JP2003523833A - 移動要素を持つ微小電子機械的装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 微小機械的（ＭＥＭＳ）装置（１００）は、基板（１０２）及び該基板の表面に平行に配される鏡等の一般的に平面の移動要素を持つ。アクチュエーターは、基板の表面に対し水平面にある第１位置とその平面の第２位置との間の移動要素（１０６）を選択的に移動するために、移動要素（１０６）の作動に携わることができる。微小機械的（ＭＥＭＳ）装置（１００）は、光学スイッチとして効果的に使用することができる。様々な異なるアクチュエーターを用いることができる。該装置は、好ましくは、表面微小機械工程を用いて製造される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本出願は本文中に内容が参照として組み入れられた、１９９９年１２月１３日
に出願されたアメリカ合衆国仮出願番号６０／１７０，４９２及び本文中に内容
が参照として組み入れられた、１９９９年１２月１３日に出願されたアメリカ合
衆国仮出願番号６０／１７０，４９４からの優先権の権利を主張する。 （発明の分野） 本発明は微小電子機械のシステムの分野に関し、より詳しくは、例えばスイッ
チの切り換え操作のような移動要素をもたらす操作の位置の間の移動要素を動か
す微小電子機械装置あるいは微小電子装置に関する。

【０００２】 （発明の背景） 微小電子機械的システム（ＭＥＭＳ）は通常統合された回路構成あるいは他の
似通った技術を用いて生産される微小装置であり、従って費用効果、大量生産の
可能性がある。ＭＥＭＳ装置は機械、電気、磁気、加工熱及び／又はその他の物
理的な現象を組み合わせた感覚、コントロールあるいは非常に小規模な動作を用
いた高精密システムである。ＭＥＭＳ装置は、通常半導体チップあるいは基板に
はめ込まれた、あるいは置かれたセンサー、鏡、バルブあるいはギア等の非常に
小さい機械装置を含む。これらのシステムは個別に機能することもあり、あるい
は大規模な効果を生み出すため配列形状に結合されることもある。都合の良いこ
とに、ＭＥＭＳ装置は性能を改良、さらには装置の製造、梱包、備え付けるコス
トを削減するため駆動、管理及び／又は信号工程の微小電子技術と完全に統合さ
れた。本文中で用いられているように、微小電子機械的（ＭＥＭＳ）装置という
用語は物理的に小さく、少なくとも微小機械あるいは他の微小構造技術を用いて
製造された構成部品装置の１つを受け入れるよう意図されており、ＭＥＭＳ装置
という用語は微小アクチュエーター、微小機械構造装置そして微小機械装置を含
む。

【０００３】 かなりの技術的な可能性のため、ＭＥＭＳの使用は現在多くの様々な分野で実
行されている。特に高精密ＭＥＭＳは、その内容がこの本文中では参照として組
み入れられているモタメディ（Motamedy）らによる「Micro−opto−electro−me
chanical devices and on−chip ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、Opt
ical Engineering，vol．３６，no．５，P．１２８２（May １９９７）に一般的
に参照される、従来技術に結び付いたいくつもの限界を克服する能力のためファ
イバー光学の分野で関心が高まっている。

【０００４】 ファイバー光学通信システムにおいて、情報はファイバーとして知られるガラ
スあるいはプラスチックのワイヤーに沿って光もしくはレーザー光線として伝え
られる。かなりの量の電子通信および情報の転送が従来の銅あるいは金属のワイ
ヤーと比較して電磁気の干渉に対し、より幅の広い帯域幅およびより低い磁化率
のためファイバー光学ラインを通してもたらされている。例えば多くのインター
ネット及び長距離電話通信ネットワークはファイバー光学ラインと結び付いてい
る。しかしながら、ファイバー光学ネットワークにおける光学ファイバー間の速
い、能率的な切り替えは達成するのが困難となっている。切り替えはデータが発
信源から目的の場所へ伝送されるサブネットワークレベル同様、１つのネットワ
ークが他のネットワークと結びついているバックボーン及びゲートウェイレベル
で信号を送るため必要とされている。さらに、波長分割多重化（ＷＤＭ）光学フ
ァイバー・ネットワーク、多くのチャンネル、各々が占めている別個の光の波長
は同じファイバーを共有することもある。ＷＤＭネットワークにおいて、加減多
重チャンネル及びデマルチプレクサーは補足的に光学チャンネルを主要な光学フ
ァイバーの通路及び／又は主要なファイバー通路へ迂回する光学チャンネルへ伝
えるため用いられる。

【０００５】 従来技術による多くの光学切り替え技術が用いられている。電子交差接合切り
替え技術において、光学信号は電気信号へ変えられ、切り替え動作は電子スイッ
チで行われ、電気信号はそれから光学領域へ変えられる。しかしながら、電気交
差接合は非能率的でコストがかかる。他の従来技術の解決法は光学領域において
光学ファイバーを接続あるいは接続しない性能がある光学スイッチあるいは光交
差接続（ＯＸＣ）を用いることである。光交差接続（ＯＸＣ）装置はこの目的の
ために用いられてきた。これらの装置はリチウム、ニオブ酸塩等の物質、一般的
にはいくつもの入力、出力ポートの間で起こる切り替え動作を可能にする平面な
導波管配置構成要素から組み立てられる。これらの切り替え装置は待ち時間ある
いは光学データの妨げを加えない。しかしながら、統合された光学装置には、比
較的高価、最小のサイズは光学導波管の容積によって限定されている、操作が導
波管に強く依存する、そして分極に敏感であるといういくつかの欠点があり、フ
ァイバー光学通路でかなりの混線と信号の弱まりが生じる。

【０００６】 対照的に、微小機械構造システムあるいは微小機械システムを含めたＭＥＭＳ
技術の出現を基礎とした光学スイッチは、代替の従来技術の光学切り替え技術と
結び付く多くの限界を克服する、かなりの将来性を持つ。光学ＭＥＭＳシステム
は、また微小光学電子機械的構造システム（ＭＯＥＭＳ）とも言われ、光を反射
、分析、屈折、平行、吸収、減光、あるいはもしそうでなければ光線、信号の特
性及び／又は通路の変更、あるいは変調する微小光学要素を用いる。これらのタ
イプの光学スイッチは通常マイクロメーターからミリメーターの範囲内で小型で
小さく作ることができる。ＭＯＥＭＳスイッチ・インターフェースの挿入の損失
は代替の技術に匹敵し、光が最初の光学ファイバー及び光が二番目の光学ファイ
バーへ再び入るスイッチのポートの出口を離れるスイッチのポートの入り口で主
に発生する。これらの損失はフリースペースにおける光線の規模の拡大のためで
あるが、しかしながら、これらの技術が評価されるにつれ、適正なレンズを使用
することによりこの影響を減少することができる。ＭＯＥＭＳスイッチの媒体は
空気が用いられるが、真空、不活性ガス、あるいは他の適している流体も用いる
ことができる。スイッチの中での光の伝導の媒体は全体のわずかな小さい部分で
ある。

【０００７】 その上、スイッチの妨害をしない媒体は異なった光の通路が交差したときイン
ターフェースが発生しないということを保証し、光線が相互に影響、減光、ある
いは混線することなく横切ることを可能にする。一般的にはHecht J．，「Optic
al Switching promises cure for telecommunications，logjarn」，Laser Focu
s World，page ６９（September １９９８）参照。その内容は本文中に参照とし
て組み入れられている。この特性はさらに複雑な配列構成におけるＭＯＥＭＳス
イッチの利用を可能とする。

【０００８】 例えば、微小機械光学スイッチはしばしば切り替え操作を行うため、移動する
小さい鏡を用いる。光線は移動要素が光線を反射あるいは妨げる鏡及び第２鏡の
位置の影響を受けずに通過することが可能となる第１位置の間の移動要素を動か
すことにより、入力された光の光線の通路は異なった出力へ向け直すことができ
、さもなければ妨げることができる。鏡の使用は光線を反射するとき導波管に影
響受けずに操作するので特に有利である。しかしながら、ＭＥＭＳスイッチある
いはバルブは望ましい切り替え操作を行うため減光器、フィルター、レンズ、視
準器，変調器及び吸収装置のような他のタイプの移動要素を用いることもできる
。

【０００９】 一般的に、微小機械光学スイッチの損失の減少を達成するため、鏡あるいは他
の光学要素は非常に円滑に動き、光学的な水準にあるべきである。さらに加える
と、ＭＥＭＳ装置の移動要素を動かすため用いられる原理および手段は速く、単
純でそして移動要素の復元及び正確な調整をもたらす。さらには、アクチュエー
ターは切り替えタスクを成し遂げるための十分な量による要素を移動することが
できなくてはならない。

【００１０】 いくつもの従来技術のＭＥＭＳ光学切り替え装置は、例えばToshiyoshiらの記
述による「Electrostatic Micro Torshion Mirrors for an Optical Switch Mat
rix」， Journal of Microelectromechanical Systems，ｖｏｌ．５ ｎｏ．４，
ｐａｇｅ ２３１（December １９９６）及びマークサー（Marxer）らによる「Ve
rtical Mirrors Fabricated by Deep Reactive Ion Etching for Fiber Optic S
witching Applications」，Journal of Microelectromechanical Systems，vol
．６，no．３，page ２７７、（September １９９７）によって既知となってい
る。アクシュク（Aksyuk）らによるアメリカ合衆国特許第５，９２３，７９８、
５号，第９４３，４５４号及び第５，９９５，６８８号は変調器あるいは鏡のよ
うな光学断続器に機械構造的に結び付くアクチュエーターを持つＭＥＭＳ光学切
り替え装置のいくつかの実施例も開示している。アクチュエーターは支持基板に
もたらされ、光学断続器は基板の表面にほぼ垂直あるいは垂直に配置される。移
動することができ、そして固定された電極を含んだアクチュエーターは動きを垂
直面の内側、そして光学信号の通路の内側あるいは外側で動くため断続器を交替
に生じる機械的結合へ伝える。アメリカ合衆国特許第５，９９８，９０６号にお
いてジャーマン（Jerman）らは１つが基板に固定され、その結果もう１つが移動
することができる第１及び第２電極のくし状の作動装置のアセンブルを持つ静電
気の微小アクチュエーターを開示した。基板の表面に垂直に整列された鏡は引っ
込められ、延長される位置の間で光学切り替え機能を選択的にもたらすために動
かされる。アメリカ合衆国特許第５，２０８，８８０号においてリザ（Riza）等
はしっかりと固定した鏡を持ち、圧電気アクチュエーターに対して交互に機械的
に連結する光学上の微小ダイナミックスイッチが基板に配置されることを開示し
た。鏡は基板に対し垂直に、そして付随する光に対し４５°で適応する。鏡を変
換することにより、反射した光は選択的に望んだ出力ポートへ向く。

【００１１】 これらの、そして他の動かされる従来技術のＭＥＭＳは避けられない損害を受
ける。特にこれらＭＥＭＳ切り替え装置の光学移動要素あるいは鏡は基板の表面
に関して言えば、通常、ウェハーあるいは基板へのエッチングにより、ほぼ垂直
あるいは垂直に設けられる。そのような構成で装置を操作している間、光学移動
要素の位置は正確さ及び／又は繰り返しができることの減少の可能性同様、シス
テムの内部に挟まれさらなる損失を生じる、望ましい正常な９０°の角度からの
屈曲が課題である。また、これらの多くのデザインにおいて、垂直に位置する鏡
の水平への変形（あるいは他の通常の平面の光学移動要素）は鏡の表面に対する
空気抵抗によりかなり遅くなる。

