JP2004114261A

JP2004114261A - マイクロアクチュエータ装置及びこれを用いた光スイッチシステム

Info

Publication number: JP2004114261A
Application number: JP2002283473A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Kurumada; 車田　克彦; Toshiaki Tamamura; 玉村　敏昭; Masatoshi Kanetani; 金谷　正敏; Keiichi Akagawa; 赤川　圭一; Yoshihiko Suzuki; 鈴木　美彦
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nikon Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nikon Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP3670635B2

Abstract

【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ることができ、かつ、消費電力を低減することができ、しかも、制御回路等を簡単化する。
【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１２が、可動板２１に設けられている。制御部は、可動板２１の位置とは無関係に基板１１と電極部電極部２３ａ，２３ｂとの間に常時所定電圧を印加しつつ、電流経路２５に流れる電流を制御する。
【選択図】　　　　図２

Description

【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装置及びこれを用いた光スイッチシステム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、下記特許文献１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、下記特許文献１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】
【特許文献１】
特開２００１−４２２３３号公報
【０００６】
【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。
【０００７】
平行平板の電極間に働く静電力Ｆ_１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。
【０００８】
【数１】
Ｆ_１＝ε×Ｖ^２×Ｓ／２ｄ^２
【０００９】
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Ｆ_１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Ｆ_１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Ｆ_１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。
【００１０】
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。
【００１１】
ローレンツ力Ｆ_２（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。
【００１２】
【数２】
Ｆ_２＝Ｉ×Ｂ×Ｌ
【００１３】
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Ｆ_２は変化しない。
【００１４】
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。
【００１５】
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Ｆ_１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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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１０ｍＷ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。
【００２０】
また、マイクロアクチュエータの制御に用いられる制御回路等を簡単化することができれば、好ましい。
【００２１】
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、かつ、消費電力を低減することができ、しかも、制御回路等を簡単化することができる、マイクロアクチュエータ装置及び光スイッチシステムを提供することを目的とする。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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ＭＯＳ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。
【００２６】
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。
【００２７】
また、可動部の位置とは無関係に、可動部の電極部と固定部の電極部との間に常時所定電圧を印加しても、その消費電力はほとんど増大することがない。また、ローレンツ力は電流の流す向きを変えることで両方向に発生させることができるので、可動部の電極部と固定部の電極部との間に常時所定電圧を印加しても、動作上何ら不都合は生じない。そして、可動部の電極部と固定部の電極部との間に常時所定電圧を印加する場合には、可動部の位置に応じて可動部の電極部と固定部の電極部との間の電圧をオン・オフするような場合に比べて、マイクロアクチュエータの制御が単純化され、制御回路等を簡単化することができる。
