JP2003329945A

JP2003329945A - 光デバイス

Info

Publication number: JP2003329945A
Application number: JP2002133924A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Noda; 俊治野田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2002-05-09
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2003-11-19
Anticipated expiration: 2022-05-09
Also published as: JP3846359B2; US20030210453A1

Abstract

(57)【要約】【課題】単純な構造で、低電圧駆動を可能とし、更に
ミラーの沈み込みを防止すると共に、ミラー可動範囲が
広く、大規模集積化が可能な光デバイスを提供する。【解決手段】可動ミラー１の表面側と裏面側に夫々上
側電極基板８と下側電極基板４が配置されており、各基
板８及び４には、夫々電極パッド２ａ、２ｂと、電極パ
ッド３ａ、３ｂとがミラー１の縁部に対向するようにミ
ラー１から適長間隔をおいて配置されている。ミラー１
はバネ７ａ、７ｂを介してアンカー６ａ、６ｂに支持さ
れている。上側電極基板８と電極パッド２ａ、２ｂ及び
配線１２ａ、１２ｂは透明材料で形成されており、光信
号を透過する。電極パッド２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂとミ
ラー１との間の静電引力により、ミラー１が傾斜し、光
信号の反射方向を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システム等
に使用される光デバイスに関し、特に、ミラーを使用し
て空間的に光信号を反射する光デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】通信トラヒックの増大に伴い、光ファイ
バを伝送路とする光通信の普及はますます加速してきて
いる。これに伴い、基幹系のＯＸＣ（オプティカル・ク
ロス・コネクト）及びメッシュ型ネットワークにおける
ＯＡＤＭ（オプティカル・アド・ドロップ・モジュー
ル）等、ノードシステムの付加価値が高まり、その中で
キーとなる光デバイスへの期待も大きくなってきてい
る。

【０００３】中でも、光スイッチは、光信号を電気信号
に変換することなく、そのままの形で高速にスイッチン
グすることができるため、システムコストを大幅に低減
できるというメリットを持ち、ノード技術の核となるデ
バイスとして位置づけられている。

【０００４】このような光デバイスの従来技術として
は、米国特許第６３００６１９Ｂ１号公報に開示された
ものがある。図１２はこの文献に記載された光デバイス
を示す。ポリシリコンの堆積により形成したミラー１７
とフレーム９１とがバネ３２により連結され、フレーム
９１とミラー固定部２０ａ，２０ｂとはバネ３０により
連結されている。ミラー固定部２０ａ，２０ｂは、夫々
梁１９ａ，１９ｂと、梁２６ａ，２６ｂとを介してベー
スとなるシリコン基板1３に連結されている。そして、
梁１９ａ，１９ｂ、２６ａ，２０ｂを熱変形で反らせる
ことにより、シリコン基板１３上から、ミラー１７、フ
レーム９１、バネ３０、３２、及びミラー固定部２０
ａ，２０ｂからなるミラー構造体が、Ｚ軸方向（紙面に
垂直の方向）に浮かび上がるようになっている。

【０００５】このミラー１７の下側のシリコン基板１３
上に電極パッド（図示せず）を形成しておき、ミラー１
７と電極パッドとの間に電圧を印加し、生じる静電気力
で、このミラー１７を回転駆動させる。ミラー１７はバ
ネ３０、３２の２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）を中心に駆動され、
ミラー１７に照射された光信号を任意の方向に反射させ
ることで、空間的に光路スイッチングを行う。

【０００６】この可動ミラーの基本構造を表した従来の
技術として、米国特許第６２７５３２６Ｂ１号公報に開
示されたものがある。図１３はこの公報に記載された光
デバイスの構造を示す。基板１３上に１対の電極１７が
配置されており、基板１３の上方に、適長間隔をおいて
可動ミラー１５が設置されている。可動ミラー１５は、
バネ１９によって支持されている。ここで、電極１７に
通電し、電極１７と可動ミラー１５との間に静電気力を
発生させることで、可動ミラー１５をバネ１９の軸周り
に回転駆動することができる。

【０００７】しかしながら、このような従来の可動ミラ
ーには、種々の問題点がある。先ず、第１に、ミラーを
駆動させるために大電圧が必要であるという問題点があ
る。このミラーの駆動源である静電力は、コンデンサと
なる面積に比例し、ギャップの２乗に反比例する。しか
し、この種の可動ミラーを用いたデバイスでは、一般的
にマイクロミラーを使用しており、その直径も１ｍｍ以
下となる。このため、有効な電極面積は、極小さな領域
に限られてしまう。更に、ミラーの駆動角度が大きいほ
ど反射光を飛ばせるエリアが広がり、光デバイスとして
の性能は向上するが、ミラーが大きく回転すると、電極
側の基板とミラーが接触してしまう。このため、結果的
にギャップもある程度広く取らざるを得なくなる。この
ような状況から、静電力型アクチュエータとしての効率
が悪くなるため、ミラーの駆動に大電圧が必要になる。

