JP2004338045A

JP2004338045A - Micro-actuator array, and micro-actuator device, optical switch array and optical switch system using the same

Info

Publication number: JP2004338045A
Application number: JP2003138021A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Akagawa; 圭一赤川; Junji Suzuki; 純児鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP4329402B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enlarge the movable range of a movable part without applying high voltage or impairing miniaturization, and to reduce power consumption and moreover to reduce the flowing amount of current. <P>SOLUTION: A plurality of micro-actuators are arranged in m-rows and n-columns. Each micro-actuator has a capacitor Cmn for electrostatic force formed of a fixed electrode and a movable electrode, and a coil Lmn forming a current path for Lorentz's force. The fixed electrodes of the capacitors are electrically connected in common to terminals CDn for every row. The movable electrodes of the capacitors Cmn are electrically connected in common to a terminal CUm for every column. The coils Lmn are electrically connected in series for every column, and one ends are connected to terminals Lm, while the other ends are connected to terminals LO. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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アレー、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ装置、光スイッチアレー及び光スイッチシステムに関するものである。このような光スイッチアレーは、例えば、光通信などに利用することができるものである。
【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】
また、複数のマイクロアクチュエータを備えたマイクロアクチュエータアレーにおいては、小型化等の観点から電流容量にも制約が大きいことから、流れる電流量が極力少ないことが好ましい。
【００２０】
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、流れる電流量を低減することができるマイクロアクチュエータアレー、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ装置、光スイッチアレー及び光スイッチシステムを提供することを目的とする。
【００２１】
【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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。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。
【００２４】
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比較的大きいが、可動部の移動のみをローレンツ力で行い、可動部を静電力で所定位置に保持している際にローレンツ駆動を行わなければ、前述した常時ローレンツ力駆動する場合の消費電力に比べて、大幅に低減される。
【００２５】
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。
【００２６】
また、このようなマイクロアクチュエータを複数備えたマイクロアクチュエータアレーを構成する場合、これらのマイクロアクチュエータのうちの２つ以上のマイクロアクチュエータのローレンツ力用電流経路を電気的に直列に接続しても、個々のマイクロアクチュエータを適切に作動させることができることを、見出した。そして、２つ以上のマイクロアクチュエータのローレンツ力用電流経路を電気的に直列に接続しておくと、前記２つ以上のマイクロアクチュエータのローレンツ力用電流経路に同時に電流を流す際に、各マイクロアクチュエータのローレンツ力用電流経路を電気的に独立させた場合や、前記２つ以上のマイクロアクチュエータのローレンツ力用電流経路を電気的に並列に接続した場合に比べて、流れる電流量が低減される。
【００２７】
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。
【００２８】
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アレーは、複数のマイクロアクチュエータを備えたマイクロアクチュエータアレーであって、前記各マイクロアクチュエータは、固定部に対して移動し得るように設けられた可動部と、前記固定部に設けられた第１の電極部と、前記可動部に設けられ前記第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、前記可動部に設けられ磁界内に配置されて通電によりローレンツ力を生じる電流経路と、を有し、前記複数のマイクロアクチュエータのうちの２つ以上のマイクロアクチュエータの前記電流経路が、通電された際に同じ向きのローレンツ力を生じるように、電気的に直列に接続されたものである。前記可動部は、例えば、薄膜で構成される。
【００２９】
本発明の第２の態様によるマイクロアクチュエータアレーは、前記第１の態様において、前記複数のマイクロアクチュエータが２次元マトリクス状に配置され、各行又は各列毎に、当該列又は当該行のマイクロアクチュエータの前記電流経路が、通電された際に同じ向きのローレンツ力を生じるように、電気的に直列に接続されたものである。
【００３０】
本発明の第３の態様によるマイクロアクチュエータアレーは、前記第１又は第２の態様において、各行毎に、当該行のマイクロアクチュエータの前記第１及び第２の電極部の一方が電気的に共通して接続され、各列毎に、当該列のマイクロアクチュエータの前記第１及び第２の電極部の他方が電気的に共通して接続されたものである。
【００３１】
本発明の第４の態様によるマイクロアクチュエータアレーは、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、（ａ）前記各マイクロアクチュエータに関して、前記可動部は、前記静電力が増大する第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、（ｂ）前記各マイクロアクチュエータに関して、前記電流経路は、その通電の向きに応じて、前記可動部を前記第２の位置から前記第１の位置へ移動させるような第１の向き又はその反対の第２の向きのローレンツ力を生じるように、設けられたものである。
【００３２】
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の態様によるマイクロアクチュエータアレーと、前記磁界を発生させる磁界発生部と、前記各マイクロアクチュエータの前記第１及び第２の電極部の電位及び前記電流経路に流れる電流を制御することで、前記各マイクロアクチュエータの前記可動部の位置を切り替える制御を行う制御部と、を備えたものである。
【００３３】
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５の態様において、前記制御部は、前記複数のマイクロアクチュエータのうちの少なくとも１つのマイクロアクチュエータに関し、前記可動部の前記第１の位置での保持が前記静電力によって行われるように前記第１及び第２の電極部の電位を制御し、前記可動部を前記第２の位置から前記第１の位置へ切り替える際に、前記電流経路へ前記ローレンツ力の前記第１の向きに応じた向きの電流を流し、前記可動部が前記第１の位置に前記静電力により保持された後に前記電流を遮断するものである。
【００３４】
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５又は第７の態様において、前記制御部は、前記複数のマイクロアクチュエータのうちの少なくとも１つのマイクロアクチュエータに関し、前記可動部の前記第１の位置での保持が前記静電力によって行われるように前記第１及び第２の電極部の電位を制御し、前記可動部を前記第１の位置から前記第２の位置へ切り替える際に、前記電流経路へ前記ローレンツ力の前記第２の向きに応じた向きに電流を流すものである。
【００３５】
本発明の第８の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第５乃至第７のいずれかの態様において、前記制御部は、前記複数のマイクロアクチュエータのうちの少なくとも１つのマイクロアクチュエータに関し、前記可動部の前記第１の位置での保持が前記静電力によって行われるように前記第１及び第２の電極部の電位を制御し、前記可動部を前記第１の位置から前記第２の位置へ切り替える際に、前記可動部が前記第１の位置に保持されている場合に比べて前記静電力が減少するかあるいは前記静電力が消失するように、前記第１及び第２の電極部の電位を制御するものである。
【００３６】
本発明の第９の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第５乃至第８のいずれかの態様において、前記制御部は、前記複数のマイクロアクチュエータのうちの少なくとも１つのマイクロアクチュエータに関し、前記可動部を前記第１の位置から前記第２の位置へ切り替える旨の指令を示す指令信号に同期して、前記第１及び第２の電極部間の電圧変化と、前記ローレンツ力の前記第２の向きに応じた向きの前記電流経路への電流の通電とを、ほぼ同時に開始するものである。
【００３７】
本発明の第１０の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第５乃至第９のいずれかの態様において、前記制御部は、前記第１及び第２の電極部間に交流電圧が印加されるように、前記第１及び第２の電極部の電位を制御するものである。前記交流電圧は、パルスによる交流電圧でもよいし、正弦波による交流電圧でもよい。
【００３８】
本発明の第１１の態様による光スイッチアレーは、前記第１乃至第４のいずれかの態様によるマイクロアクチュエータアレーと、前記複数のマイクロアクチュエータの前記可動部にそれぞれ設けられたミラーと、を備えたものである。
【００３９】
本発明の第１２の態様による光スイッチシステムは、前記第５乃至第１１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、前記複数のマイクロアクチュエータの前記可動部にそれぞれ設けられたミラーと、を備えたものである。
【００４０】
【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アレー、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ装置、光スイッチアレー及び光スイッチシステムについて、図面を参照して説明する。
【００４１】
［第１の実施の形態］
【００４２】
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１２１の面がＸＹ平面と平行となっている。また、Ｚ軸方向のうち矢印の向きを＋Ｚ方向又は＋Ｚ側、その反対の向きを−Ｚ方向又は−Ｚ側と呼び、Ｘ軸方向及びＹ軸方向についても同様とする。なお、Ｚ軸方向の＋側を上側、Ｚ軸方向の−側を下側という場合がある。
【００４３】
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に供給する制御部としての外部制御回路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。
【００４４】
本実施の形態では、磁石５は、図１に示すように、Ｘ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、Ｘ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。
【００４５】
光スイッチアレー１は、図１に示すように、基板１２１と、基板１２１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１２１に対するＹ軸方向の一方の側からＹ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１２１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。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。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１１１により進出及び退出可能にＺ軸方向に移動し得るように、２次元マトリクス状に基板１２１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。
【００４６】
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。
【００４７】
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９を参照して説明する。図２は、本発明の第１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２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３は、図２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２中のＸ１９−Ｘ２０線に沿った概略断面図は図３と同様となる。図４は、図２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２中のＸ１７−Ｘ１８線に沿った概略断面図は図４と同様となる。図５は、図２中のＸ１５−Ｘ１６線に沿った概略断面図である。図６は、図２中のＹ１１−Ｙ１２線に沿った概略断面図である。図７は、図２中のＹ１３−Ｙ１４線に沿った概略断面図である。図８は、図２中のＹ１５−Ｙ１６線に沿った概略断面図である。図９は、図２中のＹ１７−Ｙ１８線に沿った概略断面図である。なお、図３乃至図９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。
【００４８】
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。もっとも、本発明では、マイクロアクチュエータは、例えば、前記特許文献１と同様に、フレクチュア部による両持ち構造を有していてもよい。
【００４９】
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（第１の電極部）１２８と、を備えている。
【００５０】
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２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。
【００５１】
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２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。
【００５２】
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２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。
【００５３】
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。
【００５４】
図３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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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２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。
【００５９】
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。
【００６０】
接続部１２６におけるＡｌ膜１４２の部分が、静電力用の可動電極（第２の電極部）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。
【００６１】
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、前述した図１中の永久磁石５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。
【００６２】
以上の説明からわかるように、本実施の形態では、梁部１２４，１２５及び接続部１２６，１２７が構成する可動部が、基板１２１、固定電極１２８及び絶縁膜１２９からなる固定部に対して、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、前記可動部は、板ばねを構成する梁構成部１３２，１３４のバネ力により復帰しようとする上側位置と、接続部１２６が固定電極１２８に当接する下側位置との間を、移動し得るようになっている。前記上側位置では、可動部の可動電極（接続部１２６におけるＡｌ膜１４２）と固定部の固定電極１２８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。前記下側位置では、可動部の可動電極（接続部１２６におけるＡｌ膜１４２）と固定部の固定電極１２８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。
【００６３】
前記バネ力等により前記可動部が前記上側位置に復帰するので、以下の説明では、前記可動部が前記上側位置に復帰することをラッチ解除という場合がある。一方、前記バネ力に抗した前記静電力により前記可動部が前記下側位置に保持されるので、以下の説明では、前記可動部が前記下側位置に保持されることをラッチと呼ぶ場合がある。
【００６４】
本実施の形態では、前記電極間電圧及びローレンツ力用電流を制御することで、ミラー１２が上側位置（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、後述するように、このような制御が行われるようになっている。
