JP2004240011A

JP2004240011A - Optical switch system

Info

Publication number: JP2004240011A
Application number: JP2003026837A
Authority: JP
Inventors: Toshishige Shimamura; 俊重島村; Masami Urano; 正美浦野; Hitoshi Ishii; 仁石井; Yasuyuki Tanabe; 泰之田辺
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: JP3831346B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a mirror to be turned with less force at the center of a shaft through which a connection part passes. <P>SOLUTION: The connection part 161 for connecting a frame 130 to a movable frame 132 is arranged in a connection part area 302 of a notch formed on the frame 130 from the side of an opening area of the frame 130. A mirror connection part 162 for connecting the movable frame 132 to the mirror 131 is arranged in a mirror connection part area 322 of a notch formed on the movable frame 132 from the side of an opening area of the movable frame 132. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回動するミラーにより信号光の経路を変更する光スイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネット通信網などにおける基盤となる光ネットワークにおいて必須となる波長分割多重技術（ＷＤＭ）には、光スイッチ装置が必要不可欠な要素部品となる。この種の光スイッチ装置には、光導波路型やＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）型などがあるが、中でも、回動する微細な反射面を有するＭＥＭＳ型の光スイッチ装置が有望視されている。
【０００３】
このＭＥＭＳ型の光スイッチ装置は、例えば、固定構造体と可動ミラーを有する反射構造体とから構成されている。固定構造体は、土台となる基板及びこの上に形成された電極などである。反射構造体は、支持部材と可動部材を有し、ミラーとして作用する可動部材が、固定構造体と離間してトーションバネ（ヒンジ）によって支持部材に接続されている。
このように構成された光スイッチは、固定構造体と回動する反射構造体との間に働く引力、あるいは反発力によって反射構造体が回動することで光路を切り替えるスイッチング動作を行う。
【０００４】
上記光スイッチは、例えば、図７（ａ）の側面図に示すように構成されている（非特許文献１参照）。図７（ａ）において、基板７０１には、凸領域７０２が形成され、凸領域７０２の上面に制御電極７０３が形成されている。また、基板７０１の上には、凸領域７０２の上部に開口領域を有する枠体７０４が配設されている。枠体７０４の開口領域内には、図７（ｂ）の平面図に示すように、可動枠７０５とミラー７０６とが配置され、可動枠７０５は、一対のヒンジ７０７により枠体７０４に吊設され、ミラー７０６は、一対のヒンジ７０８により可動枠７０５に吊設されている。ミラー７０６の一方の面には、反射面が形成されている。
【０００５】
ヒンジ７０７は、枠体７０４の内側の開口領域の中心を通る軸上に配置され、この軸を中心に、可動枠７０５は回動可能とされている。また、ヒンジ７０８は、可動枠７０５の内側の開口領域の中心を通る軸上に配置され、この軸を中心に、ミラー７０６は回動可能とされている。ここで、ヒンジ７０７による軸とヒンジ７０８による軸とは直交し、ミラー７０６は、２軸動作が可能な状態となっている。また、このように回動可能とされているミラー７０６の下部に設けられている制御電極７０３は、図示しない配線に接続し、ミラー７０６を駆動するための静電力を発生する。
【０００６】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件の出願時までに発見するには至らなかった。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｔａｅ−ＳｉｋＫｉｍ，Ｓａｎｇ−ＳｈｉｎＬｅｅ，ＹｏｕｎｇｊｏｏＹｅｅ，ＪｏｎｇＵＫＢｕ，Ｈｙｕｎ−ＨｏＯｈ，Ｃｈｉｌ−ＧｅｕｎＰａｒｋ，ａｎｄＭａｎ−ＨｙｏＨａ ”ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣＭＩＣＲＯＭＩＲＲＯＲＷＩＴＨＢＵＩＬＴ−ＩＮＬＡＲＧＥＡｉｒ−ＧＡＰＦＯＲＷＩＤＥＲＡＮＧＥＯＦＲＯＴＡＴＩＯＮＡＬＡＣＴＵＡＴＩＯＮ”，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｐｔｉｃａｌＭＥＭＳ２００１，ＩＥＥＥ／ＬＥＯＳ，ｐ９９，１００（２００１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような光スイッチ装置では、より少ない電力でスイッチ動作が行えるようにすることが要求されている。この要求を満たすための一つに、上述したように回動するミラーを、より少ない電力で回動させることがある。ミラーをより少ない電力で回動させるためには、ミラーがより小さな力で回動できるようにすればよい。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、連結部が通る軸を中心に、より小さな力でミラーが回動できるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光スイッチ装置は、支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、この枠部材の開口領域内で少なくとも一対の連結部材を介してこれらを通る回動軸を中心に回動可能に支持された板状の可動構造体とを少なくとも備え、可動構造体の一部には反射部が設けられ、可動構造体の回動により反射部を変位させて光スイッチ動作を行うものであり、連結部材が、開口領域の側より枠部材に形成された切欠き内に配設されているようにしたものである。
この装置によれば、枠部材と可動構造体との間隙より長い連結部材により、可動構造体が枠部材に連結された状態となっている。
【００１１】
上記光スイッチ装置において、連結部材が、一対の連結部材を通る回動軸の方向とは異なる方向に延在する延在部を備えるようにしてもよい。また、連結部材の延在部が、少なくともその一部に複数の屈曲部を備えてジグザグに形成されているようにしてもよい。
【００１２】
上記光スイッチ装置において、可動構造体は、開口領域を有する可動枠とこの可動枠の開口領域内に配置されて反射部が設けられたミラーとから構成され、ミラーは、一対のミラー連結部材を介してこれらを通る回動軸を中心に回動可能に可動枠に支持され、ミラー連結部材は、ミラーが配置された側より可動枠に形成された切欠き内に配設されているようにしてもよい。
【００１３】
この場合、ミラー連結部材が、一対のミラー連結部材を通る回動軸の方向とは異なる方向に延在する延在部を備えるようにしてもよい。また、ミラー連結部材の延在部が、少なくともその一部に複数の屈曲部を備えてジグザグに形成されているようにしてもよい。また、枠部材に可動枠を支持する連結部材は、開口領域の側より可動枠に形成された切欠き内に配設されているようにしてもよい。
【００１４】
上記光スイッチ装置において、可動構造体は、円形に形成されていてもよい。
また、上記光スイッチ装置において、可動枠が、リング状に形成され、ミラーが、円形に形成されているようにしてもよい。
これらの場合、連結部材は、円形に形成された可動構造体の周方向に延在する延在部を備えるようにすれば、延在部を直線的に延在させる場合に比較して、延在部をより長くすることが可能となる。同様に、ミラー連結部材が、円形に形成されたミラーの周方向に延在する延在部を備えるようにしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図（ａ）と平面図（ｂ）である。図１では、主に光スイッチ装置の１構成単位である一つのミラーを備えたスイッチ素子を部分的に示している。
【００１６】
この光スイッチ装置の構成について説明すると、まず、例えば、シリコンからなる半導体基板１０１を備え、半導体基板１０１には、複数の素子から構成された集積回路（図示せず）が形成されている。集積回路の上には、層間絶縁膜１０２が形成されている。層間絶縁膜１０２上には、更に配線層１０４，層間絶縁膜１０５が形成され、配線層１０４は、この下層にある図示しない配線などに接続電極１０３を介して接続している。
【００１７】
また、半導体基板１０１の上には、層間絶縁膜１０２，１０５を介して支持部材１２０が固定され、支持部材１２０は、枠部（枠部材）１３０を支持している。支持部材１２０は、金などの導電材料から構成され、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールを通じ、層間絶縁膜１０２上に形成された所定の配線層１０４に電気的に接続されている。なお、支持部材１２０は、制御電極部１４０が形成されている空間を囲う枠状の構造体とすればよい。また、支持部材１２０は、枠部１３０の所定の箇所を支持する状態としてもよい。
【００１８】
また、枠部１３０は、ミラー１３１，可動枠１３２からなる可動構造体を支持している。ミラー１３１は、例えば、直径５００μｍ程度の円板であり、いずれかの面に反射面が形成されている。また、可動枠１３２は、リング状の部材である。なお、反射面は、ミラー１３１の一部に形成するようにしてもよい。枠部１３０，可動枠１３２，及びミラー１３１は、例えば金などの導電材料から構成してもよい。この場合、ミラー１３１は、支持部材１２０を介して前述した配線層に電気的に接続された可動電極となる。なお、可動枠１３２，ミラー１３１などを絶縁材料から構成し、この表面に金属膜を形成してミラー１３１に可動電極を設けるようにしてもよい。
【００１９】
以上に説明したように、枠部１３０により回動可能に支持されている可動構造体は、図１（ｂ）に示すように、まず、可動枠１３２が、一対の連結部（連結部材）１６１を介して枠部１３０の内側に支持されている。可動枠１３２は、一対の連結部１６１を通る回動軸を中心に回動可能とされている。また、ミラー１３１が、一対のミラー連結部（ミラー連結部材）１６２を介して可動枠１３２の内側に支持されている。ミラー１３１は、一対のミラー連結部１６２を通る回動軸を中心に回動可能とされている。各連結部は、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。本実施の形態では、一対の連結部１６１を通る回動軸と一対のミラー連結部１６２を通る回動軸とは、互いに直交するようにトーションバースプリングが配列されている。
【００２０】
一方、ミラー１３１の下方の半導体基板１０１上には、層間絶縁膜１０２，１０５を介してミラー１３１の回動動作を制御するための制御電極部（固定電極）１４０が形成されている。本実施の形態において、制御電極部１４０は、金などの導電材料から構成され、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールを通し、層間絶縁膜１０２上に形成された所定の配線層１０４に電気的に接続されている。