【０００８】２つ目の問題点は、ミラーの沈み込みがあ
るということである。ミラーは前述のように、電極間に
働く静電力で引き寄せられるが、これが、完全にモーメ
ントとしてバネに働けば、バネ軸周りに正確に回転駆動
する。しかし、ミラーを電極側に垂直に落とそうとする
成分も当然働くため、バネが回転方向にねじれるのでは
なく、ミラーが沈み込む方向にたわんでしまう。ある程
度電圧を大きくしていくと、ミラー全体が電極基板上に
落下してしまう可能性がある。極端な場合には、ミラー
と電極基板とが相互に吸着してしまい、復帰することが
できなくなり、可動ミラーとしての機能を失ってしまう
虞もある。

【０００９】３つ目の問題点は、ミラーを支持するバネ
の回転剛性を極端に弱くする必要があることから、１μ
ｍから２μｍ幅の極狭バネを製作する必要があり、製造
が極めて困難であるということである。このバネの剛性
を弱くする理由は、上記２つの問題点を改善するためで
ある。即ち、バネの回転剛性を落とすことで、大電圧化
を抑制し、またミラーの沈み込みも低減させようとする
ものである。

【００１０】上記３つの問題点を改善するための従来技
術として、International Conferrence of Optical MEM
S 2001において発表された「Single Crystalline Mirro
r Actuated Electrostatically by Terraced Electrode
s With High-Aspect Ratio Torsion Spring」 by Rensh
i Sawada @NTT Telecommunications Energy Laboratori
esがあげられる。

【００１１】この光スイッチでは、前述の光スイッチと
同様に、電極とミラーとを、あるクリアランスを設けて
配置し、静電力でミラーを回転駆動する。図１４はこの
光スイッチの構造を示す図である。この従来技術におい
ては、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板のデバイス
層にミラーを形成している。ミラーの形成にあたって
は、デバイス層１０１にミラー１０２及びバネ１０３の
パターニングを行い、裏打ち材１０６をエッチングする
ことによって、ミラー構造体を形成している。一方、電
極側は、段地１０７を形成し、この段地１０７に沿って
電極１０８を配置する。また、段地続きに電極基板に掘
り込み１０９をいれている。次いで、このミラー構造体
を電極基板１０４に支柱１０５を介して接合して、光デ
バイスが完成する。

【００１２】この構造では、段地沿いに電極が配置され
るため、静電気力を発生するコンデンサーの面積を有効
に稼ぐことができる。また、段地沿いに掘り込みを入れ
ることで、ミラーが回転した場合に、ミラーと電極基板
が接触することを防ぐことができる。このため、コンデ
ンサのギャップを小さくし、かつミラーの回転量を大き
くとることができる。更に、段地の頂上にはピボットを
設け、ミラーの沈み込みを防止している。

【００１３】しかし、ここでも、問題点が存在する。先
ず、電極に段地を設けるためには、複数回のマスクパタ
ーニング工程とエッチング工程を繰り返す必要がある。
また、段地の深さが深いほど、このパターニングには、
長深度の露光技術及び複雑な凹凸へのレジスト塗布工程
など、難易度の高い工程が必要になる。従って、生産性
が悪化してしまう。

【００１４】更に、ミラーの沈み込みをピボットにより
防止しようとすると、ミラーとピボットとが接触してミ
ラーの沈み込みを防止していることから、ピボットの磨
耗は避けられない。また、磨耗の際に発生するごみが、
配線のショート及びミラーの動作障害等を引き起こす虞
もある。

【００１５】これらの問題点を解決するための方法とし
て、用途は光スイッチとは異なるが、特開２００１−２
９００９９号公報及び特開２００１−１３４４３号公報
に開示された両面電極タイプのガルバノマイクロミラー
がある。図１５はこの公報に記載されたガルバノマイク
ロミラーを示す。ミラー３１に対し、ミラーの下方に電
極パッド３２ａ、３２ｂを配置し、ミラーの上方に電極
パッド３３ａ、３３ｂを配置して、上側の電極と下側の
電極の双方で発生する静電気力を使用してミラーを駆動
する構造を採用している。このように、ミラー３１に対
し、上下方向から引っ張り合うことにより、駆動力を増
加させ、更に上下方向の力を相殺し、ミラーの沈み込み
及び落下問題を解決することができる。

【００１６】しかし、この種のミラーにおいては、ミラ
ーの上側に設けた電極３３ａ、３３ｂが、ミラーへの光
信号入射経路を遮断してしまうため、電極をミラー３１
の反射面となる領域よりも十分外側に配置する必要があ
る。このため、ミラー３１には、その電極に対向する位
置に、タブ状の張り出し３４ａ、３４ｂを設ける必要が
生じる。このため、ミラーの回転半径は拡大し、可動範
囲を狭めてしまう。前述のように、このような光デバイ
スでは、ミラーの可動範囲を広くとれることが重要な性
能であるため、このように、ミラーの外部に形状を張り
出すことは、大きなデメリットとなってしまう。

