JP2004085870A - Mems element and optical attenuator, optical switch, and optical scanner all using the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光制御用のMEMS素子とこれを用いた光減衰器、光スイッチ及び光スキャナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年光通信技術の発展に伴い光制御用素子としてMEMS(Micro Electro Mechanical System)素子が注目されてきている。このような光制御用のMEMS素子は、その一部にミラー部分を有し、電圧に応じて光の反射方向を変化させることを基本としている。従って一般的に大面積のミラーを有するMEMS素子を低い電圧で制御でき、チルト角が安定していることが求められている。
【0003】
図11は従来のMEMS素子の一例を示すものである。このMEMS素子では図11(a)に平面図、図11(b)に端面図を示すように、非導電体の基板11の左方の中央部分にのみ下部電極12を積層する。そして基板11の中央部の対称な位置に酸化層による支持部13,14を設ける。この支持部13,14は下部電極12を有する基板11上の全面に酸化層を積層し、基板の両端にある必要部分をマスクしてエッチングすることによって形成する。エッチングの前の工程で酸化層の上面に光学ミラー15を形成する。この光学ミラー15は、支持部13,14の上面に相当する領域と、そこから伸びる細いヒンジ16、17と、平板部とを有している。平板部の左方の下部電極に対向する面は上部電極部18として用いられ、右部分はミラー部19として用いられる。上部電極部18には多数のエッチングホール20と呼ばれる開口が設けられる。エッチングホールは、エッチング液の染み込みを促進させるだけでなく、動作時にスクイーズダンピングと呼ばれる空気の粘性抵抗を低減して高速動作させるためにも機能する。このような光学ミラー15を形成した後、エッチングによって支持部13、14以外の酸化層を除き、その上面の光学ミラー15をヒンジ16、17のみで支持する。こうして構成したMEMS素子は、光学ミラー15の左方の上部電極部18と下部電極12との間に電圧を印加することで静電引力が働く。そしてヒンジ16、17の中心を結ぶ線が回動軸となって光学ミラー15を図11(b)に破線で示す方向にチルトさせることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のMEMS素子において、ヒンジ16、17で形成される回動軸をY軸、これと垂直な方向をXとする。上部電極部18のX軸方向の単位長さ当たりに発生する静電引力をFとすると、静電引力Fは次式で与えられる。
F=ε0 aV2 /(2G2 ) ・・・(1)
ここでGは上部電極部18と下部電極12とのギャップであり、aは上部電極部18及び下部電極12のY方向の長さである。
次にLを回動軸から左側の上部及び下部電極が共通する位置までの長さ、θをチルト角、θmax を最大チルト角とすると、θmax はほぼ次式で与えられる。
G=Ltan θmax
又光学ミラー15がチルトしたときには回転力として働く成分Ftは、次式で与えられる。
Ft=F・cos θ
そしてこのアクチュエータで発生するトルクは静電引力Ftを距離Xの0〜Lまで積分して求められ、次式で与えられる。
T=Ft・L2 /2
従ってこれをトルクTに代入することによって、MEMS素子に電圧Vを加えたときのチルトミラーの駆動トルクTは次式で与えられる。
T=Ft・L2 /2
=ε0 aV2 cos θ/[4sin2(θmax )] ・・・(2)
【0005】
ここで最大チルト角θmax 、駆動電圧V、電極の幅aはMEMS素子の仕様等の制約から決められる。そして駆動トルクTは前述した式(1)は電極の長さLによらずに一意に決定される。
【0006】
従ってこの駆動トルクTが十分な値でなければ、アクチュエータは十分な駆動力を確保できないこととなる。駆動力が低い場合には、所望のチルト角を得るためにヒンジのサスペンションを弱くして駆動する必要があるが、チルト角の保持が不安定となる。
【0007】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであって、低駆動電圧で十分なトルクでチルトミラーを回動させることができるMEMS素子と、これを用いた光減衰器、光スイッチ及び光スキャナを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項1の発明は、上部電極を構成するダイヤフラムアクチュエータと、前記ダイヤフラムアクチュエータにヒンジを介して連結された光学ミラーと、前記ダイヤフラムアクチュエータに対応する位置に設けられた下部電極を有する基板と、前記基板上に配置され、前記ダイヤフラムアクチュエータと光学ミラーとの境界線と平行な前記光学ミラーの回動軸の両端をヒンジを介して保持する支持部と、を具備することを特徴とするものである。
【0009】