【００２１】
また、図１（ａ）の光スイッチ装置では、半導体基板１０１に形成されている図示していない集積回路の一部として、制御回路１５０が構成されている。制御回路１５０は、例えば、いずれかの制御電極部１４０と可動電極であるミラー１３１との間に所定の電位差を生じさせることにより、選択された制御電極部１４０とミラー１３１とに電荷を誘導し、これらの電荷にクーロン力を作用させることで、ミラー１３１を回動させる。
【００２２】
ミラー１３１は、誘導された電荷に働く静電力による回動軸周りのトルクと、可動部が回動することにより連結部１６１，ミラー連結部１６２に生じた逆向きのトルクが釣り合う位置で静止する。また、制御回路１５０は、制御電極とミラー１３１との間の電位差を解消し、ミラー１３１に発生している電荷を放電させることで、ミラー１３１の回動状態を解消させる。
【００２３】
ここで、可動構造体についてより詳細に説明する。可動枠１３２は、枠部１３０の可動部開口領域３０１の中心を通る所定の軸を中心に回動可能となるように、上記軸上の２箇所に設けられたトーションバースプリングのように作用する一対の連結部１６１により、枠部１３０に吊設しかつ軸着している。また、ミラー１３１は、枠部１３０の可動部開口領域３０１の中心を通って上記軸とは直交する直交軸を中心に回動可能となるように、この直交軸上の２箇所に設けられたトーションバースプリングのように作用する一対のミラー連結部１６２により、可動枠１３２に吊設しかつ軸着している。
【００２４】
加えて、枠部１３０は、可動枠１３２及びミラー１３１が配設される可動部開口領域３０１の側に向けて、連結部１６１の一部が配設される連結部領域（切欠き）３０２を備える。また、可動枠１３２は、ミラー１３１が配設されるミラー開口領域３２１側に向けて、ミラー連結部１６２の一部が配設されるミラー連結部領域（切欠き）３２２を備える。
【００２５】
従って、本実施の形態によれば、一対の連結部領域３０２により、可動枠１３２周端との距離が他の領域（Ｄ１）より長い部分が、枠部１３０の一部に設けられている。同様に、一対のミラー連結部領域３２２により、ミラー１３１周端との距離が、他の領域（Ｄ２）より長い部分が、可動枠１３２の一部に設けられている。なお、２つの連結部領域３０２は、連結部１６１が通る軸上に配置され、２つのミラー連結部領域３２２は、ミラー連結部１６２が通る軸上に配置されている。
【００２６】
このように構成したので、本実施の形態によれば、枠部１３０と可動枠１３２との間隙Ｄ１より長い連結部１６１により、可動枠１３２が枠部１３０に連結された状態となっている。また、可動枠１３２とミラー１３１との間隙Ｄ２より長いミラー連結部１６２により、ミラー１３１が可動枠１３２に連結された状態となっている。
【００２７】
例えば、ミラー連結部１６２を通る軸を中心にミラー１３１を回動させるとき、誘導された電荷に働く静電力による回動軸周りのトルクに対し、ミラー連結部１６２に生じる逆向きのトルクが反発する。従って、ミラー連結部１６２に生じる逆向きのトルク（バネ力）が小さいほど、小さな力でミラー１３１が回動する。本実施の形態では、上述したように、間隔Ｄ２よりミラー連結部１６２を長くし、間隔Ｄ２の長さで連結部を構成した場合に比較して上記逆向きのトルクを小さくしたので、従来より小さな力でミラー１３１を回動させることが可能となる。このことは、連結部１６１についても同様である。
【００２８】
ところで、間隙Ｄ２を長く（広く）すれば、ミラー連結部１６２を長くすることが可能である。しかしながら、間隔Ｄ２を長くすると、反射部として機能しない領域が、ミラー素子全体の中でより広い領域を占有するようになる。これは、ミラー１３１の面積を可能な限り大きくしてミラー素子全体をより微細化するという方向に反する。連結部１６１についても同様であり、間隔Ｄ１を長くすれば、連結部１６１を長くすることができるが、無駄な領域が増える。
【００２９】
これらのことに対し、本実施の形態では、枠部１３０に連結部領域３０２を設け、可動枠１３２に連結部領域３２２を設けることで、間隔Ｄ１，Ｄ２を広げることなく、連結部１６１，ミラー連結部１６２を長くしたので、無駄な領域が増えることが抑制されている。また、可動枠１３２の幅を狭く（細く）することがないので、可動枠１３２の機械的強度を低下させることもない。
【００３０】
［実施の形態２］
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。本実施の形態では、枠部１３０，可動枠１３２，及び，ミラー１３１を、図２の平面図に示すように構成した。なお、他の部分は、図１（ａ）と同様である。
本実施の形態では、可動枠１３２に設けた一対のミラー連結部領域３２２の各々に、可動部開口領域３０１の中心を通る軸ＹＹ’とは異なる方向に延在部２６２ａを備えたミラー連結部２６２を備えるようにした。同様に、枠部１３０に設けた一対の連結部領域３０２の各々に、可動部開口領域３０１の中心を通る軸の方向とは異なる方向に延在部２６１ａを備えた連結部２６１を備えるようにした。各連結部は、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。
【００３１】
従って、本実施の形態によれば、図１（ｂ）に示す連結部１６１，ミラー連結部１６２に比較し、連結部２６１，ミラー連結部２６２をより長くすることが可能となる。この結果、本実施の形態によれば、連結部２６１，ミラー連結部２６２におけるバネ力を、より広い範囲で制御することが可能となる。
【００３２】
［実施の形態３］
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。本実施の形態では、枠部１３０，可動枠１３２，及び，ミラー１３１を、図３の平面図に示すように構成した。なお、他の部分は、図１（ａ）と同様である。
本実施の形態では、可動枠１３２に設けた一対のミラー連結部領域３２２の各々に、ミラー連結部３６２を備えるようにした。本実施の形態のミラー連結部３６２は、まず、可動部開口領域３０１の中心を通る軸ＹＹ’とは異なる方向に延在する延在部３６２ａを備える。また、ミラー連結部３６２は、軸ＹＹ’とは異なる方向に凹凸が交互に並んだ複数の屈曲部からなる延在部３６２ｂを備える。ここでは、延在部３６２ａ，３６２ｂは、軸ＹＹ’と垂直な方向に延在している。
【００３３】
同様に、本実施の形態においては、枠部１３０に設けた一対の連結部領域３０２の各々に、可動部開口領域３０１の中心を通る軸の方向とは異なる方向に延在する延在部３６１ａ，３６１ｂを備えた連結部３６１を備えるようにした。延在部３６１ｂは、ほぼ軸ＹＹ’の方向に凹凸が交互に並んだ複数の屈曲部から構成されている。
本実施の形態によれば、図２に示した実施の形態と同様に、連結部３６１，ミラー連結部３６２の長さを、広い範囲で制御できる。また、本実施の形態によれば、複数の屈曲部からなる延在部３６１ｂ，３６２ｂを備えている。
【００３４】
例えば、延在部３６１ｂでは、この延在方向（図３（ｂ）のＹＹ’軸の方向）にバネ力が発生する。この結果、例えば、図３（ｂ）のＹＹ’軸の方向に重力が加わる状態で本光スイッチ装置が用いられる場合、可動枠１３２が上記重力により変位してこの端部が枠部１３０の内縁に接触する状態が、一対の連結部３６１により抑制できるようになる。
なお、上述では、延在部３６１ｂ及び延在部３６２ｂを複数の矩形の屈曲部を備えてジグザグに形成したが、これに限るものではない。延在部３６１ｂ及び延在部３６２ｂは、複数の三角形の屈曲部を備えてジグザグに形成し、のこぎり歯のような形状としてもよい。
【００３５】
［実施の形態４］
ところで、上述した実施の形態では、円形（円板状）のミラー１３１を用い、また、リング状の可動枠１３２を用いるようにしたが、これに限るものではなく、正方形状など矩形のミラーを用いるようにしてもよい。
しかしながら、矩形のミラーを回動させると、下部の制御電極などが固定されている固定領域に、矩形の一辺がすべて近づいていく。このため、矩形のミラーでは、固定領域と接触する危険性が増大する。
【００３６】
また、反射面を形成するためにミラー１３１の表面に金属膜を形成する場合、形成した金属膜に発生する応力が、円形のミラー１３１には均一に加わる。ミラーが矩形の場合、上記応力が均一に加わらず、ミラーが変形する場合がある。
以上のことなどから、ミラー１３１は、円形（円板）としたほうがよい。このように、ミラー１３１を円形とする場合、以下に説明するように、連結部を円弧状にしてもよい。
【００３７】
本実施の形態では、図４に示すように、可動枠１３２に、円弧状の一対の連結部領域４２２を設け、これらの各々に、ミラー１３１が回動する２つの軸が直交する交点を中心とする円周方向に延在する延在部４６２ａを備えたミラー連結部４６２を備えるようにした。同様に、枠部１３０に円弧状の一対の連結部領域４０２を設け、これらの各々に、上記交点を中心とする円周方向に延在する延在部４６１ａを備えた連結部４６１を備えるようにした。なお、他の部分は、図１（ａ）と同様である。
【００３８】
図４に示すように、延在部４６２ａをリング状の可動枠１３２の円周方向に延在させることで、直線的に延長する場合に比較し、延在部４６２ａをより長くすることが可能となる。このように、連結部の長さをより長くすることが可能となるため、本実施の形態によれば、連結部の設計の自由度を向上させることができる。
【００３９】
また、連結部の延在部を直線的に延長させる場合、図５（ａ）に示すように重力が加わると、点Ａと点Ｂとが近づく方向に延在部が変形し、場合によっては、点Ａと点Ｂとが接触する。このように接触する状態が発生すると、ミラーや可動枠の回動動作を阻害することになる。
これに対し、連結部の延在部を円弧状に延長させる場合、図５（ｂ）に示すように重力が加わっても、点Ａ’と点Ｂ’とが同じ方向に移動するように延在部が変形するため、点Ａ’と点Ｂ’との接触が発生しにくい。
なお、図４に示す円弧状に形成された延在部に、図３に示したように、複数の屈曲部を備えてジグザグに形成された領域を設けるようにしても良いことはいうまでもない。
【００４０】
ところで、上述では、例えば図１（ｂ）に示すように、連結部１６１は、可動部開口領域３０１の側より枠部１３０に形成された連結部領域３０２の内部に配設されているようにしたが、これに限るものではない。例えば、図６に示すように、可動枠１３２に連結部領域６０２を形成し、この内部に連結部６６１が配設されているようにしてもよい。これは、図２，図３，図４に示す実施の形態についても同様である。このようにすることで、例えば、枠部１３０の幅をより狭くすることが可能となり、スイッチ素子をより小型化することが可能となる。
【００４１】
なお、上述した実施の形態では、枠部内に可動枠とこの内側のミラーとを配置し、ミラーを２軸動作可能なものとしたが、これに限るものではない。枠部内にミラーのみを配置し、枠部内で一対の連結部でミラーを回動可能に支持し、１軸動作のミラーに、上記実施の形態を適用するようにしても同様である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、枠部と可動構造体とを連結する連結部が、開口領域の側より枠部に形成された切欠き内に配設されているようにした。この結果、本発明によれば、枠部と可動構造体の間隙より長い連結部により、可動構造体が枠部に連結された状態となり、連結部が通る軸を中心に、より小さな力で反射部が形成されたミラーが回動できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図（ａ）と平面図（ｂ）である。
【図２】本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の一部構成例を示す概略的な平面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の一部構成例を示す概略的な平面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の一部構成例を示す概略的な平面図である。
【図５】連結部の構成を部分的に示す平面図である。