【００２８】
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。
【００２９】
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装置は、マイクロアクチュエータと、磁界発生部と、制御部とを備えたマイクロアクチュエータ装置であって、（ａ）前記マイクロアクチュエータは、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、を有し、（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、を有し、（ｄ）前記磁界発生部は前記磁界を発生させ、（ｅ）前記制御部は、前記可動部の位置とは無関係に前記第１及び第２の電極部間に常時所定電圧を印加しつつ、前記電流経路に流れる電流を制御するものである。
【００３０】
本発明の第２の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、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。
【００３１】
本発明の第３の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、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及びその逆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。
【００３２】
本発明の第４の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、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。
【００３３】
本発明の第５の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第４の態様において、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ものである。
【００３４】
本発明の第６の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第４又は第５の態様において、前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置から前記第２の位置へ移動させる際には、前記可動部が前記第２の位置へ移動するように、前記電流を制御するものである。
【００３５】
本発明の第７の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第３乃至第６のいずれかの態様において、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、前記可動部が前記第１の位置へ移動するように、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、前記電流を流さないように制御するものである。
【００３６】
本発明の第８の態様による光スイッチシステムは、前記第１乃至第７のいずれかの態様によるマイクロアクチュエータ装置と、前記可動部に設けられたミラーと、を備えたものである。
【００３７】
本発明の第９の態様による光スイッチシステムは、前記第８の態様において、前記マイクロアクチュエータ及び前記ミラーの組を複数備え、当該組が２次元状に配置されたものである。
【００３８】
本発明の第１０の態様による光スイッチシステムは、前記第９の態様において、前記各マイクロアクチュエータの前記第１の電極部が互いに共通に電気的に接続され、前記各マイクロアクチュエータの前記第２の電極部が互いに共通に電気的に接続されたものである。
【００３９】
【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装置及びこれを用いた光スイッチシステムについて、図面を参照して説明する。
【００４０】
［第１の実施の形態］
【００４１】
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。
【００４２】
本実施の形態による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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。また、図１は光ビームを空間で交差させてスイッチを行う装置であり、ファイバー端には光ビームとの結合を改善する為に、レンズを挿入することもある。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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２１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。
【００４８】
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。
【００４９】
絶縁膜２２，２６としては、例えば、ＳｉＮ膜又はＳｉＯ_２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。
【００５０】