【００１７】また、この公報に記載されたガルバノミラ
ーのように、１個のミラーでデバイスとして成立するも
のはよいが、光スイッチのように、数百乃至数千個の規
模でミラーをマトリクス状に配置する必要がある場合
は、上側の電極配線は、ミラーへの光信号入射経路を避
けて引き回す必要があり、配線設計が困難である。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術の光デバイスにおける１つ目の課題は、ミラーを駆動
するために大電圧を必要とすることである。この理由
は、この種の可動ミラーを用いたデバイスでは、一般的
にマイクロミラーを使用しており、有効な電極面積は、
極めて小さな領域に限られてしまう。更に、ミラーが大
きく回転すると、電極側の基板とミラーとが接触してし
まう。このため、結果的にギャップもある程度広く取ら
ざるを得なくなる。このような状況から、静電気力型ア
クチュエータとしての効率が悪くなるため、ミラーの駆
動に大電圧が必要になる。

【００１９】従来技術の光デバイスにおける２つ目の課
題は、可動ミラーが、回転時に沈み込むことである。こ
の理由は、静電気力には、ミラーを電極側に垂直に落と
そうとする力成分も存在するため、ミラーを支持するバ
ネが、沈み込む方向にたわんでしまうからである。

【００２０】従来技術の光デバイスにおける３つ目の課
題は、ミラーを支持するバネの回転剛性を著しく弱くす
る必要があることから、極めて幅が狭いバネを製作する
必要がある。このため、その製造が困難である。この理
由は、上記２つの課題を改善するため、バネの回転剛性
を落とすことで、大電圧化を抑制し、またミラーの沈み
込みも低減させようとするからである。

【００２１】従来技術の光デバイスにおける４つ目の課
題は、電極基板の構造が複雑化することである。この理
由は、上記1つ目〜3つ目の課題を克服するための、電極
基板に段地を設け、ここに電極パターンを形成するため
である。

【００２２】従来技術の光デバイスにおける５つめの課
題は、ミラー沈み込み防止のために設けたピボットが磨
耗し、かつ発塵することである。この理由は、ミラー沈
み込み防止のために設けたピボットが、ミラーと接触す
ることで、その沈み込みを防止する構造になっているか
らである。

【００２３】従来の光デバイスにおける６つ目の課題
は、ミラーの可動範囲が狭まることである。この理由
は、上記１つ目〜５つ目の課題を解消するために、ミラ
ーをその上面側と下面側の双方から静電気力で引き合う
ことにより駆動する方式としたからである。この場合
に、上面側（光入射側）は、ミラー反射面の外側に静電
気力を発生させる電極を設ける必要があり、このため、
ミラー外形が大きくなってしまう。結果的に、ミラーの
回転半径が大きくなり、可動範囲を狭めることになって
しまう。

【００２４】従来の光デバイスにおける７つ目の課題
は、ミラーをマトリクス状に配置した場合の大規模集積
化化が困難であることである。この理由は、ミラーの上
側の電極配線は、光信号の入射経路を避けて配置する必
要があり、スペースの不足から、引き回しが困難になる
ためである。

【００２５】このように、従来の光デバイスでは、低電
圧で、かつミラーの沈み込みが生じない駆動が困難であ
るために、構造が複雑化し、製造プロセスの難易度を上
げる結果となっていた。また、低電圧化及び沈み込み防
止を目的として両面電極を使用した場合は、ミラーの可
動範囲の低下及び光デバイスの大規模集積化の阻害とい
う問題点を発生させてしまっていた。

【００２６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、単純な構造で、低電圧駆動を可能とし、更
にミラーの沈み込みを防止すると共に、ミラー可動範囲
が広く、大規模集積化が可能な光デバイスを提供するこ
とを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光デバイス
は、可動ミラーと、この可動ミラーの表面側と裏面側に
夫々設けられ前記可動ミラーを駆動する１対のミラー駆
動装置と、を有し、少なくとも１方の前記ミラー駆動装
置は、光信号を透過するものであることを特徴とする。

【００２８】この光デバイスにおいて、例えば、前記可
動ミラーへの光信号入射経路上に、前記光信号を透過す
るミラー駆動装置が配置されている。

【００２９】例えば、前記１対の駆動装置は、夫々基板
と、この基板上に形成された電極と、を有し、前記電極
と前記可動ミラーとの間でコンデンサを形成して前記ミ
ラーを駆動する。

【００３０】この場合に、前記光信号を透過する駆動装
置は、前記基板及び前記電極が、光信号透過性の材料で
形成されている。

【００３１】又は、例えば、前記１対の駆動装置は、夫
々基板と、この基板上に形成されたコイルとを有し、前
記可動ミラーの一部又は全部に磁性材を被着することに
より電磁力で前記ミラーを駆動する。

【００３２】この場合に、前記光信号を透過する駆動装
置は、前記基板及び前記コイルが、光信号透過性の材料
で形成されている。

【００３３】前記基板は、例えば、ガラス基板であり、
前記電極及びコイルは、例えば、ポリシリコン製であ
る。

【００３４】また、例えば、前記可動ミラーは、ハウジ
ング内に密封されており、前記１対のミラー駆動装置
は、前記ハウジングの一部により構成されている。そし
て、例えば、前記ハウジング内に大気以外の気体又は液
体が封入されている。また、前記ハウジングは、電磁シ
ールド材により形成することができる。