【図６】本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の一部構成例を示す概略的な平面図である。
【図７】従来よりある光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図（ａ）と平面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１０１…半導体基板、１０２…層間絶縁膜、１０３…接続電極、１０４…配線層、１０５…層間絶縁膜、１２０…支持部材、１３０…枠部、１３１…ミラー、１３２…可動枠、１４０…制御電極部、１５０…制御回路、１６１…連結部、１６２…ミラー連結部、３０１…可動部開口領域、３０２…連結部領域（切欠き）、３２１…ミラー開口領域、３２２…ミラー連結部領域。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical switch device that changes the path of signal light using a rotating mirror.
[0002]
[Prior art]
For wavelength division multiplexing (WDM), which is indispensable in an optical network serving as a foundation in an Internet communication network or the like, an optical switch device is an indispensable element. This type of optical switch device includes an optical waveguide type, a MEMS (Micro Electro Mechanical System) type, and the like. Among them, a MEMS type optical switch device having a rotating fine reflecting surface is promising.
[0003]
This MEMS type optical switch device includes, for example, a fixed structure and a reflective structure having a movable mirror. The fixed structure is a substrate serving as a base and electrodes formed thereon. The reflective structure has a support member and a movable member, and the movable member acting as a mirror is separated from the fixed structure and connected to the support member by a torsion spring (hinge).
The optical switch configured as described above performs a switching operation of switching an optical path by rotating the reflection structure by an attractive force or a repulsive force acting between the fixed structure and the rotating reflection structure.
[0004]
The optical switch is configured, for example, as shown in the side view of FIG. 7A (see Non-Patent Document 1). 7A, a convex region 702 is formed on a substrate 701, and a control electrode 703 is formed on the upper surface of the convex region 702. On the substrate 701, a frame 704 having an opening region above the convex region 702 is provided. As shown in the plan view of FIG. 7B, a movable frame 705 and a mirror 706 are arranged in the opening region of the frame 704, and the movable frame 705 is suspended from the frame 704 by a pair of hinges 707. The mirror 706 is suspended from the movable frame 705 by a pair of hinges 708. A reflection surface is formed on one surface of the mirror 706.
[0005]
The hinge 707 is disposed on an axis passing through the center of the opening area inside the frame 704, and the movable frame 705 is rotatable about this axis. The hinge 708 is disposed on an axis passing through the center of the opening area inside the movable frame 705, and the mirror 706 is rotatable about this axis. Here, the axis of the hinge 707 and the axis of the hinge 708 are orthogonal to each other, and the mirror 706 is in a state capable of biaxial operation. Further, the control electrode 703 provided below the rotatable mirror 706 is connected to a wiring (not shown) to generate an electrostatic force for driving the mirror 706.
[0006]
The applicant has not found any prior art documents related to the present invention other than the prior art documents specified by the prior art document information described in this specification by the time of filing the present application.
[0007]
[Non-patent document 1]
Tae-Sik Kim, Sang-Shin Lee, Youngjoo Yee, Jong UK Bu, Hyun-Ho Oh, Chil-GeunPark and and Man-Hyohath International Conference optical MEMS 2001, IEEE / LEOS, p99, 100 (2001)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the optical switch device as described above, it is required that the switch operation can be performed with less power. One way to satisfy this demand is to rotate the mirror that rotates as described above with less power. In order to rotate the mirror with less power, the mirror may be rotated with a smaller force.
[0009]
The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to enable a mirror to rotate with a smaller force about an axis through which a connecting portion passes.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
An optical switch device according to the present invention includes a frame member supported on a substrate via a support member and a rotating shaft passing through the frame member via at least a pair of connecting members in an opening region of the frame member. At least a plate-shaped movable structure supported rotatably around a center, and a reflection portion is provided on a part of the movable structure, and the reflection portion is displaced by the rotation of the movable structure, and an optical switch is provided. An operation is performed, in which the connecting member is disposed in a notch formed in the frame member from the side of the opening region.
According to this device, the movable structure is connected to the frame member by the connection member longer than the gap between the frame member and the movable structure.
[0011]
In the above optical switch device, the connecting member may include an extending portion extending in a direction different from the direction of the rotation axis passing through the pair of connecting members. Further, the extending portion of the connecting member may be formed in a zigzag shape with a plurality of bent portions at least in a part thereof.