【００６５】
本実施の形態では、図１０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２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１０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１０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。
【００６６】
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。
【００６７】
図１１は、本実施の形態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２乃至図９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（固定電極１２８と可動電極（接続部１２６におけるＡｌ膜１４２）とがなすコンデンサに相当）と、１個のコイル（接続部１２６におけるＡｌ膜１４３に相当）と見なせる。図１１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１１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，Ｌ１１と表記している。本実施の形態では、各コンデンサの図１１中の左側電極が固定電極、図１１中の右側電極が可動電極となっている。もっとも、任意の１つ以上のコンデンサについて、固定電極と可動電極の電気的な接続関係を入れ替えてもよいことは、言うまでもない。
【００６８】
図１１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、光スイッチ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。また、光スイッチの数が同じであっても、行数と列数を同数にする必要はないし、マトリクス配置にする必要もない。例えば、光スイッチの数が９個の場合、１行９列の配置でもよいし、光スイッチの数が１６個の場合、４行４列、１行１６列及び２行８列のいずれの配置でもよい。
【００６９】
本実施の形態で用いられている光スイッチアレーには、図１１に示すように、複数の端子ＣＤ１〜ＣＤ３からなる第１の複数の端子群、複数の端子ＣＵ１〜ＣＵ３からなる第２の端子群、複数の端子Ｌ０〜Ｌ３からなる第３の端子群が設けられている。これらの端子ＣＤ１〜ＣＤ３，ＣＵ１〜ＣＵ３，Ｌ０〜Ｌ３は、図１中の外部制御回路６に接続するための外部接続用の端子である。本実施の形態では、前述した個別脚部１２２ａ，１２２ｂの下の配線パターン１３０，１３１及び個別脚部１２３ａ，１２３ｂの下の配線パターン（図示せず）によって、図１１に示す電気的な接続が実現されている。端子ＣＤ１〜ＣＤ３，ＣＵ１〜ＣＵ３，Ｌ０〜Ｌ３は、例えば、これらの配線パターンの一部を電極パッドとすることにより構成することができる。なお、個別脚部１２２ａの下の配線パターン１３０及び脚部１２３ａの下の配線パターンのいずれか一方は、必ずしも用いる必要はない。
【００７０】
また、図１１では、第１の端子群の端子ＣＤ１〜ＣＤ３の数が光スイッチの行数と同じく３個とされ、第２の端子群の端子ＣＵ１〜ＣＵ３の数が光スイッチの列数と同じく３個とされている。もっとも、第１及び第２の端子群の端子数は、光スイッチの行数や列数と必ずしも同一にする必要はなく、例えば、下記の条件（ａ）〜を満たせばよい。すなわち、（ａ）各マイクロアクチュエータ１１１に関して、当該マイクロアクチュエータ１１１の固定電極１２８が、前記第１及び第２の端子群のうちの一方の端子群のいずれか１つの端子に電気的に接続されるとともに前記第１及び第２の端子群の他の端子に電気的に接続されないこと、（ｂ）各マイクロアクチュエータ１１１に関して、当該マイクロアクチュエータ１１１の可動電極が、前記第１及び第２の端子群のうちの他方の端子群のいずれか１つの端子に電気的に接続されるとともに前記第１及び第２の端子群の他の端子に電気的に接続されないこと、（ｃ）各マイクロアクチュエータ１１１に関して、当該マイクロアクチュエータ１１１の前記固定電極１２８に電気的に接続された第１又は第２の端子群の１つの端子と当該マイクロアクチュエータ１１１の可動電極に電気的に接続された前記第１又は第２の端子群の１つの端子との組み合わせは、当該マイクロアクチュエータ１１１に固有のものとなること、（ｄ）前記第１の端子群の少なくとも１つの端子が、当該光スイッチアレーに搭載されている複数のマイクロアクチュエータ１１１のうちの２つ以上のマイクロアクチュエータ１１１の固定電極１２８又は可動電極に、共通して電気的に接続されること、（ｅ）前記第２の端子群の少なくとも１つの端子が、当該光スイッチアレーに搭載されている複数のマイクロアクチュエータ１１１のうちの２つ以上のマイクロアクチュエータ１１１の固定電極１２８又は可動電極に、共通して電気的に接続されること、の各条件を満たせばよい。
【００７１】
前記条件（ａ）〜（ｅ）を満たす一例として、図１１に示す例では、１行目のコンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３の固定電極１２８は、第１の端子群の端子ＣＤ１に共通して電気的に接続され、その他の端子には電気的に接続されていない。２行目のコンデンサＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３の固定電極１２８は、第１の端子群の端子ＣＤ２に共通して電気的に接続され、その他の端子には電気的に接続されていない。３行目のコンデンサＣ３１，Ｃ３２，Ｃ３３の固定電極１２８は、第１の端子群の端子ＣＤ３に共通して電気的に接続され、その他の端子には電気的に接続されていない。このように、図１１に示す例では、各行毎に、当該行のマイクロアクチュエータ１１１の固定電極１２８が電気的に共通して接続されている。また、１列目のコンデンサＣ１１，Ｃ２１，Ｃ３１の可動電極は、第２の端子群の端子ＣＵ１に共通して電気的に接続され、その他の端子には電気的に接続されていない。２列目のコンデンサＣ１２，Ｃ２２，Ｃ３２の可動電極は、第２の端子群の端子ＣＵ２に共通して電気的に接続され、その他の端子には電気的に接続されていない。３列目のコンデンサＣ１３，Ｃ２３，Ｃ３３の可動電極は、第２の端子群の端子ＣＵ３に共通して電気的に接続され、その他の端子には電気的に接続されていない。このように、図１１に示す例では、各列毎に、当該列のマイクロアクチュエータ１１１の可動電極が電気的に共通して接続されている。
【００７２】
また、図１１では、１列目のコイルＬ１１，Ｌ２１，Ｌ３１が直列に接続され、その一端が端子Ｌ１に他端が端子Ｌ０にそれぞれ接続されている。２列目のコイルＬ１２，Ｌ２２，Ｌ３２が直列に接続され、その一端が端子Ｌ２に他端が端子Ｌ０にそれぞれ接続されている。３列目のコイルＬ１３，Ｌ２３，Ｌ３３が直列に接続され、その一端が端子Ｌ３に他端が端子Ｌ０にそれぞれ接続されている。
【００７３】
１列目のコイルＬ１１，Ｌ２１，Ｌ３１は、端子Ｌ１，Ｌ０間に電流を流したときにこれらのコイルＬ１１，Ｌ２１，Ｌ３１に発生するローレンツ力の向きが同一になるように、電流の向きをそろえて接続されている。この点は、２列目のコイルＬ１２，Ｌ２２，Ｌ３２及び３列目のコイルＬ１３，Ｌ２３，Ｌ３３についても、同様である。本実施の形態では、電流を端子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３から端子Ｌ０に向かう方向に流したときに（この方向の電流を正の電流とする。）、マイクロアクチュエータ１１１のローレンツ力用電流経路にローレンツ力が下向きに働くように設定されている。
【００７４】
このように、図１１に示す例では、各列毎に、当該列のマイクロアクチュエータ１１１のローレンツ力用電流経路が、通電された際に同じ向きのローレンツ力を生じるように、電気的に直列に接続されている。もっとも、本発明では、各行毎に、当該行のマイクロアクチュエータ１１１のローレンツ力用電流経路を、通電された際に同じ向きのローレンツ力を生じるように、電気的に直列に接続してもよい。また、本発明では、例えば、端子Ｌ１，Ｌ０間にコイルＬ１１，Ｌ２１のみを電気的に直列に接続し、コイルＬ３１は端子Ｌ１とは別に追加した端子との間に電気的に接続してもよい。
【００７５】
なお、図１１に示す例では、端子Ｌ０を共通としているが、端子Ｌ０付近の配線パターンの電流容量が不足するような場合には、端子Ｌ０を複数に分けてもよい。
【００７６】
なお、本実施の形態で用いられている光スイッチアレーには、図１１に示すように、アドレス回路や列選択スイッチや行選択スイッチ等は搭載されていない。
【００７７】
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、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。なお、ミラー１２は、例えば、前記特許文献１に開示されているように、ミラー１２に対応する凹所をレジストに形成した後、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、その後に前記レジストを除去することで、形成することができる。
【００７８】
本実施の形態では、図１中の外部制御回路６は、前記端子ＣＤ１〜ＣＤ３，ＣＵ１〜ＣＵ３，Ｌ０〜Ｌ３に接続され、端子ＣＤ１〜ＣＤ３，ＣＵ１〜ＣＵ３の電位をそれぞれ独立して制御するとともに、端子Ｌ１〜Ｌ３に流れる電流をそれぞれ独立して制御することで、前記光スイッチアレーの各光スイッチの光路切換状態を制御する。外部制御回路６は、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、各端子ＣＤ１〜ＣＤ３，ＣＵ１〜ＣＵ３に与える電位及び端子Ｌ１〜Ｌ３に流す電流として供給し、その光路切換状態を実現する。なお、外部制御回路６の具体的な回路構成自体は、以下に説明する動作例から明らかである。
【００７９】
図１２は、外部制御回路６が各端子ＣＤ１〜ＣＤ３，ＣＵ１〜ＣＵ３に与える電位、及び、各端子Ｌ１〜Ｌ３を経由して各コイルに流す電流のタイミングチャートの一例を示すものである。図１２に示す例では、外部制御回路６は、第１の端子群の端子ＣＤ１〜ＣＤ３には２つの電位Ｖｈ，Ｖｍ１のいずれかの電位を与え、第２の端子群の端子ＣＵ１〜ＣＵ３には２つの電位Ｖｍ２，ＶＬのいずれかの電位を与える。ここで、電位Ｖｈ，Ｖｍ１，Ｖｍ２，ＶＬは、Ｖｈ＞Ｖｍ１≧Ｖｍ２＞ＶＬの関係を満たしている。各端子Ｌ１〜Ｌ３には、Ｉ１（下向きのローレンツ力が生ずる方向の電流），−Ｉ２（上向きのローレンツ力が生ずる方向の電流）のいずれかの電流が流されるか、あるいは、電流がながされない（電流ゼロ）。
【００８０】
図１２に示す例では、時刻ｔ１以前は、各端子ＣＤ１〜ＣＤ３の電位がＶｈとされ、各端子ＣＵ１〜ＣＵ３の電位がＶＬとされ、端子Ｌ１〜Ｌ３には電流が流れておらず、９個の全てのアクチュエータ１１１がラッチ解除状態（可動部が上側位置に位置する状態）になっているものとする。
【００８１】
時刻ｔ１から時刻ｔ２の間に、端子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に電流Ｉ１が流され、９個の全てのアクチュエータ１１１の可動部が下方向（基板１２１側、すなわち、固定電極１２８と可動電極の間隔が狭くなる方向）に動かされる。これにより、全てのアクチュエータ１１１の固定電極１２８と可動電極の間隔が狭くなり、両電極間の静電力がある一定値を越えると、その静電力によって、全てのアクチュエータ１１１の可動部が下側位置にラッチされる。
【００８２】
時刻ｔ３から時刻ｔ４の間では、端子ＣＤ１の電位がＶｈからＶｍ１に下げられ、端子ＣＵ１の電位がＶＬからＶｍ２に上昇され、さらに、端子Ｌ１に電流−Ｉ２が流される。これにより、図１１中のコンデンサＣ１１の電極間電圧はＶｈ−ＶＬからＶｍ１−Ｖｍ２に低下する。コンデンサＣ１１の電極間電圧の低下に伴い、コンデンサＣ１１の両電極間の静電力も低下する。一方、電流−Ｉ２によるローレンツ力は、固定電極と可動電極を引き離す方向に働く。ここで、ローレンツ力とバネ力が引き離す方向で、静電力が引き合う方向の力であり、引き離す方向の力が引き合う方向の力よりも強くなるように設定するとラッチが解除され、コンデンサＣ１１の固定電極と可動電極が引き離される。
【００８３】
また、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間、コンデンサＣ１２，Ｃ１３の両電極間電圧はＶｍ１−ＶＬとなる。端子Ｌ２，Ｌ３には電流は流さないので、コンデンサＣ１２，１３に相当するマイクロアクチュエータ１１１のコイルＬ１２，Ｌ１３には、ローレンツ力が発生しない。よって、電圧差Ｖｍ１−ＶＬによって発生する静電力がバネ力よりも大きくなるように設定すれば、コンデンサＣ１２，Ｃ１３に相当するマイクロアクチュエータ１１１のラッチは維持される。
【００８４】
さらに、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間、コンデンサＣ２１、Ｃ３１の両電極間電圧はＶｈ−Ｖｍ２となる。端子Ｌ１には電流−Ｉ２が流れているので、コンデンサＣ２１、Ｃ３１に相当するマイクロアクチュエータ１１１のコイルＬ２１，Ｌ３１には、上向きのローレンツ力が発生する。よって、電圧Ｖｈ−Ｖｍ２によって発生する静電力がこのローレンツ力とバネ力の和よりも大きくなるように設定すれば、コンデンサＣ２１，Ｃ３１に相当するマイクロアクチュエータ１１１のラッチは維持される。
【００８５】
よって、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間に、コンデンサＣ１１に相当するマイクロアクチュエータ１１１のみがラッチが解除される。
【００８６】
時刻ｔ３から時刻ｔ４の間と同様に、時刻ｔ５からｔ６の間にコンデンサＣ２２に相当するマイクロアクチュエータ１１１のみがラッチが解除され、時刻ｔ７から時刻ｔ８の間にＣ３３の固定電極と可動電極のみがラッチが解除される。
【００８７】
ここまでで、コンデンサＣ１１，Ｃ２２，Ｃ３３に相当するマイクロアクチュエータ１１１のラッチを解除し、その他のマイクロアクチュエータ１１１のラッチを維持しているという当該光スイッチの初期のミラー配置が終了した。
【００８８】
さらに、この初期配置から一部のミラー配置を変更する手順を説明する。
【００８９】
時刻ｔ９から時刻ｔ１０の間に、端子Ｌ１に電流Ｉ１が流され、コンデンサＣ１１に相当するマイクロアクチュエータ１１１の可動部が下方向（基板１２１側、すなわち、固定電極１２８と可動電極の間隔が狭くなる方向）に動かされる。これにより、コンデンサＣ１１に相当するアクチュエータ１１１の固定電極１２８と可動電極の間隔が狭くなり、両電極間の静電力がある一定値を越えると、その静電力によって、コンデンサＣ１１に相当するアクチュエータ１１１の可動部が下側位置にラッチされる。
【００９０】
時刻ｔ１１から時刻ｔ１２の間に、端子Ｌ２に電流Ｉ１が流され、コンデンサ２２に相当するアクチュエータ１１１の可動部が下方向（基板１２１側、すなわち、固定電極１２８と可動電極の間隔が狭くなる方向）に動かされる。これにより、コンデンサＣ２２に相当するアクチュエータ１１１の固定電極１２８と可動電極の間隔が狭くなり、両電極間の静電力がある一定値を越えると、その静電力によって、コンデンサＣ２２に相当するアクチュエータ１１１の可動部が下側位置にラッチされる。
【００９１】
時刻ｔ１３から時刻ｔ１４の間では、端子ＣＤ２の電圧がＶｈからＶｍ１に下げられ、端子ＣＵ１の電位がＶＬからＶｍ２に上昇され、さらに、端子Ｌ１に電流−Ｉ２が流される。これにより、図１１中のコンデンサＣ２１の電極間電圧はＶｈ−ＶＬからＶｍ１−Ｖｍ２に低下する。コンデンサ２１の電極間電圧の低下に伴い、コンデンサＣ２１の両電極間の静電力も低下する。一方、電流−Ｉ２によるローレンツ力は、固定電極と可動電極を引き離す方向に働く。ここで、ローレンツ力とバネ力が引き離す方向で、静電力が引き合う方向の力であり、引き離す方向の力が引き合う方向の力よりも強くなるように設定するとラッチが解除され、コンデンサＣ２１の固定電極と可動電極が引き離される。このとき、その他のコンデンサに相当するマイクロアクチュエータ１１１は、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間と同様に、ラッチが維持される。
【００９２】
時刻ｔ１５から時刻ｔ１６の間では、端子ＣＤ１の電圧がＶｈからＶｍ１に下げられ、端子ＣＵ２の電位がＶＬからＶｍ２に上昇され、さらに、端子Ｌ２に電流−Ｉ２が流される。これにより、図１１中のコンデンサＣ１２の電極間電圧はＶｈ−ＶＬからＶｍ１−Ｖｍ２に低下する。コンデンサ１２の電極間電圧の低下に伴い、コンデンサＣ１２の両電極間の静電力も低下する。一方、電流−Ｉ２によるローレンツ力は、固定電極と可動電極を引き離す方向に働く。ここで、ローレンツ力とバネ力が引き離す方向で、静電力が引き合う方向の力であり、引き離す方向の力が引き合う方向の力よりも強くなるように設定するとラッチが解除され、コンデンサＣ１２の固定電極と可動電極が引き離される。このとき、その他のコンデンサに相当するマイクロアクチュエータ１１１は、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間と同様に、ラッチが維持される。
【００９３】
以上で、コンデンサＣ２１，Ｃ１２，Ｃ３３に相当するマイクロアクチュエータ１１１のラッチを解除し、その他のマイクロアクチュエータ１１１のラッチを維持しているという当該光スイッチのミラー配置の変更が終了した。
【００９４】
以上の動作説明から、所望の光路切換状態を適切に実現することができることがわかる。
【００９５】
次に、前述した動作に関わる駆動条件について説明する。
【００９６】
ここで、図１１中の９組のコンデンサ及びコイルに相当する９個のマイクロアクチュエータ１１１について、以下の電圧を定義する。
【００９７】
まず、ローレンツ力用電流−Ｉ２無しの場合のラッチ解除電圧をＶ０とする。この電圧Ｖ０は、コイルにローレンツ力用電流を流さずに、ラッチ状態の固定電極と可動電極との間の電圧を下げていったときに、バネ力が静電力より大きくなってラッチが解除される電極間電圧（絶対値）である。この電圧Ｖ０は、９個のマイクロアクチュエータ１１１それぞれで値が異なる場合があるので、その中の最大値をＶ０ｍａｘ、最小値をＶ０ｍｉｎと定義する。
【００９８】
次に、ローレンツ力用電流−Ｉ２ありの場合のラッチ解除電圧をＶＡとする。この電圧ＶＡは、コイルにローレンツ力用電流−Ｉ２を流して、ラッチ状態の固定電極と可動電極との間の電圧を下げていったときに、バネ力とローレンツ力との和が静電力より大きくなってラッチが解除される電極間電圧（絶対値）である。この電圧ＶＡは、９個のマイクロアクチュエータ１１１それぞれで値が異なる場合があるので、その中の最大値をＶＡｍａｘ、最小値をＶＡｍｉｎと定義する。
【００９９】
図１２に示す駆動例では時刻ｔ３から時刻ｔ４の間などでは電圧条件によって一部のマイクロアクチュエータ１１１のラッチが解除され、その他のマイクロアクチュエータ１１１のラッチが維持されている。この状況を９個のマイクロアクチュエータ１１１について成り立たせるためには、以下の数３〜数５を満足させる。
【０１００】
【数３】
Ｖｍ１−Ｖｍ２＜ＶＡｍｉｎ
【０１０１】
【数４】
Ｖｍ１−ＶＬ＞Ｖ０ｍａｘ
【０１０２】
【数５】
Ｖｈ−Ｖｍ２＞ＶＡｍａｘ
【０１０３】
数３は、ラッチ解除条件であり、例えば、図１２において時刻ｔ３から時刻ｔ４の間で、コンデンサＣ１１に相当するマイクロアクチュエータ１１１のラッチを解除するための条件である。数４は、ラッチ維持条件であり、例えば、図１２において時刻ｔ３から時刻ｔ４の間で、コンデンサＣ１２に相当するマイクロアクチュエータ１１１のラッチを維持するための条件である。数５は、他のラッチ維持条件であり、例えば、図１２において時刻ｔ３から時刻ｔ４の間で、コンデンサＣ２１に相当するマイクロアクチュエータ１１１のラッチを維持するための条件である。
【０１０４】
