くかつ下向
きのローレンツ力を発生させる電流である。
【００６２】ミラー１２は、このローレンツ力により徐
々に下降し、可動板２１が基板１１に当接した時刻Ｔ２
で停止し、図５に示す下側位置に保持される。
【００６３】このままローレンツ力によってミラー１２
を下側位置に保持し続けるのではなく、時刻Ｔ３で静電
力用電圧をＶとした後に、時刻Ｔ４でローレンツ力用電
流をゼロにする。ここで、Ｖは、少なくとも、ミラー１
２が下側位置に位置しているときにフレクチュア部２７
ａ，２７ｂのバネ力より強い静電力を発生させる電圧で
ある。期間Ｔ２−Ｔ３ではローレンツ力のみによりミラ
ー１２が下側位置に保持され、期間Ｔ３−Ｔ４ではロー
レンツ力及び静電力によりミラー１２が下側位置に保持
され、時刻Ｔ４以降では静電力のみによりミラー１２が
下側位置に保持される。期間Ｔ２−Ｔ４は、ミラー１２
の下側位置への保持をローレンツ力から静電力に切り替
えるいわば下側保持の過渡期間であり、期間Ｔ４以降が
いわば下側保持の定常期間である。
【００６４】ミラー１２が下側位置に保持された期間で
は、図５に示すように、入射光はミラー１２で反射され
ることなく、そのまま通過して出射光となる。
【００６５】その後、時刻Ｔ５において、ミラー１２の
位置を図３及び図４に示す上側位置に切り替えるべく制
御を開始する。すなわち、時刻Ｔ５において、静電力用
電圧をゼロにする。その結果、ミラー１２は、フレクチ
ュア部２７ａ，２７ｂのバネ力により比較的急激に図３
及び図４に示す上側位置に戻り、当該バネ力により上側
位置に保持され続ける。
【００６６】このように、可動板２１の第２の電極部２
３ａ，２３ｂと基板１１（第１の電極部）との間の間隔
が大きいときに、ミラー１２の位置（可動板２１の位
置）に大きさが依存しないローレンツ力により、ミラー
１２をフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力に抗して
下側位置に移動させている。したがって、静電力を高め
るべく高い電圧をかけたり小型化を損なったりすること
なく、可動板２１の可動範囲を広げることができる。ま
た、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと基板１
１（第１の電極部）との間の間隔が小さくなった下側位
置の保持の定常状態では、静電力のみによってミラー１
２を下側位置に保持しているので、消費電力を低減する
ことができる。
【００６７】なお、前述した例では、時刻Ｔ２と時刻Ｔ
４との間の時刻Ｔ３で静電力用電圧をＶにしているが、
期間Ｔ１−Ｔ４のいずれの時点で静電力用電圧をＶにし
てもよいし、時刻Ｔ１の前に静電力用電圧をＶにしても
よい。また、可動板２１が上側位置に位置しているとき
に静電力用電圧をＶにした際に生ずる静電力がフレクチ
ュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より小さいものであれ
ば、時刻Ｔ５の後に可動板２１が上側位置に移動した後
には、上側保持期間においても静電力用電圧をＶにして
おいてもよい。後述する図８の例における右側の電圧リ
フレッシュ期間は、このような場合に相当する。
【００６８】図１に示す光スイッチアレー１は、前述し
た単位素子としての図２乃至図５に示す光スイッチを複
数有し、これらの光スイッチが２次元マトリクスに配置
されている。また、図１に示す光スイッチアレー１に
は、これらの光スイッチの各々に対して前述したような
制御を、少ない本数の制御線で実現するべく、複数のス
イッチング素子を含む図７に示す回路が搭載されてい
る。図７は、光スイッチアレー１を示す電気回路図であ
る。
【００６９】図７では、説明を簡単にするため、９個の
光スイッチを３行３列に配置している。もっとも、その
数は何ら限定されるものではなく、例えば１００行１０
０列の光スイッチを有する場合も、原理は同一である。
【００７０】図２乃至図５に示す単一の光スイッチは、
電気回路的には、１個のコンデンサ（第２の電極２３ａ
と第１の電極（基板１１）とがなすコンデンサと、第２
の電極２３ｂと第１の電極（基板１１）とがなすコンデ
ンサとが、並列接続された合成コンデンサに相当）と、
１個のコイル（コイル層２５に相当）と見なせる。図７
では、ｍ行ｎ列の光スイッチのコンデンサ及びコイルを
それぞれＣｍｎ及びＬｍｎと表記している。例えば、図
７中の左上の（１行１列の）光スイッチのコンデンサ及
びコイルをそれぞれＣ１１及びＬ１１と表記している。
【００７１】制御線の本数を減らすために、図７に示す
回路では、コンデンサＣｍｎ及びコイルＬｍｎに対して
それぞれ、列選択スイッチＭｍｎｂ，Ｍｍｎｄと行選択
スイッチＭｍｎａ，Ｍｍｎｃが設けられている。コンデ
ンサＣｍｎの一端が行選択スイッチＭｍｎａの一端に接
続され、行選択スイッチＭｍｎａの他端が列選択スイッ
チＭｍｎｂの一端に接続され、列選択スイッチＭｍｎｂ
の他端は電圧制御スイッチＭＣ１の一端及びＭＣ２の一
端に接続されている。コンデンサＣｍｎの他端はグラン
ドに接続されている。電圧制御スイッチＭＣ１の他端は
クランプ電圧ＶＣに接続され、電圧制御スイッチＭＣ２
の他端はグランドに接続されている。
【００７２】また、コイルＬｍｎの一端が行選択スイッ
チＭｍｎｃの一端に接続され、行選択スイッチＭｍｎｃ
の他端が列選択スイッチＭｍｎｄの一端に接続され、列
選択スイッチＭｍｎｄの他端は電流制御スイッチＭＣ３