[0012]
In the optical switch device, the movable structure includes a movable frame having an opening area and a mirror provided in the opening area of the movable frame and provided with a reflection portion, and the mirror includes a pair of mirror connecting members. The mirror connection member is supported by the movable frame so as to be rotatable around a rotation axis passing therethrough, and the mirror connecting member is disposed in a notch formed in the movable frame from the side where the mirror is disposed. You may.
[0013]
In this case, the mirror connecting member may include an extending portion extending in a direction different from the direction of the rotation axis passing through the pair of mirror connecting members. Further, the extending portion of the mirror connecting member may be formed in a zigzag shape with a plurality of bent portions at least in a part thereof. Further, the connecting member for supporting the movable frame on the frame member may be provided in a notch formed in the movable frame from the side of the opening region.
[0014]
In the above optical switch device, the movable structure may be formed in a circular shape.
Further, in the optical switch device, the movable frame may be formed in a ring shape, and the mirror may be formed in a circular shape.
In these cases, if the connecting member is provided with an extending portion that extends in the circumferential direction of the movable structure formed in a circular shape, the connecting member has an extended length as compared with a case where the extending portion extends linearly. It is possible to make the existing part longer. Similarly, the mirror connecting member may include an extending portion that extends in the circumferential direction of the circular mirror.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view (a) and a plan view (b) showing a configuration example of an optical switch device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 mainly partially illustrates a switch element having one mirror, which is one structural unit of the optical switch device.
[0016]
To explain the configuration of this optical switch device, first, for example, a semiconductor substrate 101 made of silicon is provided, and an integrated circuit (not shown) composed of a plurality of elements is formed on the semiconductor substrate 101. An interlayer insulating film 102 is formed over the integrated circuit. A wiring layer 104 and an interlayer insulating film 105 are further formed on the interlayer insulating film 102, and the wiring layer 104 is connected to a wiring (not shown) under the wiring layer via a connection electrode 103.
[0017]
A support member 120 is fixed on the semiconductor substrate 101 via interlayer insulating films 102 and 105, and the support member 120 supports a frame (frame member) 130. The support member 120 is made of a conductive material such as gold, and is electrically connected to a predetermined wiring layer 104 formed on the interlayer insulating film 102 through a through hole formed in the interlayer insulating film 105. Note that the support member 120 may be a frame-shaped structure that surrounds the space where the control electrode section 140 is formed. Further, the support member 120 may be in a state of supporting a predetermined portion of the frame 130.
[0018]
The frame section 130 supports a movable structure including a mirror 131 and a movable frame 132. The mirror 131 is, for example, a disk having a diameter of about 500 μm, and a reflection surface is formed on one of the surfaces. The movable frame 132 is a ring-shaped member. The reflection surface may be formed on a part of the mirror 131. The frame portion 130, the movable frame 132, and the mirror 131 may be made of a conductive material such as gold. In this case, the mirror 131 becomes a movable electrode that is electrically connected to the above-described wiring layer via the support member 120. Note that the movable frame 132, the mirror 131, and the like may be made of an insulating material, and a metal film may be formed on the surface to provide a movable electrode on the mirror 131.
[0019]
As described above, in the movable structure rotatably supported by the frame portion 130, as shown in FIG. 1B, first, the movable frame 132 is formed by a pair of connection portions (connection members) 161. Are supported on the inside of the frame portion 130 via the. The movable frame 132 is rotatable around a rotation axis passing through the pair of connecting portions 161. Further, the mirror 131 is supported inside the movable frame 132 via a pair of mirror connecting portions (mirror connecting members) 162. The mirror 131 is rotatable around a rotation axis passing through a pair of mirror connecting portions 162. Each connecting portion is a rod-shaped or plate-shaped spring member, such as a torsion bar spring, which is elastically deformed by being twisted. In the present embodiment, the torsion bar springs are arranged so that the rotation axis passing through the pair of connection portions 161 and the rotation axis passing through the pair of mirror connection portions 162 are orthogonal to each other.
[0020]