なお、図１１に示す例では、各列毎に当該列のマイクロアクチュエータ１１１のコイルが直列に接続されているが、その代わりに、各行毎に当該行のマイクロアクチュエータ１１１のコイルを直列に接続する場合には、数４中のＶ０ｍａｘをＶＡｍａｘで置き換え、数５中のＶＡｍａｘをＶ０ｍａｘで置き換えればよい。
【０１０５】
さらに、光スイッチの用途では、ミラー１２の移動速度が速いことが望まれる。よって、図１２中のの時刻ｔ３から時刻ｔ４の間の期間は短い方が好ましい。そのためには、可動電極の移動速度を速くしなければならない。ラッチ解除時には、可動電極はバネ力＋ローレンツ力−静電力によって移動する。よって、ローレンツ力を一定とした場合には、静電力を０としたときが最速となる。なお、ローレンツ力は、電流容量及び放熱の両方の許容範囲内で大きい方が好ましい。
【０１０６】
静電力を０とするには、Ｖｍ１＝Ｖｍ２＝Ｖｍ’とすればよい。このとき、数３〜数５は、それぞれ下記の数６〜数８となる。
【０１０７】
【数６】
０＜ＶＡｍｉｎ
【０１０８】
【数７】
Ｖｍ’−ＶＬ＞Ｖ０ｍａｘ
【０１０９】
【数８】
Ｖｈ−Ｖｍ’＞ＶＡｍａｘ
【０１１０】
数６は、ＶＡｍｉｎが正の値であるので常に成り立つ。数７及び数８を書き換えると、下記の数９となる。
【０１１１】
【数９】
Ｖｈ−ＶＡｍａｘ＞Ｖｍ’＞ＶＬ＋Ｖ０ｍａｘ
【０１１２】
試作した素子の実測値の一例として、各電圧の値は、Ｖ０ｍａｘ＝６Ｖ、Ｖ０ｍｉｎ＝５Ｖ、ＶＡｍａｘ＝８Ｖ、ＶＡｍｉｎ＝７Ｖのような値となる。これらのを数９に代入すると、下記の数１０が得られる。
【０１１３】
【数１０】
Ｖｈ−８＞Ｖｍ’＞ＶＬ＋６
【０１１４】
数１０からわかるように、Ｖｍ’をＶＬよりＶ０ｍａｘ分すなわち６Ｖ以上高くするとともに、ＶｈをＶｍよりＶＡｍａｘ分すなわち８Ｖ以上高くすればよい。
【０１１５】
本実施の形態では、図１中の外部制御回路６は、光路切替状態指令信号があるマイクロアクチュエータ１１１のラッチを解除すること（すなわち、可動部を下側位置から上側位置に切り替えること）を示す場合、この指令信号に同期して、静電力用電圧及びローレンツ力用電流変化させる。このとき、このような指令信号が発生してから最短でラッチを解除するためには、当該指令信号の入力後に直ちに可動電極と固定電極との間の電圧を変化させ、同時に電流経路にも電流−Ｉ２を流し始めるのが最も好ましい。そこで、図１２に示す例では、例えば、時刻ｔ３で、端子ＣＤ１の電位をＶｈからＶｍ１に変化させるとともに端子ＣＵ１の電位をＶＬからＶｍ２に変化させると同時に、端子Ｌ１にローレンツ力用電流−Ｉ２を流し始めている。ラッチ解除状態からラッチ状態への移行も同様であるが、この場合は、図１２に示すように電圧変化は無いので、ローレンツ力用電流−Ｉ２を指令信号と同期して流すだけでよい（例えば、図１２中の時刻ｔ１１参照）。
【０１１６】
本実施の形態によれば、マイクロアクチュエータ１１１の可動電極と固定電極との間の間隔が大きい場合（可動部を上側位置から下側位置へ移動させる際）には、ローレンツ力によって、マイクロアクチュエータ１１１の可動部を下向きに移動させている（例えば、図１２中の時刻ｔ９から時刻ｔ１０までの間）。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、マイクロアクチュエータ１１１の可動部が静電力で下側位置にラッチされた後には、ローレンツ力用電流を遮断し（例えば、図１２中の時刻ｔ１０から時刻ｔ１１までの間）、静電力のみによって可動部を下側位置に保持している。したがって、消費電力を低減することができる。
【０１１７】
このように、本実施の形態によれば、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。
【０１１８】
ここで、本実施の形態と比較される比較例について、説明する。図１３は、この比較例による光スイッチシステムの光スイッチアレーを示す電気回路図である。図１３において、図１１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。この比較例が本実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、各列毎に当該列のマイクロアクチュエータ１１１のコイルが直列に接続されているのに対し、比較例では、図１３に示すように、１列目のコイルＬ１１，Ｌ２１，Ｌ３１の一端は端子Ｌ１に共通して電気的に接続され、２列目のコイルＬ１２，Ｌ２２，Ｌ３２の一端は端子Ｌ２に共通して電気的に接続され、３列目のコイルＬ１３，Ｌ２３，Ｌ３３の一端は端子Ｌ３に共通して電気的に接続され、全てのコイルの他端は端子Ｌ０に共通して電気的に接続されている。すなわち、比較例では、各列毎に、当該列のコイルが並列に接続されている。以上説明した点以外は、この比較例も本実施の形態と同様に構成されている。
【０１１９】
この比較例の場合も、各端子に本実施の形態と同じく図１２に示す電位又は電流を与えることで、本実施の形態と同じ動作が実現される。
【０１２０】
ところが、図１３に示す比較例では、例えば端子Ｌ１，Ｌ０間で３つのコイルＬ１１，Ｌ２１，Ｌ３１が並列に接続されているため、端子Ｌ１に流れる電流量は、本実施の形態において端子Ｌ１に流れる電流量の３倍となってしまう。すなわち、本実施の形態によれば、この比較例のような場合に比べて、端子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３（したがって、それらの付近の配線パターン）にそれぞれ流れる電流量を１／３に低減することができ、流れる電流量を大幅に低減することができる。したがって、本実施の形態によれば、電流容量の制約が大きくても十分なローレンツ力を生じさせることができ、小型化等の点でも非常に有利である。
【０１２１】
また、本実施の形態によれば、図１１に示すように、複数のコイルが直列に接続されているので、各コイルの一端を１つの外部接続用の端子に共通して接続し、各コイルの他端をそれぞれ１つずつの外部接続用の端子に個別に接続するような場合に比べて、コイル接続用の端子（ローレンツ力用の端子）の数を大幅に減らすことができる。そして、本実施の形態では、コイルを選択するためのアドレス回路（Ｘアドレスデコーダ、Ｙアドレスデコーダ）等は搭載されていない。
【０１２２】
さらにまた、本実施の形態によれば、図１１に示すように、各行毎に当該行のコンデンサの一方電極が電気的に共通に接続されるとともに、各列毎に当該行のコンデンサの他方電極が電気的に共通に接続されているので、各コンデンサの他方電極をそれぞれ１つずつの外部接続用の端子に個別に接続するような場合に比べて、コンデンサ接続用の端子（静電力用の端子）の数を大幅に減らすことができる。そして、本実施の形態では、コンデンサを選択するためのアドレス回路（Ｘアドレスデコーダ、Ｙアドレスデコーダ）等は搭載されていない。
【０１２３】
なお、アドレス回路を用いれば、外部接続用の端子の数は少なくて済む。しかし、その場合には、ＣＭＯＳ等で作製したアドレス回路等を基板１２１上に搭載するので、（１）高耐圧ＭＯＳ等を用いざるを得ず、高耐圧ＭＯＳは通常のＭＯＳと比べて素子の平面寸法が大きくなるため、アクチュエータの寸法も大きくなってしまう、（２）光スイッチアレーの製造工程もＭＯＳの製造工程分だけ増えてしまうため、コスト的にも高くなる、（３）ＭＯＳ製造後に平坦化を十分に行わないとその上に作製するＭＥＭＳの形状に下地の形状が転写されてしまい、異常な動作の原因ともなるため、平坦化工程のコストが追加される、などの問題が生ずる。これに対し、本実施の形態では、光スイッチアレーにはアドレス回路等が搭載されていないので、このような問題が生じない。
【０１２４】
また、本実施の形態によれば、マイクロアクチュエータ１１１の可動部を下側位置から上側位置へ切り替える際（ラッチ解除時）に、コイル（ローレンツ力用電流経路）へ上向きのローレンツ力を生じる電流−Ｉ２を流している（例えば、図１２中の時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間）。したがって、可動部がバネ力のみによって上側位置へ復帰する場合に比べて、より高速に上側位置に復帰し、その動作速度が高まる。
【０１２５】
さらに、本実施の形態によれば、マイクロアクチュエータ１１１の可動部を下側位置から上側位置へ切り替える際（ラッチ解除時）に、可動部が下側位置に保持されている場合に比べて静電力が減少する（Ｖｍ１＞Ｖｍ２の場合）かあるいは消失する（Ｖｍ１＝Ｖｍ２の場合）ように、コンデンサの両電極の電位を制御している（例えば、図１２中の時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間）。したがって、可動部を上側位置に復帰させようとする力が、静電力により減殺されない分だけ大きくなり、可動部がより高速に上側位置に復帰し、その動作速度が高まる。
【０１２６】
［第２の実施の形態］
【０１２７】
図１４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における、外部制御回路６が各端子ＣＤ１〜ＣＤ３，ＣＵ１〜ＣＵ３に与える電位、及び、各端子Ｌ１〜Ｌ３を経由して各コイルに流す電流のタイミングチャートの一例を示すものであり、図１２に対応している。
【０１２８】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、前記第１の実施の形態では、外部制御回路６が、図１２に示すように、各期間においてコンデンサの電極間電圧として直流電圧が印加されるように、固定電極及び可動電極の電位を制御しているのに対し、本実施の形態では、図１４に示すように、各期間においてコンデンサの電極間電圧としてパルスによる交流電圧が印加されるように、固定電極及び可動電極の電位を制御している点のみである。図１４において、各時刻の各マイクロアクチュエータ１１１の可動電極の動きは、図１２の場合と同じである。
【０１２９】
本実施の形態では、固定電極に印加する電位（端子ＣＤ１，ＣＤ２，ＣＤ３に印加する電位）は、それぞれ位相が同じでデューティーが５０％のパルス波形であり、グランドレベルを中心に正負方向に振幅Ｖｈ’もしくはＶｍで対称に振れている。また、可動電極に印加する電位（端子ＣＵ１，ＣＵ２，ＣＵ３に印加する電位）は、それぞれ位相が同じだが端子ＣＤ１，ＣＤ２，ＣＤ３に印加する電位とは逆位相のパルスで、デューティーは５０％でありグランドレベルを中心に正負方向に振幅Ｖｈ’もしくはＶｍで対称に振れている。
【０１３０】
コンデンサの電極間電圧は、可動電極の電位及び固定電極の電位が共に振幅Ｖｈ’の場合は２×Ｖｈ’、一方が振幅Ｖｈ’で他方が振幅Ｖｍの場合はＶｍ＋Ｖｈ’、共に振幅Ｖｍの場合は２×Ｖｍとなる。
【０１３１】
よって数３〜数５に対応する式は、下記の数１１〜数１３のようになる。
【０１３２】
【数１１】
２×Ｖｍ＜ＶＡｍｉｎ
【０１３３】
【数１２】
Ｖｍ＋Ｖｈ’＞Ｖ０ｍａｘ
【０１３４】
【数１３】
Ｖｍ＋Ｖｈ’＞ＶＡｍａｘ
【０１３５】
当然にＶＡｍａｘ＞Ｖ０ｍａｘであるので、式１３が成立すれば、数１２は自動的に成立する。
【０１３６】
さらに、動作速度を最速にするためには振幅Ｖｍを０としたときであるので、Ｖｍ＝０を数１１及び数１３にそれぞれ代入すると、下記の数１４及び数１５が得られる。
【０１３７】
【数１４】
０＜ＶＡｍｉｎ
【０１３８】
【数１５】
Ｖｈ’＞ＶＡｍａｘ
【０１３９】
数１４は常に成立するので、数１５を満足するように振幅Ｖｈ’を設定すればよい。
【０１４０】
本実施の形態のように、図１４に示すように電位の供給する場合も、図１２に示すように電位を供給する場合と同じ動作が実現される。
【０１４１】
本実施の形態では、駆動パルスに直流成分がないため、可動電極を支持している絶縁物のチャージアップ現象を防止できる。もしチャージアップが生じると、絶縁物がチャージアップしている分の電圧が印加電圧に重なってしまい、固定電極と可動電極との間の電圧差が変化するので、正常な動作が行えなくなるが、そのような可能性がなくなり、好ましい。
【０１４２】
本実施の形態によれば、その他に、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られることは、言うまでもない。
【０１４３】
なお、本実施の形態では、各期間において各端子ＣＤ１〜ＣＤ３，ＣＵ１〜ＣＵ３に時間的にパルス状に変化する電位を与えているが、その代わりに、各期間において各端子ＣＤ１〜ＣＤ３，ＣＵ１〜ＣＵ３に時間的に正弦波状に変化する電位を与えてもよい。この場合にも、本実施の形態と同様の利点が得られる。
【０１４４】
［第３の実施の形態］
【０１４５】
図１５及び図１６は、それぞれ本発明の第３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１５はミラー１２が上側に保持されて光路に進出した状態、図１６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１５及び図１６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１７は、図１５及び図１６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。
【０１４６】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、図１５及び図１６に示すように、光導波路基板１９０が設けられている点のみである。
【０１４７】
本実施の形態では、光導波路基板１９０は、図１７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１５及び図１６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。
【０１４８】
図１５及び図１６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。
【０１４９】
なお、図１５乃至図１７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。
【０１５０】
前述した制御によって、図１６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。
【０１５１】
一方、前述した制御によって、図１５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。
【０１５２】
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。なお、本発明では、第１の実施の形態を変形して第２の実施の形態を得たのと同様に、第３の実施の形態を変形してもよい。
【０１５３】
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。
【０１５４】
例えば、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。
【０１５５】
【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、流れる電流量を低減することができるマイクロアクチュエータアレー、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ装置、光スイッチアレー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アレー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。
【図２】本発明の第１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３】図２中のＸ１１−Ｘ１２線に沿った概略断面図である。
【図４】図２中のＸ１３−Ｘ１４線に沿った概略断面図である。
【図５】図２中のＸ１５−Ｘ１６線に沿った概略断面図である。
【図６】図２中のＹ１１−Ｙ１２線に沿った概略断面図である。
【図７】図２中のＹ１３−Ｙ１４線に沿った概略断面図である。
【図８】図２中のＹ１５−Ｙ１６線に沿った概略断面図である。
【図９】図２中のＹ１７−Ｙ１８線に沿った概略断面図である。
【図１０】本発明の第１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１１】本発明の第１の実施の形態による光スイッチシステム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１２】本発明の第１の実施の形態による光スイッチシステムにおける、外部制御回路が各端子に与える電位及び電流のタイミングチャートである。
【図１３】比較例による光スイッチシステムの光スイッチアレーを示す電気回路図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態による光スイッチシステムにおける、外部制御回路が各端子に与える電位及び電流のタイミングチャートである。
【図１５】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３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１６】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３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１７】図１５及び図１６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
１２ミラー
ＣＤ１〜ＣＤ３，ＣＵ１〜ＣＵ３，Ｌ０〜Ｌ３端子
１１１マイクロアクチュエータ
１２１基板
１２８固定電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microactuator array, and a microactuator device, an optical switch array, and an optical switch system using the same. Such an optical switch array can be used, for example, for optical communication.
[0002]
[Prior art]
With the advance of micromachining technology, the importance of actuators in various fields has been increasing. An example of a field in which a microactuator is used is, for example, an optical switch used for optical communication and switching an optical path. An example of such an optical switch is, for example, an optical switch disclosed in Patent Document 1 below.
[0003]
The microactuator generally has a fixed portion and a movable portion movable by a predetermined force, and is held at a predetermined position by the predetermined force. In conventional microactuators, electrostatic force is often used as the predetermined force. For example, in a microactuator that moves a micromirror employed in an optical switch disclosed in Patent Literature 1 below, the movable portion is moved to an upper position (a position at which the micromirror reflects incident light) and a lower position ( The micromirror is moved to a position where the incident light passes as it is, and is held at that position.