の一端に接続されている。コイルＬｍｎの他端はグラン
ドに接続されている。電流制御スイッチＭＣ３の他端は
前記電流＋Ｉを供給する電流源Ｉ１の一端に接続され、
電流源Ｉ１の他端はグランドに接続されている。
【００７３】スイッチング素子としての列選択スイッチ
Ｍｍｎｂ，Ｍｍｎｄ、行選択スイッチＭｍｎａ，Ｍｍｎ
ｃ、電圧制御スイッチＭＣ１，ＭＣ２及び電流制御スイ
ッチＭＣ３は、例えば、基板１１としてシリコン基板を
用いた場合、基板１１に形成したＮ型ＭＯＳトランジス
タで構成することができる。
【００７４】１行目の行選択スイッチＭ１１ａ，Ｍ１１
ｃ，Ｍ１２ａ，Ｍ１２ｃ，Ｍ１３ａ，Ｍ１３ｃ、のゲー
トは、端子Ｖ１に接続されている。同様に、２行目の行
選択スイッチのゲートは端子Ｖ２に、３行目の行選択ス
イッチのゲートは端子Ｖ３にそれぞれ接続されている。
【００７５】１列目の列選択スイッチＭ１１ｂ，Ｍ１１
ｄ，Ｍ２１ｂ，Ｍ２１ｄ，Ｍ３１ｂ，Ｍ３１ｄのゲート
は、端子Ｈ１に接続されている。同様に、２列目の列選
択スイッチのゲートは端子Ｈ２に、３行目の列選択スイ
ッチのゲートは端子Ｈ３にそれぞれ接続されている。
【００７６】次に、各端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ
２，Ｈ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に印加する電圧のタイミン
グチャートの一例を、図８に示す。図８において、時刻
ｔ１以前は、全ての光スイッチのコンデンサＣｍｎをク
ランプ電圧ＶＣにバイアスする電圧リフレッシュ期間で
ある。したがって、この期間では、端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ
３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３は全てハイレベルとされて、全て
の列選択スイッチＭｍｎｂ，Ｍｍｎｄ及び行選択スイッ
チＭｍｎａ，Ｍｍｎｃが導通状態になっている。また、
この期間では、端子Ｃ１がハイレベルで端子Ｃ２がロー
レベルとされ、電圧制御スイッチＭＣ１が導通状態で電
圧制御スイッチＭＣ２が不導通状態になっている。さら
に、端子Ｃ３はローレベルとされ、電流制御スイッチＭ
Ｃ３が不導通状態となっている。電圧リフレッシュ期間
では、ミラー１２は上側位置及び下側位置のいずれかに
保持されている。図８の例では、時刻ｔ１以前の電圧リ
フレッシュ期間では、ミラー１２が下側位置に保持され
ている。
【００７７】ところで、本実施の形態では、端子Ｖ１，
Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に印
加する信号（電圧）は、図１中の外部制御回路６から制
御信号として供給される。外部制御回路６は、例えば、
光路切換状態指令信号に基づいて、現在の位置状態から
変更すべき光スイッチを調べて、当該変更すべき光スイ
ッチの１つずつについて、状態変更期間を１つずつ順次
設定していく。現在の位置状態から変更すべき光スイッ
チがない場合には、前記電圧リフレッシュ期間を設定す
る。また、状態変更期間を複数設定する場合（つまり、
現在の位置状態から変更すべき光スイッチの数が２つ以
上の場合）には、各状態変更期間の間に電圧リフレッシ
ュ期間を設定してもよいし、設定しなくてもよい。例え
ば、現在の位置状態から変更すべき光スイッチの数が３
つある場合には、状態変更期間→電圧リフレッシュ期間
→状態変更期間→電圧リフレッシュ期間→状態変更期間
を設定してもよいし、連続して状態変更期間を設定して
もよい。そして、設定した各状態変更期間においては、
対応する光スイッチについて、指令された光路切換状態
に応じて前述した図６に示すような制御が実現されるよ
うに、端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｃ
１，Ｃ２，Ｃ３に印加する信号を供給する。なお、外部
制御回路６を光スイッチアレー１に搭載してもよいこと
は、言うまでもない。
【００７８】図８は、外部制御回路６により、電圧リフ
レッシュ期間→１行１列の光スイッチについての状態変
更期間→電圧リフレッシュ期間が、設定された例であ
る。図８の例では、時刻ｔ１以前の電圧リフレッシュ期
間では、ミラー１２が下側位置に保持されている。時刻
ｔ１で、１行１列の光スイッチについての状態変更期間
が開始され、端子Ｖ２，Ｖ３，Ｈ２，Ｈ３がローレベル
にされてコンデンサＣ１１以外のコンデンサが切り離さ
れる。次に、時刻ｔ３で端子Ｃ２がハイレベルにされ、
Ｃ１１に充電されていた電荷が放電され、静電力用電圧
がゼロにされる。この時刻ｔ３は図６中の時刻Ｔ５に対
応している。これによって、静電力が無くなり、ミラー
１２は、図３及び図５に示す上側位置に移動して保持さ
れる。次に、時刻ｔ４で端子Ｃ２がローレベルにされ、
更に時刻ｔ５で端子Ｃ１がハイレベルにされる。その
後、時刻ｔ６で、当該状態変更期間を終了し、電圧リフ
レッシュ期間とされる。
【００７９】時刻ｔ１から時刻ｔ６までの期間では、１
行１列以外の光スイッチのミラー１２の下側位置の保持
は、各コンデンサに残っている電荷によって発生する電
圧によっている。よって各コンデンサはＭＯＳスイッチ
が非導通状態で電荷のリークが小さくなるように作製す
ることが、好ましい。
【００８０】次に、本実施の形態による光スイッチアレ