On the other hand, on the semiconductor substrate 101 below the mirror 131, a control electrode unit (fixed electrode) 140 for controlling the turning operation of the mirror 131 is formed via the interlayer insulating films 102 and 105. In the present embodiment, control electrode portion 140 is made of a conductive material such as gold, and is electrically connected to predetermined wiring layer 104 formed on interlayer insulating film 102 through a through hole formed in interlayer insulating film 105. Connected.
[0021]
Further, in the optical switch device of FIG. 1A, the control circuit 150 is configured as a part of an integrated circuit (not shown) formed on the semiconductor substrate 101. The control circuit 150 induces electric charge between the selected control electrode unit 140 and the mirror 131 by, for example, generating a predetermined potential difference between any of the control electrode units 140 and the mirror 131 serving as a movable electrode. The mirror 131 is rotated by applying a Coulomb force to these charges.
[0022]
The mirror 131 stops at a position where the torque around the rotation axis due to the electrostatic force acting on the induced electric charge and the reverse torque generated in the connection portions 161 and the mirror connection portion 162 by the rotation of the movable portion are balanced. . Further, the control circuit 150 eliminates the potential difference between the control electrode and the mirror 131 and discharges the electric charge generated in the mirror 131, thereby eliminating the turning state of the mirror 131.
[0023]
Here, the movable structure will be described in more detail. The movable frame 132 acts like two torsion bar springs provided on the shaft so as to be rotatable about a predetermined axis passing through the center of the movable portion opening area 301 of the frame portion 130. The pair of connecting portions 161 hang and hang on the frame portion 130. The mirror 131 is provided at two positions on the orthogonal axis so as to be rotatable around an orthogonal axis orthogonal to the axis through the center of the movable portion opening area 301 of the frame portion 130. A pair of mirror connecting portions 162 acting like a torsion bar spring suspends from the movable frame 132 and is axially attached thereto.
[0024]
In addition, the frame portion 130 has a connecting portion region (notch) 302 in which a part of the connecting portion 161 is disposed toward the movable portion opening region 301 in which the movable frame 132 and the mirror 131 are disposed. Prepare. Further, the movable frame 132 includes a mirror connecting portion area (notch) 322 in which a part of the mirror connecting portion 162 is provided toward the mirror opening area 321 in which the mirror 131 is provided.
[0025]
Therefore, according to the present embodiment, a portion of the pair of connecting portion regions 302 that is longer than the other region (D1) with the peripheral end of the movable frame 132 is provided in a part of the frame portion 130. Similarly, a part of the movable frame 132 that is longer than the other area (D2) by the pair of mirror connection areas 322 with respect to the peripheral edge of the mirror 131 is provided. Note that the two connecting portion regions 302 are arranged on an axis through which the connecting portion 161 passes, and the two mirror connecting portion regions 322 are arranged on an axis through which the mirror connecting portion 162 passes.
[0026]
With such a configuration, according to the present embodiment, movable frame 132 is connected to frame portion 130 by connection portion 161 longer than gap D1 between frame portion 130 and movable frame 132. Further, the mirror 131 is connected to the movable frame 132 by the mirror connecting portion 162 longer than the gap D2 between the movable frame 132 and the mirror 131.
[0027]
For example, when the mirror 131 is rotated around an axis passing through the mirror connecting portion 162, a reverse torque generated in the mirror connecting portion 162 repels a torque around the rotation axis due to an electrostatic force acting on the induced charges. I do. Therefore, as the reverse torque (spring force) generated in the mirror connecting portion 162 is smaller, the mirror 131 rotates with a smaller force. In the present embodiment, as described above, the mirror connecting portion 162 is longer than the interval D2, and the torque in the opposite direction is smaller than when the connecting portion is configured with the length of the interval D2. The mirror 131 can be rotated with a small force. This is the same for the connecting portion 161.
[0028]
By the way, if the gap D2 is made longer (wider), the mirror connecting portion 162 can be made longer. However, when the distance D2 is increased, a region that does not function as a reflection portion occupies a wider region in the entire mirror element. This is contrary to the direction in which the area of the mirror 131 is made as large as possible to make the entire mirror element finer. The same applies to the connecting portion 161. If the distance D1 is made longer, the connecting portion 161 can be made longer, but a useless area increases.
[0029]