【００１２】 アメリカ合衆国特許第５，７７４，６０４号のマクドナルドが入力ファイバー
及び少なくとも２つの出力ファイバーの間の縦穴の支持表面に位置する反射微小
機械構造を開示する。構造がアドレス指定されない状態、支持表面に対して平行
ならば光は入力ファイバーから出力ファイバーの内側へ影響を受けずに伝わる。
構造がアドレス指定された状態で支持表面に対して傾斜した角度ならば、光は反
射し結局は別の出力ファイバーにもたらされる。構造の状態は支持表面における
動いている電気回路によって管理される。さらにまた、挿入による損失、繰り返
して起こる損失、そしてマクドナルドの切り替え装置の製作さもまた、切り替え
操作のたびに傾斜角度が変化するため構造の望ましい角度の逸脱により影響を受
けることがある。さらにはマクドナルドにより述べられた、傾斜した切り替え装
置はシングル・インプットを持つ光学スイッチにのみ適している。

【００１３】 さらに一般的には、デューラー（Dhuler）らによるアメリカ合衆国特許第５，
９６２，９４９号は別の光学要素と微小組立て、微小生物学的な見本あるいは光
学ファイバーの調整の操作の間、正確な位置対象が企画されたＭＥＭＳ微小位置
付け装置を開示する。装置は照合の表面／基板、表面に固定された支持及びステ
ージを含む。対象は例えば操作されるあるいは調整されるファイバーは好ましく
は窪みあるいは他の置き場だがステージに設置される。ステージは参照の表面上
へ設けられ、支持体は、ばねの媒介により近接するステージの側面の少なくとも
１つ好ましくは２つに配置される。支持体の第１及び第２アクチュエーターは水
平面の内部で垂直方向にステージ及びステージによって導かれた対象を移動する
ために用いられる。アクチュエーターはステージの方へ広がるアクチュエーター
部材へ結びついた多数の熱が活発化したアーチ状になった梁を含む。梁が熱せら
れると固定された方向で押すためステージがアクチュエーター部材をもたらすス
テージの方へ広がる。１つもしくはそれ以上の垂直のアクチュエーターはステー
ジを曲げるため用いられ、それゆえに対象が、望む垂直方向へ設けられるステー
ジの表面の特定の部分へ移動する。ステージの特質、形状、屈折のため、デュー
ラー等によって開示されたＭＥＭＳアクチュエーター鏡のような一般的に平面あ
るいは平らな形状をした要素を正確に保持するのに適していない。さらには、ア
クチュエーターは調整の目的でステージを小さい範囲以内で移動するだけの性能
である。これは比較的長い移動通路に沿って動かされなければいけない移動要素
を適応させるのに不十分であり、例として光学上のスイッチで要素が選択的に光
学上の信号の通路の内外に動かされる。その結果として、デューラー等により開
示されたＭＥＭＳアクチュエーターは鏡のような移動要素を動かす光学上のスイ
ッチとして用いることが不適切である。「Optimal Shape Design of an El
ectrostatic Comb Drive in Microelectromechanical Systems」，Journal
of Microelectromechanical Systems， vol．7，no．1，p １６（March 19
98）においてイー（Ye）らにより記述されたくし状のドライブ・アクチュエータ
ーのような他のＭＥＭＳ装置アクチュエーターの従来技術はそこへ結合されてい
る移動要素の移動の差し支えない範囲に関して同様に限定されている。

【００１４】 さらに加えて、移動要素を動かすＭＥＭＳ装置の従来技術の移動要素に対する
アクチュエーターのデザイン及び機械的な結合は通常、作動の間かなりの量の動
摩擦を生じる。例として秋山（Akiyama）らによる「Scratch Drive Actuator wi
th Mechanical Links for Self−Assembly of Three−Dimensional MEMS」，Jou
rnal of Microelectromechanical Systems，vol．6，no．1，p １０（March 199
7）参照。そのような装置は時間を超えて操作されるので、動摩擦は装置の部品
を磨耗し、信頼及び位置付けの正確さを減少する傾向がある。同様に、これらＭ
ＥＭＳ装置の移動要素は通常、重り、スプリング、留め金あるいはそのような機
械部分による方法によって装置の基板あるいは支持部品に付着する。さらに、こ
れらの部品は互いに物理的に接触するので作動の間、動摩擦があり部品が磨耗し
装置の正確さが減少する。

【００１５】 従って、急速かつ能率的に一般的に平面あるいは平らな、鏡のような移動要素
を動かす性能を持つ、例えば切り替え操作のような改良されたＭＥＭＳ装置を提
供する必要がある。もしそのようなＭＥＭＳ装置が動摩擦による磨耗の影響を受
けにくく、光学上のスイッチあるいは交差接続として用いられた時、できる限り
僅かな挿入の損失を示すならばさらに望まれる。

【００１６】 （発明の要約） 本発明は通常基板の表面に平行に配される平らな移動要素を持つ微小電子機械
構造（ＭＥＭＳ）装置、基板の表面に対する平行面の第１位置とその面での第２
位置との間の移動要を素選択的に移動するために、移動要素を作動させるのに従
事さすことができるアクチュエーターを提供する。移動要素は直線の通路を移動
することが望ましいが他の半径状の円弧ような通路もまた可能である。

【００１７】 装置は特に移動要素が第１位置にいるとき光学上の光線の特徴を変えるが第２
位置にいるときは光線に影響しない光学上のスイッチとして用いるのに適してい
る。このケースにおいて、移動要素は好ましくは鏡から成るが変調器、レンズ、
視準器、減光器、フィルター、吸収体からなってもよい。基板は光線によって貫
通することが可能な領域を含むこともでき、光線は装置において移動要素が第２
の領域にあるとき、貫通することが可能な領域を通るように導かれることもでき
る。貫通が可能な領域は基板の内側で形成される開口あるいは透光性材料からな
ってもよい。

【００１８】 １つの実施例において、アクチュエーターは表面を持ち基板と移動要素の間に
位置する弾性物質からなる。アクチュエーターは弾性物質の表面で弾性波を生み
出す弾性波誘導器をさらに含む。このように、表面で弾性波の伝達は移動要素を
動かすために利用できる。弾性波誘導器は最第１基板電極、第２基板電極、移動
要素と弾性物質の表面の間で結合したグランド電極、第１基板電極とグランド電
極との間の第１ＡＣ電気信号を供給する電気回路の構成要素、第２基板電極とグ
ランド電極との間の第２ＡＣ電気信号からなることもできる。第１及び第２ＡＣ
電気信号は移動する弾性波が生み出されるため互いに同調しない。

【００１９】 他の実施例において、アクチュエーターは移動要素の移動通路に沿って間隔を
空けて垂直に配置された複数の延長した作動梁からなる。各梁は実質的に基板の
表面に対し平行に伸び、先端と基板に関しては固定したベースを持つ。アクチュ
エーターは移動要素が断続的に配される移動通路の一部分に沿って位置する梁を
移動要素に携わり、移動通路に沿って望んだ方向において移動要素を移動するた
め、さらに作動梁を制御可能に動く梁のアクチュエーターを含む。梁は好ましく
は伝導性で梁のアクチュエーターは好ましくは、基板の表面に関し作動梁から基
板に結合し垂直に位置する第１電極、基板の表面に関し作動梁から基板に結合し
水平に位置する第２電極、基板の表面に関し、垂直方向に作動梁が移動するため
の第１電極と作動梁の間の第１電場を管理して生み出すための電気回路の構成要
素、及び基板の表面に関し、水平方向に作動梁が移動するための第２電極と作動
梁の間の第２電場の各作動梁からなる。

【００２０】 移動通路が直線で第１及び第２の端を持つ所では複数の作動梁は好ましくは移
動通路の第１の端に沿って配置された最初に設けられた作動梁、移動通路の第２
の端に沿って配置された二番目に設けられた作動梁、二番目のセットにおける梁
の先端と同時に起こる第１セットにおいて梁の先端の移動を管理することができ
る梁のアクチュエーターからなる。第１及び第２のどちらのセットにおいても、
移動部分が配された移動通路の一部分の端に設けられた作動梁の隣接したものの
１つは各セットが連続している状態で隣接した先端による移動要素が断続的に携
わるように強調しないで回転することもできる。

【００２１】 あるいはまた、移動要素が第１及び第２のセット、移動要素が配される移動通
路の一部の端に沿って配される作動梁が基板に固定されている殆ど動かない支持
部材を置き直す所では、各設定が前記梁によって移動要素が同時に一致して回転
することもでき、断続的にかかわる。 他のアクチュエーターもまた用いることができる。全ての実施例において、移
動要素は好ましくは伝導性のある構成部品を含み、装置はさらに伝導性のある構
成部品と基板電極の間の電場を生み出す少なくとも一つの基板電極と電気回路の
構成要素、あるいは静摩擦によって移動要素を保つための電極からなる。

【００２２】 装置は好ましくは基板の表面に平行した場所で製造された移動要素と共に微小
機械技術を用いて製造される。さらに好ましくは、複数の構成要素の層が連続し
て溶着及びエッチングされる所で微小機械表面技術が採用されることである。装
置の配列は共通の基板に配され、各装置は独自の移動要素及びアクチュエーター
を持つ。

【００２３】 （好適な実施例の詳細な説明） 本発明の課題及び利点は、以下の詳細な説明及び本発明の好適な実施例を例示
として示した図面を考慮することにより、よく理解されかつより容易に明らかに
される。 図１は、本発明に係るＭＥＭＳスイッチ又はバルブ装置１００の一般的な配置
の等角図である。装置１００は、表面１０４を持つ基板１０２を含む。移動又は
スイッチ要素１０６は、一般的に平らで、主要部は表面１０４上で基板１０２に
平行に配される。以下に詳述するように移動要素１０６は、要素１０６の主要部
に接続される支持ウィング、脚、又は他に従属するような部材（図１には示さず
）を備えてもよい。図１Ａには、図１の１Ａ−１Ａ線に沿って切り取った装置１
００の断面図を示す。図１及び図１Ａによれば、移動要素１０６の主要部は、基
板１０２の反対面にある第１主要表面１０８及び基板１０２、及びより詳しくは
基板１０２の表面１０４、に面する第２主要表面１１０を有する。

【００２４】 図に示すように、移動要素１０６、又はより詳しくはその主要部は、基板１０
２から短い距離ｈ離すことが好ましい。以下に詳述するように、装置１００が切
り替え又は作動動作を行なうとき、要素１０６は基板１０２上で距離ｈに位置し
た水平面上にて異なる作動位置に選択的に移動する。水平面上における作動位置
間での移動の間、すなわち作動の間、移動要素１０６は一時的に水平面上を離れ
てもよい。さらに、移動要素１０６は、基板１０２の開口上の表面１０４の上、
（すなわちｈがゼロ）に位置してもよいし、移動要素１０６は基板１０２の開口
に埋め込んでもよいし（すなわちｈが僅かにマイナス）、又は移動要素１０６は
基板１０２の反対側に位置してもよい（すなわちｈが相対的に大きなマイナス値
を持つ）。しかしながら、全ての実施例において、移動要素１０６は水平に又は
基板１０２に対して平行に配される。

【００２５】 ＭＥＭＳ装置１００は、特にファイバー光通信網におけるバルブ又は光学スイ
ッチとしての使用に特に適しているが、本発明のＭＥＭＳ装置１００の利点は他
の使用においても利用できる。例えば、装置１００は、コンベヤーや、音波反射
鏡又は吸収体としての移動要素１０６を持つ音波スイッチとして用いられる。光
学スイッチとして使用するとき、移動要素１０６は、光線の特性及び／又は道筋
を選択的に反射し、分散し、屈折し、平行にし、減光、又はそうでなければ変え
又は調節するのに使われる。その結果、移動要素１０６は、例えば、光学反射鏡
、調節器、レンズ、視準器、減光器、フィルター、又は吸収体とされる。特に、
ＭＥＭＳ装置１００が光学スイッチであるとき、移動要素１０６は反射鏡とされ
る。