ー１の製造方法の一例について、図９及び図１０を参照
して説明する。図９及び図１０の各図は、この製造工程
を模式的に示す概略断面図であり、図４に対応してい
る。
【００８１】まず、前記基板１１となるべきシリコン基
板３１に、図７中のスイッチＭｍｎａ，Ｍｍｎｂ，Ｍｍ
ｎｃ，Ｍｍｎｄ，ＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ３となるＭＯＳ
トランジスタ（図示せず）を、通常のＭＯＳプロセスで
形成する。また、シリコン基板１１に図７に示す回路を
実現するのに必要な配線（図示せず）を形成する。この
状態の基板３１の表面にＳｉＯ２膜３２を成膜する。次
に、ＳｉＯ２膜３２上に下側絶縁膜２２となるべきＳｉ
Ｎ膜３３を成膜する。なお、ＳｉＯ２膜３２及びＳｉＮ
膜３３には、基板３１に形成したＭＯＳトランジスタに
配線パターン２４ａ，２４ｂ，２９ａ，２９ｂを接続す
べき箇所に、接続用の穴をフォトエッチ法により形成し
ておく。この状態の基板３１上に、電極部２３ａ，２３
ｂ、配線パターン２４ａ，２４ｂ，２９ａ，２９ｂ及び
コイル層２５となるべきＡｌ膜３４を蒸着法等により形
成した後、フォトエッチ法によりパターニングし、これ
らの形状とする。その後、上側絶縁膜２６となるべきＳ
ｉＮ膜３５を成膜し、フォトエッチ法によりＳｉＮ膜３
３，３５を、可動板２１、フレクチュア部２７ａ，２７
ｂ及びアンカー部２８ａ，２８ｂの形状にパターニング
する（図９（ａ））。
【００８２】次に、図９（ａ）に示す状態の基板３１上
にＳｉＯ２膜３６を成膜する。そして、ＳｉＯ２膜３６
におけるミラー１２を形成すべき箇所、及び、ＳｉＯ２
膜３２，３６におけるエッチングホールを形成すべき箇
所を、除去する（図９（ｂ））。
【００８３】次いで、図９（ｂ）に示す状態の基板にレ
ジスト３７を厚塗りする。ここで、レジスト３７を露
光、現像して、ミラー１２が成長される領域をレジスト
３７に形成する（図９（ｃ））。その後、電解メッキに
よりミラー１２となるべきＡｕ、Ｎｉその他の金属３８
を成長させる（図１０（ａ））。
【００８４】次に、レジスト３７を除去した後、ＫＯＨ
溶液をエッチングホールを介して注入し、基板３１の一
部を除去する（図１０（ｂ））。最後に、残存している
ＳｉＯ２膜３２，３６を除去する。これにより、本実施
の形態による光スイッチアレー１が完成する。
【００８５】［第２の実施の形態］
【００８６】図１１は、本発明の第２の実施の形態によ
る光スイッチアレーの単位素子としての１つの光スイッ
チを示す概略平面図である。図１１において、上側電極
部４１は、本来実線で示すべきであるが、理解を容易に
するため、想像線で示している。図１２は、図１１中の
Ｘ３−Ｘ４線に沿った概略断面図である。図１３は、図
１１中のＹ３−Ｙ４線に沿った概略断面図である。図１
４は、図１２に対応する概略断面図であり、ミラー１２
が上側に保持された状態を示している。図１５は、図１
２に対応する概略断面図であり、ミラー１２が下側に保
持された状態を示している。なお、図１２及び図１３
は、前述した図３及び図４と同様に、可動板２１に静電
力及びローレンツ力が作用してないときにフレクチュア
部２７ａ，２７ｂのバネ力（復帰力）により復帰する位
置に位置する状態を示しているが、本実施の形態では、
この位置を中立位置と呼ぶ。
【００８７】図１１乃至図１５において、図１乃至図５
中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、
その重複する説明は省略する。
【００８８】本実施の形態による光スイッチアレーは、
図１に示す光スイッチシステムにおいて、光スイッチア
レー１に代えて用いることができるものである。本実施
の形態による光スイッチアレーが図１中の光スイッチア
レー１と異なる所は、その単位素子としての１つの光ス
イッチにおいて、可動板２１の上方に配置された上側電
極部（第３の電極部）４１が追加されている点である。
【００８９】上側電極部４１は、ポリシリコンを材料と
して形成されている。図１１乃至図１５において、４２
ａ，４２ｂは上側電極アンカー部、４３ａ，４３ｂは立
ち上がり部、４４は上側電極部４１の中央部に形成され
た貫通孔を示す。上側電極部４１は、立ち上がり部４３
ａ，４３ｂ及び上側電極アンカー部４２ａ，４２ｂと一
体に構成され、立ち上がり部４３ａ，４３ｂ及び上側電
極アンカー部４２ａ，４２ｂをこの順に介して基板１１
における凹部１３の周辺部に機械的に接続されている。
このように、上側電極部４１は基板１に対して固定され
ているので、上側電極部４１は、基板１とともに固定部
を構成している。
【００９０】本実施の形態では、可動板２１の電極部２
３ａ，２３ｂが、第１の電極部（基板１１）との間に静
電力を生じ得る第２の電極部のみならず、上側電極部
（第３の電極部）４１との間に静電力を生じ得る第４の
電極部としても兼用されている。もっとも、このような
兼用を行わずに、例えば、可動板２１において、絶縁膜
２６上に当該第４の電極部となる金属膜等を形成し、更
にその上に絶縁膜を形成してもよい。
【００９１】また、本実施の形態では、可動板２１は、
可動板２１が前記中立位置より上方に移動して上側電極
部４１に当接する上側位置（第２の位置）（図１４参
照）と、可動板２１が基板１１の凹部１３に進入してそ
の底部に当接する下側位置（第１の位置）（図１５参
照）との間を、移動し得るようになっている。図１４に