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１３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，２９ｂ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。
【００５１】
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、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力（復帰力）により復帰しようとする上側位置（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する。
【００５２】
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）及びその逆方向（上方向）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。
【００５３】
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。
【００５４】
前述した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。
【００５５】
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。
【００５６】
図６に示すように、ミラー１２の位置と無関係に、静電力用電圧が常時所定の電圧Ｖとされる。この電圧Ｖは、ローレンツ力用電流がゼロとされミラー１２が図３及び図４に示すように上側位置に位置している状態において、前記電極間の静電力が実質的に消失するかあるいはフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力と釣り合うように、設定されている。また、この電圧Ｖは、ローレンツ力用電流がゼロとされミラー１２が図５に示すように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ように、設定されている。
【００５７】
最初に、ローレンツ力用電流がゼロであり、フレクチュア部２７ａ，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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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でローレンツ力用電流をゼロにする。この時にローレンツ力はなくなるが、前記電極間には静電力が働いているためミラー１２は下側位置に保持される。期間Ｔ２−Ｔ３は、ミラー１２の下側位置への保持を静電力のみによる保持に切り替えるいわば下側保持の過渡期間であり、期間Ｔ３以降がいわば下側保持の定常期間である。
【００６１】
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。
【００６２】
その後、時刻Ｔ４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Ｔ４において、ローレンツ力用電流を−Ｉとする。ここで、−Ｉは、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力とローレンツ力の和が前記電極間の静電力より大きくかつ上向きのローレンツ力を発生させる電流である。その結果、ミラー１２は、上方へ移動し、時刻Ｔ５において図３及び図４に示す上側位置に戻る。その後、時刻Ｔ６でローレンツ力用電流をゼロにする。この時にローレンツ力はなくなるが、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より図３及び図４に示す上側位置に保持され続ける。期間Ｔ５−Ｔ６は、ミラー１２の上側位置への保持をフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力による保持に切り替えるいわば上側保持の過渡期間であり、期間Ｔ６以降がいわば上側保持の定常期間である。
【００６３】
このように、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では、静電力のみによってミラー１２を下側位置に保持し、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと基板１１（第１の電極部）との間の間隔が大きくなった上側位置の保持の定常状態では、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力によってミラー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。
【００６４】
そして、前述の動作説明からわかるように、ローレンツ力は電流の流す向きを変えることで両方向に発生させることができるので、静電力用電圧を常時所定電圧Ｖにしても、動作上何ら不都合は生じない。
【００６５】
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。
【００６６】
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１００列の光スイッチを有する場合も、原理は同一である。
【００６７】
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。
【００６８】
制御線の本数を減らすために、図７に示す回路では、コイルＬｍｎに対してそれぞれ、列選択スイッチＭｍｎｄと行選択スイッチＭｍｎｃが設けられている。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の一端及び電流制御スイッチＭＣ４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。電流制御スイッチＭＣ４の他端は前記電流−Ｉを供給する電流源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ＭＣ３，ＭＣ４のゲートは、端子Ｃ３，Ｃ４にそれぞれ接続されている。