【００２６】 図２の実施例に示すように、移動要素１０６は長方形とされ、水平板の上にお
いて移動の範囲を限定された移動通路内で直線方向に移動できる。例えば、要素
１０６は、矢印１１２で示される線や矢印１１４で示される線に沿った移動通路
を持つ。すなわち、移動要素１０６は、水平板内でいずれかの直線方向に移動で
きる。図３に示す代わりの実施例においては、移動要素は、１１６として示すよ
うに扇形とされ、矢印１１８で示すように点１２０を中心に半径方向状または振
り子状運動として移動する。さらなる代替として、要素の運動は、回転運動と平
行移動の組み合わせとしてもよい。既述の如く移動要素１０６の主要部は一般的
に平らであるが、その他、図２及び図３に示した以外の形状、例えば円形や長円
形でもよい。

【００２７】 基板１０２は、既知の集積回路製造技術を使って作られる半導体ウェーハ基板
である。基板はシリコンを基礎とするのが好ましいが、ガラス、ポリマー、又は
金属等の他の物質も使用できる。超小型電子部品からなるアクチュエーターは基
板１０２の中または上に作られることが好ましく、以下に詳述するような移動要
素１０６の所望の移動を作動させるように用いられる。基板１０２は好ましくは
、超平坦面及び高度の平行性及び直線性を持って製造される。図４に示すように
光学スイッチの場合において、基板１０２は、光学ファイバー１５５からの光１
５０を貫通させない第１領域１３０、及び光線１５０を通す第２領域１４０を含
む。ベースライン１３５は領域１３０と１４０を分割する。要素１０６の切り替
え又は作動は少なくとも第２領域１４０の一部の上でかつベースライン１３５に
対して平行に又は垂直な方向に起きることが好ましい。例えば、第２領域１４０
は透光性ガラスからなることが好ましい。代わりに、装置１００のための十分な
構造支持が備えられる限り基板は領域１４０中にまったく無くてよい。例えば、
領域１４０は、基板１０２にエッチングされた開口または穴でもよく、領域１３
０に囲まれる（例：図８Ａ参照）。一般的に、領域１３０及び１４０は、基板１
０２の上で数々の方法で位置し、基板１０２が互いに隣接しない領域１３０及び
／又は領域１４０の２領域以上を持つことも可能である。例えば、２つの非貫通
基板領域１３０を、単一の貫通領域１４０により分離してもよい。さらなる代替
として全ての基板１０２を、ガラスのような光学的透過物質から構成してもよい
。

【００２８】 図５に示すように、装置１００をＭＥＭＳ光学交差接続スイッチ装置１６０と
して構成したとき、構造体１６５の入力口１７５に対応するＭ入力光学ファイバ
ー１７０及び構造体１６５の出力口１８５に対応する出力Ｎ光学ファイバー１８
０を受取る支持構造体１６５を備えてもよい。例えば、ファイバー１７０及び１
８０は標準の１２５μｍファイバーであり、Ｎ及びＭの各々は１と同等又はそれ
以上である。支持構造体１６５は基板１０２と統合することが好ましく、かつそ
こに少なくとも接続される。スイッチ１６０の手段が真空または不活性ガスを含
むところでは、支持構造体１６５は閉鎖構造体である。光学ファイバーの含まれ
ているところから外への光の分散を最小にするために、ファイバー１７０及び１
８０を丁寧に整列させ、かつ要素の移動を影響や妨害をしないようにスイッチの
移動要素をできるだけ接近させて置く。

【００２９】 図６Ａから図６Ｄは、１×１（オン／オフ）光学スイッチ２００としての装置
１００の作動を示す。図６Ａ及び図６Ｂは、スイッチ２００の移動要素１０６に
より影響されない位置であり、光線１５０が入力ファイバー１７０から出て、基
板１０２の領域１４０を通って移動し、出力ファイバー１８０に再び入るところ
の第１又はオンの位置にあるスイッチ２００を示す。図６Ｂは、図６Ａの矢印６
Ｂ−６Ｂの方向に沿ったスイッチ２００の平面図である。上述のように、図６Ａ
及び図６Ｂに示すように光１５０は、出力ファイバー１８０に入る前に基板１０
２の透光領域１４０を通過する。図６Ｃ及び図６Ｄは、移動要素１０６が基板１
０２と平行に光１５０の通路に移動しそれにより光線１５０がその上に投射する
場所で第２又はオフの位置にあるスイッチ２００を示す。図６Ｄは、図６Ｃの矢
印６Ｄ−６Ｄの方向に沿ったスイッチ２００の平面図である。スイッチ２００は
単にオン／オフスイッチとして機能すること及び光１５０は直接または普通は移
動要素１０６に投射する（すなわち、オフの位置で投射角０度をもつ）ことから
、この実施例において移動要素１０６は、（入力ファイバー１７０内に光１５０
を返す鏡に対抗するものとして）オフの位置のときに光１５０を止めかつ分散す
る光学吸収体であることが好ましい。

【００３０】 図７Ａ及び図７Ｂは、移動要素１０６が好ましくは鏡であり、１×２（シング
ル−ポール、ダブル−スロー又はＳＰＤＴ）光学スイッチ２１０としての装置１
００の作動を示す。図７Ａでは、移動要素１０６は第１位置にあり入力ファイバ
ー１７０からの光１５０は第１出力ファイバー１８０−１内に移動する。移動要
素１０６が基板１０２と平行に図７Ｂに示す第２位置に移ったときに、入力ファ
イバー１７０からの光１５０は鏡１０６の表面で反射し、第２出力ファイバー１
８０−２内に向けられる。図７Ｂに示す鏡１０６の第２位置では、光１５０は普
通、鏡１０６の表面に投射されないが、むしろゼロを越える投射角度（すなわち
、鏡表面の垂直線と光１５０の間の角度）を持つ。好適な実施例において、光１
５０の投射角度は約４５度である。当業者において、スイッチ２１０がある位置
から他へと作動するときに、ファイバー１８０−１又はファイバー１８０−２へ
の光出力内に含まれる情報の完全な状態が、一度スイッチ動作が完了したときの
み信頼できるようになる。結果として、スイッチ２１０の早い切り替え速度を持
つことは、明らかに都合がよく、望ましい。

【００３１】 図７Ａ及び図７Ｂのスイッチ２１０は、例えば、出力ファイバー１８０−１又
は出力ファイバー１８０−２のいずれかを光学吸収体との置き換えにより１×１
（オン／オフ）スイッチに変換することができる。それに加え、図６Ａから６Ｄ
において、図７Ａ及び図７Ｂのように、光１５０を要素１０６がゼロより大きい
投射角度（例えば、４５度）で動くところの水平板に選択的に向けてもよい。

【００３２】 図８Ａから８Ｄは、基板１０２の非貫通領域１３０が基板１０２の光貫通（す
なわち、透光）領域１４０を囲うところでの１×２光学スイッチ２２０の別の実
施例を示す。図８Ａはスイッチ２２０の平面図を示し、図８Ｂは図８Ａの線８Ｂ
−８Ｂに沿った断面図を示し、かつ図８Ｃ（及び図８Ｄ）は、図８Ａの線８Ｃ−
８Ｃに沿った断面図を示す。本発明のこの実施例において、移動要素１０６は鏡
であり、水平板での鏡の移動要素１０６は完全に貫通領域１４０の上でなされる
。或いは、領域１４０が基板１０２の開口または自由空間穴であるとき、移動要
素１０６は領域１４０内に位置する。例えば、移動要素１０６は、基板１０２の
表面１０４と隣接していてもよい。また、特に領域１４０が基板１０２の開口で
あるとき、スイッチ２２０のための（図８Ａから８Ｄに示されない）アクチュエ
ーターは好ましくは基板１０２の領域１３０内に又は上に位置し、スイッチ２２
０のための支持構造体は領域１３０に接続される。図８Ｃに示すように、第１位
置内にある移動要素１０６では、入力光学ファイバー１７０からの光１５０は領
域１４０を通り第１出力ファイバー１８０−１内に移動する。他方で、第２位置
内にある移動要素１０６では、図８Ｄに示すように、入力光学ファイバー１７０
からの光１５０は鏡１０６の表面への角度で投射し、その表面で反射し、かつ 第２出力ファイバー１８０−２内に向きを変えられる。

【００３３】 図９Ａ及び図９Ｂは、（１×２）×２スイッチ２３０を形成するための図８Ａ
から図８Ｄの１×２スイッチ２２０の適応を示す。図示するように、スイッチ２
３０は、光線１５０−１及び１５０−２の各々を導く２つの入力光学ファイバー
１７０−１と１７０−２を含む。光線１５０−１及び１５０−２は好ましくは、
それらに対応するファイバー１７０−１と１７０−２を出るようにお互いに平行
に移動する。スイッチ２３０は、また４つの出力光学ファイバー１８０−１から
１８０−４を含む。スイッチ２３０の移動要素１０６は、前と同じように好まし
くは鏡である。図９Ａは、入力光学ファイバー１７０−１からの光１５０−１が
鏡１０６で反射して出力ファイバー１８０−２内に向きを変えられかつ妨害され
ない入力光学ファイバー１７０−２からの光１５０−２が基板領域１４０を通り
かつ出力ファイバー１８０−３内に移動する場所で第１位置にある移動要素１０
６を示す。移動要素１０６が第２位置にあるとき、図９Ｂにあるように、入力光
学ファイバー１７０−２からの光１５０−２は鏡１０６で反射して出力ファイバ
ー１８０−４内に向きを変えられ、入力光学ファイバー１７０−１からの光１５
０−１は基板領域１４０を通りかつ出力ファイバー１８０−１内に移動する。例
えば、光線１５０−１及び１５０−２がスイッチ２３０を通って移るところで出
力ファイバー１８０−２と１８０−４を光学吸収体に置き換えることにより、１
×１（オン／オフ）×２スイッチ２３０に変換することができる。

【００３４】 当該光線は、反対の入力および出力ファイバーにより、上述のいずれかのスイ
ッチを通り図のように反対方向に移動できることを補足しておく。この目的のた
めに、移動要素１０６が鏡である場合、要素１０６（図１参照）の表面１０８及
び１１０のいずれか又は両方は反射面とされる。

【００３５】 上述の如く、ＭＥＭＳ装置１００の移動要素１０６は、例えば、切り替え機能
を提供するために少なくとも第１位置及び第２位置で作動する。移動要素はさら
に、３つ以上の位置において切り替え機能を実行することもできる。本発明は、
装置１００の各移動要素１０６の位置を選択的に変更するための数々の異なる形
式の作動アプローチを使用できる。一般的に、アクチュエーターは電気または熱
エネルギーを制御可能な動作に変える（上述のように、少なくともアクチュエー
ターの一部は基板１０２の中または上に位置することが好ましい）。好適な作動
アプローチは、使用する移動要素の形式に依存する。特に、アクチュエーターは
、以下の形式の作動原理を基礎とすることができる：熱機械、熱作動の形状記憶
合金（ＳＭＡ）、電磁気、静電気、又は圧電気（磁気、半磁性、機械、又は相変
換等の他の作動原理もまた用いることができる）。