示す上側位置では、可動板２１の第２の電極部２３ａ，
２３ｂと第１の電極部としての基板１１との間隔が広が
って、両者の間に生じ得る静電力は低下又は消失し、可
動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと上側電極部
（第３の電極部）４１との間の間隔が狭まって、両者の
間に生じ得る静電力は増大する。一方、図１５に示す下
側位置では、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂ
と第１の電極部としての基板１１との間隔が狭まって、
両者の間に生じ得る静電力は増大し、可動板２１の第２
の電極部２３ａ，２３ｂと上側電極部（第３の電極部）
４１との間の間隔が広がって、両者の間に生じ得る静電
力は低下又は消失する。
【００９２】本実施の形態では、第１の電極部（基板１
１）と第３の電極部としての上側電極部４１とが、電気
的に共通接続されている。これにより、可動板２１の第
２の電極部２３ａ，２３ｂを基準として、可動板２１の
第２の電極部２３ａ，２３ｂと第１の電極部（基板１
１）との間、及び、可動板２１の第２の電極部２３ａ，
２３ｂと第３の電極部としての上側電極部４１との間
に、同時にそれぞれ同じ電圧が印加されるようになって
いる。もっとも、第１の電極部（基板１１）と第３の電
極部としての上側電極部４１と電気的に接続することな
く、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと第１の
電極部（基板１１）との間、及び、可動板２１の第２の
電極部２３ａ，２３ｂと第３の電極部としての上側電極
部４１との間に、それぞれ独立して電圧を印加し得るよ
うにしてもよい。
【００９３】なお、図１１乃至図１５に示す光スイッチ
の構造のうちミラー１２以外の構成要素によって、ミラ
ー１２を駆動するマイクロアクチュエータが構成されて
いる。
【００９４】次に、本実施の形態において、１つの光ス
イッチに着目して、その制御方法の一例とこれによる光
スイッチの動作について、図１６を参照して説明する。
図１６は、１つの光スイッチのコイル層２５に流れてロ
ーレンツ力を起こす電流（以下、「ローレンツ力用電
流」という）と、当該光スイッチの第１の電極部（基板
１１）と可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂとの
間及び当該光スイッチの可動板２１の第２の電極部２３
ａ，２３ｂと上部電極部（第３の電極部）との間にそれ
ぞれ静電力を起こす各間の同じ電圧（以下、「静電力用
電圧」という。）と、当該光スイッチのミラー１２の位
置（したがって、可動板２１の位置）との、時間変化に
よる関係を示す、タイミングチャートである。
【００９５】最初に、ローレンツ力用電流がゼロである
とともに静電力用電圧がＶであり、可動板２１の電極部
２３ａ，２３ｂと上側電極部４１との間の静電力によ
り、ミラー１２が図１４に示すように上側位置に保持さ
れていたとする。このとき、電圧Ｖは、電極部２３ａ，
２３ｂと上側電極部４１との間の静電力がフレクチュア
部２７ａ，２７ｂのバネ力より強くなるように設定され
ている。この状態では、図１４に示すように、入射光は
ミラー１２にて反射され紙面手前側に進行する。
【００９６】その後、時刻Ｔ１において、ミラー１２の
位置を図１５に示す下側位置に切り替えるべく制御を開
始する。すなわち、時刻Ｔ１において、静電力用電圧を
ゼロにする。その結果、ミラー１２は、フレクチュア部
２７ａ，２７ｂのバネ力により比較的急激に図１２及び
図１３に示す中立位置に戻る。
【００９７】その後、時刻Ｔ２において、ローレンツ力
用電流を＋Ｉとする。ここで、＋Ｉは、コイル層２５
に、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より強くか
つ下向きのローレンツ力を発生させる電流である。
【００９８】ミラー１２は、このローレンツ力により徐
々に下降し、可動板２１が基板１１に当接した時刻Ｔ３
で停止し、図１５に示す下側位置に保持される。
【００９９】このままローレンツ力によってミラー１２
を下側位置に保持し続けるのではなく、時刻Ｔ４で静電
力用電圧をＶとした後に、時刻Ｔ５でローレンツ力用電
流をゼロにする。ここで、電圧Ｖは、前述した値と同じ
であるが、ミラー１２が下側位置に位置しているときに
フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より強い静電力
を発生させる電圧に設定されている。期間Ｔ３−Ｔ４で
はローレンツ力のみによりミラー１２が下側位置に保持
され、期間Ｔ４−Ｔ５ではローレンツ力及び静電力によ
りミラー１２が下側位置に保持され、時刻Ｔ５以降では
静電力のみによりミラー１２が下側位置に保持される。
期間Ｔ３−Ｔ５は、ミラー１２の下側位置への保持をロ
ーレンツ力から静電力に切り替えるいわば下側保持の過
渡期間であり、期間Ｔ５以降がいわば下側保持の定常期
間である。
【０１００】ミラー１２が下側位置に保持された期間で
は、図１５に示すように、入射光はミラー１２で反射さ
れることなく、そのまま通過して出射光となる。
【０１０１】その後、時刻Ｔ６において、ミラー１２の
位置を図１４に示す上側位置に切り替えるべく制御を開
始する。すなわち、時刻Ｔ６において、静電力用電圧を
ゼロにする。その結果、ミラー１２は、フレクチュア部