On the other hand, in the present embodiment, by providing the connection portion region 302 in the frame portion 130 and providing the connection portion region 322 in the movable frame 132, the connection portions 161 and the mirrors can be provided without widening the intervals D1 and D2. Since the connecting portion 162 is lengthened, an increase in a useless area is suppressed. Further, since the width of the movable frame 132 is not narrowed (narrowed), the mechanical strength of the movable frame 132 is not reduced.
[0030]
[Embodiment 2]
Next, another embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the frame portion 130, the movable frame 132, and the mirror 131 are configured as shown in the plan view of FIG. The other parts are the same as those in FIG.
In the present embodiment, each of the pair of mirror connecting regions 322 provided on the movable frame 132 has a mirror connecting portion provided with an extending portion 262a in a direction different from the axis YY ′ passing through the center of the movable portion opening region 301. 262. Similarly, each of the pair of connecting portion regions 302 provided in the frame portion 130 is provided with a connecting portion 261 having an extending portion 261a in a direction different from the direction of an axis passing through the center of the movable portion opening region 301. did. Each connecting portion is a rod-shaped or plate-shaped spring member, such as a torsion bar spring, which is elastically deformed by being twisted.
[0031]
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to make the connecting portions 261 and the mirror connecting portions 262 longer than the connecting portions 161 and the mirror connecting portions 162 shown in FIG. As a result, according to the present embodiment, it is possible to control the spring force of the connecting portion 261 and the mirror connecting portion 262 in a wider range.
[0032]
[Embodiment 3]
Next, another embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the frame portion 130, the movable frame 132, and the mirror 131 are configured as shown in the plan view of FIG. The other parts are the same as those in FIG.
In the present embodiment, each of the pair of mirror connecting portion regions 322 provided on the movable frame 132 is provided with the mirror connecting portion 362. First, mirror connecting portion 362 of the present embodiment includes extending portion 362a extending in a direction different from axis YY ′ passing through the center of movable portion opening region 301. Further, the mirror connecting portion 362 includes an extending portion 362b including a plurality of bent portions in which irregularities are alternately arranged in a direction different from the axis YY '. Here, the extending portions 362a and 362b extend in a direction perpendicular to the axis YY '.
[0033]
Similarly, in the present embodiment, each of the pair of connecting portion regions 302 provided in the frame portion 130 has an extending portion 361 a extending in a direction different from the direction of an axis passing through the center of the movable portion opening region 301. , 361b. The extending portion 361b is constituted by a plurality of bent portions in which irregularities are alternately arranged substantially in the direction of the axis YY '.
According to the present embodiment, similarly to the embodiment shown in FIG. 2, the lengths of the connecting portion 361 and the mirror connecting portion 362 can be controlled in a wide range. Further, according to the present embodiment, there are provided the extending portions 361b and 362b formed of a plurality of bent portions.
[0034]
For example, in the extending portion 361b, a spring force is generated in the extending direction (the direction of the YY 'axis in FIG. 3B). As a result, for example, when the present optical switch device is used in a state where gravity is applied in the direction of the YY ′ axis in FIG. 3B, the movable frame 132 is displaced by the above-mentioned gravity and the end portion is moved to the inner edge of the frame portion 130. Can be suppressed by the pair of connecting portions 361.
In the above description, the extending portion 361b and the extending portion 362b are formed in a zigzag shape with a plurality of rectangular bent portions, but the present invention is not limited to this. The extending portion 361b and the extending portion 362b may be provided with a plurality of triangular bent portions, formed in a zigzag shape, and shaped like a saw tooth.
[0035]
[Embodiment 4]
By the way, in the embodiment described above, the circular (disk-shaped) mirror 131 is used, and the ring-shaped movable frame 132 is used. However, the present invention is not limited to this. It may be used.
However, when the rectangular mirror is rotated, one side of the rectangle approaches a fixed region where the lower control electrode and the like are fixed. For this reason, with a rectangular mirror, the risk of contact with the fixed area increases.
[0036]
When a metal film is formed on the surface of the mirror 131 to form a reflection surface, stress generated in the formed metal film is uniformly applied to the circular mirror 131. If the mirror is rectangular, the stress may not be applied uniformly and the mirror may be deformed.
From the above, it is preferable that the mirror 131 be circular (disc). As described above, when the mirror 131 has a circular shape, the connecting portion may have an arc shape as described below.