【００３６】 当技術においてこれらの微小作動原理はよく知られている：一般的にギルバー
トソン（R. G. Gilbertson）らによる「A survey of Micro-Actuator Technolog
ies for Future Spacecraft Missions」、Practical Robotic Interstellar Fli
ght: Are We Ready? Conference, New York (August-September 1994)参照。こ
れらの内容は、それらを参照することによりここに組み込まれている。つまり、
熱機械作動は、物質内でそれが温度変化を受けるときに起きる物理的膨張または
収縮を基礎とする。形状記憶効果の作動は、一定の変遷温度以上または以下で回
帰するときある合金（例えばニチノール）内で生じる物質特性の変化を基礎とす
る。ＳＭＡ効果形状変化は一般的に非常に大きく、かつ熱膨張／収縮と比べて非
常に小さな温度範囲で生じる。これらの両方の熱駆動アクチュエーターは反対の
作動行動のために、パッシブ又アクティブの冷却を必要とする。

【００３７】 電磁気作動は、伝導物質による電気電流移動を基礎とする。電磁気作動の利点
として、急速な力の発生および相対的に温度に影響されない作動がある。しかし
ながら、電磁気作動の効率は、微小単位において劇的に減少し、ＭＥＭＳ装置内
に小さな電磁コイルを適切に置き製造することは困難である。静電気作動は、相
反する電荷の目的物間での引きつけ及び同じ電荷の目的物間での反発を基礎とす
る。静電気作動はまた非常に迅速にかつ相対的に温度に影響されずに起こる。静
電気作動は短い距離において高効率でもある。圧電気は、一定の結晶物質が電圧
又は電荷を受けたときに発生する寸法変化から生じる機械的力および運動を基礎
とする。典型的な圧電気物質には、水晶、鉛亜鉛酸塩チタン酸塩、及びリチウム
ナイオビ酸塩がある。圧電気物質は非常に早く反応し電圧電位の変化で高い力が
ある。

【００３８】 一般的に、アクチュエーターは各々の作動（又は安定状態）位置、例えば、要
素１０６の移動範囲内の２端で、移動要素１０６の安定及び正確な位置を提供す
る。１つの作動位置から別の位置への要素１０６の移動のために上述の作動原理
の１つを使用するのに加えて、安定状態の１つにある移動要素の維持のために同
じ又は別の原理が使われる。好ましくは、静電気手段は、以下の図１１に述べる
ような移動要素を所望の位置に保持するのに用いられる。

【００３９】 図１０Ａから１０Ｄは、基板１０２の表面１０４に置かれた薄膜２６０又は弾
性物質中での弾性（又は応力）波の誘導を基礎とした本発明のＭＥＭＳ装置１０
０のための第１の可能なアクチュエーターを示す。変形されたエネルギーを開放
することにより、固体の弾性物質は、反対の力の運動によってその形状及び寸法
を変えるが、その力が取り除かれたときに本来の形状を回復する。弾性波は、移
し替えられた質点が隣接する質点に弾まされたときに弾性物質によって伝播し、
その後、弾んで移し替えられた質点はその本来の位置に戻される。

【００４０】 停止している弾性波２５５は、弾性薄膜２６０の寸法を変更することができる
熱膨張（熱機械）、圧電気、磁気、又は静電気を含む上述のいずれかの作動原理
によって誘発することができる。図１０Ａから１０Ｄの好適な実施例において、
静電気作動が使われる。電極２７０は基板１０２の上または中に、好ましくは図
１０Ａに示すように表面１０４の下に置かれる。電極２７０と弾性物質２６０の
上部表面に置かれた別のグランド参照電極２７５との間に電圧差を印加すること
により、物質２６０に振動を発生させる。電極２７５もまた弾性物質からなる。
周期性または停止波運動２５５は、適切なＡＣ電気信号２８０、例えば、ＡＣ電
圧信号を電極２７０と２７５の間で印加することによって発生する。

【００４１】 図１０Ｂにおいて、第２基板電極２９０は、表面１０４の下の基板１０２の中
に含まれる。別のＡＣ電気信号３００、好ましくはＡＣ電圧信号は、電極２９０
と２７５にわたって提供される。信号２８０及び３００の間で一定の相変化を有
することにより、移動波３１０は弾性物質２６０の表面に（従って、電極２７５
の上に）作られる。図１０Ｃに示すように移動波３１０により、弾性物質２６０
の表面の１点（及び電極２７５の表面上の対応する点）は、循環または周期的運
動３２０を受ける。この運動３２０は、弾性物質２６０及び電極２７５の上部に
置かれるときに移動要素１０６を動かし又は始動するのに使われる。信号２８０
と３００の間の相差異を変えることにより、移動波３１０の速度および方向を選
択的に調整することができ、それに応じて、移動要素１０６の速度および方向を
調整できる。さらに、当業者においては、標準集積回路製造技術を用いることに
よって、ＡＣ電気信号２８０及び３００を提供するための微小電子回路を、迅速
に基板１０２の中に設けることができる。

【００４２】 光学切り替え装置の場合では、電極２７５は好ましくは、光を通す物質からな
る。代わりに、図１０Ｄの等角図に示すように、弾性物質２６０は、穴または間
隙２６５によって分離された２つの部分に備えてもよい。弾性物質２６０の各部
分は、その上部表面に電極２７５を含む。好ましくは、図１０Ｄの実施例では、
（図１０Ｄでは図示されない）基板１０２の貫通領域１４０は、間隙２６５の下
に置かれる。

【００４３】 移動要素１０６を動かすためのアクチュエーター２５０のために、移動要素は
、波３１０が伝わる弾性物質２６０の上で保持、すなわち接触及び摩擦されなけ
ればならない。ＭＥＭＳ装置の従来の技術では、移動要素は普通、重り、ばね、
留め金によってアクチュエーターに付着され、その間中、ＭＥＭＳの作動がかな
りの量の摩擦および磨耗を生じ、結局は信頼性の低下となる。一方、本発明では
、移動要素１０６は、磁石及び／又は静電気の力の手段によりアクチュエーター
に好ましく「付着」される。

【００４４】 例えば、本発明の一実施例では、移動要素１０６は、逆極性磁石または強磁性
物質からなる（弾性物質２６０の下の）基板及び／又はアクチュエーターの周り
の部品と共に、磁性物質から作ってもよい。結果として、磁石の引き付け力は、
移動要素１０６と基板および／又はアクチュエーターの間で現れる。磁力は、静
摩擦を導き、要素１０６を弾性物質２６０の表面２６５に保持または付着せせる
。移動要素１０６の付着は、十分に強くなされ、そして装置１００はたとえ重力
に対する方向に向けられたときでも、ＭＥＭＳ装置１００の所望の方向への作動
を可能とする。

【００４５】 代わりに、移動要素１０６又は基板／アクチュエーター内の磁性物質を電磁石
と置き換えることができる。図１１に示すさらなる好ましい付着技法として、移
動要素１０６と装置１００の基板、アクチュエーター及び／又は支持構造体（す
なわち、固定部品）の間の静電気引力を提供する。逆極性磁性物質として、反対
電荷静電気物質は、静摩擦を導く力を生み出し、弾性物質２６０の表面２６５に
要素１０６を保持し、アクチュエーターを機能させる。この付着の実施例は図１
１に示され、移動要素１０６は伝導構成体３３０及び機能部品３４０（例えば、
鏡または光学吸収体）からなる。もし必要なら、移動要素１０６の部品３３０及
び３４０は、追加の分離層により分離してもよい。任意的に、要素１０６は、伝
導性及び所望の光学機能の両方をもつことを可能とする物質の単一の部品から構
成することができる。

【００４６】 図１１に示すように、移動要素１０６は、基板表面１０４の上部に位置する２
つの支柱３５０の上に載せられる。支柱３５０は、基板１０２内にエッチングす
ることにより形成され又は製造において基板１０２の上部に配される。例えば、
弾性物質は支柱３５０間に配することができ、又は代わりに、支柱３５０は、例
えば図１０に関連して上述したような、移動波を発生するところの弾性物質２６
０から構成してもよい。さらなる代わりとして、他のアクチュエーターの実施例
に関して以下に詳述するように、支柱３５０は光線を作動させることもできる。

【００４７】 さらに図１１によれば、２つの電極３６０は基板表面１０４の上部に位置する
（代わりに、電極３６０は表面１０４の下又は中に位置することもできる）。電
極３６０は支柱３５０の間に位置するように図示されているが、少なくとも移動
要素１０６のおおよそ下にある限り、一般的には表面１０４に沿ったどこにでも
位置することができる（例えば電極３６０は、図１１では支柱３５０の外側に位
置することができる）。例えば、適切な電圧差３７０を印加することにより、伝
導構成体３３０はよりプラスに帯電されかつ基板電極３６０はよりマイナスに帯
電し（又はその逆）、その結果、静電気場は支柱３５０に対する移動要素１０６
を維持する。例えば、伝導構成体３３０はある一定の参照レベル（すなわち、グ
ランド）より上の電圧に帯電し、基板電極３６０はその参照レベルの下の電圧に
帯電する。信号３７０は、基板ウェーハ１０２の中または上に位置する適切な微
電子回路により、再び供給される。代わりの実施例では、固定電極３６０は、そ
れらの間の電位差の関連で反対の電荷に帯電する。そこで、局部電荷は伝導構成
体３３０により導かれ、要素１０６は静電気的に維持され、支柱３５０に付着す
る。

【００４８】 図１１の上向の方向は必ずしも重力の方向に反するものではないことに注意を
要する。電極３６０と移動要素１０６上の仮想の重力を与える伝導構成体３３０
の間の静電気力によって、装置１００はどの方向にも向けることができる。さら
に、移動要素１０６は特定の接続点に制限されず、電位差３７０により与えられ
る付着力は望むように調節できる。結果として、要素１０６のためのこの好適な
付着メカニズムは、重力に頼ることなく、作動の間大きな摩擦を生じ磨耗となり
得るばね（又は他の接続部品）の使用又は微細寸法に製造することが困難なベア
リングのような部品の使用を要求することなく、装置１００がどの方向にでも機
能することを可能とする。

【００４９】 図１０Ａから１０Ｄの移動弾性波アクチュエーター２５０の代替において、ア
クチュエーターの他の形式が本発明のＭＥＭＳ装置１００で使用することもでき
る。好適な一実施形態では、選択的に作動する移動要素１０６のための多くの独
立した制御可能（又は作動可能）な部材から構成されてもよい。各部材は好まし
くは、選択的に又は作動的に移動要素１０６に携わることのできる別の自由端ま
たは先端の基板１０２に接続されたベースエンドを持つ。該部材又はその自由端
は、所望の方向に移動要素１０６を運ぶ上述の作動原理（例えば、静電気、圧電
気、熱機械等）の一つの方法によって制御可能なように移動することができる。
そのようにするとき、アクチュエーター部材は、アクチュエーターの特定の項目
に従い連続して又は同時に移動要素１０６に携わる。

【００５０】 例えば、図１２は、作動梁４３０の２つのセット４１０と４２０を有するアク
チュエーターを持つＭＥＭＳ装置１００の好適な構成の平面図を示す。指状突起
物または片持ち梁として働く梁４３０は、一般的に伸ばされており、少なくとも
その先端では好ましくは長方形または正方形の断面である。図１２の明瞭性の点
から２つの梁４３０のみがセット４１０及び４２０の各々に示されているが、各
セット４１０、４２０は、多数の梁４３０からなる。しかしながら、図に示すよ
うに、追加の梁の存在は省略点で示されることを意図し、よって、一般的に梁４
３０は、要素１０６の移動通路の略全体、好ましくは、その通路の端や側面近く
、に沿って広がる。要素１０６の移動の線は両方向矢印４０４で表され、図１２
に示すように、移動要素１０４の統合された移動通路は４０６で端を有する。例
えば、好適な一実施例での移動は、長さ（Ｌ）３００μｍ、幅（Ｌ）３００μｍ
、そして厚さ約２μｍで、作動位置（すなわち、光学スイッチのオン及びオフ位
置）の間で約３００μｍの水平距離を移動する。典型的な寸法として、作動梁の
各セット４１０、４２０は、１５から２０の等間隔離れ各々が１５０μｍの長さ
及び２μｍ×２μｍの断面を有する梁４３０を持つ。もっとも、装置１００及び
要素１０６の寸法及び応用に応じて、異なる形状及び寸法のいずれの数の梁をも
ってもよく、上記例は限定する意図はない。