【００３５】更に、前記ミラー駆動装置は、前記基板上
に駆動回路が搭載することができる。そして、本発明の
光デバイスは、光スイッチ、スキャンシステム、プリン
タ又はディスプレイに使用することができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本
発明の第１実施形態に係る光デバイスを示す斜視図、図
２はそのミラー１の動作を示す正面図、図３はその分解
斜視図、図４は本実施形態の光デバイスの動作を示す断
面図である。本実施形態の光デバイスは、ミラー１の周
縁部の上方に、１対の電極パッド２ａ、２ｂが、ミラー
１に平行に、かつミラー１から適長間隔を離隔させて配
置され、ミラー１の周縁部の下方に、１対の電極パッド
３ａ、３ｂが、ミラー１に平行に、かつミラー１から適
長間隔をおいて配置されている。上方の電極パッド２
ａ、２ｂはミラー１を間に挟んで夫々下方の電極パッド
３ａ，３ｂと対向している。これにより、上側の電極と
下側の電極の双方で発生する静電気力を使用してミラー
が駆動されるようになっている。

【００３７】ミラー１は電極パッド２ａと電極パッド２
ｂとが対向する方向に直交する方向の端部にて、バネ７
ａ、７ｂを介して、アンカー６ａ、６ｂにより支持され
ている。また、各電極パッド２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ
は、夫々配線１２ａ，１２ｂ、１３ａ、１３ｂにより外
部に電気的に引き出されるようになっている。

【００３８】次に、この光デバイスの製造方法について
説明し、その具体的な構造について説明する。図３に示
すように、下側電極基板４は、その表面に酸化膜等の絶
縁膜が施されたシリコン基板である。この下側電極基板
４に、シリコン基板をディープドライエッチすることに
より、支柱５ａ、５ｂを形成する。この支柱５ａ、５ｂ
の高さが、下側電極によるコンデンサのギャップに相当
する。なお、この支柱５ａ、５ｂの形成方法としては、
このほかに、ポリイミド樹脂及びガラス基板等のシリコ
ン以外の物質を貼り合せることによっても形成すること
ができる。

【００３９】次に、この支柱付きの電極基板４に電極パ
ッド３ａ、３ｂ及び配線１３ａ、１３ｂを形成する。電
極パッド３ａ、３ｂは、アルミニウム、ポリシリコン又
は金等の導電性の材料を成膜した後、これをパターニン
グすることにより形成することができる。

【００４０】この下側電極基板４の支柱５ａ、５ｂ上
に、ミラー１を搭載する。ミラー１は、電極基板と同様
にシリコンを使用して作製する。このとき、ミラー１、
バネ７ａ、７ｂ及びアンカー６ａ、６ｂをシリコンを使
用して一体的に形成する。しかし、各部材を別体で形成
した後、各部材を接合して形成することも可能である。
例えば、ミラー１をシリコンで形成し、バネ７ａ、７ｂ
とアンカー６ａ、６ｂをアルミニウム等の金属材料によ
り形成することもできる。

【００４１】そして、アンカー６ａ、６ｂを支柱５ａ、
５ｂに重ね、両者を接合することにより、ミラー１をバ
ネ７ａ、７ｂを介して懸架した状態に支柱５ａ、５ｂに
より支持する。この場合に、電極パッド３ａ、３ｂはミ
ラー１の裏面の縁部の下方にミラー１と平行に配置さ
れ、電極パッド３ａ、３ｂとミラー１の裏面との間に静
電気力が印加されるようになっている。

【００４２】その後、同様にして作成した上側電極基板
８をミラー１の上方に配置する。但し、この上側電極基
板８はミラー１に対して光信号が入射してくる側に設置
されるため、光信号を透過する透明の材料で形成されて
いる。即ち、上側電極基板８は透明ガラス基板であり、
この上側電極基板８の下面に、ポリイミド樹脂を貼り合
わせた後、このポリイミド樹脂をエッチングして支柱９
ａ、９ｂを形成する。この支柱９ａ、９ｂの高さが、上
側電極によるコンデンサのギャップに相当する。

【００４３】次に、この支柱が形成された上側電極基板
８の下面に、電極パッド２ａ、２ｂ及び配線１２ａ、１
２ｂを形成する。この電極パッド２ａ、２ｂ及び配線１
２ａ、１２ｂはポリシリコン等の導電性を有すると共
に、光信号透過性の材料を成膜し、これをパターニング
することにより形成することができる。

【００４４】次いで、この上側電極基板８をミラー１上
に搭載する。このとき、支柱９ａ、９ｂを夫々アンカー
６ａ、６ｂに重ね、両者を接合することにより、上側電
極基板８とミラー１と下側電極基板４とを相互に組み立
てる。これにより、アンカー６ａ、６ｂは支柱５ａ、５
ｂと支柱９ａ、９ｂとの間に挟持されて固定され、ミラ
ー１はバネ７ａ、７ｂを介して中空に浮遊した状態に保
持される。なお、上側電極基板８の電極パッド３ａ、３
ｂもミラー１の縁部の上方にて、ミラー１に平行に配置
され、電極パッド３ａ、３ｂとミラー１との間に静電気
力が印加されるようになっている。