【００６９】
スイッチング素子としての列選択スイッチＭｍｎｄ、行選択スイッチＭｍｎｃ、電流制御スイッチＭＣ３，ＭＣ４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。
【００７０】
１行目の行選択スイッチＭ１１ｃ，Ｍ１２ｃ，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。
【００７１】
１列目の列選択スイッチＭ１１ｄ，Ｍ２１ｄ，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。
【００７２】
一方、コンデンサＣｍｎに対しては列選択スイッチ及び行選択スイッチは設けられておらず、各コンデンサＣｍｎの一端が電気的に互いに共通に接続されてグランドに接続され、各コンデンサＣｍｎの他端が互いに電気的に共通に接続されてクランプ電圧ＶＣに接続されている。これは、前述したように、静電力用電圧を常時所定電圧Ｖ（クランプ電圧ＶＣに相当）にしておくことができるためである。各コンデンサＣｍｎに対する印加電圧を個別に制御する場合には、コイルＬｍｎの場合と同様に、各コンデンサＣｍｎに対しては列選択スイッチ及び行選択スイッチを設ける必要がある。本実施の形態では、その場合に比べて、図７に示す回路構成が簡単となっているとともに、コンデンサＣｍｎの制御のための制御端子が不要となっている。
【００７３】
次に、各端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｃ３，Ｃ４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光路切換状態をそのまま保持する待機期間である。この期間では、端子Ｖ１，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Ｍｍｎｄ及び行選択スイッチＭｍｎｃが導通状態になっているが、端子Ｃ３，Ｃ４がローレベルとされて電流制御スイッチＭＣ３，ＭＣ４が不導通状態になっている。待機期間では、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以前の待機期間では、ミラー１２が上側位置に保持されている。
【００７４】
ところで、本実施の形態では、端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｃ３，Ｃ４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、前記待機期間を設定する。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待機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→待機期間→状態変更期間→待機期間→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，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。
【００７５】
図８は、外部制御回路６により、待機期間→１行１列の光スイッチについての状態変更期間→待機期間が、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が上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１行１列のコイルＬ１１が選択される。次に、時刻ｔ３で端子Ｃ３がハイレベルにされ、これにより電流制御スイッチＭＣ３が導通し、電流源Ｉ１からスイッチＭ１１ｃ，Ｍ１１ｄを経由してコイルＬ１１に電流＋Ｉが流れる。この時刻ｔ２は図６中の時刻Ｔ１に対応している。この電流＋Ｉで発生するローレンツ力によって、ミラー１２は、上側から下側に移動する。下側位置への移動後、時刻ｔ３で端子Ｃ３がローレベルにされ、電流制御スイッチＭＣ３が不導通状態とされる。この時刻ｔ３は図６中の時刻Ｔ３に対応している。その後、時刻ｔ４で、当該状態変更期間を終了し、待機期間とされる。
【００７６】
次に、本実施の形態による光スイッチシステムで用い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。
【００７７】
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Ｍｍｎｃ，Ｍｍｎｄ，ＭＣ３，ＭＣ４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ＳｉＯ_２膜３２を成膜する。次に、ＳｉＯ_２膜３２上に下側絶縁膜２２となるべきＳｉＮ膜３３を成膜する。なお、ＳｉＯ_２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，２３ｂ、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ＳｉＮ膜３５を成膜し、フォトエッチ法によりＳｉＮ膜３３，３５を、可動板２１、フレクチュア部２７ａ，２７ｂ及びアンカー部２８ａ，２８ｂの形状にパターニングする（図９（ａ））。
【００７８】
次に、図９（ａ）に示す状態の基板３１上にＳｉＯ_２膜３６を成膜する。そして、ＳｉＯ_２膜３６におけるミラー１２を形成すべき箇所、及び、ＳｉＯ_２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））。
【００７９】
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））。