[0037]
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, a pair of circular arc-shaped connecting portions 422 are provided on the movable frame 132, and each of these is centered on an intersection where two axes around which the mirror 131 rotates are orthogonal. The mirror connecting portion 462 having the extending portion 462a extending in the circumferential direction is provided. Similarly, a pair of arc-shaped connecting portion regions 402 are provided in the frame portion 130, and each of them has a connecting portion 461 provided with an extending portion 461a extending in a circumferential direction around the intersection. I made it. The other parts are the same as those in FIG.
[0038]
As shown in FIG. 4, by extending the extending portion 462a in the circumferential direction of the ring-shaped movable frame 132, it is possible to make the extending portion 462a longer than in the case of extending linearly. It becomes. As described above, since the length of the connecting portion can be made longer, according to the present embodiment, the degree of freedom in designing the connecting portion can be improved.
[0039]
In addition, when the extending portion of the connecting portion is linearly extended, when gravity is applied as shown in FIG. 5A, the extending portion is deformed in a direction in which the points A and B approach, and in some cases, , Point A and point B contact. When such a contact state occurs, the turning operation of the mirror and the movable frame is hindered.
On the other hand, when the extending portion of the connecting portion is extended in an arc shape, the points A ′ and B ′ extend so as to move in the same direction even when gravity is applied as shown in FIG. Since the existing portion is deformed, contact between the point A ′ and the point B ′ hardly occurs.
It is needless to say that a zigzag region having a plurality of bent portions may be provided in the arc-shaped extending portion shown in FIG. 4 as shown in FIG. Absent.
[0040]
In the above description, for example, as shown in FIG. 1B, the connecting portion 161 is disposed inside the connecting portion region 302 formed in the frame portion 130 from the side of the movable portion opening region 301. However, it is not limited to this. For example, as shown in FIG. 6, a connecting portion area 602 may be formed in the movable frame 132, and the connecting portion 661 may be provided inside the connecting portion region 602. This is the same for the embodiments shown in FIGS. 2, 3 and 4. By doing so, for example, the width of the frame portion 130 can be further reduced, and the switch element can be further reduced in size.
[0041]
In the above-described embodiment, the movable frame and the mirror inside the movable frame are arranged in the frame portion, and the mirror can be operated in two axes. However, the present invention is not limited to this. The same applies to the case where only the mirror is arranged in the frame portion, the mirror is rotatably supported by a pair of connecting portions in the frame portion, and the above-described embodiment is applied to a mirror that operates uniaxially.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the connecting portion for connecting the frame portion and the movable structure is arranged in the notch formed in the frame portion from the side of the opening region. As a result, according to the present invention, the movable structure is connected to the frame by the connection portion longer than the gap between the frame portion and the movable structure, and the movable structure is reflected with a smaller force around the axis through which the connection portion passes. The mirror having the portion can be rotated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view (a) and a plan view (b) showing a configuration example of an optical switch device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view showing a partial configuration example of an optical switch device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic plan view showing a partial configuration example of an optical switch device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic plan view showing a partial configuration example of an optical switch device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view partially showing a configuration of a connecting portion.
FIG. 6 is a schematic plan view showing a partial configuration example of an optical switch device according to another embodiment of the present invention.
7A and 7B are a schematic cross-sectional view and a plan view showing a configuration example of a conventional optical switch device.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 101 semiconductor substrate, 102 interlayer insulating film, 103 connection electrode, 104 wiring layer, 105 interlayer insulating film, 120 support member, 130 frame portion, 131 mirror, 132 movable frame, 140 control electrode Reference numeral 150, a control circuit, 161, a connecting portion, 162, a mirror connecting portion, 301, a movable portion opening region, 302, a connecting portion region (notch), 321, a mirror opening region, 322, a mirror connecting portion region.