【００４５】次に、上述の如く構成された本実施形態の
光デバイスの動作について説明する。図４に示すよう
に、先ず、電極パッド２ａと、それと対角に位置する電
極パッド３ｂに通電し、ミラー１との間に静電気力を発
生させる。そうすると、ミラー１は、電極パッド２ａ、
３ｂとミラー１とが静電引力で引きつけあい、図示のよ
うに反時計方向に揺動する。バネ７ａ、７ｂには捻れが
生じる。この場合に、通電電圧を調節することにより、
静電引力とバネ７ａ、７ｂのバネ反力との釣り合いによ
り、ミラー１の傾斜角度を所定の角度に制御することが
できる。これにより、透明の上側電極基板８を透過して
入射してくる信号光Ｓを所定の方向に反射することがで
きる。そして、通電電圧を制御することよりミラー１の
傾斜角度を制御でき、これにより、信号光Ｓの反射方向
を任意の方向に制御することができる。

【００４６】本実施形態においては、上側電極基板８
（支柱９ａ、９ｂを含む）、電極パッド２ａ、２ｂ及び
配線１２ａ、１２ｂが透明材料で形成されているので、
光信号Ｓはこの上側電極基板８を透過してミラー１に入
射するので、ミラー１には従来のような張出部を設ける
必要がなく、ミラーの大型化を回避できると共に、ミラ
ー１の回転半径も小さく、可動範囲が広い。また、信号
配線の取り回しも容易であり、光デバイスの大規模集積
化が可能である。

【００４７】図５（ａ）乃至（ｄ）は、ミラーの可動範
囲を従来の光デバイスと比較して示す断面図である。図
５（ａ）に示すように、本実施形態に係る光デバイスの
場合には、電極パッド２ａ、２ｂ及び配線１２ａ、１２
ｂが透明材料で形成されているので、光信号を透過する
ため、ミラー１自体は円板状をなし、その全域で光信号
を反射することができ、余分な張出部を設ける必要がな
い。このため、ミラー１の周縁の回転半径Ｒａが小さ
く、ミラー１が揺動可能な最大傾斜角度θａは大きい。
これに対し、図５（ｂ）に示すように、従来の光デバイ
スの場合には、電極パッド５１ａ、５１ｂが光信号透過
性ではないため、ミラーの上方の基板部分には光信号を
入射させるための開口部が必要であると共に、ミラー自
体には、円板状の反射面の他に、電極パッド５１ａ、５
１ｂと対向するための張出部５２を設ける必要がある。
このため、ミラーの回転半径Ｒｂは大きく、従って、ミ
ラーが最大限揺動することができる最大傾斜角度θｂが
小さい。このため、本実施形態の場合には、従来の光デ
バイスよりもミラーの可動範囲が広い。

【００４８】また、仮に、ミラーの可動範囲を本実施形
態と従来の光デバイスとで同じである（傾斜角度θ）と
した場合、図５（ｃ）の本実施形態の光デバイスにおい
ては、ミラーと下部電極基板との間隔Ｇｃが小さい。こ
れに対し、図５（ｄ）に示す従来の光デバイスの場合に
は、張出部５２が存在するために、ミラーと下部電極と
の間隔Ｇｄが大きくなる。つまり、Ｇｃ＜Ｇｄであり、
本実施形態の場合には、光デバイスを小型化することが
できる。このため、本実施形態においては、ミラーの駆
動電圧も低減することができる。

【００４９】なお、上述の実施形態においては、ミラー
１は１対のバネ７ａ、７ｂにより支持された１軸回転ミ
ラーである。しかし、この構造では、スキャンできる反
射光の範囲は、１直線上にならざるを得ない。しかし、
図６に示すように、ミラー１を２対のバネ７ａ、７ｂで
支持する２軸回転ミラーとすることにより、信号光の反
射角度のより精細な制御が可能となる。

【００５０】ミラー１は、例えば、直径が５００μｍ、
厚さが２０μｍである。ミラー１の周囲には、フレーム
１０がこのミラー１を取り囲むようにして配置されてい
る。アンカー６ａ、６ｂとフレーム１０とが、１対のバ
ネ７ａ、７ｂにより連結されて、フレーム１０がアンカ
ー６ａ、６ｂに支持されている。そして、アンカー６
ａ、６ｂの対向方向に直交する方向のミラー１の端部と
フレーム１０とが同様に１対のバネ７ａ、７ｂにより連
結されて、ミラー１がフレーム１０に支持されている。
また、下部電極パッド３ａ乃至３ｄはミラー１の円周方
向における４等配の位置に配置されている。１対の下部
電極パッド３ａ、３ｂはアンカー６ａ、６ｂの対向方向
に直交する方向に対向するように配置され、１対の下部
電極パッド３ｃ、３ｄはアンカー６ａ、６ｂの対向方向
に対向するように配置されている。なお、上部電極基板
の上部電極パッド（図示せず）も上述の下部電極基板の
下部電極パッドと同様にミラー１の円周方向の４等配の
位置に配置されている。