【００８０】
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ＳｉＯ_２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。
【００８１】
本実施の形態によれば、前述したように静電力とローレンツ力とが巧みに利用されるため、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、かつ、消費電力を低減することができる。
【００８２】
また、本実施の形態によれば、前述したように、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との間に常時所定電圧を印加することにより、図７に示す回路構成が簡単となっているとともに、コンデンサＣｍｎの制御のための制御端子が不要となっている。このように回路構成が簡単となるため、製造歩留まりが向上しコストダウンできるというメリットがある。また、コンデンサＣｍｎの制御のための制御端子が不要であるため、外部から制御しなければならない端子数が減り、これによりコストダウンできる。
【００８３】
［第２の実施の形態］
【００８４】
図１１は、本発明の第２の実施の形態による光スイッチシステムで用いられている光スイッチアレーを構成する単位素子としての１つの光スイッチ（すなわち、１つのマイクロアクチュエータ１１１及びこれにより駆動される１つのミラー１２）を模式的に示す概略平面図である。図１１では、可動部及び脚部の表面に全体に渡って形成された保護膜としてのＳｉＮ膜１４４は省略して示し、本来実線で書くべき凸条部１４９，１５０のラインを破線で示し、Ａｌ膜１４２，１４３にそれぞれ異なるハッチングを付している。図１２は、図１１中のＸ１１−Ｘ１２線に沿った概略断面図である。図面には示していないが、図１１中のＸ１９−Ｘ２０線に沿った概略断面図は図１２と同様となる。図１３は、図１１中のＸ１３−Ｘ１４線に沿った概略断面図である。図面には示していないが、図１１中のＸ１７−Ｘ１８線に沿った概略断面図は図１３と同様となる。図１４は、図１１中のＸ１５−Ｘ１６線に沿った概略断面図である。図１５は、図１１中のＹ１１−Ｙ１２線に沿った概略断面図である。図１６は、図１１中のＹ１３−Ｙ１４線に沿った概略断面図である。図１７は、図１１中のＹ１５−Ｙ１６線に沿った概略断面図である。図１８は、図１１中のＹ１７−Ｙ１８線に沿った概略断面図である。なお、図１２乃至図１８では、梁構成部１３２，１３４がＺ軸方向に湾曲していないものとして示しているが、梁構成部１３２，１３４は、実際には、可動部が力を受けていない状態において、当該梁構成部１３２，１３４を構成する膜の応力によって＋Ｚ方向に湾曲している。
【００８５】
前記第１の実施の形態では、ミラー１２を駆動するマイクロアクチュエータがフレクチュア部２７ａ，２７ｂによる両持ち構造を有していたのに対し、本実施の形態では、マイクロアクチュエータ１１１は片持ち梁構造を有している。
【００８６】
本実施の形態で用いられているマイクロアクチュエータ１１１は、シリコン基板やガラス基板等の基板１２１と、脚部１２２，１２３と、Ｚ軸方向から見た平面視で主としてＸ軸方向に並行して延びた２本の帯板状の梁部１２４，１２５と、梁部１２４，１２５の先端（自由端、＋Ｘ方向の端部）に設けられそれらの間を機械的に接続する平面視で長方形状の接続部１２６と、梁部１２４を構成する梁構成部１３３及び梁部１２５を構成する梁構成部１３５の固定端側同士を補強のために機械的に接続する接続部１２７と、固定電極１２８と、を備えている。
【００８７】
梁部１２４の固定端（−Ｘ方向の端部）は、基板１２１上のシリコン酸化膜等の絶縁膜１２９上に形成されたＡｌ膜からなる配線パターン１３０，１３１（図１１では省略）をそれぞれ介して基板１２１から立ち上がる立ち上がり部を持つ２つの個別脚部１２２ａ，１２２ｂからなる脚部１２２を介して、基板１２１に機械的に接続されている。同様に、梁部１２５の固定端（−Ｘ方向の端部）は、基板１２１上の絶縁膜１２９上に形成されたＡｌ膜からなる２つの配線パターン（図示せず）をそれぞれ介して基板１２１から立ち上がる立ち上がり部を持つ２つの個別脚部１２３ａ，１２３ｂからなる脚部１２３を介して、基板１２１に機械的に接続されている。前述したように、梁部１２４，１２５の自由端間が接続部１２６で機械的に接続され、梁構成部１３２，１３４の固定端側同士が接続部１２７で機械的に接続されている。したがって、本実施の形態では、梁部１２４，１２５及び接続部１２６，１２７が、全体として、片持ち梁構造を持つ可動部を構成している。本実施の形態では、基板１２１、固定電極１２８及び絶縁膜１２９が、固定部を構成している。
【００８８】
梁部１２４は、前記可動部の固定端と自由端との間に機械的にＸ軸方向に直列に接続された２つの梁構成部１３２，１３３を有している。梁構成部１３２は、Ｚ軸方向から見た平面視でＸ軸方向に延びた帯板状に構成されている。梁構成部１３３は、帯板状に構成され、図１１に示すように、Ｚ軸方向から見た平面視で、主としてＸ軸方向に延びているものの、−Ｘ側の位置でＹ軸方向に折れ曲がったような形状を有している。固定端側（−Ｘ側）の梁構成部１３２はＺ軸方向に撓み得る板ばね部となっているのに対し、自由端側（＋Ｘ側）の梁構成部１３３はＺ軸方向（基板１２１側及びその反対側）の撓み及びその他の方向の撓みに対して実質的に剛性を有する剛性部となっている。
【００８９】
梁構成部１３２は、下側のＳｉＮ膜１４１と中間のＡｌ膜１４２，１４３と上側の保護膜としてのＳｉＮ膜１４４とが積層された３層（ただし、Ａｌ膜１４２，１４３間の隙間では２層）の薄膜で、板ばねとして作用するように構成されている。Ａｌ膜１４２とＡｌ膜１４３とは、同一階層に形成されているが、図１１に示すように、若干Ｙ軸方向に隙間をあけて形成され、互いに電気的に分離されている。これは、Ａｌ膜１４２を静電力用の可動電極への配線として用い、Ａｌ膜１４３をローレンツ力用の電流経路を形成するための配線として用いるためである。静電力用の配線ではほとんど電流を流さない一方、ローレンツ力用の配線では比較的大きい電流を流すため、ローレンツ力用の配線の電気抵抗を低減するべく、Ａｌ膜１４２は幅が狭く形成され、Ａｌ膜１４３は幅が広く形成されている。