２７ａ，２７ｂのバネ力により比較的急激に図１２及び
図１３に示す中立位置に戻る。
【０１０２】その後、時刻Ｔ７において、ローレンツ力
用電流を−Ｉとする。ここで、−Ｉは、コイル層２５
に、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より強くか
つ上向きのローレンツ力を発生させる電流である。
【０１０３】ミラー１２は、このローレンツ力により徐
々に上昇し、可動板２１が上側電極部４１に当接した時
刻Ｔ８で停止し、図１４に示す上側位置に保持される。
【０１０４】このままローレンツ力によってミラー１２
を上側位置に保持し続けるのではなく、時刻Ｔ９で静電
力用電圧をＶとした後に、時刻Ｔ１０でローレンツ力用
電流をゼロにする。期間Ｔ８−Ｔ９ではローレンツ力の
みによりミラー１２が上側位置に保持され、期間Ｔ９−
Ｔ１０ではローレンツ力及び静電力によりミラー１２が
上側位置に保持され、時刻Ｔ１０以降では静電力のみに
よりミラー１２が上側位置に保持される。期間Ｔ８−Ｔ
１０は、ミラー１２の上側位置への保持をローレンツ力
から静電力に切り替えるいわば上側保持の過渡期間であ
り、期間Ｔ１０以降がいわば上側保持の定常期間であ
る。
【０１０５】このように、可動板２１の第２の電極部２
３ａ，２３ｂと基板１１（第１の電極部）との間の間隔
が大きいときに、ミラー１２の位置（可動板２１の位
置）に大きさが依存しないローレンツ力により、ミラー
１２をフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力に抗して
下側位置に移動させている。また、可動板２１の第２の
電極部２３ａ，２３ｂと上側電極部４１（第３の電極
部）との間の間隔が大きいときに、ミラー１２の位置に
大きさが依存しないローレンツ力により、ミラー１２を
フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力に抗して上側位
置に移動させている。したがって、静電力を高めるべく
高い電圧をかけたり小型化を損なったりすることなく、
可動板２１の可動範囲を広げることができる。また、可
動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと基板１１（第
１の電極部）との間の間隔が小さくなった下側位置の保
持の定常状態、及び、可動板２１の第２の電極部２３
ａ，２３ｂと上側電極部４１（第３の電極部）との間の
間隔が小さくなった上側位置の保持の定常状態では、静
電力のみによってミラー１２を上側位置に保持している
ので、消費電力を低減することができる。
【０１０６】なお、前述した例では、時刻Ｔ３と時刻Ｔ
５との間の時刻Ｔ４で静電力用電圧をＶにしているが、
期間Ｔ１−Ｔ４のいずれの時点で静電力用電圧をＶにし
てもよい。同様に、前述した例では、時刻Ｔ８と時刻Ｔ
１０との間の時刻Ｔ９で静電力用電圧をＶにしている
が、期間Ｔ６−Ｔ９のいずれの時点で静電力用電圧をＶ
にしてもよい。
【０１０７】本実施の形態による光スイッチアレー１
は、前述した単位素子としての図１１乃至図１５に示す
光スイッチを複数有し、これらの光スイッチが２次元マ
トリクスに配置されている。また、本実施の形態による
光スイッチアレー１には、これらの光スイッチの各々に
対して前述したような制御を、少ない本数の制御線で実
現するべく、複数のスイッチング素子を含む図１７に示
す回路が搭載されている。図１７は、本実施の形態によ
る光スイッチアレーを示す電気回路図である。図１７に
おいて、図７中の要素と同一又は対応する要素には同一
符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０１０８】図１７に示す回路が図７に示す回路と異な
る所は、電流制御スイッチＭＣ４、及び、前記電流−Ｉ
を供給する電流源Ｉ２が追加されている。電流制御スイ
ッチＭＣ４の一端が列選択スイッチＭｍｎｄの他端に接
続され、電流制御スイッチＭＣ４の他端が電流源Ｉ２の
一端に接続され、電流源Ｉ２の他端はグランドに接続さ
れている。電流制御スイッチＭＣ４のゲートは端子Ｃ４
に接続されている。
【０１０９】なお、図１７において、ｍ行ｎ列の光スイ
ッチのコンデンサＣｍｎは、第２の電極２３ａと第１の
電極（基板１１）とがなすコンデンサと、第２の電極２
３ｂと第１の電極（基板１１）とがなすコンデンサと、
第２の電極２３ａと上側電極部４１（第３の電極部）と
がなすコンデンサと、第２の電極２３ｂと上側電極部４
１とがなすコンデンサとが、並列接続された合成コンデ
ンサに相当している。
【０１１０】次に、各端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ
２，Ｈ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に印加する電圧のタ
イミングチャートの一例を、図１８に示す。図１８にお
いて、時刻ｔ１以前は、全ての光スイッチのコンデンサ
Ｃｍｎをクランプ電圧ＶＣにバイアスする電圧リフレッ
シュ期間である。したがって、この期間では、端子Ｖ
１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３は全てハイレベルと
されて、全ての列選択スイッチＭｍｎｂ，Ｍｍｎｄ及び
行選択スイッチＭｍｎａ，Ｍｍｎｃが導通状態になって
いる。また、この期間では、端子Ｃ１がハイレベルで端