本願の請求項2の発明は、請求項1のMEMS素子において、前記ダイヤフラムアクチュエータと前記光学ミラーとの慣性モーメントをほぼ等しくしたことを特徴とする。
【0010】
本願の請求項3の発明は、請求項1又は2のMEMS素子において、前記基板は導電性材料から成るものであり、前記基板の前記光学ミラーの下面に対応する部分に貫通孔を設けたことを特徴とする。
【0011】
本願の請求項4の発明は、一方の領域を上部電極部とし、他方の領域をミラー部とし、前記上部電極部とミラー部の境界近傍の端部を湾曲自在のヒンジ部としたアクチュエータと、前記アクチュエータの上部電極部に対応する位置に設けられた下部電極を有する基板と、前記基板上に配置され、前記アクチュエータの上部電極部とミラー部の境界線と平行な前記ミラー部の回動軸の両端をヒンジを介して保持する支持部と、を具備することを特徴とするものである。
【0012】
本願の請求項5の発明は、請求項4のMEMS素子において、前記アクチュエータの上部電極部と前記ミラー部との慣性モーメントをほぼ等しくしたことを特徴とする。
【0013】
本願の請求項6の発明は、上面を電極とする基板と、前記基板の相対向する辺に沿って形成された少なくとも2つの支持部と、前記支持部に取付けられた第1、第2のヒンジを両側部に有する枠状の上部電極部及びその中央部に第3のヒンジを介して前記上部電極部の内側にミラー部を保持するダイヤフラムと、前記基板上に設けられ、前記上部電極部と前記ミラー部との境界線と平行なミラー部の回動軸の両端をヒンジを介して保持する支持部と、を具備することを特徴とするものである。
【0014】
本願の請求項7の発明は、請求項4〜6のいずれか1項のMEMS素子において、前記基板は導電性材料から成るものであり、前記基板の前記ミラー部に対向する部分に貫通孔を設けたことを特徴とする。
【0015】
本願の請求項8の発明は、請求項1〜7のいずれか1項記載のMEMS素子と、前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、前記MEMS素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光の反射角を連続的に変化させることによって減衰率を変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とするものである。
【0016】
本願の請求項9の発明は、請求項1〜7のいずれか1項記載のMEMS素子と、前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、前記MEMS素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光を反射させて前記光出射部に入射する状態と光を入射しない状態とに切換える電圧制御部と、を具備することを特徴とするものである。
【0017】
本願の請求項10の発明は、請求項1〜7のいずれか1項記載のMEMS素子と、前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光の反射角を連続的に変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とするものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について説明する。図1は本発明の実施の形態1によるMEMS素子の平面図、図2(a)は電圧をかけない状態での縦断面図、(b)は電圧を印加した状態での縦断面図、図2(c)はその一部分を示す拡大断面図である。これらの図に示すように、基板31上にその二辺に沿ってダイヤフラムを支持する支持部32a,32bを形成する。そしてこの支持部32a,32b間の長方形状の領域に下部電極33を形成する。基板31上の一対の支持部32a,32bから一定距離隔てた対称な位置に一対の支持部34a,34bを形成する。そしてこの基板31から所定間隔gを隔てて基板31と平行にダイヤフラムアクチュエータ35を形成する。ダイヤフラムアクチュエータ35は図示のように、ヒンジ36,37を介して対称な位置にある支持部32a,32bの間に上下動自在に保持されている。又このダイヤフラムアクチュエータ35は図示のように製造時に用いられる多数のエッチングホール38を有しており、下部電極33の上部の上部電極として構成されている。このダイヤフラムアクチュエータ35と同一平面上には、シリコン層に金等を蒸着した光学ミラー39が設けられている。光学ミラー39は図示のように一対の支持部34a,34bにヒンジ40、41を介して保持されており、又ダイヤフラムアクチュエータ35との間にヒンジ42によって連結されている。ヒンジ40、41はダイヤフラムアクチュエータ35と光学ミラー39との境界線に平行に設けられ、これが光学ミラー39の回動軸となっている。又光学ミラー39とダイヤフラムアクチュエータ35との間に設けられる連結用のヒンジ42はポリシリコン製の柔軟な連結部材であって、ダイヤフラムアクチュエータ35を光学ミラー39との角度を任意に決定することができる。
【0019】