Claims

A frame member separately supported on the substrate via the support member, and supported rotatably about a rotation axis passing through these through at least a pair of connecting members in an opening region of the frame member. An optical switch device comprising at least a plate-shaped movable structure, wherein a reflection part is provided in a part of the movable structure, and the reflection part is displaced by rotation of the movable structure to perform an optical switch operation. At
The optical switch device, wherein the connecting member is disposed in a notch formed in the frame member from the side of the opening region.

The optical switch device according to claim 1,
The movable structure includes a movable frame having an opening area, and a mirror provided in the opening area of the movable frame and provided with the reflection unit,
The mirror is supported by the movable frame so as to be rotatable around a rotation axis passing therethrough via a pair of mirror connection members,
The optical switch device, wherein the mirror connecting member is disposed in a notch formed in the movable frame from a side where the mirror is disposed.

A frame member separately supported on the substrate via the support member, and supported rotatably about a rotation axis passing through these through at least a pair of connecting members in an opening region of the frame member. A movable frame having a plate-shaped opening area, and a movable frame disposed in the opening area of the movable frame and supported by the movable frame so as to be rotatable around a rotation axis passing therethrough via a pair of mirror connecting members. An optical switch device comprising at least a mirror provided with a reflection unit, and performing an optical switch operation by displacing the reflection unit by rotation of the mirror,
The mirror connecting member is disposed in a notch formed in the movable frame from a side where the mirror is disposed,
The optical switch device, wherein the connecting member is disposed in a notch formed in the movable frame from a side of the opening region.

The optical switch device according to claim 2 or 3,
The optical switch device, wherein the mirror connecting member includes an extending portion extending in a direction different from a direction of a rotation axis passing through the pair of mirror connecting members.

The optical switch device according to claim 4,
An optical switch device, wherein the extending portion of the mirror connecting member is formed in a zigzag shape with a plurality of bent portions in at least a part thereof.

The optical switch device according to any one of claims 2 to 5,
The movable frame is formed in a ring shape,
The optical switch device, wherein the mirror is formed in a circular shape.

The optical switch device according to claim 6,
The optical switch device, wherein the connecting member includes an extending portion extending in a circumferential direction of the movable frame formed in a ring shape.

The optical switch device according to claim 6 or 7,
The optical switch device, wherein the mirror connecting member includes an extending portion that extends in a circumferential direction of the circular mirror.

The optical switch device according to claim 1,
The optical switch device, wherein the movable structure is formed in a circular shape.

The optical switch device according to claim 9,
The optical switch device, wherein the connecting member includes an extending portion extending in a circumferential direction of the circular movable structure.

The optical switch device according to claim 10,
An optical switch device, wherein the extending portion of the connecting member is formed in a zigzag shape with a plurality of bent portions in at least a part thereof.

The optical switch device according to any one of claims 1 to 9,
The optical switch device, wherein the connecting member includes an extending portion extending in a direction different from a direction of a rotation axis passing through the pair of connecting members.

The optical switch device according to claim 12,
An optical switch device, wherein the extending portion of the connecting member is formed in a zigzag shape with a plurality of bent portions in at least a part thereof.