[0004]
In such a microactuator utilizing electrostatic force, a first electrode portion is disposed on a fixed portion, a second electrode portion is disposed on a movable portion, and a voltage is applied between the first and second electrode portions. To generate an electrostatic force between the two.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-42233 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional microactuator using the electrostatic force as described above, since the movable portion is moved by the electrostatic force and held at a predetermined position by the electrostatic force, it is difficult to widen the movable range of the movable portion. .
[0007]
Electrostatic force F acting between parallel plate electrodes₁The following equation 1 is obtained when the dielectric constant ε, the potential difference V, the distance d between the electrodes, and the electrode area S are used.
[0008]
(Equation 1)
F₁= Ε × V²× S / 2d²
[0009]
As can be seen from Equation 1, when the distance d between the electrodes increases, the electrostatic force F is inversely proportional to the square of the distance d.₁Rapidly decreases. Therefore, in the conventional microactuator, when the distance d between the electrodes exceeds a certain distance, it is difficult to move the movable part, and it is difficult to widen the movable range of the movable part. In addition, a sufficient electrostatic force F for a large electrode distance d₁If the potential difference (the voltage between the electrodes) V is increased in order to obtain the above, a problem occurs in the dielectric strength, or a high voltage generator is required. In addition, a sufficient electrostatic force F for a large electrode distance d₁When the electrode area S is increased in order to obtain the above, the dimensions are increased, which impairs the original purpose of the microactuator of miniaturization.
[0010]
Thus, as a result of research, the inventor has come up with the idea of using Lorentz force instead of electrostatic force in a microactuator.
[0011]
Lorentz force F₂It is known that (N) is as shown in the following Expression 2 when the magnetic flux density is B (T), the length of the electric wire is L (m), and the current is I (A).
[0012]
(Equation 2)
F₂= I × B × L
[0013]
Since there is no item defining the position of the electric wire in Equation 2, even if the position of the electric wire changes, the generated Lorentz force F₂Does not change.
[0014]
In the microactuator, if a current path corresponding to the electric wire is provided in the movable section, a magnetic field is applied to the current path, and a current flows through the current path, Lorentz force can be applied to the movable section. Even if the movable range of the movable portion is wider than before, it is easy to apply a substantially uniform magnetic field in that range, for example, by using a magnet. Therefore, even if the movable range of the movable part is wide, a constant force can be applied to the movable part regardless of the position of the movable part. That is, in the microactuator, when the Lorentz force is used instead of the electrostatic force, a constant driving force can be obtained irrespective of the position of the movable part, unlike the case of using the electrostatic force in which the driving force changes depending on the position of the movable part. Can be done in principle.
[0015]
For example, if the electrode spacing is 50 μm, the electrode shape is 50 μm square, the voltage is 5 V, and the dielectric constant is 1, the electrostatic force F₁Is 0.1 nN. On the other hand, if a current path having a length of 50 μm is formed on a 50 μm square electrode and a magnetic field having a magnetic flux density of 0.1 T is applied, a Lorentz force of 5 nN is generated when a current of 1 mA flows. In order to obtain a force of 5 nN or more by electrostatic force, the electrode spacing must be 7 μm or less or the electrode shape must be 350 μm or more. Lorentz force may be more advantageous to obtain the same driving force. Understand.
[0016]
For example, if a 20 mm square neodymium iron boron-based magnet is disposed at a position 2 mm away from the microactuator, a magnetic flux density of 0.1 T can be easily obtained.
[0017]
As described above, when the Lorentz force is used instead of the electrostatic force in the microactuator, the movable range of the movable portion can be increased without applying a high voltage or impairing miniaturization.
[0018]
However, it has been found that a new problem occurs when the Lorentz force is used instead of the electrostatic force in the microactuator. That is, when the Lorentz force is used instead of the electrostatic force, the movable portion is moved to a predetermined position by the Lorentz force, and the movable portion is kept at that position by the Lorentz force. Therefore, since the current for generating the Lorentz force is constantly supplied, the power consumption is significantly increased.
[0019]
In a microactuator array including a plurality of microactuators, since the current capacity is greatly restricted from the viewpoint of miniaturization and the like, it is preferable that the amount of flowing current is as small as possible.
[0020]
The present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to increase the movable range of the movable unit and reduce power consumption without applying a high voltage or impairing miniaturization. It is an object of the present invention to provide a microactuator array capable of reducing the amount of flowing current and a microactuator device, an optical switch array and an optical switch system using the same.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
As a result of further research, the present inventor has found that the above-described object can be achieved by configuring the microactuator so that the use of electrostatic force and the use of Lorentz force can be combined. That is, in a microactuator including a fixed part and a movable part provided to be movable with respect to the fixed part, an electrode part for allowing an electrostatic force to act on the movable part is formed by the fixed part and the movable part. It has been found that the above-mentioned object can be achieved by providing a current path for applying a Lorentz force to the movable section in each of the movable sections.
[0022]
By adopting this means, for example, when the distance between the electrode part of the movable part and the electrode part of the fixed part is large, the movable part is moved only by Lorentz force, and the electrode part of the movable part and the electrode part of the fixed part are moved. When the distance from the moving part becomes small, it becomes possible to hold the movable part only by electrostatic force. Thus, the movable range of the movable section can be expanded without applying a high voltage or impairing the size reduction, and the power consumption can be reduced.
[0023]
In the electrostatic driving, since the capacitor is electrically charged and discharged, power consumption occurs only at the time of charging and discharging, that is, at the time of voltage change. Therefore, unlike a microactuator used for an optical switch or the like, the movable part does not move frequently, and the movable part is held at a predetermined position (a position where the distance between the electrode part of the fixed part and the electrode part of the movable part is small). In the case where the period of time is relatively long, if the force for holding the movable portion at the predetermined position is generated only by the electrostatic force, the power consumption can be greatly reduced. In addition, at a position where the distance between the electrode part of the fixed part and the electrode of the movable part is small, a sufficient amount of electrostatic force can be obtained even if the voltage between them is relatively low and the electrode area is relatively small. Can be
[0024]
In the Lorentz force drive, a constant drive force can be obtained regardless of the position of the movable part. Therefore, if the movable part is moved by the Lorentz force, the movable range can be expanded. Although the power consumption of the Lorentz force is relatively large, only the movement of the movable part is performed by the Lorentz force, and if the Lorentz drive is not performed when the movable part is held at a predetermined position by the electrostatic force, the constant Lorentz force drive described above is performed. Power consumption is significantly reduced.