この上部電極となるダイヤフラムアクチュエータ35と下部電極33との間に電圧を印加すると、図2(b)に示すようにダイヤフラムアクチュエータ35が静電引力によって吸引されて下降する。このとき光学ミラー39は左端のヒンジ42とミラーの支持部34a,34bとにより保持されているため、図2(b),(c)に示すように下向きの力が加わる。従って支持部34a,34bの中心点が回動軸Aとして働き、回動軸Aを中心としてチルトし、図2(b),(c)に示すように光学ミラー39が跳ね上がることとなる。
【0020】
さてこの場合、ダイヤフラムアクチュエータ35に働く力Fは次式で与えられる。
F=ε0 SV2 /2g2 ・・・(3)
ここでSは下部電極33と上部電極部35との共通する面積であり、Vは印加電圧、gは上部電極部35と下部電極33とのギャップである。
【0021】
このFによって光学ミラー39に働く力は、ダイヤフラムアクチュエータ35に加わる下向きの力が光学ミラー39に伝わる割合をηとすると、ηFとなる。又光学ミラー39が角度θだけ回動したときの回転力として働く力Ftは次式で与えられる。
Ft=η・F・cos θ
この割合ηは、ダイヤフラムアクチュエータ35と光学ミラーを連結するヒンジのサスペンションの比によって調整することができる。又上下の板が接触するポイントが光学ミラー39が回転する最大回転角となる。このため光学ミラー39の回動中心からダイヤフラムアクチュエータと光学ミラーとの接続部分までの距離をL、最大回転角θをθmax とすると、間隔gは次式で与えられる。
g=Lsin θmax
従ってトルクTは次式で与えられる。
T=η・ε0 SV2 ・cos θ/[2gsin (θmax )] ・・・(4)
従ってトルクはギャップgに反比例することとなり、ギャップgを選択することによってトルクを制御することができる。このようにギャップgを任意に選択することによって所望のトルクを設計時に設定することができる。
【0022】
ここで光学ミラー39は支持部34a,34のヒンジ40、41を回動軸として回動するが、そのときの左右の慣性モーメントを一致させておくことによって外部からの衝撃に対する影響を受けにくくすることができる。
【0023】
次に図3は本発明の形態2によるMEMS素子を示す平面図、図4(a)は電圧をかけない状態での縦断面図、図4(b)は電圧を印加した状態の縦断面図である。この実施の形態では前述した実施の形態1のダイヤフラムアクチュエータと光学ミラーとを一体化してアクチュエータ45としたものである。その他の構成は実施の形態1と同様であるので、同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態において、アクチュエータ45は、図示のように下部電極33の上面にある上部電極部45Aとヒンジ40、41によって支持部34a,34bに連結されたミラー部45Bとが連結部45Cを介して一体化されたものである。その連結部45Cは回動を容易にするため膜圧を薄くし、湾曲自在となるように形成している。このようなアクチュエータはシリコンにより構成することができる。ミラー部45Bの上面は金等を蒸着してミラーを形成している。この場合にも図4(b)に示すように、上部電極部45Aと下部電極33との間に電圧を印加することによって静電引力が働く。そのため上部電極部45Aが下方に吸引され、それに基づいてミラー部45Bをチルトさせることができる。
【0024】
次に図5は本発明の実施の形態3によるMEMS素子を示す平面図、図6(a)は電圧をかけない状態での縦断面図、図6(b)は電圧を印加した状態の縦断面図である。これらの図に示すように基板51は長方形状の部材である。この基板51は左右の長手方向にダイヤフラムを保持する支持部52,53が設けられる。又基板51の中央部には、外形が略正方形の枠形状の下部電極54が設けられる。支持部52,53は左右から第1、第2のヒンジ55及び56を介して中央部にダイヤフラム57を保持している。ダイヤフラム57は略正方形状のシリコン厚膜板であって、枠状の上部電極部58とその内側に中央部に向けた第3のヒンジ59、及びそのヒンジ59を介して正方形状のミラー部60を有している。ミラー部60は表面に金等が蒸着されて上面がミラー面となっており、その左辺のみがヒンジ59によってダイヤフラムの枠状の上部電極部58に連結される。又ミラー部60は図示のように細いヒンジ61、62を介して支持部63、64に接続される。支持部63、64は基板51上の2ヶ所より突出するように形成されている。この場合にもミラー部60のヒンジ59と接する辺と細いヒンジ61、62で構成される回動軸とが平行となっている。ミラー部60の下部は基板の枠状の下部電極54の内側の非電極部分に対向するものとなっている。又上部電極部58は上部電極部の下部にある犠牲層をエッチングするための多数のエッチングホール65が形成されている。
【0025】