【００５１】 図１２の平面図およびより明確には側断面図１４Ａから１４Ｂに示すように、
移動要素１０６は好ましくは、要素１０６の移動の線へその反対の端から垂直に
広がったウィング１２６を含む。各ウィング１２６は、セット４１０又はセット
４２０中の梁４３０のサブセットによって支持される。該移動範囲内の（すなわ
ち、移動通路に沿った）異なる位置で要素１０６は、異なる梁４３０のサブセッ
トにより支持される。梁４３０、より詳しくは梁４３０の末端または先端の作動
により、系統だった又は制御された方法で、要素１０６は所望の方向に移動され
る。基板１０２の中または上に位置する電極３６０は、要素１０６を保持または
付着するのに使われる。この目的のために、要素１０６は、図１１に関して詳述
したような（図１２には図示せず）伝導構成体を備えてもよい。ＭＥＭＳ装置１
００が光学スイッチであるとき、電極３６０間の基板１０２の部分は、図４に関
して上述したように、光１５０が貫通（透過）可能としてもよい。

【００５２】 各セット４１０・４２０では、各梁４３０のベースエンドは、基板１０２上の
ベース部分４６０又は単一のアンカーに好ましく接続される。しかしながら、代
わりに、各梁４３０のベースは、基板１０２に別々につながれた個々のアンカー
部分に接続される。他の構成を基板１０２に関する各移動梁４３０のベースを強
固に固定するのに用いることもできる。図１４Ａと１４Ｂに示すように、移動要
素１０６は、基板１０２側に伸びるひれ状の脚１２８を含んでもよく、同様に各
梁４３０は、基板１０２側に伸びる梁の先端（すなわち、ベース部分４６０から
離れた端）にひれ状の脚４３２を含んでもよい。これらの脚は、梁４３０又は移
動要素１０６と基板１０２の表面１０４の電極との間の物理的接触がないのを確
実にする。よって、脚１２８と４３２は、接触を避けるために用いられるが、気
にしなければ省略してもよい。

【００５３】 梁４３０はいずれかの適切な作動原理により作動できるが、静電気作動が好ま
しく用いられ、従って、作動梁４３０は好ましくは伝導性である。図１２に示す
ように、静電気作動を提供するために、各梁４３０は、それに結合された底面電
極４４０及び側面電極４５０を有する。図１３Ａと１３Ｂに示すように、該底面
電極４４０は、好ましくは基板１０２に沿って各梁４３０の下に置かれる。図１
３Ｂはさらに、各作動梁４３０のための該側面電極４５０の位置関係を示す。側
面電極４５０は好ましくは支持４５５を持つことによって、側面電極４５０は普
通、基板１０２の表面１０４に関する梁４３０と同じ高さとなる。参照電位より
プラス（又はマイナス）に帯電した底面電極４４０と梁４３０の両方を作ること
によって、基板１０２から離れて作動梁の先端を作動することができる。反対に
、梁４３０の１つ及び参照電位よりプラスに帯電した底面電極４４０と参照電位
よりマイナスに帯電した別のものを作ることによって、基板１０２に向けて作動
梁の先端を作動することができる。同様に、梁４３０の１つ及び参照電位よりプ
ラスに帯電した側面電極４５０と参照電位よりマイナスに帯電した別のものを作
ることによって、側面電極４５０に向く方向に作動梁の先端を作動することがで
きる。一方、参照電位よりプラス（又はマイナス）に帯電した底面電極４４０と
梁４３０の両方を作ることによって、側面電極４５０から離れる方向に作動梁の
先端を作動することができる。当業者において、例えば、電圧パルス信号を使っ
ての上述の静電気力を発生するための集積回路を容易にかつ好適に基板１０２内
に設けることができる。さらに、梁４３０の所望の作動を提供するために、電極
を作動梁の両側に位置させてもよく、各作動梁４３０（さらに又はそれに代えて
底面電極４４０）の上に電極を設けることも可能である。

【００５４】 図１２及び図１３Ａ−１３Ｂに示されるように、対応する底面及び側面の電極
４４０，４５０は、好ましくは各梁４３０のかなりの部分に沿って平行に延びる
。梁４３０内の応力は、比較的小さい変位が要求されるに過ぎないため、作動中
において低い。また、梁４３０の先端は、図１２のＭＥＭＳ装置の断面側面図を
動いていない位置にて対向する梁４３０と共に表している図１４Ａ、及び基板１
０２に向けて動いている対向する梁４３０と共に同じ断面側面図を表している図
１４Ｂに示されるように、好ましくは基板１０２の表面１０４と略平行となる。
さらに、側面電極４５０は、通常それに対応する梁４３０に接近して配置される
一方、側面電極４５０と次に最も近い梁の間のいかなる静電気力をも無視できる
ように、次に最も近い梁４３０から充分に離れていることに注意すべきである。
この方法では、特定の側面電極のみがそれに対応する梁を動かすために利用され
る。

【００５５】 図１５Ａ−１５Ｆは、図１２に示された梁アクチュエータ４００の動作を示し
ている。一般的に、セット４１０内の梁４３０は、セット４２０内の対応する梁
と同時に或いは前後して動き、そのため、図１２に示されるように移動要素１０
６は直線通路で運ばれる。図１５Ａ−１５Ｆは１つのセット４１０又は４２０内
の４つの梁４３０−１，４３０−２，４３０−３及び４３０−４の先端の動きを
示している。指摘したように、各セット４１０及び４２０は、いかなる数の梁４
３０をも含むかもしれないが、一般に如何なる時においてもそれらの梁の１つの
サブセットのみが、鏡要素ウイング１２６を保持するのみである。

【００５６】 図１５Ａにおいて、梁４３０−１，４３０−２、４３０−３及び４３０−４の
先端は、４つの梁全ての先端が基板１０２上の同じ高さにある第１の水平位置に
あり、４つ梁全ての先端が移動要素１０６のウイング１２６を支持している。好
ましくは、移動要素が所望の作用位置、例えばＯＦＦスイッチの位置、にある時
、梁４３０−１，４３０−２、４３０−３及び４３０−４はこのような水平位置
にある。動作について図１５Ｂを参照すると、梁４３０−２及び４３０−４の先
端は、部材４３０−２及び４３０−４のみがウイング１２６を支持するように、
基板１０２から離れて動き始める。次いで、梁４３０−２及び４３０−４の先端
は、図１５Ｂ中の左に向けて動き始める。梁４３０−２及び４３０−４の先端が
図１５Ｂの左に向けて動くにつれ、ウイング１２６は同じ方向に運ばれる。移動
要素１０６の他のウイング１２６に関して同時に対応する動きが発生するため、
要素１０６はそれによって同じ所望方向にアクチュエータ４００により運ばれる
。

【００５７】 次に、図１５Ｃを参照すると、梁４３０−２及び４３０−４の先端の上方向へ
の動きが止まり、これらの梁の先端は図１５Ｄ内の第２水平位置に到達するまで
下方に基板１０２に向けて移動する。図１５Ａの第１水平位置と同様に、４つ全
ての梁先端が図１５Ｄの第２水平位置で移動要素のウイング１２６を支持し、移
動要素１０６は図１５Ａ中のように同じ水平面内にある。梁４３０−１及び４３
０−３の先端はそれから、それら自身でウイング１２６を支持し始めるために、
上に移動し基板１０２から離れる。梁４３０−１及び４３０−３は、次いで図１
５Ｅに示されるように、前後して動くウイング１２６と要素１０６と共に左に動
く。同時に、梁４３０−２及び４３０−４の横或いは左方向の動きが終わり、こ
れらの梁先端は、要素１０６の動きに影響を及ぼすことなく（図１５Ｅ参照）、
図１５Ａの動いていない水平位置まで後退する。梁４３０−１及び４３０−４の
先端の上方向の動きが終わり、これらの梁先端は、図１５Ｆにおいて、４つの梁
４３０−１，４３０−２，４３０−３及び４３０−４の先端が全て再び水平位置
となるまで、下方に基板１０２に向けて動く。このプロセスは、移動要素１０６
が充分に左に移動し、所望の作用位置となるまで、それ自体繰り返される。ウイ
ング１２６が特定の梁の先端、例えば図１５Ｆの梁４３０−４の範囲外に移動し
たとき、梁先端の動きは終了する。同様に、ウイング１２６が別の梁先端の頂上
又は範囲内、例えば図１５Ｆの梁４３０−１の直接左の梁の範囲内に移動したと
き、梁の先端は上述したように動き始める。

【００５８】 図１５Ａ−１５Ｆに示されるように、交互の梁の先端は、移動要素１０６を連
続的に且つ繰り返して動かすために、実際上回転状の動き（図１０Ｃにポイント
３２０で示したような弾性物質の表面の回転状の動きに似ている）を受ける。図
１５Ａ−１５Ｆに示した実施形態においては、梁４３０−１及び４３０−３の第
１のペアの先端の回転と、梁４３０−２及び４３０−４の第２のペアの先端の回
転（両方とも図１２Ａ−１２Ｆ内で反時計周り）は、各ペアが所望の方向に移動
要素を運ぶために連続的に作用するように位相を異にする。各ステップの動きの
量は、梁の水平方向の振幅に依存する。例えば、長さ１５０μｍの２×２μｍの
梁は、約１μｍ（又はそれ未満）の水平及び垂直の振幅を有することが好ましい
。また、図１５Ａ−１５Ｆに示したように、梁の回転状の動きは直線的であるこ
とが好ましいが、例えば円形或いは楕円形でもよい。更に、逆方向の移動要素１
０６に対して、梁先端の回転は単純に逆となる。

【００５９】 もし与えられた位置で４つより多い梁４３０が要素１０６の下にあるならば、
梁先端の動きはより複雑になるであろう。例えば、与えられた位置で６つの梁先
端がウイング１２６の下にあるとき、梁先端は回転状の動きが互いに位相を略１
２０°異にする３つの分離したグループ或いはペアとして動くであろう。

【００６０】 述べたように、微小電子機械システムにおける静電気力の実行の効率及び容易
さにより、静電気による梁の作動が好ましく用いられる。特に、梁４３０、底面
電極４４０及び側面電極４５０に適用される電圧パルス信号のタイミングと期間
の制御と調節（例えば、パルス幅変調の使用）により、作動梁の先端は、上述し
たように移動要素１０６を運ぶ時計周り又は反時計周り方向に制御可能に回転さ
れるであろう。この目的のために使用される連係制御電気回路の構成部分は、技
術的に良く知られた従来の集積回路製造技術を使用する、ＭＥＭＳ装置１００内
で超小型電子技術的に実行されることが好ましい。印加される電圧パルス信号間
の周波数と位相の関係は、要素１０６の動きの方向及び移動速度を制御する。し
かしながら、上記したように、上述した梁アクチュエータの実施形態及びそのバ
リエーションにおいて、梁４３０の回転状の動きは上記した如何なる異なった作
動方法によっても達成できる。例えば、梁４３０は圧電水晶材料からなってもよ
い。この場合、適当な電圧パルス信号を圧電梁に印加することによって、それら
は水平及び垂直方向に機械的に曲がり、それにより先ほど述べた方法で所望方向
に移動要素１０６を運ぶために操作されてもよい。梁４３０の方向及び構造は、
特に使用される動作方法のタイプによって変えてもよい。