[0025]
Thus, by mounting both a mechanism for generating an electrostatic force and a mechanism for generating a Lorentz force in a microactuator, for example, a force for holding a movable portion at a predetermined position is generated by an electrostatic force. When the distance between the movable electrode and the fixed electrode is large, the actuator can be driven by Lorentz force to increase the movable range while suppressing high voltage application and electrode area expansion. It becomes.
[0026]
Further, when configuring a microactuator array including a plurality of such microactuators, even if the Lorentz force current paths of two or more of the microactuators are electrically connected in series, the It has been found that the micro-actuator can be operated properly. When the current paths for Lorentz force of two or more microactuators are electrically connected in series, when the currents are simultaneously passed through the current paths for Lorentz force of the two or more microactuators, The amount of flowing current is reduced as compared with the case where the current paths for Lorentz force are electrically independent or the case where the current paths for Lorentz force of the two or more microactuators are electrically connected in parallel.
[0027]
The present invention has been made based on new findings based on the above-described research results of the present inventors.
[0028]
That is, in order to solve the above problem, a microactuator array according to a first aspect of the present invention is a microactuator array including a plurality of microactuators, wherein each of the microactuators can move with respect to a fixed part. Between the movable portion provided as described above, the first electrode portion provided on the fixed portion, and the first electrode portion by a voltage between the first electrode portion provided on the movable portion. A second electrode portion capable of generating an electrostatic force, and a current path provided in the movable portion and arranged in a magnetic field to generate a Lorentz force when energized, and at least two of the plurality of microactuators. The current paths of the microactuator are electrically connected in series such that when energized, the current paths generate Lorentz forces in the same direction. The movable section is formed of, for example, a thin film.
[0029]
The microactuator array according to a second aspect of the present invention is the microactuator array according to the first aspect, wherein the plurality of microactuators are arranged in a two-dimensional matrix, and for each row or column, The current paths are electrically connected in series so as to generate Lorentz forces in the same direction when energized.
[0030]
A microactuator array according to a third aspect of the present invention is the microactuator array according to the first or second aspect, wherein for each row, one of the first and second electrode portions of the microactuator in the row is electrically common. The other of the first and second electrode portions of the microactuator in the row is electrically connected in common for each row.
[0031]
The microactuator array according to a fourth aspect of the present invention is the microactuator array according to any one of the first to third aspects, wherein (a) with respect to each of the microactuators, the movable portion is located at a first position where the electrostatic force increases. And a second position at which the electrostatic force decreases or disappears, and a return force for returning to the second position is generated. (B) With respect to each of the microactuators, The current path generates a Lorentz force in a first direction or a second direction opposite to the first direction to move the movable portion from the second position to the first position in accordance with the direction of the energization. It is provided so that it occurs.
[0032]
A microactuator device according to a fifth aspect of the present invention is a microactuator array according to the fourth aspect, a magnetic field generator for generating the magnetic field, and a potential of the first and second electrode units of each microactuator. And a control unit that controls the switching of the position of the movable unit of each microactuator by controlling the current flowing through the current path.
[0033]
The microactuator device according to a sixth aspect of the present invention is the microactuator device according to the fifth aspect, wherein the control unit is related to at least one microactuator of the plurality of microactuators, and the control unit is provided at the first position of the movable unit. Controlling the potentials of the first and second electrode portions such that the holding of the movable portion is performed by the electrostatic force, and when switching the movable portion from the second position to the first position, A current is applied in a direction corresponding to the first direction of the Lorentz force, and the current is interrupted after the movable portion is held at the first position by the electrostatic force.
[0034]
In a microactuator device according to a seventh aspect of the present invention, in the fifth or seventh aspect, the control unit relates to at least one microactuator of the plurality of microactuators, Controlling the potentials of the first and second electrode portions so that the holding at the position is performed by the electrostatic force, and switching the movable portion from the first position to the second position, A current is caused to flow through a current path in a direction corresponding to the second direction of the Lorentz force.
[0035]
In a microactuator device according to an eighth aspect of the present invention, in any one of the fifth to seventh aspects, the control unit relates to at least one microactuator of the plurality of microactuators, Controlling the potentials of the first and second electrode portions so that the holding at the first position is performed by the electrostatic force, and switching the movable portion from the first position to the second position. Controlling the potentials of the first and second electrode portions such that the electrostatic force decreases or the electrostatic force disappears as compared with the case where the movable portion is held at the first position. Is what you do.
[0036]
In a microactuator device according to a ninth aspect of the present invention, in any one of the fifth to eighth aspects, the control unit relates to at least one microactuator of the plurality of microactuators, and In synchronization with a command signal indicating a command to switch from the first position to the second position, a voltage change between the first and second electrode portions and the second direction of the Lorentz force The current supply to the current path in the corresponding direction is started almost simultaneously.
[0037]
In a microactuator device according to a tenth aspect of the present invention, in any one of the fifth to ninth aspects, the control unit may be configured to apply an AC voltage between the first and second electrode units. , For controlling the potentials of the first and second electrode portions. The AC voltage may be a pulsed AC voltage or a sine wave AC voltage.
[0038]
An optical switch array according to an eleventh aspect of the present invention includes the microactuator array according to any one of the first to fourth aspects, and mirrors respectively provided on the movable parts of the plurality of microactuators. Things.
[0039]
An optical switch system according to a twelfth aspect of the present invention includes the microactuator device according to any one of the fifth to eleventh aspects, and mirrors respectively provided on the movable parts of the plurality of microactuators. Things.
[0040]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a microactuator array according to the present invention, a microactuator device, an optical switch array, and an optical switch system using the same will be described with reference to the drawings.
[0041]
[First Embodiment]
[0042]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an optical switch system including an optical switch array 1 according to a first embodiment of the present invention. For convenience of description, an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other are defined as shown in FIG. 1 (the same applies to the drawings described later). The surface of the substrate 121 of the optical switch array 1 is parallel to the XY plane. In the Z-axis direction, the direction of the arrow is called + Z direction or + Z side, and the opposite direction is called -Z direction or -Z side, and the same applies to the X-axis direction and Y-axis direction. The + side in the Z-axis direction may be referred to as an upper side, and the − side in the Z-axis direction may be referred to as a lower side.
[0043]
As shown in FIG. 1, the optical switch system according to the present embodiment has an optical switch array 1, m optical input optical fibers 2, m optical output optical fibers 3, and n optical output optical fibers. Optical fiber 4, a magnet 5 serving as a magnetic field generating unit for generating a magnetic field with respect to the optical switch array 1, and an optical path switching state command signal indicated by the optical path switching state command signal in response to the optical path switching state command signal. An external control circuit 6 as a control unit for supplying a control signal for realizing a state to the optical switch array 1. In the example shown in FIG. 1, m = 3 and n = 3, but m and n may be arbitrary numbers.
[0044]
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the magnet 5 is a plate-shaped permanent magnet in which the − side in the X-axis direction is magnetized on the N pole and the + side is magnetized on the S pole, and the lower side of the optical switch array 1. And generates a magnetic field indicated by the lines of magnetic force 5 a with respect to the optical switch array 1. That is, the magnet 5 generates a substantially uniform magnetic field toward the + side along the X-axis direction with respect to the optical switch array 1. However, as the magnetic field generating unit, for example, a permanent magnet having another shape, an electromagnet, or the like may be used instead of the magnet 5.
[0045]
The optical switch array 1 includes a substrate 121 and m × n mirrors 12 arranged on the substrate 121, as shown in FIG. The m light input optical fibers 2 are arranged in a plane parallel to the XY plane so as to guide incident light in one of the Y-axis directions with respect to the substrate 121 in the Y-axis direction. The m optical output optical fibers 3 are arranged on the other side of the substrate 121 so as to face the m optical input optical fibers 2, respectively, and are not reflected by any of the mirrors 12 of the optical switch array 1. Are arranged in a plane parallel to the XY plane so that light traveling in the Y-axis direction enters. The n optical output optical fibers 4 are arranged in a plane parallel to the XY plane so that light reflected by any one of the mirrors 12 of the optical switch array 1 and traveling in the X-axis direction enters. . The mxn mirrors 12 can be advanced and retracted by a microactuator 111, which will be described later, at each of the intersections of the output optical path of the m optical input optical fibers 2 and the incident optical path of the optical output optical fiber 4. Are arranged on the substrate 121 in a two-dimensional matrix so that they can move in the Z-axis direction. In this example, the direction of the mirror 12 is set such that its normal line forms 45 ° with the X axis in a plane parallel to the XY plane. However, the angle can be changed as appropriate, and when the angle of the mirror 12 is changed, the direction of the optical output optical fiber 4 may be set according to the angle. FIG. 1 shows an apparatus for switching by crossing light beams in space, and a lens may be inserted at the end of the fiber in order to improve the coupling with the light beam.
[0046]
The optical path switching principle of this optical switch system is the same as the optical path switching principle of the conventional two-dimensional optical switch.
[0047]
Next, the structure of one optical switch as a unit element of the optical switch array 1 in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows one optical switch (that is, one microactuator 111 and a unit driven by the microactuator 111) as a unit element constituting the optical switch array used in the optical switch system according to the first embodiment of the present invention. It is a schematic plan view which shows one mirror 12) typically. In FIG. 2, the SiN film 144 as a protective film formed over the entire surface of the movable portion and the leg portion is omitted, and the lines of the ridges 149 and 150, which should be written by solid lines, are indicated by broken lines. Different hatchings are given to the Al films 142 and 143, respectively. FIG. 3 is a schematic sectional view taken along line X11-X12 in FIG. Although not shown in the drawing, a schematic cross-sectional view along the line X19-X20 in FIG. 2 is similar to FIG. FIG. 4 is a schematic sectional view taken along line X13-X14 in FIG. Although not shown in the drawing, a schematic sectional view along line X17-X18 in FIG. 2 is similar to FIG. FIG. 5 is a schematic sectional view taken along line X15-X16 in FIG. FIG. 6 is a schematic sectional view taken along line Y11-Y12 in FIG. FIG. 7 is a schematic sectional view taken along line Y13-Y14 in FIG. FIG. 8 is a schematic sectional view taken along line Y15-Y16 in FIG. FIG. 9 is a schematic sectional view taken along line Y17-Y18 in FIG. 3 to 9 show that the beam components 132 and 134 are not curved in the Z-axis direction. However, in the beam components 132 and 134, the movable part is actually subjected to a force. In the absence state, it is curved in the + Z direction due to the stress of the film constituting the beam constituting portions 132 and 134.
[0048]
In the present embodiment, the microactuator 111 has a cantilever structure. However, in the present invention, the microactuator may have a double-sided structure with a flexure portion, for example, as in Patent Document 1.
[0049]
The microactuator 111 used in the present embodiment extends in parallel with the substrate 121 such as a silicon substrate or a glass substrate, the legs 122 and 123, and mainly in the X-axis direction in plan view viewed from the Z-axis direction. Two strip-shaped beam portions 124 and 125 and a rectangular shape in a plan view that is provided at the distal end (free end, end portion in the + X direction) of the beam portions 124 and 125 and mechanically connects them. A connecting portion 126, a connecting portion 127 for mechanically connecting the fixed end sides of the beam forming portion 133 forming the beam portion 124 and the beam forming portion 135 forming the beam portion 125 for reinforcement, and a fixed electrode (first (The first electrode unit) 128.
[0050]
The fixed ends (ends in the −X direction) of the beam portions 124 are wiring patterns 130 and 131 (omitted in FIG. 2) made of an Al film formed on an insulating film 129 such as a silicon oxide film on the substrate 121. It is mechanically connected to the substrate 121 via a leg 122 composed of two individual legs 122a and 122b having a rising portion that rises from the substrate 121. Similarly, the fixed end (the end in the −X direction) of the beam portion 125 is connected to the substrate 121 via two wiring patterns (not shown) made of an Al film formed on the insulating film 129 on the substrate 121. Is mechanically connected to the substrate 121 via a leg portion 123 including two individual leg portions 123a and 123b having a rising portion rising from the substrate. As described above, the free ends of the beam parts 124 and 125 are mechanically connected by the connection part 126, and the fixed ends of the beam constituent parts 132 and 134 are mechanically connected by the connection part 127. Therefore, in the present embodiment, the beam parts 124 and 125 and the connection parts 126 and 127 constitute a movable part having a cantilever structure as a whole. In this embodiment, the substrate 121, the fixed electrode 128, and the insulating film 129 form a fixed portion.
[0051]
The beam part 124 has two beam constituent parts 132 and 133 mechanically connected in series in the X-axis direction between the fixed end and the free end of the movable part. The beam forming part 132 is formed in a strip shape extending in the X-axis direction in plan view as viewed from the Z-axis direction. The beam configuration part 133 is configured in a strip shape and, as shown in FIG. 2, mainly extends in the X-axis direction in plan view as viewed from the Z-axis direction, but extends in the Y-axis direction at a position on the −X side. It has a bent shape. The beam constituent part 132 on the fixed end side (−X side) is a leaf spring part that can bend in the Z-axis direction, whereas the beam constituent part 133 on the free end side (+ X side) is in the Z-axis direction (substrate 121). (A side and the opposite side) and a bending in other directions.