このようにして構成されたMEMS基板は、電圧をかけない状態では図6(a)に示すように、ミラー部60を含むダイヤフラム57は基板51の上面と平行な状態にある。そして下部電極54とダイヤフラム57の上部電極部58との間に電圧を印加すると、図6(b)に示すように、ダイヤフラム57の上部電極部58に静電引力が働く。このときにミラー部60には対応する部分は電極となっていないため静電引力は働かない。従ってダイヤフラム57の枠状の上部電極部58だけが図6(b)に示すように基板51にほぼ基板面に平行に近接するように下降する。しかしミラー部60は細いヒンジ61、62によって基板51上から一定の高さに保持されているため、ミラー部60は図6(b)に示すようにヒンジ61、62を中心として一端が跳ね上がるようにチルトする。この場合も実施の形態1、2と同様に、上部電極部と基板51のギャップを設定しておくことによって任意のトルクを得ることができる。ダイヤフラム57は基板51に対しほぼ平行に移動するため、低電圧で効率よく下向きの力を生じさせることができるという効果が得られる。
【0026】
尚この実施の形態では、ダイヤフラムの相対向する2辺に支持部を設けたが、4辺に支持部を設けてもよい。
【0027】
次に本発明の実施の形態4によるMEMS素子について説明する。図7は実施の形態4のMEMS素子の平面図、図8(a)は電圧をかけない状態での縦断面図、図8(b)は電圧を印加した状態の縦断面図であり、前述した実施の形態3と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態においては、実施の形態3の基板を導電性の基板66とし、その内側のミラー部60に対応する部分を貫通孔としたものである。このため下部電極54は不要となり、基板66の全体が下部電極となる。その他の構成は前述した実施の形態3と同様である。この場合にもミラー部に対応する部分は電極が形成されていないので、電圧を印加すれば図8(b)に示すように、枠状の上部電極部のみが下降し、これに伴ってミラー部をチルトさせることができる。
【0028】
尚、本実施の形態では、実施の形態3の基板に貫通孔を設けたものについて説明しているが、実施の形態1及び2についても同様の貫通孔を設けてもよい。即ち、実施の形態1のダイヤフラムアクチュエータ35に対向する部分に貫通孔を設けてもよく、又実施の形態2のミラー部45bのみを貫通孔としてもよい。
【0029】
次に本実施の形態によるMEMS素子を用いた光減衰器について説明する。図9はこの光減衰器を示す断面図である。本図においてキャピラリ71は入射用の光ファイバ72と出射用の光ファイバ73とを保持するものであり、その先端部にはレンズホルダ74が設けられる。レンズホルダ74のほぼ中央部には図示のような非球面レンズ75が設けられている。そして非球面レンズ75は光ファイバ72から出射された光をほぼ平行な光とすると共に、反射した光を集束して光ファイバ73に与えるものである。ここでキャピラリ71と光ファイバ72、レンズホルダ74、非球面レンズ75はMEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部を構成しており、キャピラリ71、出射用の光ファイバ73、レンズホルダ74、非球面レンズ75はMEMS素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部を構成している。このレンズホルダ74の光軸上には光制御用のMEMS素子76が配置されている。MEMS素子76は前述した実施の形態1〜3のいずれかによるMEMS素子であり、その下部電極基板と上部電極部とに可変電圧を供給する電圧制御部77が設けられている。
【0030】
さてMEMS素子76に電圧を与えなければ、光ファイバ72から入射した光はレンズホルダ74の非球面レンズ75によって平行光線としてMEMS素子76のミラー部に入射する。この光はそのまま反射されて再び非球面レンズ75を通って出射用の光ファイバ73に導かれる。ここで上部電極と下部電極との間に電圧を与えると、前述したようにミラーが傾き、出射用の光ファイバに反射光の入射するピーク位置が変化する。従って電圧を徐々に変化させ、ミラーのチルト角を連続的に変化させることによって、反射光が光ファイバ73に入射するレベルを連続的に変化させることができる。従って電圧制御によって光の減衰量を変化させることができる。
【0031】
又これと同一の構造でMEMS素子に電圧を印加しない状態、及び所定の電圧を印加する状態をスイッチングにより切換えることによって、ほぼ100%の反射光が得られる第1の状態と、反射光が出射用の光ファイバ73に入射しない第2の状態とに切換える光スイッチを実現することができる。
【0032】
又このMEMS素子はレーザ走査顕微鏡など種々の用途に使用される光スキャナとしても用いることができる。図10は光スキャナの一例を示す図である。本図において、光ファイバ81は光を導くものであって、その光軸上にはコリメートレンズ82が設けられ、光を約45°の角度から前述した実施の形態1〜3のいずれかによるMEMS素子83に導いている。光ファイバ81及びコリメートレンズ82はMEMS素子に光ファイバを入射する光入射部である。又MEMS素子83には連続的に変化する電圧を印加する電圧制御部84が設けられる。こうすれば電圧制御部84の電圧をサイン波状、のこぎり波状等種々の波形で変化させることによって、入射光を所望の速度でスキャニングすることができる。