子Ｃ２がローレベルとされ、電圧制御スイッチＭＣ１が
導通状態で電圧制御スイッチＭＣ２が不導通状態になっ
ている。さらに、端子Ｃ３，Ｃ４はローレベルとされ、
電流制御スイッチＭＣ３，ＭＣ４が不導通状態となって
いる。電圧リフレッシュ期間では、ミラー１２は上側位
置及び下側位置のいずれかに保持されている。
【０１１１】ところで、本実施の形態では、端子Ｖ１，
Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ
４に印加する信号（電圧）は、図１中の外部制御回路６
に相当する外部制御回路から制御信号として供給され
る。この外部制御回路は、図１中の外部制御回路６と同
様に、例えば、光路切換状態指令信号に基づいて、現在
の位置状態から変更すべき光スイッチを調べて、当該変
更すべき光スイッチの１つずつについて、状態変更期間
を１つずつ順次設定していく。現在の位置状態から変更
すべき光スイッチがない場合には、前記電圧リフレッシ
ュ期間を設定する。また、状態変更期間を複数設定する
場合（つまり、現在の位置状態から変更すべき光スイッ
チの数が２つ以上の場合）には、各状態変更期間の間に
電圧リフレッシュ期間を設定してもよいし設定しなくて
もよい。例えば、現在の位置状態から変更すべき光スイ
ッチの数が３つある場合には、状態変更期間→電圧リフ
レッシュ期間→状態変更期間→電圧リフレッシュ期間→
状態変更期間を設定してもよいし、連続して状態変更期
間を設定してもよい。そして、設定した各状態変更期間
においては、対応する光スイッチについて、指令された
光路切換状態に応じて前述した図６に示すような制御が
実現されるように、端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ
２，Ｈ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に印加する信号を供
給する。なお、外部制御回路６を光スイッチアレー１に
搭載してもよいことは、言うまでもない。
【０１１２】図１８は、外部制御回路６により、電圧リ
フレッシュ期間→１行１列の光スイッチについての状態
変更期間→電圧リフレッシュ期間が、設定された例であ
る。図１８の例では、時刻ｔ１以前の電圧リフレッシュ
期間では、ミラー１２が上側位置及び下側位置のいずれ
かに保持されている。時刻ｔ１で、１行１列の光スイッ
チについての状態変更期間が開始され、端子Ｖ２，Ｖ
３，Ｈ２，Ｈ３がローレベルにされてコンデンサＣ１１
以外のコンデンサが切り離される。次に、時刻ｔ３で端
子Ｃ２がハイレベルにされ、Ｃ１１に充電されていた電
荷が放電され、静電力用電圧がゼロにされる。これによ
って、静電力が無くなり、ミラー１２は、図１２及び図
１３に示す中立位置に移動する。次に、時刻ｔ４で端子
Ｃ２がローレベルにされた後、時刻ｔ５で端子Ｃ３がハ
イレベルにされてコイルＬ１１に電流＋Ｉが流される。
移動させる向きが逆の時にはＣ３の代わりにＣ４をハイ
レベルにして−Ｉが流される。次に、時刻ｔ６で端子Ｃ
１がハイレベルにしてコンデンサＣ１１を再度クランプ
電圧ＶＣに充電することで、クランプが行なわれる。次
に、時刻ｔ７で端子Ｃ３をローレベルにしてコイルＬ１
１の電流を止める。その後、時刻ｔ８で、当該状態変更
期間を終了し、電圧リフレッシュ期間とされる。
【０１１３】なお、本実施の形態による光スイッチアレ
ーは、基本的に、前記第１の実施の形態による光スイッ
チアレー１と同様に製造することができる。本実施の形
態では、上側電極部４１が付加されているので、可動板
２１と上部電極部４１との間の間隔に相当する犠牲層の
形成を行った後に、上部電極部４１を形成するなどの、
変更を適宜行えばよい。
【０１１４】前述した各実施の形態において、電極部間
に高い電圧をかけるとすれば、図７、図８中のＭＯＳト
ランジスタの耐圧を高く必要がある。しかし、耐圧の高
いＭＯＳトランジスタは平面的なサイズが大きくなり、
チップの小型化が困難となる。これに対し、前述した各
実施の形態では、電極部間に高い電圧をかける必要がな
いので、平面的なサイズの小さいＭＯＳトランジスタを
用いることができ、この点からも、小型化を図ることが
できる。
【０１１５】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるもの
ではない。
【０１１６】例えば、前述した各実施の形態は、複数の
光スイッチを２次元状に配置した光スイッチアレーの例
であったが、本発明は１つの光スイッチのみであっても
よい。また、前述した各実施の形態は本発明によるマイ
クロアクチュエータを光スイッチに適用した例であった
が、その用途に限定されるものではない。
【０１１７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高い電圧をかけたり小型化を損なったりすることなく、
可動部の可動範囲を広げることができ、しかも、消費電
力を低減することができる、マイクロアクチュエータ、
並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ装置、光
スイッチ及び光スイッチアレーを提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による光スイッチア
レーを備えた光スイッチシステムの一例を示す概略構成
図である。
【図２】図１中の光スイッチアレーを構成する１つの光