[0052]
The beam forming portion 132 has a three-layer structure in which a lower SiN film 141, intermediate Al films 142 and 143, and an upper SiN film 144 are stacked (however, in a gap between the Al films 142 and 143, two layers are formed). Layer) and is configured to act as a leaf spring. The Al film 142 and the Al film 143 are formed in the same layer, but are formed with a slight gap in the Y-axis direction and are electrically separated from each other, as shown in FIG. This is because the Al film 142 is used as a wiring to a movable electrode for electrostatic force, and the Al film 143 is used as a wiring for forming a current path for Lorentz force. Almost no current flows in the wiring for electrostatic force, while a relatively large current flows in the wiring for Lorentz force, so that the Al film 142 is formed to have a small width in order to reduce the electric resistance of the wiring for Lorentz force, The Al film 143 is formed wide.
[0053]
The beam forming part 133 is a three-layer structure in which a lower SiN film 141 and intermediate Al films 142 and 143, which are continuously extended from the beam forming part 132, and an upper SiN film 144 as an upper protective film are laminated. , In the gap between the Al films 142 and 143). However, by forming the ridges 149 and 150 described below, the beam component 133 has the rigidity described above.
[0054]
In FIG. 3, the beam forming unit 132 is shown as not being curved in the Z-axis direction. However, the beam forming unit 132 does not actually apply the stress of the films 141 to 144 in a state where the driving signal is not supplied. With this, it is curved upward (opposite to the substrate 121, in the + Z direction). Such a curved state can be realized by appropriately setting the film forming conditions of the films 141, 142, and 144. On the other hand, the beam forming part 133 is not substantially curved in the Z-axis direction regardless of the presence or absence of the supply of the drive signal, and has the above-described rigidity, so that it does not bend due to the stress of the films 141 to 144. Always maintain a flat state. Thus, the beam constituent part 132 and the beam constituent part 133 have different curved / non-curved states in a state where the beam part 124 is not subjected to a force.
[0055]
In the present embodiment, leg portion 122 is formed by continuously extending SiN films 141 and 144 and Al films 142 and 143 constituting beam forming portion 132 as they are, and has two individual leg portions 122a and 122b. are doing. The leg 122 has the two individual legs 122a and 122b because the wiring for the electrostatic force and the wiring for the Lorentz force are separated, and the Al film 142 and the Al film 143 are formed on the substrate 121. This is for electrically connecting to the separate wiring patterns 130 and 131, respectively. The Al film 142 is electrically connected to the wiring pattern 130 through an opening formed in the SiN film 141 at the individual leg 122a. The Al film 143 is electrically connected to the wiring pattern 131 via an opening formed in the SiN film 141 at the individual leg 122b. In addition, in order to reinforce the strength of the leg 122, the ridges 151 are formed on the upper part of the leg 122 such that the ridge 151 encloses the individual legs 122 a and 122 b collectively in a plan view viewed from the Z direction. It is formed in a shape.
[0056]
The beam 125 and the leg 123 have exactly the same structure as the beam 124 and the leg 122 described above, respectively. The beam components 134 and 135 forming the beam 125 correspond to the beam components 132 and 133 forming the beam 124. The individual legs 123a and 123b forming the leg 123 correspond to the individual legs 122a and 122b forming the leg 122, respectively. In addition, a ridge 152 corresponding to the ridge 151 described above is formed above the leg 123.
[0057]
The connecting portion 127 is formed of a two-layered film of SiN films 141 and 144 continuously extending from the beam forming portions 133 and 135 as it is. The Al film 142 from the beam components 133 and 135 does not extend to the connection 127, and no electrical connection is made at the connection 127.
[0058]
In the present embodiment, in order to collectively provide rigidity to the beam components 133 and 135 and the connecting portions 126 and 127, as shown by a broken line in FIG. A ridge 149 is formed so as to go around, and a ridge 150 is formed so as to go around the inner circumference side of the collective region. The ridges 149 and 150 reinforce the beam components 133 and 135 and have rigidity. The beam components 133 and 135 are not substantially curved in the Z-axis direction regardless of the presence or absence of the supply of the drive signal, and have the above-described rigidity, so that they are not curved by the stress of the films 141 to 144. Always maintain a flat state.
[0059]
The connecting portion 126 is formed by extending the SiN films 141 and 144 and the Al films 142 and 143 constituting the beam forming portions 133 and 135 continuously. The connection section 126 is provided with a mirror 12 made of Au, Ni, or another metal as a driven body.
[0060]
The portion of the Al film 142 in the connection portion 126 is also used as a movable electrode (second electrode portion) for electrostatic force. An electrostatic fixed electrode 128 made of an Al film is formed in a region on the substrate 121 facing the movable electrode. Although not shown in the drawings, the Al film forming the fixed electrode 128 also extends as a wiring pattern, and when used together with the wiring pattern 130, the Al film in the connection portion 126 also serving as the fixed electrode 128 and the movable electrode is formed. A voltage (electrostatic voltage) can be applied to the film 142.
[0061]
On the other hand, as can be understood from the above description, the Al film 143 causes the wiring pattern 131 below the individual leg 122b of the leg 122 to form the beam 132, the beam 133, the connection 126, the beam 135, and the beam 135. A current path is formed from the component 134 to a wiring pattern (not shown) below the individual leg 123b of the leg 123. Of the current paths, the current path along the Y-axis direction at the connection portion 126 is a portion that generates Lorentz force toward the Z-axis direction when placed in a magnetic field in the X-axis direction. Therefore, when the current (current for Lorentz force) is passed through the current path through the magnetic field in the X-axis direction using the permanent magnet 5 in FIG. 1 described above, the Lorentz force (drive Force) acts in the Z direction. Whether the direction of the Lorentz force is the + Z direction or the -Z direction is determined by the direction of the Lorentz force current.
[0062]
As can be seen from the above description, in the present embodiment, the movable portion formed by the beam portions 124 and 125 and the connection portions 126 and 127 is different from the fixed portion formed by the substrate 121, the fixed electrode 128, and the insulating film 129. It can move up and down (in the Z-axis direction). In other words, in the present embodiment, the movable portion has an upper position where the beam is to be returned by the spring force of the beam components 132 and 134 constituting the leaf spring, and a lower position where the connecting portion 126 is in contact with the fixed electrode 128. You can move between. At the upper position, the distance between the movable electrode of the movable portion (the Al film 142 in the connection portion 126) and the fixed electrode 128 of the fixed portion is widened, and the electrostatic force that can be generated therebetween is reduced or eliminated. At the lower position, the distance between the movable electrode of the movable portion (the Al film 142 in the connection portion 126) and the fixed electrode 128 of the fixed portion is reduced, and the electrostatic force that can be generated therebetween increases.
[0063]
Since the movable portion returns to the upper position due to the spring force or the like, returning the movable portion to the upper position in the following description may be referred to as unlatching. On the other hand, since the movable portion is held at the lower position by the electrostatic force that resists the spring force, in the following description, holding the movable portion at the lower position may be referred to as a latch. is there.
[0064]
In the present embodiment, by controlling the inter-electrode voltage and the Lorentz force current, the mirror 12 is held at the upper position (opposite to the substrate 121) and the mirror 12 is moved to the lower position (substrate 121 side). It can be held. In the present embodiment, such control is performed as described later.
[0065]
In the present embodiment, as shown in FIG. 10, optical switches composed of a mirror 12 and a microactuator 111 for driving the mirror are arranged in a two-dimensional matrix on a plurality of substrates 121, and these constitute an optical switch array. ing. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the beam components 133 and 135 have a shape that bends in the Y-axis direction at a position on the −X side when viewed from the Z-axis direction. As a result, the beam portions 124 and 125 have a shape that is bent in the Y-axis direction. Therefore, when a plurality of microactuators 111 are arranged two-dimensionally on the substrate 121 as shown in FIG. The arrangement density can be increased. FIG. 10 is a schematic plan view schematically showing an optical switch array used in the optical switch system according to the present embodiment.
[0066]
In the present embodiment, the SiN film 144 as a protective film is formed over the entire surface of the movable portion and the leg, but the SiN film 144 may not be formed.
[0067]
FIG. 11 is an electric circuit diagram showing an optical switch array used in the present embodiment. The single optical switch shown in FIGS. 2 to 9 is equivalent to one capacitor (corresponding to a capacitor formed by the fixed electrode 128 and the movable electrode (the Al film 142 in the connection part 126)) and one It can be regarded as a single coil (corresponding to the Al film 143 in the connection portion 126). In FIG. 11, the capacitors and the coils of the optical switch of m rows and n columns are denoted by Cmn and Lmn, respectively. For example, the capacitor and the coil of the optical switch at the upper left (in one row and one column) in FIG. 11 are denoted by C11 and L11, respectively. In the present embodiment, the left electrode in FIG. 11 of each capacitor is a fixed electrode, and the right electrode in FIG. 11 is a movable electrode. However, it goes without saying that the electrical connection relationship between the fixed electrode and the movable electrode may be switched for any one or more capacitors.
[0068]
In FIG. 11, nine optical switches are arranged in three rows and three columns to simplify the description. However, the number of optical switches is not limited at all, and the principle is the same, for example, when there are optical switches of 100 rows and 100 columns. Further, even if the number of optical switches is the same, the number of rows and the number of columns do not need to be the same, and there is no need to arrange them in a matrix. For example, when the number of optical switches is nine, the arrangement may be one row and nine columns, or when the number of optical switches is sixteen, any arrangement of four rows and four columns, one row and 16 columns, and two rows and eight columns May be.
[0069]
As shown in FIG. 11, a first terminal group including a plurality of terminals CD1 to CD3 and a second terminal including a plurality of terminals CU1 to CU3 are provided in the optical switch array used in the present embodiment. A third terminal group including a group and a plurality of terminals L0 to L3 is provided. These terminals CD1 to CD3, CU1 to CU3, L0 to L3 are external connection terminals for connection to the external control circuit 6 in FIG. In the present embodiment, the electrical connections shown in FIG. 11 are provided by the wiring patterns 130 and 131 below the individual legs 122a and 122b and the wiring patterns (not shown) below the individual legs 123a and 123b. Has been realized. The terminals CD1 to CD3, CU1 to CU3, L0 to L3 can be formed by, for example, using a part of these wiring patterns as electrode pads. It is not always necessary to use one of the wiring pattern 130 under the individual leg 122a and the wiring pattern under the leg 123a.
[0070]
In FIG. 11, the number of terminals CD1 to CD3 of the first terminal group is set to three, the same as the number of rows of optical switches, and the number of terminals CU1 to CU3 of the second terminal group is equal to the number of columns of optical switches. The number is also three. However, the number of terminals of the first and second terminal groups does not necessarily have to be the same as the number of rows and the number of columns of the optical switch, and for example, may satisfy the following conditions (a) to (a). That is, (a) With respect to each microactuator 111, the fixed electrode 128 of the microactuator 111 is electrically connected to any one terminal of one of the first and second terminal groups. (B) With respect to each microactuator 111, the movable electrode of the microactuator 111 is connected to the other terminal of the first and second terminal groups. Electrically connected to any one terminal of the other terminal group and not electrically connected to the other terminals of the first and second terminal groups; One terminal of the first or second terminal group electrically connected to the fixed electrode 128 of the microactuator 111 and the The combination with one terminal of the first or second terminal group electrically connected to the movable electrode of the black actuator 111 is unique to the microactuator 111; (d) the first At least one terminal of the terminal group is commonly and electrically connected to the fixed electrode 128 or the movable electrode of two or more microactuators 111 of the plurality of microactuators 111 mounted on the optical switch array. (E) the fixed electrode 128 or the movable electrode of at least one of the plurality of microactuators 111 of the plurality of microactuators 111 mounted on the optical switch array; And electrical connection in common.
[0071]
As an example satisfying the conditions (a) to (e), in the example shown in FIG. 11, the fixed electrodes 128 of the capacitors C11, C12, and C13 in the first row are electrically connected to the terminal CD1 of the first terminal group. Are not electrically connected to other terminals. The fixed electrodes 128 of the capacitors C21, C22, and C23 in the second row are electrically connected in common to the terminal CD2 of the first terminal group, and are not electrically connected to other terminals. The fixed electrodes 128 of the capacitors C31, C32, and C33 in the third row are electrically connected in common to the terminal CD3 of the first terminal group, and are not electrically connected to other terminals. As described above, in the example illustrated in FIG. 11, the fixed electrodes 128 of the microactuators 111 in each row are electrically connected in common for each row. The movable electrodes of the capacitors C11, C21, and C31 in the first column are electrically connected to the terminal CU1 of the second terminal group in common, and are not electrically connected to the other terminals. The movable electrodes of the capacitors C12, C22, and C32 in the second row are electrically connected in common to the terminal CU2 of the second terminal group, and are not electrically connected to the other terminals. The movable electrodes of the capacitors C13, C23, and C33 in the third column are electrically connected in common to the terminal CU3 of the second terminal group, and are not electrically connected to the other terminals. As described above, in the example illustrated in FIG. 11, the movable electrodes of the microactuators 111 in each row are electrically connected in common for each row.
[0072]
In FIG. 11, the coils L11, L21, and L31 in the first row are connected in series, and one end is connected to the terminal L1 and the other end is connected to the terminal L0. The coils L12, L22, and L32 in the second row are connected in series, and one end is connected to the terminal L2 and the other end is connected to the terminal L0. The coils L13, L23 and L33 in the third row are connected in series, one end of which is connected to the terminal L3 and the other end of which is connected to the terminal L0.