【0033】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、実際に基板にほぼ平行に上下動するダイヤフラムと基板との間隔を適宜設定しておくことによって、任意のトルクを得ることができる。このため電圧を低くして所望のチルト角を得ることができるという効果が得られる。又請求項3及び7では、基板を導電性部材で構成することによって下部電極を別途設ける必要がなく、3層構造のSIOプロセスによって製造することができ、製造工程を簡略化することができる。又このMEMS素子を用いて光減衰器、光スイッチ及び光スキャナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1によるMEMS素子の構造を示す平面図である。
【図2】(a)は本実施の形態によるMEMS素子の縦断面図、(b)は本実施の形態に電圧を印加したときの縦断面図、(c)はその一部の拡大断面図である。
【図3】本実施の形態2によるMEMS素子の構造を示す平面図である。
【図4】(a)は本実施の形態によるMEMS素子の縦断面図、(b)は本実施の形態に電圧を印加したときの縦断面図である。
【図5】本発明の実施の形態3によるMEMS素子の平面図である。
【図6】(a)は本実施の形態によるMEMS素子の縦断面図、(b)は本実施の形態に電圧を印加したときの縦断面図である。
【図7】本発明の実施の形態4によるMEMS素子の平面図である。
【図8】(a)は本実施の形態によるMEMS素子の縦断面図、(b)は本実施の形態に電圧を印加したときの縦断面図である。
【図9】本実施の形態によるMEMS素子を利用した光減衰器及び光スイッチの構造を示す断面図である。
【図10】本発明の実施の形態によるMEMS素子を用いた光スキャナを示す概略図である。
【図11】(a)は従来のMEMS素子の構造を示す平面図、(b)はその端面図である。
【符号の説明】
31,51,66 基板
32a,32b,34a,34b,52,53 支持部
35 ダイヤフラムアクチュエータ
36,37,40,41,42,55,56,61,62 ヒンジ
39 光学ミラー
45 アクチュエータ
45A,58a 上部電極部
45B,60 ミラー部
54 下部電極
57 ダイヤフラム
67 貫通孔
71 キャピラリ
72,73,81 光ファイバ
74 レンズ保持部
75 非球面レンズ
76,83 MEMS素子
77,84 電圧制御部
82 コリメートレンズ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an MEMS element for optical control, and an optical attenuator, optical switch, and optical scanner using the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of optical communication technology, a MEMS (Micro Electro Mechanical System) element has attracted attention as an optical control element. Such a light control MEMS element has a mirror part in a part thereof, and basically changes a light reflection direction according to a voltage. Therefore, it is generally required that a MEMS element having a large-area mirror can be controlled at a low voltage and that the tilt angle is stable.
[0003]
FIG. 11 shows an example of a conventional MEMS element. In this MEMS device, as shown in a plan view in FIG. 11A and an end view in FIG. 11B, the lower electrode 12 is laminated only on the left central portion of the non-conductive substrate 11. Then, supporting
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In such a conventional MEMS element, a rotation axis formed by the
F = ε 0 aV 2 / (2G 2 ) (1)
Here, G is the gap between the upper electrode section 18 and the lower electrode 12, and a is the length of the upper electrode section 18 and the lower electrode 12 in the Y direction.