【００９０】
梁構成部１３３は、梁構成部１３２からそのまま連続して延びた下側のＳｉＮ膜１４１と中間のＡｌ膜１４２，１４３と上側の保護膜としてのＳｉＮ膜１４４とが積層された３層（ただし、Ａｌ膜１４２，１４３間の隙間では２層）の薄膜で、構成されている。しかし、後述する凸条部１４９，１５０を形成することによって、梁構成部１３３に前述した剛性を持たせている。
【００９１】
図１２では、梁構成部１３２がＺ軸方向に湾曲していないものとして示しているが、梁構成部１３２は、実際には、駆動信号が供給されていない状態において、膜１４１〜１４４の応力によって、上方（基板１２１と反対側、＋Ｚ方向）に湾曲している。このような湾曲状態は、膜１４１，１４２，１４４の成膜条件を適宜設定することにより、実現することができる。一方、梁構成部１３３は、駆動信号の供給の有無に拘わらずＺ軸方向に実質的に湾曲しておらず、前述した剛性を持つことにより、膜１４１〜１４４の応力により湾曲することがなく常に平板状の状態を維持する。このように、梁構成部１３２と梁構成部１３３とは、梁部１２４が力を受けない状態で、異なる湾曲・非湾曲状態を持っている。
【００９２】
本実施の形態では、脚部１２２は、梁構成部１３２を構成するＳｉＮ膜１４１，１４４及びＡｌ膜１４２，１４３がそのまま連続して延びることによって構成され、２つの個別脚部１２２ａ，１２２ｂを有している。脚部１２２が２つの個別脚部１２２ａ，１２２ｂを有しているのは、静電力用の配線とローレンツ力用の配線とを分離して、Ａｌ膜１４２とＡｌ膜１４３とを基板１２１上の別々の配線パターン１３０，１３１にそれぞれ電気的に接続させるためである。Ａｌ膜１４２は、個別脚部１２２ａにおいてＳｉＮ膜１４１に形成された開口を介して配線パターン１３０に電気的に接続されている。Ａｌ膜１４３は、個別脚部１２２ｂにおいてＳｉＮ膜１４１に形成された開口を介して配線パターン１３１に電気的に接続されている。なお、脚部１２２の上部には、脚部１２２の強度を補強するために、凸条部１５１がＺ方向から見た平面視で個別脚部１２２ａ，１２２ｂを一括して囲むように口の字状に形成されている。
【００９３】
梁部１２５及び脚部１２３は、前述した梁部１２４及び脚部１２２とそれぞれ全く同一の構造を有している。梁部１２５を構成する梁構成部１３４，１３５は、梁部１２４を構成する梁構成部１３２，１３３に相当している。脚部１２３を構成する個別脚部１２３ａ，１２３ｂは、脚部１２２を構成する個別脚部１２２ａ，１２２ｂにそれぞれ相当している。また、脚部１２３の上部には、前述した凸条部１５１に相当する凸条部１５２が形成されている。
【００９４】
接続部１２７は、梁構成部１３３，１３５からそのまま連続して延びたＳｉＮ膜１４１，１４４の２層膜で構成されている。接続部１２７には、梁構成部１３３，１３５からのＡｌ膜１４２，１４３は延びておらず、接続部１２７においては、何ら電気的な接続は行われていない。
【００９５】
本実施の形態では、梁構成部１３３，１３５及び接続部１２６，１２７に一括して剛性を付与するべく、図１１中の破線で示すように、平面視でこれらの一括した領域の外周側において周回するように凸条部１４９が形成され、前記一括した領域の内周側に周回するように凸条部１５０が形成されている。この凸条部１４９，１５０によって、梁構成部１３３，１３５が補強されて剛性を有している。梁構成部１３３，１３５は、駆動信号の供給の有無に拘わらずＺ軸方向に実質的に湾曲しておらず、前述した剛性を持つことにより、膜１４１〜１４４の応力により湾曲することがなく常に平板状の状態を維持する。
【００９６】
接続部１２６は、梁構成部１３３，１３５を構成するＳｉＮ膜１４１，１４４及びＡｌ膜１４２，１４３がそのまま連続して延びることによって構成されている。接続部１２６には、被駆動体としてのＡｕ、Ｎｉ又はその他の金属からなるミラー１２が設けられている。
【００９７】
接続部１２６において、Ａｌ膜１４２とＡｌ膜１４３とは図１１に示すように分離されており、接続部１２６におけるＡｌ膜１４２の部分が静電力用の可動電極として兼用されている。この可動電極に対向する基板１２１上の領域には、Ａｌ膜からなる静電力用の固定電極１２８が形成されている。図面には示していないが、固定電極１２８を構成するＡｌ膜は配線パターンとしても延びており、前記配線パターン１３０と共に利用することによって、固定電極１２８と可動電極として兼用された接続部１２６におけるＡｌ膜１４２との間に電圧（静電力用電圧）を、印加できるようになっている。
【００９８】
一方、前述した説明からわかるように、Ａｌ膜１４３によって、脚部１２２の個別脚部１２２ｂ下の配線パターン１３１から、梁構成部１３２→梁構成部１３３→接続部１２６→梁構成部１３５→梁構成部１３４を経て、脚部１２３の個別脚部１２３ｂ下の配線パターン（図示せず）へ至る、電流経路が構成されている。この電流経路のうち、接続部１２６におけるＹ軸方向に沿った電流経路が、Ｘ軸方向の磁界内に置かれたときに、Ｚ軸方向へ向かうローレンツ力を発生させる部分となっている。したがって、永久磁石等（図示せず）を用いてＸ軸方向の磁界内に置き、前記電流経路へ電流（ローレンツ力用電流）を流すと、接続部１２６におけるＡｌ膜１４３にローレンツ力（駆動力）がＺ方向へ作用する。なお、このローレンツ力の向きが＋Ｚ方向であるか−Ｚ方向であるかは、ローレンツ力用電流の向きによって定まる。
【００９９】