[0073]
The coils L11, L21, and L31 in the first row change the direction of the current so that the directions of the Lorentz forces generated in the coils L11, L21, and L31 when the current flows between the terminals L1 and L0 are the same. Connected together. The same applies to the coils L12, L22, L32 in the second row and the coils L13, L23, L33 in the third row. In the present embodiment, when a current flows from the terminals L1, L2, L3 to the terminal L0 (current in this direction is a positive current), the Lorentz force current path of the microactuator 111 passes through the Lorentz force current path. The force is set to work downward.
[0074]
As described above, in the example illustrated in FIG. 11, the Lorentz force current paths of the microactuators 111 in the row are electrically connected in series so that the Lorentz force in the same direction is generated when the current flows. It is connected. However, in the present invention, for each row, the Lorentz force current paths of the microactuators 111 in the row may be electrically connected in series so as to generate Lorentz force in the same direction when energized. In the present invention, for example, only the coils L11 and L21 are electrically connected in series between the terminals L1 and L0, and the coil L31 is electrically connected to a terminal added separately from the terminal L1. Good.
[0075]
In the example shown in FIG. 11, the terminal L0 is shared, but if the current capacity of the wiring pattern near the terminal L0 is insufficient, the terminal L0 may be divided into a plurality.
[0076]
The optical switch array used in the present embodiment does not include an address circuit, a column selection switch, a row selection switch, and the like, as shown in FIG.
[0077]
The optical switch array used in the present embodiment can be manufactured by using a semiconductor manufacturing technology such as film formation and patterning, etching, and formation / removal of a sacrificial layer. The mirror 12 is formed, for example, by forming a recess corresponding to the mirror 12 in a resist and then plating Au, Ni, or another metal 38 to be the mirror 12 by electrolytic plating, as disclosed in Patent Document 1. It can be formed by growing and then removing the resist.
[0078]
In the present embodiment, the external control circuit 6 in FIG. 1 is connected to the terminals CD1 to CD3, CU1 to CU3, L0 to L3, and controls the potentials of the terminals CD1 to CD3 and CU1 to CU3 independently. At the same time, by independently controlling the currents flowing through the terminals L1 to L3, the optical path switching state of each optical switch of the optical switch array is controlled. The external control circuit 6 responds to the optical path switching state command signal, and supplies a control signal for realizing the optical path switching state indicated by the optical path switching state instruction signal to each of the terminals CD1 to CD3, CU1 to CU3, and the terminal L1. To L3 to realize the optical path switching state. The specific circuit configuration of the external control circuit 6 is apparent from an operation example described below.
[0079]
FIG. 12 shows an example of a timing chart of the potentials applied to the terminals CD1 to CD3 and CU1 to CU3 by the external control circuit 6 and the current flowing to each coil via the terminals L1 to L3. In the example shown in FIG. 12, the external control circuit 6 applies one of two potentials Vh and Vm1 to the terminals CD1 to CD3 of the first terminal group, and applies the potential to the terminals CU1 to CU3 of the second terminal group. Gives one of two potentials Vm2 and VL. Here, the potentials Vh, Vm1, Vm2, and VL satisfy the relationship of Vh> Vm1 ≧ Vm2> VL. Either I1 (a current in a direction in which a downward Lorentz force is generated) or -I2 (a current in a direction in which an upward Lorentz force is generated) flows through each of the terminals L1 to L3, or a current flows. Not performed (zero current).
[0080]
In the example shown in FIG. 12, before time t1, the potentials of the terminals CD1 to CD3 are set to Vh, the potentials of the terminals CU1 to CU3 are set to VL, and no current flows to the terminals L1 to L3. It is assumed that all the actuators 111 are in the latch release state (the state where the movable part is located at the upper position).
[0081]
Between the time t1 and the time t2, the current I1 flows through the terminals L1, L2, and L3, and the movable portions of all the nine actuators 111 move downward (toward the substrate 121, that is, the distance between the fixed electrode 128 and the movable electrode). Is moved in the direction of becoming narrower). As a result, the distance between the fixed electrode 128 and the movable electrode of all the actuators 111 is reduced. When the electrostatic force between both electrodes exceeds a certain value, the movable parts of all the actuators 111 are moved to the lower position by the electrostatic force. Latched.
[0082]
From the time t3 to the time t4, the potential of the terminal CD1 is lowered from Vh to Vm1, the potential of the terminal CU1 is raised from VL to Vm2, and a current -I2 flows to the terminal L1. As a result, the voltage between the electrodes of the capacitor C11 in FIG. 11 decreases from Vh-VL to Vm1-Vm2. As the voltage between the electrodes of the capacitor C11 decreases, the electrostatic force between both electrodes of the capacitor C11 also decreases. On the other hand, the Lorentz force due to the current -I2 acts in a direction to separate the fixed electrode and the movable electrode. Here, in a direction in which the Lorentz force and the spring force are separated from each other, the electrostatic force is a force in a direction in which the electrostatic force is attracted. And the movable electrode are separated.
[0083]
In addition, between time t3 and time t4, the voltage between both electrodes of the capacitors C12 and C13 becomes Vm1-VL. Since no current flows through the terminals L2 and L3, no Lorentz force is generated in the coils L12 and L13 of the microactuator 111 corresponding to the capacitors C12 and C13. Therefore, if the electrostatic force generated by the voltage difference Vm1-VL is set to be larger than the spring force, the latch of the microactuator 111 corresponding to the capacitors C12 and C13 is maintained.
[0084]
Further, between time t3 and time t4, the voltage between both electrodes of the capacitors C21 and C31 becomes Vh-Vm2. Since the current -I2 flows through the terminal L1, an upward Lorentz force is generated in the coils L21 and L31 of the microactuator 111 corresponding to the capacitors C21 and C31. Therefore, if the electrostatic force generated by the voltage Vh-Vm2 is set to be larger than the sum of the Lorentz force and the spring force, the latch of the microactuator 111 corresponding to the capacitors C21 and C31 is maintained.
[0085]
Accordingly, only the microactuator 111 corresponding to the capacitor C11 is released from the latch between the time t3 and the time t4.
[0086]
As in the period from the time t3 to the time t4, only the microactuator 111 corresponding to the capacitor C22 is released from the latch between the time t5 and the time t6. The latch is released.
[0087]
Up to this point, the initial mirror arrangement of the optical switch in which the latches of the microactuators 111 corresponding to the capacitors C11, C22, and C33 are released and the latches of the other microactuators 111 are maintained.
[0088]
Further, a procedure for changing a part of the mirror arrangement from the initial arrangement will be described.
[0089]
Between the time t9 and the time t10, the current I1 flows through the terminal L1, and the movable portion of the microactuator 111 corresponding to the capacitor C11 moves downward (toward the substrate 121, that is, the distance between the fixed electrode 128 and the movable electrode becomes narrower). Direction). As a result, the distance between the fixed electrode 128 and the movable electrode of the actuator 111 corresponding to the capacitor C11 is reduced, and when the electrostatic force between both electrodes exceeds a certain value, the electrostatic force of the actuator 111 corresponding to the capacitor C11 is increased by the electrostatic force. The movable part is latched at the lower position.
[0090]
Between the time t11 and the time t12, the current I1 flows through the terminal L2, and the movable portion of the actuator 111 corresponding to the capacitor 22 moves downward (toward the substrate 121, that is, the direction in which the distance between the fixed electrode 128 and the movable electrode decreases). ). As a result, the distance between the fixed electrode 128 and the movable electrode of the actuator 111 corresponding to the capacitor C22 is reduced, and when the electrostatic force between both electrodes exceeds a certain value, the electrostatic force of the actuator 111 corresponding to the capacitor C22 is caused by the electrostatic force. The movable part is latched at the lower position.
[0091]
From the time t13 to the time t14, the voltage of the terminal CD2 is reduced from Vh to Vm1, the potential of the terminal CU1 is raised from VL to Vm2, and further, a current -I2 flows to the terminal L1. Thereby, the voltage between the electrodes of the capacitor C21 in FIG. 11 decreases from Vh-VL to Vm1-Vm2. As the voltage between the electrodes of the capacitor 21 decreases, the electrostatic force between both electrodes of the capacitor C21 also decreases. On the other hand, the Lorentz force due to the current -I2 acts in a direction to separate the fixed electrode and the movable electrode. Here, when the Lorentz force and the spring force are separated from each other, the electrostatic force is a force in a direction in which the electrostatic force is attracted. If the force in the direction of the detachment is set to be larger than the force in the attracted direction, the latch is released, and the fixed electrode of the capacitor C21 is released. And the movable electrode are separated. At this time, the latch of the microactuator 111 corresponding to the other capacitors is maintained as in the period from the time t1 to the time t2.
[0092]
From the time t15 to the time t16, the voltage of the terminal CD1 is reduced from Vh to Vm1, the potential of the terminal CU2 is raised from VL to Vm2, and a current -I2 flows to the terminal L2. Thus, the voltage between the electrodes of the capacitor C12 in FIG. 11 decreases from Vh-VL to Vm1-Vm2. As the voltage between the electrodes of the capacitor 12 decreases, the electrostatic force between both electrodes of the capacitor C12 also decreases. On the other hand, the Lorentz force due to the current -I2 acts in a direction to separate the fixed electrode and the movable electrode. Here, in the direction in which the Lorentz force and the spring force separate, the electrostatic force is a force in a direction in which the electrostatic force is attracted. When the force in the direction in which the Lorentz force and the spring force are set is larger than the force in the attracting direction, the latch is released and the fixed electrode of the capacitor C12 is released. And the movable electrode are separated. At this time, the latch of the microactuator 111 corresponding to the other capacitors is maintained as in the period from the time t1 to the time t2.
[0093]
This completes the change of the mirror arrangement of the optical switch in which the latches of the microactuators 111 corresponding to the capacitors C21, C12, and C33 are released and the latches of the other microactuators 111 are maintained.
[0094]
From the above description of the operation, it is understood that a desired optical path switching state can be appropriately realized.
[0095]
Next, driving conditions related to the above-described operation will be described.
[0096]
Here, the following voltages are defined for nine microactuators 111 corresponding to nine sets of capacitors and coils in FIG.
[0097]
First, the latch release voltage when there is no Lorentz force current -I2 is V0. When the voltage V0 decreases the voltage between the fixed electrode and the movable electrode in the latched state without flowing the current for Lorentz force to the coil, the spring force becomes larger than the electrostatic force and the latch is released. Voltage between electrodes (absolute value). Since the value of the voltage V0 may be different for each of the nine microactuators 111, the maximum value is defined as V0max and the minimum value is defined as V0min.
[0098]
Next, let VA be the latch release voltage when there is a Lorentz force current -I2. This voltage VA is such that the sum of the spring force and the Lorentz force is smaller than the electrostatic force when a current -I2 for Lorentz force is applied to the coil to lower the voltage between the fixed electrode and the movable electrode in the latched state. This is the inter-electrode voltage (absolute value) that becomes large and the latch is released. Since the value of the voltage VA may be different for each of the nine microactuators 111, the maximum value is defined as VAmax and the minimum value is defined as VAmin.
[0099]
In the driving example shown in FIG. 12, for example, from time t3 to time t4, the latch of some of the microactuators 111 is released and the latch of the other microactuators 111 is maintained depending on the voltage condition. In order to make this situation hold for nine microactuators 111, the following Expressions 3 to 5 are satisfied.
[0100]
(Equation 3)
Vm1-Vm2 <VAmin
[0101]
(Equation 4)
Vm1-VL> V0max
[0102]
(Equation 5)
Vh−Vm2> VAmax
[0103]
Equation 3 is a latch release condition, for example, a condition for releasing the latch of the microactuator 111 corresponding to the capacitor C11 between time t3 and time t4 in FIG. Equation 4 is a latch maintenance condition, for example, a condition for maintaining the latch of the microactuator 111 corresponding to the capacitor C12 between time t3 and time t4 in FIG. Equation 5 is another latch maintenance condition, for example, a condition for maintaining the latch of the microactuator 111 corresponding to the capacitor C21 between time t3 and time t4 in FIG.
[0104]
In the example illustrated in FIG. 11, the coils of the microactuator 111 in the column are connected in series for each column. Instead, the coils of the microactuator 111 in the row are connected in series for each row. In this case, V0max in Equation 4 may be replaced with VAmax, and VAmax in Equation 5 may be replaced with V0max.
[0105]
Further, in the use of an optical switch, it is desired that the moving speed of the mirror 12 be high. Therefore, it is preferable that the period between time t3 and time t4 in FIG. 12 be short. For that purpose, the moving speed of the movable electrode must be increased. When the latch is released, the movable electrode moves by the spring force + Lorentz force-electrostatic force. Therefore, when the Lorentz force is constant, the fastest speed is obtained when the electrostatic force is set to zero. It is preferable that the Lorentz force be large within an allowable range of both current capacity and heat radiation.
[0106]
In order to set the electrostatic force to 0, Vm1 = Vm2 = Vm 'may be set. At this time, Equations 3 to 5 become Equations 6 to 8 below.
[0107]
(Equation 6)
0 <VAmin
[0108]
(Equation 7)
Vm'-VL> V0max
[0109]
(Equation 8)
Vh−Vm ′> VAmax
[0110]
Equation 6 always holds because VAmin is a positive value. By rewriting equations 7 and 8, the following equation 9 is obtained.
[0111]
(Equation 9)
Vh−VAmax> Vm ′> VL + V0max
[0112]
As an example of the actually measured values of the prototyped device, the values of the voltages are values such as V0max = 6V, V0min = 5V, VAmax = 8V, and VAmin = 7V. By substituting these into Equation 9, the following Equation 10 is obtained.