【００５１】このように構成された光デバイスにおいて
は、例えば、電極パッド３ｂとこの電極パッド３ｂと対
角の位置に配置された上部電極基板の電極パッドに電圧
を印加し、静電引力により、ミラー１を電極パッド３ｂ
に近づく方向に揺動させる。これにより、ミラー１は図
４と全く同様に傾斜する。なお、フレーム１０も同様に
傾斜する。一方、電極パッド３ｃとこの電極パッド３ｃ
と対角の位置に配置された上部電極基板の電極パッドに
対して電圧を印加すると、フレーム１０は傾斜せず、ミ
ラー１のみが静電気力によりアンカー６ａ、６ｂの対向
方向に傾斜する。更に、隣接する電極パッド、例えば、
電極パッド３ｂ、３ｃの双方と、これらの電極パッドと
対角の位置に配置された上部電極基板の電極パッドに対
して電圧を印加すると、ミラー１とフレーム１０の双方
が傾斜し、ミラー１はアンカー６ａ、６ｂが対向する方
向に対して鋭角の方向を揺動軸として傾斜する。この鋭
角の角度は、電極パッド３ｂと電極パッド３ｃに印加す
る電圧の大きさに依存し、相互に同一である場合は、基
本的には、アンカー６ａ、６ｂが対向する方向に４５°
傾斜する方向を揺動軸として傾斜する。

【００５２】なお、バネ７ａ乃至７ｄの形状は、図１に
おいては、直線状のビード状をなす簡素なものである
が、図６においては、ジグザグ状に折れ曲がりがついた
ものである。このように、折れ曲がりを有することによ
り、捻りやすいものとなっている。図６に示すバネ７
ａ、７ｂの具体的形状としては、例えば、長さが３００
μｍ、バネの折り数が３ターン、バネの厚さが３μｍ、
幅が７μｍである。また、コンデンサのギャップを規定
する支柱５ａ、５ｂ、９ａ、９ｂの高さは、例えば、夫
々１００μｍである。また、印加電圧は、上側電極基板
の電極パッドと、下側電極基板の電極パッドの双方に、
同時に例えば５０Ｖ印加する。これにより、例えば、ミ
ラー１の傾斜を１０°に保持することができる。

【００５３】このようなミラーの傾斜角度を、片側の電
極パッドのみで同様に得ようとすると、電極パッドに
は、倍の電圧を印加する必要があると共に、図７に示す
ように、ミラー１の全体が電極パッド側（基板側）に沈
み込み、バネの軸中心が基板側に移動してしまい、ミラ
ー１の揺動中心が変動するため、ミラー１が所望の傾斜
角度で揺動しなくなる。このような挙動がおきると、ミ
ラーの姿勢制御が難しくなるだけでなく、大きな電圧を
かけていったときに、ミラー全体が電極上へ落下してし
まうエラーモードが発生する。

【００５４】これに対し、本発明の実施形態では、図８
に示すように、ミラーを挟んで上下に位置する上側電極
基板と下側電極基板から、同時に静電力が発生するた
め、上下方向の力成分Ｆは相殺され、完全に回転モーメ
ント成分２ＲＦｃｏｓθ（Ｒ：作用半径、θ：ミラー回
転角）だけが働き、ミラー１は、バネの軸周りに回転
し、かつ電極パッドが設けられた基板側に落下するよう
なエラーを発生することがない。

【００５５】また、本発明の実施形態では、従来技術の
片側電極構造と異なり、同じ電圧でも２倍の静電引力を
発生できる。このことを表したミラー回転角度と発生力
の相関関係を図９に示す。図９は、横軸にミラー回転角
度θ、縦軸に発生力Ｆをとって両者の関係を示すグラフ
図である。ＳＥＦは片側だけの電極で発生した静電気力
を示し、ＷＥＦは上下両側の電極で発生した静電気力を
示す。図中の各曲線は、電極によって発生した静電気力
を示しており、ミラーの回転角が増すと、コンデンサの
ギャップが小さくなるため、ほぼ２次曲線を描いて大き
くなってく。一方、図中の直線は、バネによる反力を示
しており、バネの反力は、ミラーが回転してねじれが生
じると、ねじれ量に比例して大きくなっていく。このと
きの比例係数は、バネの剛性に相当するバネ係数にな
る。

【００５６】図９からわかるように、片側だけの電極で
発生した静電力ＳＥＦと、上下両側の電極で発生した静
電力ＷＥＦは、ほぼ２倍の静電力の違いをもつ。なお、
この種の静電駆動構造体では、バネの反力と静電気力の
関係は、（静電気力）＞（バネの反力）であることが必
須となる。仮にバネの反力の方が大きいミラー回転角が
存在すると、静電気力でそれを制御してミラーを固定す
ることができない。図中、直線で示したＫθと２Ｋθ
は、夫々、各静電気力に対し、バネとして許容できる最
大の剛性を有する場合のバネ反力である。このように、
静電気力を２倍にできることでバネの剛性も２倍にでき
る。また、図９には示していないが、従来の両面電極の
ミラーに対しても、本実施形態においては、図５
（ｃ）、（ｄ）で説明したいように、低電圧化が得られ
ているため、同様にバネ剛性を高くすることができる。