【００６１】 このように、一般的に、アクチュエータ４００内の複数の延ばされた作動梁４
３０は、移動要素１０６の移動通路に対して垂直に配置される。各梁４３０は、
上に、好ましくは基板１０２の表面１０４と実質的に平行に延びており、各梁は
基板１０２に対して（即ちアンカー部４６０を介して）しっかりと固定されたベ
ースと、好ましくは移動要素の移動通路の端４０６の直ぐ近く若しくは近くにあ
る先端を有している。アクチュエータ４００は、制御可能に作動梁４３０の先端
を回転させ、それによって移動要素が位置する移動通路の部分の端に沿って位置
する作動梁の先端が、断続的に移動要素と携わる。それらの回転の間、移動要素
１０６が断続的に携わることにより、先端は移動通路に沿って所望の方向に移動
要素を動かす。さらに、アクチュエータ４００は、要素１０６を他のタイプの移
動通路に沿って動かすことに適応できることが好ましい。例えば、もし移動要素
１０６が扇形状であって、ポイント１２０（図３参照）に対して半径方向状或い
は振り子のように動くならば、梁４３０は要素１０６の実質的に完全な半径方向
状の移動通路と垂直に且つ移動通路に沿って延びるように配置されてもよい（ポ
イント１２０にて基板１０２に対して回転可能に固定された要素１０６と共に）
。この場合、移動通路がただ１つの円弧状の外端を有するため、１つの作動梁４
３０のセットのみが要求される。

【００６２】 図１６Ａ−１６Ｂは、アクチュエータ４００の動作について可能な変更例を示
している。図１６Ａ−１６Ｂのアクチュエータの実施形態では、梁４１０のセッ
ト（及び梁４２０のセット）の４３０−１，４３０−２，４３０−３の先端は同
時に、即ち互いに全て同位相で回転する。移動要素１０６が静止動作位置にある
とき、ウイング１２６及び／又は要素１０６は固定された支柱４７０により支持
される。支柱４７０は基板１０２の表面１０４から上方に向けて延びることが好
ましいが、任意の支柱４７０は動いていない静止した梁と置き換わってもよい。
図１６Ａに示されるように、動作の間、梁４３０−１，４３０−２，４３０−３
の先端は、先端が支柱４７０のレベルを上回り、支柱４７０からウイング１２６
を持ち上げるために、最初に上方に動く（基板１０２から離れる）回転状の動き
を始める。次いで、梁先端は所望の方向（図１６Ａで左側）に移動要素１０６を
運ぶように基板１０２と平行に動く。梁４３０−１，４３０−２，４３０−３の
先端の回転状の動きが続くとき、先端の上方向の動きは止まり、そのため梁先端
は静止支柱４７０のレベルの下に退却する若しくは落ちる（図１６Ｂ参照）。こ
れが起こったとき、ウイング１２６は、今は基板１０２上の水平な平面内の異な
る位置ではあるが、再び支柱４７０により保持され支持される。梁４３０−１，
４３０−２，４３０−３の先端の横への動きもまたこの段階で終わる。この回転
状のサイクルは、移動要素１０６が所望の作動位置に再び位置するまで繰り返さ
れる。

【００６３】 図１７は、要素１０６の動きが直線状で要素１０６が望ましくない傾きをもた
ないことを確実にするために適した、図１６Ａ−１６Ｂに関連して述べられたア
クチュエータ４００の動作の可能な変更を示している。上述したように、要素１
０６はベース部分４６０から延びる梁４３０の２つの同時に作動するセット４１
０及び４２０により対向する端にて動かされる。図１７に示すように、各セット
４１０及び４２０にて梁４３０の先端は、要素１０６のウイング１２６を支持し
保持する連結支持梁４８０に接続される。連結支持梁４８０は、個々の梁４３０
の先端により発生する累積作用力を増加させ、またさらに梁先端の同時の動作及
び動きに作用する。結果として、移動要素１０６は両側から平等に保持され支持
される。図１７の実施形態では、各グループ内の全ての梁先端は、その移動範囲
内で要素１０６の位置に関係無く、移動要素１０６の動作中、同位相で作動され
る。連結支持梁４８０にリンクして同時に動作する１又はそれ以上の更なる梁４
９０が、またさらに梁４３０の各セット４１０，４２０の同時の作動動作のため
に使用されてもよい。好ましくは、梁４８０の各端部の近くで、少なくとも２つ
の同期梁４９０が使用される（図１７では１つの梁４９０のみが示されている）
。

【００６４】 さらに、例えば、位相を異にして梁４３０の２つのセット４１０，４２０が作
動することにより、移動要素１０６を水平面内で回転させることもまた可能であ
る。要素１０６のより複雑な他のタイプの動きは、梁のさらなるセットが異なる
可能な形状で組み合わされ、それに応じてそれら梁のセットが同時に動くことに
よって達成される。

【００６５】 図１８Ａ−１８Ｄは、本発明のＭＥＭＳ装置１００で使用するための他の可能
なアクチュエータ５００の動作を示している。この実施形態では、要素１０６が
作動位置（例えば光学スイッチＭＥＭＳ装置１００についてのオフ位置）にある
とき、図１８Ａに示すように、要素１０６は基板１０２の表面１０４からのびる
静止支柱５１０上に保持される。あるいはまた、移動要素１０６は基板１０２の
表面１０４上に載る脚５１０を有してもよい。アクチュエータ５００は更に、後
者が動作しない又は作動状態にあるとき、先端が移動要素１０６（又はウイング
又は他のそれらの付加物）の上に離れて位置する梁５２０を含んでいる。上述し
たアクチュエータ４００と同様に、梁５２０は好ましくはアンカー又はベース位
置（図示せず）を通して基板に付着される。動作状態で、移動要素１０６は支柱
５１０から上がって梁５２０にくっつく。梁５２０は、梁５２０と要素１０６の
伝導部分（図示しない）の間に発生する静電気引力を許容する伝導性があること
が好ましい。しかしながら、また磁気引力をこの目的のために使用してもよい。
梁５２０は、好ましくは垂直方向にあまり撓まず、そのため要素１０６を引き付
けるとき、梁５２０の先端は実質的に曲がらない。一旦、要素１０６が梁５２０
の先端にくっつくと、梁５２０の先端は、所望の水平方向或いは横方向に移動す
る（図１８Ｂ参照）。要素１０６の引力と梁５２０の引力の組み合わせは、所望
の方向に要素１０６を動かす。

【００６６】 一旦、要素１０６が所望の水平位置に動くと、図１８Ｃに示すように、移動要
素１０６が離れて再び支柱５１０により保持されるため、梁５２０と要素１０６
の間の引力は終了する。梁５２０の先端の引力もまた、それらが作動しない位置
に戻るために終了する。もしも要素１０６がさらに同じ方向に動く場合、上記動
作ステップが繰り返される。もう一度、本発明の全ての実施形態で、「上に」「
下に」「下方の」「上方の」「頂上」「底」という文言は単に説明の目的で使用
されており、ＭＥＭＳ装置１００はその全体にわたる方向に自由に動作できるこ
とを、この実施形態において明確にすべきである。

【００６７】 図１９は上記した図１６Ａから１６Ｂに関連して、操作する移動要素１０６及
びアクチュエーター２５０として鏡を形成し、光学スイッチとして用いるＭＥＭ
Ｓ装置１００の等角図を示す。１６Ａ−１６Ｂ（明らかにするため繰り返すが、
アクチュエーター２５０は楕円で指し示されるように図１９に示されていない）
。光学スイッチは基板１０２の基板内に構成される孔もしくは開口からなる、貫
通可能領域１４０を通して入力光信号１５０が伝わるＯＦＦの位置で図１９に示
される。ＯＦＦの位置にあるとき要素１０６の真下に横たわる基板１０２の薄い
長方形の部分４３２はオプションで取り除くこともできるということは特筆され
るべきである。

【００６８】 本発明は複数のスイッチを用いた光学交差結合のような多様な利用のため、多
くの入力Ｍ及び出力Ｎで切り替え装置を供給する性能があることが評価されるだ
ろう。望ましくは、スイッチにおける移動要素は動かされ、互いに平行になるよ
うな方向に移動する。例えば、スイッチは各スイッチの移動要素が通常共面であ
るように共通の基盤を共有する。図２０は各スイッチが図１９で示されたスイッ
チ１００の３×３配列６００からなる二次元の切り替え装置を示す。スイッチ１
００は行列に配列された入力及び出力の３×３配列を供給する。明らかにするた
め繰り返すが、図１２の各スイッチは入力光線あるいは領域１４０を通って光学
信号が基板を通して通るＯＦＦの位置で示されるが、しかしながら、配列構成３
００の各スイッチ１００は独立して作動可能である。

【００６９】 さらに複雑な切り替え構成も供給することができる。例えば、共通基板上のス
イッチ１００の移動要素は平行、すなわち、おそらく１つの移動要素が別の先端
に移動する基板１０２の表面１０４を超えて違った高さ水平面で動くこともでき
る。スイッチの入力と出力を適切に位置付けることによって、おそらく、移動要
素が動かされる水平面の角度、望ましい光学切り替え構成は達成できる。さらに
、スイッチを持ついくつかの基板層は本出願人の同じく出願中のＰＣＴ出願番号 、「Switching Device and Method of Fabricating the Same」として
権利化され、ここで同時に出願され、参照として組み入れられ、記載される二次
元あるいは三次元の交差接続構成を供給するため結合することもできる。

【００７０】 ＭＥＭＳ装置１００の及びそのいくつもの構成要素の製造は従来の大型の機械
技術、中型の機械技術、微小機械技術を用いることで達成することができるかも
しれない。望ましくは、微小電子および微小機械産業において既知の写真石版術
、溶着、エッチング製造技術を含んだ微小機械技術が装置１００の全ての構成部
品を製造するために用いられる。通常参照されるように、チャートコウ（Cherto
kow）らによる「Opportunity and Limitations of Existing MicroFabrication
Methods for Microelectromechanical Devices」，Proc．25^ｔｈ Israel Conf．
On Mechanical Engineering，Technion City，Haifa，Israel，P．431（May 19
94）とペターセン（Petersen）による「Silicon as A Mechanical Material」,P
roceedings of the IEEE, vol. 70，no. 5（May 1982）、この内容は本文中で、
参照として組み入れられている。統合された回路形成あるいは鋳造におけるMEMS
装置のバッチ製造は非常に低いコストでの装置の大量の製造を可能にする。

【００７１】 微小機械製造技術は大規模な及び表面の微小機械工程を含む。大規模な微小機
械技術で微小構造は望ましい構造を供給するため大量のシリコンウェハーを離し
、エッチングにより形成される。反対に表面微小技術は適切なウェハー基板の上
に薄いフィルムの層の構造を一箇所に集める。通常、構造物の物質のフィルム及
び犠牲の物質は連続して溶着及びエッチングされる。典型的に、より多くの機械
層が表面微小機械処理の間用いられれば、構造はより複雑となり、製造はより難
しいものとなる。一度望ましい構造が形成されると犠牲の物質は構造を解放する
ためエッチングされる。機械の特性および最新の統合された回路の製造工程の互
換性のため、ポリシリコンすなわち多重結晶性シリコンはＭＥＭＳ構造として望
ましく用いられる。ポリシリコンは強靭、柔軟、疲労の耐性及び統合された回路
製造技術と高い互換性がある。