したがって、本実施の形態においても、１つの光スイッチに対して、前述した図６に示す制御と同様の制御を行うことにより、ミラー１２が上側（基板１２１と反対側）に保持された状態及びミラー１２が下側（基板１２１側）に保持された状態にすることができる。本実施の形態では、このような制御が行われるようになっている。
【０１００】
本実施の形態では、図１９に示すように、ミラー１２及びこれを駆動するマイクロアクチュエータ１１１で構成された光スイッチが複数基板１２１上に２次元マトリクスに配置され、これらが光スイッチアレーを構成している。本実施の形態では、梁構成部１３３，１３５が、図１１に示すように、Ｚ軸方向から見た平面視で−Ｘ側の位置でＹ軸方向に折れ曲がったような形状を有し、これにより、梁部１２４，１２５の途中をＹ軸方向に折れ曲がったような形状にしているため、図１９に示すように、複数のマイクロアクチュエータ１１１を基板１２１上に２次元状に配置する場合、その配置密度を高めることができるようになっている。図１９は、本実施の形態による光スイッチシステムで用いられている光スイッチアレーを模式的に示す概略平面図である。
【０１０１】
なお、本実施の形態では、可動部及び脚部の表面に全体に渡って、保護膜としてのＳｉＮ膜１４４が形成されているが、このＳｉＮ膜１４４は形成しなくてもよい。ただし、この場合、Ａｌ膜１４２，１４３の電気的な絶縁を確保するため、ミラー１２の下部にはＳｉＮ膜１４４を残しておく。
【０１０２】
図面には示していないが、本実施の形態で用いられている光スイッチアレーには、前記第１の実施の形態と同様に、図７に示す回路と同様の回路が搭載されている。当該回路には、前記第１の実施の形態と同様に、例えば、図８に示すような信号を印加すればよい。なお、本実施の形態で用いられている光スイッチアレーは、例えば、ＭＯＳトランジスタ製造プロセスの他、膜の形成及びパターニング、エッチング、犠牲層の形成・除去などの半導体製造技術を利用して、製造することができる。
【０１０３】
本実施の形態による光スイッチシステムは、前述した光スイッチアレーの他、図２０及び図２１に示すように、光導波路基板１９０を有している。図２０及び図２１は、それぞれ本発明の第２の実施の形態による光スイッチシステムの要部を模式的に示す概略断面図である。図２０はミラー１２が上側に保持されて光路に進出した状態、図２１はミラー１２が下側に保持されて光路から退出した状態を示している。なお、図２０及び図２１において、マイクロアクチュエータ１１１の構造は大幅に簡略化して示している。図２２は、図２０及び図２１中の光導波路基板１９０の一部を模式的に示す概略斜視図である。
【０１０４】
本実施の形態では、光導波路基板１９０は、図２２に示すように、切り替えるべき光を伝搬する４本の光導波路１９１〜１９４を有している。光導波路基板１９０は中央部に例えば幅数十μｍ程度の溝１９６を有し、溝１９６の側面に光導波路１９１〜１９４の端面１９１ａ，１９２ａ，１９３ｂ，１９４ｂが露出されている。端面１９１ａと端面１９２ａとの間隔、及び、端面１９３ｂと端面１９４ｂとの間隔は、図２０及び図２１に示すように、ミラー１２の反射面で覆うことのできる間隔に設計されている。
【０１０５】
図２０及び図２１に示すように、光導波路基板１９０が、マイクロアクチュエータ１１１の基板１２１上に設置され、導波路基板１９０と基板１２１との間の空間及びこれに連通する溝１９６内の空間内に、屈折率整合液２０２が封入されている。もっとも、屈折率整合液２０２は必ずしも封入しなくてもよいが、屈折率整合液を用いた場合は、光のビームの損失がより少なくなる。なお、基板１２１と光導波路基板１９０とは、ミラー１２が溝１９６内に挿入できるように位置合わせされている。
【０１０６】
なお、図２０乃至図２２では、光導波路基板１９０における光導波路の交差点が１つであるものとして示しているが、実際には、光導波路基板１９０において光導波路を２次元マトリクス状に形成することにより、光導波路の交差点が２次元マトリクス状に配置され、これに応じて、基板１２１上に複数のマイクロアクチュエータ１１１が２次元状に配置され、光導波路の各交差点に位置するミラー１２が個々のマイクロアクチュエータ１１１で駆動するように構成されている。
【０１０７】
また、本実施の形態による光スイッチシステムでは、図面には示していないが、前述した磁界を発生する磁界発生部として、例えば、永久磁石が光導波路基板１９０上に設けられている。
【０１０８】
前述した制御によって、図２１に示すように、ミラー１２が光導波路１９３，１９４の端面１９３ｂ，１９４ｂより下側に位置すると、例えば、光導波路１９３の端面１９３ａから光を入射した場合、光導波路１９３を伝搬した光は、端面１９３ｂから出射され、そのまま対向する光導波路１９２の端面１９２ａに入射し、光導波路１９２を伝搬して端面１９２ｂから出射される。また、例えば、光導波路１９１の端面１９１ｂから光を入射した場合、光導波路１９１を伝搬した光は、端面１９１ａから出射され、そのまま対向する光導波路１９４の端面１９４ｂに入射し、光導波路１９４を伝搬して端面１９４ａから出射される。
【０１０９】
一方、前述した制御によって、図２０に示すように、ミラー１２が光導波路１９３，１９４の端面１９３ｂ，１９４ｂを覆うように位置すると、例えば、光導波路１９３の端面１９３ａから光を入射した場合、光導波路１９３を伝搬した光は、端面１９３ｂから出射され、ミラー１２で反射されて、光導波路１９４の端面１９４ｂに入射し、光導波路１９４を伝搬して端面１９４ａから出射される。また、例えば、光導波路１９１の端面１９１ｂから光を入射した場合、光導波路１９１を伝搬した光は、端面１９１ａから出射され、ミラー１２で反射されて、光導波路１９２の端面１９２ａに入射し、光導波路１９２を伝搬して端面１９２ｂから出射される。
【０１１０】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。
【０１１１】
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。
【０１１２】