スイッチを示す概略平面図である。
【図３】図２中のＸ１−Ｘ２線に沿った概略断面図であ
る。
【図４】図２中のＹ１−Ｙ２線に沿った概略断面図であ
る。
【図５】図３に対応する概略断面図である。
【図６】図１中の光スイッチアレーを構成する１つの光
スイッチの、ローレンツ力用電流と静電力用電圧とミラ
ーの位置との時間変化による関係を示す、タイミングチ
ャートである。
【図７】図１中の光スイッチアレーを示す電気回路図で
ある。
【図８】図７中の各端子に供給する信号を示すタイミン
グチャートである。
【図９】図１中の光スイッチアレーの各工程を模式的に
示す概略断面図である。
【図１０】図１中の光スイッチアレーの他の各工程を模
式的に示す概略断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態による光スイッチ
アレーを構成する１つの光スイッチを示す概略平面図で
ある。
【図１２】図１１中のＸ３−Ｘ４線に沿った概略断面図
である。
【図１３】図１１中のＹ３−Ｙ４線に沿った概略断面図
である。
【図１４】図１２に対応する概略断面図である。
【図１５】図１２に対応する他の概略断面図である。
【図１６】図１１に示す１つの光スイッチの、ローレン
ツ力用電流と静電力用電圧とミラーの位置との時間変化
による関係を示す、タイミングチャートである。
【図１７】本発明の第２の実施の形態による光スイッチ
アレーを示す電気回路図である。
【図１８】図１７中の各端子に供給する信号を示すタイ
ミングチャートである。
【符号の説明】
１ 光スイッチアレー ２ 光入力用光ファイバ ３，４ 光出力用光ファイバ ５ 磁石 ６ 外部制御回路 １１ 基板（第１の電極部） １２ ミラー １３ 凹部 ２１ 可動板 ２３ａ，２３ｂ 第２の電極部 ２５ コイル層（電流経路） ２７ａ，２７ｂ フレクチュア部 ４１ 上部電極部（第３の電極部）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 純児 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン本社内 (72)発明者 鈴木 美彦 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン本社内 Ｆターム(参考） 2H041 AA16 AB13 AC06 AZ02 AZ05 AZ08

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 固定部と、該固定部に対して移動し得る
    ように設けられた可動部と、を備え、 前記固定部は第１の電極部を有し、 前記可動部は、前記第１の電極部との間の電圧により前
    記第１の電極部との間に静電力を生じ得る第２の電極部
    と、磁界内に配置されて通電によりローレンツ力を生ず
    る電流経路と、を有する、 ことを特徴とするマイクロアクチュエータ。
  2. 【請求項２】 前記可動部が薄膜で構成されたことを特
    徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
  3. 【請求項３】 前記電流経路は、前記静電力が増大する
    第１の位置に前記可動部を移動させるような方向にロー
    レンツ力を生じ得るように、配置されたことを特徴とす
    る請求項１又は２記載のマイクロアクチュエータ。
  4. 【請求項４】 前記可動部は、前記第１の位置と前記静
    電力が低下又は消失する第２の位置との間を移動し得る
    とともに、前記第２の位置に復帰しようとする復帰力が
    生ずるように、設けられたことを特徴とする請求項３記
    載のマイクロアクチュエータ。
  5. 【請求項５】 前記第１の電極部と前記第２の電極部と
    が対向して配置され、 前記可動部は、前記可動部が前記第１の位置に位置する
    ときには前記第１及び第２の電極部間の間隔が狭まると
    ともに前記可動部が前記第２の位置に位置するときには
    前記間隔が広がるように、バネ性を有するバネ性部を介
    して前記固定部に対して機械的に接続され、 前記復帰力が前記バネ性部により生ずることを特徴とす
    る請求項４記載のマイクロアクチュエータ。
  6. 【請求項６】 前記固定部は第３の電極部を有し、前記
    可動部は、前記第３の電極部との間の電圧により前記第
    ３の電極部との間に静電力を生じ得る第４の電極部を有
    することを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロア
    クチュエータ。
  7. 【請求項７】 前記第２の電極部と前記第４の電極部と
    が兼用されたことを特徴とする請求項６記載のマイクロ
    アクチュエータ。
  8. 【請求項８】 前記電流経路は、前記第１及び第２の電
    極部間に生ずる静電力が増大するとともに前記第３及び
    第４の電極部間に生ずる静電力が低下又は消失する第１
    の位置、並びに、前記第１及び第２の電極部間に生ずる
    静電力が低下又は消失するとともに前記第３及び第４の
    電極部間に生ずる静電力が増大する第２の位置に、それ
    ぞれ前記可動部を移動させるような各方向にローレンツ
    力を生じ得るように、配置されたことを特徴とする請求
    項６又は７記載のマイクロアクチュエータ。