【００７２】 ＭＥＭＳ装置１００は上記されたこのタイプの犠牲のポリシリコン表面微小機
械技術を用いて望ましく組み立てられ、微小電子機械構造システムあるいは統合
された微小電子技術によって複雑な微小電子機械構造システムの大量生産を可能
とする。図２１Ａから図２１Ｉは表面微小機械技術を用いた図１２のアクチュエ
ーター４００を含むＭＥＭＳ装置１００の機械構造の製造の好ましい方法を示す
。より詳細には、図２１Ａから図２１Ｉは製造工程における複数の段階の間の装
置１００の側断面図を示す。

【００７３】 微小機械処理が始まる前に基板１０２は選択され準備される。一般的に様々な
物質の基板、大きさ、厚さ及び表面の調整が用いることができるが、基板１０２
の物理的な大きさは装置１００の目的及び操作によって左右されることもある。
さらに、上記したように、基板１０２の光学スイッチ装置の場合において光を通
す基板１０２の装置部分（図４参照）あるいは貫通可能領域１０４を提供するた
め取り除かれる（バルク・エッチング）こともできる。さらに、ＭＥＭＳ装置１
００が光学スイッチ、そして移動要素１０６が鏡の場合、基板１０２（表面１０
４を含む）の表面準備は望ましくは鏡の反射表面１０８（図１参照）が特に平面
及び平行の点で高い程度の表面の質で供給できるように高い品質である。

【００７４】 一度、適切な基板１０２が準備されたならば、最初のポリシリコン層６１０は
表面１０４の上に溶着される。ポリシリコン層６１０は化学エッチングを経る前
に写真石版術的に形成される。統合回路製造工程として既知のように、二次元の
マスクはエッチングされるパターンを明確にするため使用される。図２１Ａに示
されるように、ポリシリコン層６１０の溶着及びパターン形成は静電気付着を用
いた底面電極４４０及び基板電極３６０を形成する。図２１Bにおいて、酸化物
（例えばシリコン二酸化物）層６２０は基板１０２の頂部と残りのポリシリコン
層６１０に溶着する。それから酸化物層６２０は続いて起こるアンカー部４６０
、梁４３０のひれ状の脚４３２のための窪み６７０、移動要素１０６のひれ状の
脚１２８のための窪み６８０の溶着のため溝６６０供給するためパターン形成さ
れ、エッチングをされる。これは図２１Cに見られる。

【００７５】 図２１Dにおいて、第２ポリシリコン層６３０はアンカー部４６０、ひれ状の
脚４３２及びひれ状の脚１２８をそれぞれ形成するため酸化物層６２０及び溝６
６０、６７０及び６８０に溶着される。さらにポリシリコン層６３０のパターン
形成及びエッチングは図２１Eに見られる梁４３０及び移動要素１０６を生み出
す。移動要素１０６が鏡である場合、頂部の表面１０８は金あるいはアルミニウ
ムで覆われることがあり、例えば標準的な溶着およびパターン形成が、表面１０
８が反射するよう精製するため用いられる。示されるように、損失を最小限にす
るため、ＭＥＭＳ装置１００に用いられるどのような鏡あるいは他の光学要素は
滑らかになるように設計されるべきである。さらに、詳細が上記されたように、
光学スイッチの場合、基板１０２が欠けているあるいは光を通す下方において入
力光線が導かれる領域で、鏡は基板１０２の上に提供される。しかしながら、Ｍ
ＥＭＳ装置の他のタイプにとって、移動要素１０６は基板１０２を超えた他の位
置で製造される。

【００７６】 図２１Ｆにおいて見られるように、さらに酸化物層６４０が溶着される。層６
４０のパターン形成およびエッチングは移動要素１０６のウイング１２６のため
溝６９０を提供するため実施される。図２１Ｇに見られるように、ポリシリコン
層６５０は続いて溶着され、図２１Ｈに見られるように、層６５０のパターン形
成およびエッチングはウイング１２６を生じる。この段階において、機械構造層
の溶着およびパターン形成は完了する。その結果、図２１Ｉにおいて、酸化物層
６２０及び６４０の残りは化学的に取り除かれ、望んだポリシリコン機械構造が
残される。あるいはまた、機械構造の解放はエッチングの段階によって完成する
。

【００７７】 一般的に、ＭＥＭＳ装置のための関連した微小電子機器（図示せず）の製造は
上記した表面機械加工段階の前後に、同時に行われることもできる。代替及びさ
らに先の製造段階が様々なタイプのアクチュエーター及び／又は様々なタイプの
作動及び／又は付随する原理が必要とされることが評価されるであろう。ＭＥＭ
Ｓ装置１００のさらに違った構成および適用は、製造の細部および使用される材
料を変更あるいは修正することができる。さらに移動要素１０６の製造は、上記
されたように、非常に滑らかで平らな基板１０２の表面１０４の上で行われるこ
とがより好ましいが、他の製造工程もまた用いられることができる。

【００７８】 滑らかなウェハー基板より上に水平に配された鏡のような平らな移動要素を含
む本発明のＭＥＭＳ装置がいくつかの有利な点をもたらすことは評価されるだろ
う。装置１００は基板ウェハーへのエッチングによって移動要素を形成する従来
技術の装置と違って、速い作動反応、低い損失、小型の構造および比較的大きな
動きの置き換えを可能とする。本発明の移動要素の作動は移動として、基板に対
して平行して効果的に起こり、それゆえにどのような空気抵抗を最小化すること
、及び慣性、エネルギーの考慮の観点からより適した作動効果を提供する。重要
なことだが、製造中における基板１０２及び移動要素１０６の平面度の高さのた
め、基板に対して垂直に配された移動要素又は鏡を持つ従来技術、又は移動要素
が基板に対して傾けられた従来技術の層に起こるかもしれないような、装置の操
作の正確さにかなりの影響を及ぼす小さな狂いを避ける。示されるように、ＭＥ
ＭＳ装置１００は基板１０２の上の平面の配置の位置の観点から、移動要素１０
６の操作する位置の間で重なり合わないようにするように比較的長い移動通路を
持つこともできる。

【００７９】 作動の好ましい実施例は弾性波の動きの表面あるいは基板の上の水平面の第１
操作位置から水平面の第２操作位置の移動要素を変える作動梁を用いるので、他
の作動技術が基礎となったアクチュエーターもまた用いられる。さらに、必要と
される駆動力を生み出すために必要とされた物理的な現象は、加工熱、形状記憶
合金（ＳＭＡ）及び熱作動、電磁石、圧電、磁石、反磁性体、機械、物質状態変
化を含む様々な物理的原理を基礎とすることもある。また、移動要素が上記され
た静電気あるいは磁力によって引き起こされる静摩擦によって望ましく保持され
るので、移動要素のための他の支持および付属の構成もまた用いられることがで
きる。

【００８０】 ＭＥＭＳ装置１００は光学スイッチ、バルブ、視準器、減光器等のようなファ
イバー光学通信に関連して利用のため有利に実施される。特に、本発明のＭＥＭ
Ｓ装置１００は光学切り替え要素として用いられ、そのような要素は例えば、本
出願人の共に出願中となっているＰＣＴ特許出願番号 に記述されてい
るように、大きい光学切り替え配列と交差配列を形成するためさらに結合するこ
とができる。さらに、上記された好ましいアクチュエーターの使用は、従来技術
のＭＥＭＳスイッチよりも速い反応時間を可能とする。例えば、１０ｍｓの命令
の切り替え時間は、本発明のＭＥＭＳ切り替え装置では作動の間１５０〜３００
μｍの水平の置き換えで達成される。さらに、付属の移動要素１０６の好ましい
アクチュエーター及び好ましい機械装置の使用は最小の動摩擦、したがって磨耗
を減らし信頼性を高める作動あるいは切り替えられた装置を可能にする。

【００８１】 しかしながらより一般的には、本発明は微小コンベヤー・システムあるいは、
例えば移動要素が音響鏡（音響鏡は金属板がよい）である音波スイッチの他のタ
イプの波のためのスイッチのような、通常平らな移動要素の比較的大きな微小作
動を必要とする他の応用にも適している。

【００８２】 従って一般的に、本発明は特定の実施例と結合して記述されているが、非常に
多くの代替案、修正、バリエーションが上記の記述の観点から本発明の技術が明
らかとなることは明白である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のＭＥＭＳ装置の一般的な構成の等角図である。