【００５７】バネの剛性を大きくできることは、製造プ
ロセス的にも極めてメリットが大きい。本実施形態で
は、バネの厚さを３μｍ、幅を７μｍとしたが、従来の
片側電極では、バネの厚さは２μｍ以下であることが要
求され、また、安定した制御を期待するのであれば、１
μｍ以下にする必要がある。このように極端に剛性の低
いバネを作製する必要が生じ、製造プロセスでは、歩留
まりの低下、また製品としても、信頼性の低下といっ
た、深刻な問題が発生する。

【００５８】このように、本発明では、ミラーの可動範
囲を拡大し、ミラーの駆動電圧を低電圧化し、ミラーの
沈み込み及び落下を防ぎ、更に、バネ剛性の許容値を上
げることができ、これにより、製造プロセスの安定化、
製品の高信頼性化を実現できる。

【００５９】図１０は上述の本実施形態の可動ミラーを
有する光デバイスを、光スイッチとして使用した場合の
モジュール全体の構成を示す。ファイバーアレー２１か
ら光信号が光スイッチに入射される。入ってくる光信号
は、ファイバーアレー２１と対向して配置されるミラー
アレー２２に照射される。ここで、ミラーアレー２２
は、上述してきたミラーがアレー状に多数配置された構
造になっている。ミラーは、前述のような動作にて、入
射光を所定の方向に反射させる。この反射光は、さらに
次のミラーアレー２３に入り、ここでまた、所定の方向
に反射され、ファイバーアレー２４に集められる。この
動作により、ファイバーアレー２１に入ってきた信号光
を、目的のファイバーアレー２４に送りだし、スイッチ
ングを完了する。

【００６０】次に、本発明の他の実施形態について説明
する。図１１は本実施形態の光デバイスを示す。本実施
形態においては、上側電極を利用して、ミラー構造体を
パッケージングしたものである。

【００６１】この種の光デバイスでは、ミラーの駆動す
る領域へのゴミ及び水分の混入とか、外部からの電磁力
の影響などの外乱を受けること等は、誤動作及び故障の
原因となり、問題となることが多い。そこで、図１１に
示す本発明の他の実施形態では、上側電極基板８と上側
電極パッド２ａ、２ｂに光信号透過性材料を使用すると
共に、基板４，８及び壁部１１により、ミラー１を気密
的又は水密的に密閉し、外部からのゴミ及び水分の混入
を防止する。また、この外側を完全に覆った外壁部１１
を電磁シールド材とすることで、外部からの電磁力外乱
を防ぐことができる。

【００６２】更に、本発明の第３の実施形態として、上
記第２の実施形態で示した密閉空間に、光信号の劣化を
防ぐためのマッチング材を注入することができる。例え
ば、光信号が光ファイバーから出力される場合は、光フ
ァイバと共通の屈折率をもつマッチングオイルを注入す
ることで、その効果が実現できる。

【００６３】本発明の第４の実施の形態として、図１１
に示すように、上側電極基板８上にＩＣなどの駆動回路
部品２５を搭載し、光デバイスとしてモジュール化する
ことができる。このことは、モジュールの省スペース
化、構造の簡易化、製造工程の削減などのメリットをも
つことができる。

【００６４】なお、上述のミラーの駆動装置は、静電気
力による駆動手段に限らず、種々の駆動手段を採用する
ことができる。即ち、このミラーの駆動を静電気力によ
るものから、電磁力又は熱ひずみ応力など、別のエネル
ギーによるものに変えることもできる。例えば、電磁力
であれば、ミラー又はその一部を磁性体で作成し、上側
電極と下側電極の代わりに、導電性コイルを使用するこ
とにより、電磁力により、ミラーを揺動させることがで
きる。いずれにしても、本発明では、ミラーの駆動力を
静電力に限定するものではなく、上下方向の力成分を相
殺する働き方をする力エネルギーであれば適用可能とす
る。

【００６５】

【発明の効果】以上、詳述した本発明によれば、ミラー
の表面側と裏面側とから駆動力を発生させ、少なくとも
片方の駆動装置を、光信号を透過するものとすることに
より、ミラー反射面に入射してくる光信号を駆動装置が
遮断してしまうことがなく、光信号の入射経路であるミ
ラー反射面の直上に駆動装置を配置することができる。
このため、従来のようにミラーの外側に張り出す余分な
張出部を設ける必要がなく、ミラーの回転半径を小さく
することができ、結果的にミラーの駆動範囲を拡大する
ことができる。

【００６６】また、電極パッドに光信号透過性の材料を
使用したことから、ミラーの光信号入射側の電極配線へ
の制約がなくなり、光デバイスの大規模集積化が容易と
なる。