  9. 【請求項９】 前記可動部は、前記第１及び第２の位置
    間の所定位置に復帰しようとする復帰力が生ずるよう
    に、設けられたことを特徴とする請求項８記載のマイク
    ロアクチュエータ。
  10. 【請求項１０】 前記第１の電極部は、前記可動部に対
    する一方の側において、前記第２の電極部と対向して配
    置され、 前記第３の電極部は、前記可動部に対する他方の側にお
    いて、前記第４の電極部と対向して配置され、 前記可動部は、前記可動部が前記第１の位置に位置する
    ときには前記第１及び第２の電極部間の第１の間隔が狭
    まるとともに前記第３及び第４の電極部間の第２の間隔
    が広がり、前記可動部が前記第２の位置に位置するとき
    には前記第１の間隔が広がるとともに前記第２の間隔が
    狭まるように、バネ性を有するバネ性部を介して前記固
    定部に対して機械的に接続され、 前記復帰力が前記バネ性部により生ずることを特徴とす
    る請求項９記載のマイクロアクチュエータ。
  11. 【請求項１１】 請求項１乃至５のいずれかに記載のマ
    イクロアクチュエータと、 前記磁界を発生させる磁界発生部と、 前記第１及び第２の電極部間の電圧並びに前記電流経路
    に流れる電流を制御する制御部と、 を備えたことを特徴とするマイクロアクチュエータ装
    置。
  12. 【請求項１２】 前記制御部は、前記可動部を前記第１
    の位置へ移動させる際には、前記ローレンツ力によって
    あるいは前記ローレンツ力及び前記静電力によって前記
    可動部が前記第１の位置へ移動するように、前記電圧及
    び前記電流を制御し、 前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置に保持して
    いる少なくとも定常的な保持状態においては、前記静電
    力によって前記可動部が前記第１の位置に保持されるよ
    うに前記電圧を制御するとともに、前記電流を流さない
    ように制御する、 ことを特徴とする請求項１１記載のマイクロアクチュエ
    ータ装置。
  13. 【請求項１３】 請求項６乃至１０のいずれかに記載の
    マイクロアクチュエータと、 前記磁界を発生させる磁界発生部と、 前記第１及び第２の電極部間の電圧、前記第３及び第４
    の電極部間の電圧並びに前記電流経路に流れる電流を制
    御する制御部と、 を備えたことを特徴とするマイクロアクチュエータ装
    置。
  14. 【請求項１４】 前記制御部は、前記可動部を前記第１
    の位置へ移動させる際には、前記ローレンツ力によっ
    て、あるいは、前記ローレンツ力及び前記第１及び第２
    の電極部間の前記静電力によって、前記可動部が前記第
    １の位置へ移動するように、前記第１及び第２の電極部
    間の電圧、前記第３及び第４の電極部間の電圧並びに前
    記電流経路に流れる電流を制御し、 前記制御部は、前記可動部を前記第２の位置へ移動させ
    る際には、前記ローレンツ力によって、あるいは、前記
    ローレンツ力及び前記第３及び第４の電極部間の前記静
    電力によって、前記可動部が前記第２の位置へ移動する
    ように、前記第１及び第２の電極部間の電圧、前記第３
    及び第４の電極部間の電圧並びに前記電流経路に流れる
    電流を制御し、 前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置に保持して
    いる少なくとも定常的な保持状態においては、前記第１
    及び第２の電極部間の前記静電力によって前記可動部が
    前記第１の位置に保持されるように、前記第１及び第２
    の電極部間の電圧並びに前記第３及び第４の電極部間の
    電圧を制御するとともに、前記電流を流さないように制
    御し、 前記制御部は、前記可動部を前記第２の位置に保持して
    いる少なくとも定常的な保持状態においては、前記第３
    及び第４の電極部間の前記静電力によって前記可動部が
    前記第２の位置に保持されるように、前記第１及び第２
    の電極部間の電圧並びに前記第３及び第４の電極部間の
    電圧を制御するとともに、前記電流を流さないように制
    御する、 ことを特徴とする請求項１３記載のマイクロアクチュエ
    ータ装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１乃至１０のいずれかに記載の
    マイクロアクチュエータと、前記可動部に設けられたミ
    ラーと、を備えたことを特徴とする光スイッチ。
  16. 【請求項１６】 請求項１５記載の光スイッチを複数備
    え、該複数の光スイッチが２次元状に配置されたことを
    特徴とする光スイッチアレー。
  17. 【請求項１７】 複数のスイッチング素子を含む回路で
    あって、前記複数の光スイッチの各行ごとの行選択信号
    及び前記複数の光スイッチの各列ごとの列選択信号に応
    答して、選択された行及び列の光スイッチに対して前記
    電流及び前記電圧の制御を行う回路を、備えたことを特
    徴とする請求項１６記載の光スイッチアレー。
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