【図１Ａ】 図１の１Ａ−１Ａ線に沿って切り取った装置の断面図である。

【図２】 本発明の好適な実施例における移動要素の形状及び動作を示す。

【図３】 移動要素の代替の形状及び動作を示す。

【図４】 光学スイッチＭＥＭＳ装置の基板を示す。

【図５】 ＭＥＭＳ光学交差接続スイッチを示す。

【図６】 図６Ａから６Ｄは、１×１（オン／オフ）光学スイッチとしての装置の作動を
示す。

【図７】 図７Ａ及び図７Ｂは、１×２光学スイッチとしての装置の作動を示す。

【図８】 図８Ａから図８Ｄは、１×２光学スイッチの別の実施例を示す。

【図９】 図９Ａ及び図９Ｂは、（１×２）×２スイッチを形成するための図８Ａから図
８Ｄの１×２スイッチの適応を示す。

【図１０】 図１０Ａから図１０Ｄは、弾性物質中での弾性或いは緊張波の誘導を基礎とし
た本発明のＭＥＭＳ装置のための好適なアクチュエーターを示す。

【図１１】 本装置のアクチュエーターに対する移動要素を保持するための好適な配置を示
す。

【図１２】 作動梁を使用する他の好ましいアクチュエータからなる本発明のＭＥＭＳ装置
の上面図である。

【図１３】 図１３Ａ及び図１３Ｂは、静電気的に梁を作動させるための作動梁と対応電極
の相対位置を説明する。

【図１４】 図１４Ａ及び図１４Ｂは、図１２の装置とアクチュエータの断面側面図を示す
。

【図１５】 図１５Ａから図１５Ｆは、図１２のアクチュエータの動作を示して説明する。

【図１６】 図１６Ａ及び図１６Ｂは、図１２のアクチュエータの変形例に基づくアクチュ
エータの動作を説明する。

【図１７】 移動要素の動きが直線状であることを確実にするための図１６Ａ及び１６Ｂの
アクチュエータについての可能な適応を説明する。

【図１８】 図１８Ａから図１８Ｄは、本発明のＭＥＭＳ装置にて使用するための他の可能
なアクチュエータの動作を説明する。

【図１９】 上記した図１６Ａから１６Ｂに関連して、操作するアクチュエーターからなる
光学スイッチを用いたＭＥＭＳ装置の等角図を示す。

【図２０】 図１９で示すスイッチの３×３共通配列を示す。

【図２１】 図２１Ａから図２１Ｉは、本発明のＭＥＭＳ装置の製造の可能な段階を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 26/08 Ｇ０２Ｂ 26/08 Ａ Ｂ Ｃ Ｅ (31)優先権主張番号 ６０／１７０，４９４ (32)優先日 平成11年12月13日(1999．12．13) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (38)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）表面をもつ基板、 （ｂ）該基板の表面に平行に配される一般的に平面の移動要素、及び （ｃ）基板の表面に対し水平の平面にある第１位置とその平面の第２位置との間
   の該要素を選択的に移動するために移動要素の作動に携わるアクチュエーター、
   からなる微小機械的（ＭＥＭＳ）装置。
2. 【請求項２】 移動要素が投射する信号波の特性を変えるための手段を含むこ
   とを特徴とする請求項１のＭＥＭＳ装置。
3. 【請求項３】 信号波が光線でありかつ移動要素が第１位置にあるときに光線
   の特性を変えかつ該移動要素が第２位置にあるときは光線に影響を与えないこと
   を特徴とする請求項２のＭＥＭＳ装置。
4. 【請求項４】 移動要素が鏡でありかつ第１位置にあるときに該鏡が光線を反
   射しかつ該移動要素が第２位置にあるときは光線に影響を与えないことを特徴と
   する請求項３のＭＥＭＳ装置。
5. 【請求項５】 信号波が光線であり、移動要素が第１位置にあるときに該移動
   要素が第１光線の特性を変えかつ第２光線に影響を与えず、かつ該移動要素が第
   １位置にあるときに第２光線の特性を変えかつ第１光線に影響を与えないことを
   特徴とする請求項２のＭＥＭＳ装置。
6. 【請求項６】 移動要素が鏡であり、第１位置にあるときに該鏡が第１光線を
   反射しかつ第２位置にあるときは該鏡が第２光線を反射することを特徴とする請
   求項５のＭＥＭＳ装置。
7. 【請求項７】 信号波が光線でありかつ基板が光線が貫通可能領域を有するこ
   とを特徴とし、光線が装置に向けられることにより移動要素が第２位置にあると
   きに該光線が前記の貫通可能領域を通過することを特徴とする請求項２のＭＥＭ
   Ｓ装置。
8. 【請求項８】 前記の貫通可能領域が基板内に形成される開口であることを特
   徴とする請求項７のＭＥＭＳ装置。
9. 【請求項９】 前記の貫通可能領域が透光材料からなることを特徴とする請求
   項７のＭＥＭＳ装置。
10. 【請求項１０】 移動要素が調節器、レンズ、視準器、減光器、フィルター、
    及び吸収体の内の１つからなることを特徴とする請求項２のＭＥＭＳ装置。
11. 【請求項１１】 アクチュエーターが第１位置と第２位置との間の直線通路で
    移動要素を移動させることを特徴とする請求項１のＭＥＭＳ装置。
12. 【請求項１２】 アクチュエーターが第１位置と第２位置との間の半径方向の
    通路で水平面での１点を中心に移動要素の回転によって移動要素を移動させるこ
    とを特徴とする請求項１のＭＥＭＳ装置。
13. 【請求項１３】 アクチュエーターが、表面を持ちかつ基板と移動要素との間
    に位置する弾性物質、及び弾性物質の前記表面上に移動弾性波を発生させるため
    の弾性波誘導器からなり、前記表面上の前記弾性波の伝播が移動要素の移動に要
    されることを特徴とする請求項１のＭＥＭＳ装置。
14. 【請求項１４】 弾性波誘導器が、第１基板電極、第２基板電極、移動要素と
    弾性物質の表面との間をつなぐグランド電極、及び第１基板電極とグランド電極
    との間の第１ＡＣ電気信号および第２基板電極とグランド電極との間の第２ＡＣ
    電気信号を提供するための回路からなり、第１及び第２ＡＣ電気信号が互いに位
    相が異なることを特徴とする請求項１３のＭＥＭＳ装置。
15. 【請求項１５】 移動要素が伝導構成体を含みかつ装置がさらに、少なくとも
    １つの基板電極および伝導構成体と静電気の摩擦の手段により移動要素を保持す
    るための少なくとも１つの基板電極との間の電場を発生するための回路からなる
    ことを特徴とする請求項１３のＭＥＭＳ装置。
16. 【請求項１６】 移動要素が伝導構成体を含みかつ装置がさらに、第１基板電
    極、第２基板電極、及び第１基板電極と第２基板電極との間の電場を発生するた
    めの回路からなり、該電場は、伝導構成体と静電気の摩擦の手段により移動要素
    を保持するための少なくとも１つの第１及び第２基板電極との間のさらなる電場
    を誘導することを特徴とする請求項１３のＭＥＭＳ装置。
17. 【請求項１７】 移動要素の移動通路に沿ってかつ垂直に間隔をあけて置かれ
    た複数の伸張された作動梁：各梁は基板に対して強固に固定された先端およびベ
    ースを持つ、及び 移動要素が位置する移動通路の部分に沿って位置した梁が一時的に移動要素に
    携わり、移動通路に沿って所望の方向に移動要素が移動するための作動梁を制御
    して移動するための梁アクチュエーター、 からなるアクチュエーターを特徴とする請求項１のＭＥＭＳ装置。
18. 【請求項１８】 移動要素が伝導性であり、各作動梁のために梁アクチュエー
    ターが、 基板に接続されかつ基板の表面に対する前記作動梁から垂直に位置する第１電
    極、 基板に接続されかつ基板の表面に対する前記作動梁から水平に位置する第２電
    極、及び 前記作動梁を基板の表面に対して垂直方向に移動するため、第１電極と前記作
    動梁との間にある第１電場、及び前記作動梁を基板の表面に対して水平方向に移
    動するため、第２電極と前記作動梁との間にある第２電場を制御可能なように発
    生する電気回路の構成要素、 からなることを特徴とする請求項１７のＭＥＭＳ装置。
19. 【請求項１９】 移動通路が直線状であって且つ第１及び第２の端を有し、複
    数の作動梁が、移動通路の第１の端に沿って配置された作動梁の第１セットと、
    移動通路の第２の端に沿って配置された作動梁の第２セットとからなり、梁アク
    チュエータが第２セット内の梁の先端と同時に第１セット内の梁の先端を制御可
    能に動かすことを特徴とする請求項１７のＭＥＭＳ装置。
20. 【請求項２０】 作動梁の第１セットの先端が移動通路の第１の端の直ぐ近く
    に位置し、作動梁の第２セットの先端が移動通路の第２の端の直ぐ近くに位置す
    ることを特徴とする請求項１９のＭＥＭＳ装置。
21. 【請求項２１】 移動要素が、移動通路の第１及び第２の端の各々で前記移動
    要素から延びるウイングを有し、該ウイングが作動梁の先端に作用して携わるこ
    とが可能であることを特徴とする請求項２０のＭＥＭＳ装置。
22. 【請求項２２】 梁が伝導性であって、梁アクチュエータが各作動梁について
    、 基板に接続され且つ基板の表面に関して前記作動梁から垂直に位置する第１電
    極、 基板に接続され且つ基板の表面に関して前記作動梁から水平に位置する第２電
    極、及び 前記作動梁の先端を基板に関して垂直方向に動かすために、第１電極と作動梁
    の間の第１電場と、前記作動梁の先端を基板に関して水平方向に動かすために、
    第２電極と作動梁の間の第２電場と、を制御可能に発生させるための電気回路の
    構成要素と、 を備えていることを特徴とする請求項１９のＭＥＭＳ装置。
23. 【請求項２３】 第１及び第２セットのそれぞれにおいて、各セットが連続す
    るとき隣接する先端によって移動要素が断続的に携わるように異なる位相で回転
    して配される移動通路の一部の端に沿って配される作動梁の１つに隣接すること
    を特徴とする請求項１９のＭＥＭＳ装置。
24. 【請求項２４】 移動要素が基板に固定された静電気の支持部材に静止し、第
    １及び第２セットのそれぞれにおいて、各セットが同時に起こるとき移動要素の
    断続的な携わりが前記梁によって行われるように配される移動通路の一部の端に
    沿って配される作動梁が同じ位相で回転することを特徴とする請求項１９のＭＥ
    ＭＳ装置。
25. 【請求項２５】 第１セットにおける作動梁の先端が第１接続支持梁によって
    互いに接続し、第２セットにおける作動する梁の先端が第２接続支持梁を用いて
    互いに接続することを特徴とする請求項２４のＭＥＭＳ装置。
26. 【請求項２６】 第１及び第２接続支持梁が一つもしくはそれ以上の同時に動
    く梁を用いてさらに互いに接続することを特徴とする請求項２５のＭＥＭＳ装置
    。
27. 【請求項２７】 移動要素が伝導性のある要素を含み、装置がさらに伝導性の
    ある要素の間で電場を生み出すための、少なくとも１つの基板電極及び電気回路
    の構成要素、静摩擦を用いて移動要素を保持するための少なくとも１つの基板電
    極からなることを特徴とする請求項１７のＭＥＭＳ装置。
28. 【請求項２８】 移動要素が伝導性のある要素を含み、装置がさらに第１基板
    電極、第２基板電極、第１基板電極と第２基板電極間で電場を生み出すための電
    気回路の構成要素よりなり、電場が伝導性のある電気回路の構成要素と、静摩擦
    を用いて移動要素を保持するための少なくとも第１及び第２基板電極の間のその
    上の電場を含むことを特徴とする請求項１７のＭＥＭＳ装置。
29. 【請求項２９】 移動要素が基板に固定された静的支持部材に静止し、移動要
    素が第１セット及び第２セットの間の移動通路を持ち、アクチュエーターが： 各梁が基板の表面に実質的に平行に延長し、先端及びしっかりと基板に固定さ
    れたベースを持ち、垂直に配され、移動要素の移動通路の端に沿った複数の延長
    した作動梁、 移動要素が配されている移動通路の一部分の端に沿って配される作動梁に対し
    移動要素の保持が制御可能な梁付随手段、及び 移動通路に沿った、望んだ方向で移動要素が保持されるとき、作動梁の移動が
    制御可能な梁先端アクチュエーター、 からなることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ装置。
30. 【請求項３０】 アクチュエーターが、作用するように携わることが可能な移
    動要素に対して各部材が独立して制御可能な複数の部材からなることを特徴とし
    た請求項１記載のＭＥＭＳ装置。
31. 【請求項３１】 第１位置の水平面における移動要素の位置と第２位置の水平
    面における移動要素の位置が重なり合わないことを特徴とする請求項１記載のＭ
    ＥＭＳ装置。
32. 【請求項３２】 基板の表面に平行した位置で移動要素が形成されることを特
    徴とする微小機械技術を用いた請求項１のＭＥＭＳ装置の製造方法。
33. 【請求項３３】 複数の物質層の連続した溶着及びエッチングからなる微小機
    械表層技術を用いた請求項１９のＭＥＭＳ装置の製造方法。
34. 【請求項３４】 基板の表面の第１構造物質層の溶着、及び第１構造物質層形
    成及びエッチング 第１構造物質層の頂部の第１犠牲物質層の溶着、及び第２構造物質層の形成及
    びエッチング 第１犠牲の物質層の頂部の第２構造物質層の溶着、及び第２構造物質層の形成
    及びエッチング 第２構造物質層の頂部の第２犠牲物質層の溶着、及び第２犠牲の物質層の形成
    及びエッチング 第２犠牲の物質層の頂部の第３構造物質層の溶着、及び第３構造物質層の形成
    及びエッチング 装置を開放するための第１及び第２の犠牲物質層の残りの除去 からなる請求項３３の方法。
35. 【請求項３５】 各ＭＥＭＳ装置が （ａ）通常、基板の表面に対して平行に配される平面な移動要素；及び （ｂ）基板の表面に対し水平な平面における第１位置と第２位置の間の選択さ
    れた移動要素と携わる作用をするアクチュエーター からなる、表面を持つ、基板上の微小機械的（ＭＥＭＳ）装置の配列。
36. 【請求項３６】 各移動要素が付随する信号波の特徴を変える手段を含むことを特徴とする請求
    項３５の配列。
37. 【請求項３７】 信号波が光線であり、各ＭＥＭＳ装置において、基板が光線によって貫通可能
    領域を含み、移動要素が第２領域にあるとき光線が前記貫通可能領域を通過する
    ようＭＥＭＳ装置に光線が導かれることを特徴とする請求項３６の配列。
38. 【請求項３８】 基板内の各貫通可能領域で開口が形成されることを特徴とする請求項３７の配
    列。