Next, when L is the length from the rotation axis to the position where the upper and lower electrodes on the left side are common, θ is the tilt angle, and θmax is the maximum tilt angle, θmax is approximately given by the following equation.
G = Ltan θmax
The component Ft acting as a rotational force when the optical mirror 15 is tilted is given by the following equation.
Ft = F · cos θ
The torque generated by this actuator is obtained by integrating the electrostatic attractive force Ft from 0 to L of the distance X, and is given by the following equation.
T = Ft · L 2/2
Therefore, by substituting this into the torque T, the driving torque T of the tilt mirror when the voltage V is applied to the MEMS element is given by the following equation.
T = Ft · L 2/2
= Ε 0 aV 2 cos θ / [4 sin 2 (θmax)] (2)
[0005]
Here, the maximum tilt angle θmax, the drive voltage V, and the electrode width a are determined by restrictions such as the specifications of the MEMS element. The driving torque T is uniquely determined by the above-described equation (1) regardless of the electrode length L.
[0006]
Therefore, if the driving torque T is not a sufficient value, the actuator cannot secure a sufficient driving force. When the driving force is low, it is necessary to drive the hinge with a weaker suspension in order to obtain a desired tilt angle, but the tilt angle becomes unstable.
[0007]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and a MEMS element capable of rotating a tilt mirror with a sufficient torque at a low driving voltage, an optical attenuator using the MEMS element, An object is to provide an optical switch and an optical scanner.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The invention of
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the MEMS device of the first aspect, the moment of inertia between the diaphragm actuator and the optical mirror is substantially equal.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in the MEMS device of the first or second aspect, the substrate is made of a conductive material, and a through hole is provided in a portion of the substrate corresponding to a lower surface of the optical mirror. It is characterized by.
[0011]
The invention according to
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, in the MEMS element of the fourth aspect, the moment of inertia between the upper electrode portion of the actuator and the mirror portion is substantially equal.
[0013]
The invention according to
[0014]
According to a seventh aspect of the present invention, in the MEMS device according to any one of the fourth to sixth aspects, the substrate is made of a conductive material, and a through hole is formed in a portion of the substrate facing the mirror portion. It is characterized by having been provided.
[0015]
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the MEMS device according to any one of the first to seventh aspects, a light incident portion for inputting light to a mirror portion of the MEMS device, and a light reflected by the mirror portion of the MEMS device. A voltage for changing the attenuation rate by changing the voltage applied to the MEMS element and continuously changing the reflection angle of the light incident on the MEMS element from the light incident section. And a control unit.
[0016]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the MEMS device according to any one of the first to seventh aspects, a light incident portion for inputting light to a mirror portion of the MEMS device, and a light reflected by the mirror portion of the MEMS device. A light emitting portion that emits the reflected light, and a voltage applied to the MEMS element is changed to reflect light incident on the MEMS device from the light incident portion and to enter the light emitting portion and not enter the light. And a voltage control unit for switching to a state.
[0017]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the MEMS element according to any one of the first to seventh aspects, a light incident part for inputting light to a mirror part of the MEMS element, and a voltage applied to the MEMS element. And a voltage controller for continuously changing the reflection angle of light incident on the MEMS element from the light incident part.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a plan view of a MEMS device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2A is a longitudinal sectional view in a state where no voltage is applied, and FIG. 2B is a longitudinal sectional view in a state where a voltage is applied. FIG. 2 (c) is an enlarged sectional view showing a part thereof. As shown in these figures, supporting portions 32a and 32b for supporting a diaphragm are formed on a
[0019]
When a voltage is applied between the
[0020]
In this case, the force F acting on the
F = ε 0 SV 2 / 2g 2 (3)
Here, S is an area common to the lower electrode 33 and the
[0021]
The force acting on the
Ft = η · F · cos θ
This ratio η can be adjusted by the ratio of the suspension of the hinge connecting the
g = Lsin θmax
Therefore, the torque T is given by the following equation.
T = η · ε 0 SV 2 · cos θ / [ 2 gsin (θmax)] (4)
Therefore, the torque is inversely proportional to the gap g, and the torque can be controlled by selecting the gap g. Thus, a desired torque can be set at the time of design by arbitrarily selecting the gap g.