【００６７】更に、ミラーの表面側と裏面側の双方か
ら、ミラーに対する駆動力を印加すると共に、ミラーの
回転半径が小さいことから、ミラーとミラーの上方又は
下方に配置された駆動装置との距離を狭くすることがで
きるため、駆動電圧を低電圧化することができる。

【００６８】更にまた、ミラー駆動に加わる力の上下方
向の力成分を相殺し、ミラーの沈み込み及び落下を防止
することができ、バネを中心とする回転軸の変位を防止
して、ミラーを正確に揺動駆動させることができ、ミラ
ーの姿勢制御を安定させることができる。

【００６９】更にまた、ミラーの上下から駆動力を発生
させることで、ミラーを支持するバネの剛性を上げるこ
とが可能となり、バネの製造プロセスを容易にすること
ができる。

【００７０】更にまた、上下に施された駆動機構を、そ
のまま、ミラー構造体を密閉する外壁の一部とすること
で、モジュールを高信頼性化することができる。

【００７１】更にまた、この上下に施された駆動機構
に、そのまま、ＩＣチップなどの駆動回路部品を搭載す
ることで、モジュールの省スペース化及び製造工程の簡
略化を果たすことができる。

【００７２】更にまた、上記ミラー構造体を密閉した空
間に、光信号の損失を低減するマッチングオイルを注入
することにより、光デバイスとしての性能を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る光デバイスを示す斜視
図である。

【図２】同じく、そのミラーの動作を示す図である。

【図３】本発明の実施形態の光デバイスの組み立て斜視
図である。

【図４】本実施形態の動作を示す断面図である。

【図５】（ａ）乃至（ｄ）は本実施形態の効果を説明す
る断面図である。

【図６】本発明の他の実施形態に係る光デバイスを示す
平面図である。

【図７】ミラーの沈み込みを説明する図である。

【図８】本発明の効果を説明する図である。

【図９】図８において、傾斜角度θとミラーに印加され
る力Ｆとの関係を示すグラフ図である。

【図１０】本発明の実施形態の適用例を示す図である。

【図１１】本発明の更に他の実施形態を示す断面図であ
る。

【図１２】従来の光デバイスを示す図である。

【図１３】従来の他の光デバイスを示す図である。

【図１４】従来の更に他の光デバイスを示す図である。

【図１５】従来の更に他の光デバイスを示す図である。

【符号の説明】

１：ミラー２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ：電極パッド４：下側電極基板５ａ、５ｂ、９ａ、９ｂ：支柱６ａ、６ｂ：アンカー７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ：バネ８：上側電極基板Ｓ：信号光１０：フレーム１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ：配線２１、２４：ファイバーアレー２２、２３：ミラーアレー２５・・・ミラー駆動回路部品

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可動ミラーと、この可動ミラーの表面側
と裏面側に夫々設けられ前記可動ミラーを駆動する１対
のミラー駆動装置と、を有し、少なくとも１方の前記ミ
ラー駆動装置は、光信号を透過するものであることを特
徴とする光デバイス。
【請求項２】前記可動ミラーへの光信号入射経路上
に、前記光信号を透過するミラー駆動装置が配置されて
いること特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】前記１対の駆動装置は、夫々基板と、こ
の基板上に形成された電極と、を有し、前記電極と前記
可動ミラーとの間でコンデンサを形成して前記ミラーを
駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載の光デ
バイス。
【請求項４】前記１対の駆動装置は、夫々基板と、こ
の基板上に形成されたコイルとを有し、前記可動ミラー
の一部又は全部に磁性材を被着することにより電磁力で
前記ミラーを駆動することを特徴とする請求項１又は２
に記載の光デバイス。
【請求項５】前記光信号を透過する駆動装置は、前記
基板及び前記電極が、光信号透過性の材料で形成されて
いることを特徴とする請求項３に記載の光デバイス。
【請求項６】前記光信号を透過する駆動装置は、前記
基板及び前記コイルが、光信号透過性の材料で形成され
ていることを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
【請求項７】前記基板は、ガラス基板であることを特
徴とする請求項５又は６に記載の光デバイス。
【請求項８】前記電極は、ポリシリコン製であること
を特徴とする請求項５に記載の光デバイス。
【請求項９】前記コイルは、ポリシリコン製であるこ
とを特徴とする請求項６に記載の光デバイス。
【請求項１０】前記可動ミラーは、ハウジング内に密
封されており、前記１対のミラー駆動装置は、前記ハウ
ジングの一部により構成されていることを特徴とする請
求項１乃至９のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１１】前記ハウジング内に大気以外の気体又
は液体が封入されていることを特徴とする請求項１０に
記載の光デバイス。
【請求項１２】前記ハウジングは、電磁シールド材に
より形成されていることを特徴とする請求項１０に記載
の光デバイス。
【請求項１３】前記ミラー駆動装置は、駆動回路を有
することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１
項に記載の光デバイス。
【請求項１４】光スイッチ、スキャンシステム、プリ
ンタ又はディスプレイに使用されることを特徴とする請
求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光デバイス。