例えば、前述した実施の形態は、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を有する光スイッチシステムの例であったが、本発明は１つの光スイッチのみを有する光スイッチシステムであってもよい。また、前述した実施の形態は、本発明によるマイクロアクチュエータ装置を光スイッチシステムに適用した例であったが、本発明によるマイクロアクチュエータ装置の用途は、光スイッチシステムに限定されるものではない。
【０１１３】
【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、かつ、消費電力を低減することができ、しかも、制御回路等を簡単化することができる、マイクロアクチュエータ装置及び光スイッチシステム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システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示す光スイッチシステムで用いられてい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に示す光スイッチシステムで用いられている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に示す光スイッチシステムで用いられている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に示す光スイッチシステムで用いられている光スイッチアレーの各製造工程を模式的に示す概略断面図である。
【図１０】図１に示す光スイッチシステムで用いられている光スイッチアレーの他の各製造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システムで用いられている光スイッチアレーを構成する単位素子としての１つの光スイッチを模式的に示す概略平面図である。
【図１２】図１１中のＸ１１−Ｘ１２線に沿った概略断面図である。
【図１３】図１１中のＸ１３−Ｘ１４線に沿った概略断面図である。
【図１４】図１１中のＸ１５−Ｘ１６線に沿った概略断面図である。
【図１５】図１１中のＹ１１−Ｙ１２線に沿った概略断面図である。
【図１６】図１１中のＹ１３−Ｙ１４線に沿った概略断面図である。
【図１７】図１１中のＹ１５−Ｙ１６線に沿った概略断面図である。
【図１８】図１１中のＹ１７−Ｙ１８線に沿った概略断面図である。
【図１９】本発明の第２の実施の形態による光スイッチシステムで用いられている光スイッチアレーを模式的に示す概略平面図である。
【図２０】ミラーが上側に保持されている状態における、本発明の第２の実施の形態による光スイッチシステムの要部を模式的に示す概略断面図である。
【図２１】ミラーが下側に保持されている状態における、本発明の第２の実施の形態による光スイッチシステムの要部を模式的に示す概略断面図である。
【図２２】図２０及び図２１中の光導波路基板の一部を模式的に示す概略斜視図である。
【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

Claims

マイクロアクチュエータと、磁界発生部と、制御部とを備えたマイクロアクチュエータ装置であって、
前記マイクロアクチュエータは、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、を有し、
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、を有し、
前記磁界発生部は前記磁界を発生させ、
前記制御部は、前記可動部の位置とは無関係に前記第１及び第２の電極部間に常時所定電圧を印加しつつ、前記電流経路に流れる電流を制御する、
ことを特徴とするマイクロアクチュエータ装置。
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装置。
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及びその逆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装置。
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装置。
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装置。
前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置から前記第２の位置へ移動させる際には、前記可動部が前記第２の位置へ移動するように、前記電流を制御することを特徴とする請求項４又は５記載のマイクロアクチュエータ装置。
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、前記可動部が前記第１の位置へ移動するように、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３乃至６のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ装置。
請求項１乃至７のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ装置と、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システム。
前記マイクロアクチュエータ及び前記ミラーの組を複数備え、当該組が２次元状に配置されたことを特徴とする請求項８記載の光スイッチシステム。
前記各マイクロアクチュエータの前記第１の電極部が互いに共通に電気的に接続され、前記各マイクロアクチュエータの前記第２の電極部が互いに共通に電気的に接続されたことを特徴とする請求項９記載の光スイッチシステム。