[0022]
Here, the
[0023]
Next, FIG. 3 is a plan view showing a MEMS device according to
[0024]
Next, FIG. 5 is a plan view showing a MEMS device according to a third embodiment of the present invention, FIG. 6A is a longitudinal sectional view in a state where no voltage is applied, and FIG. 6B is a longitudinal section in a state where a voltage is applied. FIG. As shown in these figures, the substrate 51 is a rectangular member. The substrate 51 is provided with
[0025]
In the MEMS substrate thus configured, when no voltage is applied, the
[0026]
In this embodiment, the supporting portions are provided on two opposite sides of the diaphragm, but the supporting portions may be provided on four sides.
[0027]
Next, a MEMS device according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a plan view of the MEMS element according to the fourth embodiment, FIG. 8A is a longitudinal sectional view in a state where no voltage is applied, and FIG. 8B is a longitudinal sectional view in a state where a voltage is applied. The same parts as those in the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted. In this embodiment, the substrate of the third embodiment is a conductive substrate 66, and a portion corresponding to the
[0028]
In the present embodiment, the case where the through hole is provided in the substrate of the third embodiment is described. However, the same through hole may be provided in the first and second embodiments. That is, a through hole may be provided in a portion facing the
[0029]
Next, an optical attenuator using the MEMS device according to the present embodiment will be described. FIG. 9 is a sectional view showing the optical attenuator. In this figure, a capillary 71 holds an optical fiber 72 for incidence and an optical fiber 73 for emission, and a lens holder 74 is provided at the tip thereof. An
[0030]
If no voltage is applied to the MEMS element 76, the light incident from the optical fiber 72 is incident on the mirror portion of the MEMS element 76 as parallel rays by the
[0031]
By switching between a state in which no voltage is applied to the MEMS element and a state in which a predetermined voltage is applied by switching with the same structure, a first state in which almost 100% of reflected light is obtained, and a state in which reflected light is emitted Optical switch that switches to the second state in which the light does not enter the optical fiber 73 for use.
[0032]
This MEMS element can also be used as an optical scanner used for various applications such as a laser scanning microscope. FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the optical scanner. In the figure, an optical fiber 81 guides light, a collimating lens 82 is provided on the optical axis, and the MEMS according to any one of the above-described first to third embodiments is directed from an angle of about 45 °. It leads to the element 83. The optical fiber 81 and the collimating lens 82 are light incident portions for inputting the optical fiber to the MEMS element. Further, the MEMS element 83 is provided with a voltage control section 84 for applying a continuously changing voltage. In this way, the incident light can be scanned at a desired speed by changing the voltage of the voltage control unit 84 in various waveforms such as a sine waveform and a sawtooth waveform.
[0033]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, an arbitrary torque can be obtained by appropriately setting the interval between the diaphragm and the substrate that moves up and down substantially in parallel with the substrate. Therefore, an effect is obtained that a desired tilt angle can be obtained by lowering the voltage. In the third and seventh aspects, since the substrate is made of a conductive member, there is no need to separately provide a lower electrode, and the substrate can be manufactured by a three-layer SIO process, and the manufacturing process can be simplified. Further, an optical attenuator, an optical switch and an optical scanner can be realized by using the MEMS element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a structure of a MEMS device according to a first embodiment of the present invention.
2A is a longitudinal sectional view of a MEMS device according to the present embodiment, FIG. 2B is a longitudinal sectional view when a voltage is applied to the present embodiment, and FIG. 2C is an enlarged sectional view of a part thereof; It is.
FIG. 3 is a plan view showing a structure of a MEMS device according to a second embodiment.
4A is a longitudinal sectional view of the MEMS device according to the present embodiment, and FIG. 4B is a longitudinal sectional view when a voltage is applied to the present embodiment.
FIG. 5 is a plan view of a MEMS device according to a third embodiment of the present invention.
6A is a longitudinal sectional view of the MEMS device according to the present embodiment, and FIG. 6B is a longitudinal sectional view when a voltage is applied to the present embodiment.
FIG. 7 is a plan view of a MEMS device according to a fourth embodiment of the present invention.
8A is a longitudinal sectional view of a MEMS device according to the present embodiment, and FIG. 8B is a longitudinal sectional view when a voltage is applied to the present embodiment.
FIG. 9 is a sectional view showing the structure of an optical attenuator and an optical switch using the MEMS device according to the present embodiment.
FIG. 10 is a schematic diagram showing an optical scanner using a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
11A is a plan view showing a structure of a conventional MEMS device, and FIG. 11B is an end view thereof.
[Explanation of symbols]
31, 51, 66
Claims (10)
前記ダイヤフラムアクチュエータにヒンジを介して連結された光学ミラーと、前記ダイヤフラムアクチュエータに対応する位置に設けられた下部電極を有する基板と、
前記基板上に配置され、前記ダイヤフラムアクチュエータと光学ミラーとの境界線と平行な前記光学ミラーの回動軸の両端をヒンジを介して保持する支持部と、を具備することを特徴とするMEMS素子。A diaphragm actuator constituting the upper electrode;
An optical mirror connected to the diaphragm actuator via a hinge, a substrate having a lower electrode provided at a position corresponding to the diaphragm actuator,
A MEMS element, comprising: a support portion disposed on the substrate and holding both ends of a rotation axis of the optical mirror parallel to a boundary between the diaphragm actuator and the optical mirror via hinges. .
前記アクチュエータの上部電極部に対応する位置に設けられた下部電極を有する基板と、
前記基板上に配置され、前記アクチュエータの上部電極部とミラー部の境界線と平行な前記ミラー部の回動軸の両端をヒンジを介して保持する支持部と、を具備することを特徴とするMEMS素子。An actuator in which one region is an upper electrode portion, the other region is a mirror portion, and an end near a boundary between the upper electrode portion and the mirror portion is a hinge portion that can be freely bent;
A substrate having a lower electrode provided at a position corresponding to the upper electrode portion of the actuator,
And a support portion disposed on the substrate and holding both ends of a rotation axis of the mirror portion parallel to a boundary between the upper electrode portion and the mirror portion of the actuator via hinges. MEMS element.
前記基板の相対向する辺に沿って形成された少なくとも2つの支持部と、
前記支持部に取付けられた第1、第2のヒンジを両側部に有する枠状の上部電極部及びその中央部に第3のヒンジを介して前記上部電極部の内側にミラー部を保持するダイヤフラムと、
前記基板上に設けられ、前記上部電極部と前記ミラー部との境界線と平行なミラー部の回動軸の両端をヒンジを介して保持する支持部と、を具備することを特徴とするMEMS素子。A substrate having an upper surface as an electrode,
At least two support portions formed along opposing sides of the substrate;
A frame-shaped upper electrode portion having first and second hinges attached to the support portion on both sides, and a diaphragm for holding a mirror portion inside the upper electrode portion via a third hinge at the center thereof. When,
A MEMS provided on the substrate, the MEMS comprising: a support section that holds both ends of a rotation axis of a mirror section parallel to a boundary between the upper electrode section and the mirror section via hinges. element.
前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、
前記MEMS素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、
前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光の反射角を連続的に変化させることによって減衰率を変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とする光減衰器。A MEMS device according to any one of claims 1 to 7,
A light incidence part for entering light into a mirror part of the MEMS element;
A light emitting unit that emits light reflected by the mirror unit of the MEMS element;
A voltage control unit that changes a voltage applied to the MEMS element, and continuously changes a reflection angle of light incident on the MEMS element from the light incident unit, thereby changing an attenuation rate. And an optical attenuator.
前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、
前記MEMS素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、
前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光を反射させて前記光出射部に入射する状態と光を入射しない状態とに切換える電圧制御部と、を具備することを特徴とする光スイッチ。A MEMS device according to any one of claims 1 to 7,
A light incidence part for entering light into a mirror part of the MEMS element;
A light emitting unit that emits light reflected by the mirror unit of the MEMS element;
A voltage control unit that changes a voltage applied to the MEMS element, reflects light incident on the MEMS element from the light incident unit, and switches between a state of entering the light emitting unit and a state of not entering light. An optical switch, comprising:
前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、
前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光の反射角を連続的に変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とする光スキャナ。A MEMS device according to any one of claims 1 to 7,
A light incidence part for entering light into a mirror part of the MEMS element;
An optical scanner, comprising: a voltage controller that changes a voltage applied to the MEMS element and continuously changes a reflection angle of light incident on the MEMS element from the light incident part.
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