[0113]
(Equation 10)
Vh-8> Vm '> VL + 6
[0114]
As can be seen from Equation 10, Vm 'should be higher than VL by V0max, that is, 6 V or more, and Vh should be higher than Vm by VAmax, that is, 8 V or more.
[0115]
In the present embodiment, the external control circuit 6 shown in FIG. 1 releases the latch of the microactuator 111 having the optical path switching state command signal (that is, switches the movable portion from the lower position to the upper position). In this case, the voltage for the electrostatic force and the current for the Lorentz force are changed in synchronization with the command signal. At this time, in order to release the latch in the shortest time after the generation of such a command signal, the voltage between the movable electrode and the fixed electrode is changed immediately after the input of the command signal, and at the same time, the current is also supplied to the current path. It is most preferred to start flowing -I2. Therefore, in the example shown in FIG. 12, for example, at time t3, the potential of the terminal CD1 is changed from Vh to Vm1 and the potential of the terminal CU1 is changed from VL to Vm2, and at the same time, the current -I2 for Lorentz force is applied to the terminal L1. Has begun to flow. The same applies to the transition from the unlatched state to the latched state, but in this case, since there is no voltage change as shown in FIG. 12, the Lorentz force current -I2 only needs to be passed in synchronization with the command signal (for example, , Time t11 in FIG. 12).
[0116]
According to the present embodiment, when the distance between the movable electrode and the fixed electrode of the microactuator 111 is large (when the movable part is moved from the upper position to the lower position), the microactuator 111 is moved by the Lorentz force. Is moved downward (for example, from time t9 to time t10 in FIG. 12). Therefore, the movable range of the movable plate 21 can be increased without applying a high voltage to increase the electrostatic force or losing the size. After the movable portion of the microactuator 111 is latched to the lower position by electrostatic force, the current for Lorentz force is interrupted (for example, from time t10 to time t11 in FIG. 12), and only the electrostatic force is applied. The movable part is held at the lower position. Therefore, power consumption can be reduced.
[0117]
As described above, according to the present embodiment, since the electrostatic force and the Lorentz force are skillfully used, the movable range of the movable portion can be increased without applying a high voltage or impairing miniaturization. In addition, power consumption can be reduced.
[0118]
Here, a comparative example compared with the present embodiment will be described. FIG. 13 is an electric circuit diagram showing an optical switch array of the optical switch system according to this comparative example. 13, elements that are the same as elements in FIG. 11 or that correspond to elements in FIG. 11 are given the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. The difference between this comparative example and the present embodiment is that, in the present embodiment, the coils of the microactuator 111 in each row are connected in series in each row, whereas in the comparative example, FIG. As described above, one ends of the coils L11, L21, and L31 in the first row are electrically connected to the terminal L1, and one ends of the coils L12, L22, and L32 in the second row are electrically connected to the terminal L2. One end of each of the coils L13, L23, and L33 in the third row is electrically connected to a terminal L3, and the other ends of all the coils are electrically connected to a terminal L0. That is, in the comparative example, the coils of the row are connected in parallel for each row. Except for the points described above, this comparative example is configured similarly to the present embodiment.
[0119]
Also in the case of this comparative example, the same operation as that of the present embodiment is realized by applying the potential or current shown in FIG. 12 to each terminal similarly to this embodiment.
[0120]
However, in the comparative example shown in FIG. 13, for example, since the three coils L11, L21, L31 are connected in parallel between the terminals L1 and L0, the amount of current flowing through the terminal L1 is equal to the terminal L1 in the present embodiment. This is three times the amount of current flowing. That is, according to the present embodiment, the amount of current flowing through each of the terminals L1, L2, and L3 (therefore, the wiring patterns in the vicinity thereof) is reduced to one third as compared with the case of the comparative example. And the amount of flowing current can be greatly reduced. Therefore, according to the present embodiment, a sufficient Lorentz force can be generated even when the current capacity is greatly restricted, which is very advantageous in terms of downsizing and the like.
[0121]
According to the present embodiment, as shown in FIG. 11, since a plurality of coils are connected in series, one end of each coil is commonly connected to one external connection terminal, The number of terminals for coil connection (terminals for Lorentz force) can be greatly reduced as compared with a case where the other ends of the terminals are individually connected to one terminal for external connection. In this embodiment, an address circuit (X address decoder, Y address decoder) for selecting a coil and the like are not mounted.
[0122]
Furthermore, according to the present embodiment, as shown in FIG. 11, one electrode of the capacitor of the row is electrically connected in common for each row, and the other electrode of the capacitor of the row is connected for each column. Are electrically connected in common, so that the other electrode of each capacitor is individually connected to one external connection terminal. Terminals) can be greatly reduced. In this embodiment, an address circuit (X address decoder, Y address decoder) for selecting a capacitor and the like are not mounted.
[0123]
If an address circuit is used, the number of external connection terminals can be reduced. However, in this case, since an address circuit or the like made of CMOS or the like is mounted on the substrate 121, (1) a high-withstand voltage MOS or the like must be used. (2) The manufacturing process of the optical switch array also increases by the manufacturing process of the MOS because the planar dimension increases, and the cost also increases. (3) After the MOS is manufactured. If the planarization is not performed sufficiently, the shape of the underlying layer will be transferred to the shape of the MEMS to be formed thereon, causing abnormal operation. . On the other hand, in the present embodiment, such a problem does not occur because no address circuit or the like is mounted on the optical switch array.
[0124]
Further, according to the present embodiment, when the movable portion of the microactuator 111 is switched from the lower position to the upper position (during latch release), the current that generates an upward Lorentz force to the coil (the Lorentz force current path). I2 is flowing (for example, from time t3 to time t4 in FIG. 12). Therefore, as compared with the case where the movable portion returns to the upper position only by the spring force, the movable portion returns to the upper position at a higher speed, and the operation speed increases.
[0125]
Further, according to the present embodiment, when switching the movable portion of the microactuator 111 from the lower position to the upper position (during latch release), the electrostatic force is lower than when the movable portion is held at the lower position. Is reduced (in the case of Vm1> Vm2) or disappears (in the case of Vm1 = Vm2) (for example, from time t3 to time t4 in FIG. 12). ). Therefore, the force for returning the movable portion to the upper position is increased by the amount not reduced by the electrostatic force, and the movable portion is returned to the upper position more quickly, and the operation speed is increased.
[0126]
[Second embodiment]
[0127]
FIG. 14 is a diagram showing potentials applied by the external control circuit 6 to the terminals CD1 to CD3 and CU1 to CU3 in the optical switch system according to the second embodiment of the present invention, and each coil via the terminals L1 to L3. FIG. 12 shows an example of a timing chart of a current flowing through the circuit, and corresponds to FIG.
[0128]
This embodiment is different from the first embodiment in that, in the first embodiment, as shown in FIG. 12, the external control circuit 6 uses a DC voltage as a voltage between the electrodes of the capacitor in each period. In this embodiment, as shown in FIG. 14, an AC voltage by a pulse is used as a voltage between the electrodes of the capacitor in each period, while the potential of the fixed electrode and the movable electrode is controlled so that is applied. The only difference is that the potentials of the fixed electrode and the movable electrode are controlled so as to be applied. 14, the movement of the movable electrode of each microactuator 111 at each time is the same as in FIG.
[0129]
In the present embodiment, the potential applied to the fixed electrode (potential applied to terminals CD1, CD2, and CD3) is a pulse waveform having the same phase and a duty of 50%, and has an amplitude in the positive and negative directions around the ground level. It swings symmetrically at Vh 'or Vm. The potential applied to the movable electrode (potential applied to the terminals CU1, CU2, CU3) is a pulse having the same phase but a phase opposite to the potential applied to the terminals CD1, CD2, CD3, and a duty of 50%. It swings symmetrically with the amplitude Vh 'or Vm in the positive and negative directions about the ground level.
[0130]
The voltage between the electrodes of the capacitor is 2 × Vh ′ when the potential of the movable electrode and the potential of the fixed electrode are both the amplitude Vh ′, Vm + Vh ′ when one is the amplitude Vh ′ and the other is the amplitude Vm, and when both are the amplitude Vm. Is 2 × Vm.
[0131]
Therefore, equations corresponding to Equations 3 to 5 are as shown in Equations 11 to 13 below.
[0132]
(Equation 11)
2 × Vm <VAmin
[0133]
(Equation 12)
Vm + Vh '> V0max
[0134]
(Equation 13)
Vm + Vh '> VAmax
[0135]
Naturally, VAmax> V0max, so that if Expression 13 is satisfied, Expression 12 is automatically satisfied.
[0136]
Further, since the operation speed is maximized when the amplitude Vm is set to 0, the following Expressions 14 and 15 are obtained by substituting Vm = 0 into Expressions 11 and 13, respectively.
[0137]
[Equation 14]
0 <VAmin
[0138]
(Equation 15)
Vh '> VAmax
[0139]
Since the equation 14 is always satisfied, the amplitude Vh 'may be set so as to satisfy the equation 15.
[0140]
In the case where the potential is supplied as shown in FIG. 14 as in this embodiment, the same operation as the case where the potential is supplied as shown in FIG. 12 is realized.
[0141]
In the present embodiment, since there is no DC component in the drive pulse, the charge-up phenomenon of the insulator supporting the movable electrode can be prevented. If charge-up occurs, the voltage of the insulator charged up overlaps with the applied voltage, and the voltage difference between the fixed electrode and the movable electrode changes, so that normal operation cannot be performed. Such a possibility is eliminated, which is preferable.
[0142]
According to this embodiment, it goes without saying that the same advantages as those of the first embodiment can be obtained.
[0143]
In this embodiment, the potentials that change in a time-pulsed manner are given to the terminals CD1 to CD3 and CU1 to CU3 in each period. Instead, the terminals CD1 to CD3 and CU1 are changed in each period. CU3 may be given a potential that changes in a sinusoidal manner over time. In this case, the same advantage as that of the present embodiment can be obtained.
[0144]
[Third Embodiment]
[0145]
FIGS. 15 and 16 are schematic cross-sectional views schematically showing main parts of an optical switch system according to the third embodiment of the present invention. FIG. 15 shows a state in which the mirror 12 is held on the upper side and advances into the optical path, and FIG. 16 shows a state in which the mirror 12 is held on the lower side and retreats from the optical path. In FIGS. 15 and 16, the structure of the microactuator 111 is greatly simplified. FIG. 17 is a schematic perspective view schematically showing a part of the optical waveguide substrate 190 in FIGS. 15 and 16.
[0146]
This embodiment differs from the first embodiment only in that an optical waveguide substrate 190 is provided as shown in FIGS.
[0147]
In the present embodiment, as shown in FIG. 17, the optical waveguide substrate 190 has four optical waveguides 191 to 194 that propagate light to be switched. The optical waveguide substrate 190 has a groove 196 having a width of, for example, about several tens of μm at the center, and the end faces 191a, 192a, 193b, 194b of the optical waveguides 191 to 194 are exposed on the side surfaces of the groove 196. The distance between the end surfaces 191a and 192a and the distance between the end surfaces 193b and 194b are designed so as to be covered by the reflecting surface of the mirror 12, as shown in FIGS.
[0148]
As shown in FIGS. 15 and 16, the optical waveguide substrate 190 is provided on the substrate 121 of the microactuator 111, and the space between the waveguide substrate 190 and the substrate 121 and the space in the groove 196 communicating therewith are provided. , A refractive index matching liquid 202 is sealed therein. Needless to say, the refractive index matching liquid 202 need not always be sealed, but when the refractive index matching liquid is used, the loss of the light beam is further reduced. The substrate 121 and the optical waveguide substrate 190 are aligned so that the mirror 12 can be inserted into the groove 196.
[0149]
Although FIGS. 15 to 17 show that the number of intersections of the optical waveguides in the optical waveguide substrate 190 is one, actually, the optical waveguides in the optical waveguide substrate 190 are formed in a two-dimensional matrix. Accordingly, the intersections of the optical waveguides are arranged in a two-dimensional matrix, and accordingly, the plurality of microactuators 111 are arranged two-dimensionally on the substrate 121, and the mirrors 12 located at each intersection of the optical waveguides are individually arranged. It is configured to be driven by the microactuator 111.
[0150]
By the above-described control, as shown in FIG. 16, when the mirror 12 is positioned below the end faces 193b and 194b of the optical waveguides 193 and 194, for example, when light enters from the end face 193a of the optical waveguide 193, Is emitted from the end face 193b, enters the opposite end face 192a of the optical waveguide 192 as it is, propagates through the optical waveguide 192, and is emitted from the end face 192b. Further, for example, when light is incident from the end face 191b of the optical waveguide 191, the light that has propagated through the optical waveguide 191 is emitted from the end face 191a, directly enters the opposing end face 194b of the optical waveguide 194, and propagates through the optical waveguide 194. Then, the light is emitted from the end face 194a.
[0151]
On the other hand, when the mirror 12 is positioned so as to cover the end faces 193b and 194b of the optical waveguides 193 and 194 by the above-described control as shown in FIG. 15, for example, when light enters from the end face 193a of the optical waveguide 193, the light guide The light that has propagated through the wave path 193 is emitted from the end face 193b, is reflected by the mirror 12, enters the end face 194b of the optical waveguide 194, propagates through the optical waveguide 194, and is emitted from the end face 194a. Further, for example, when light enters from the end face 191b of the optical waveguide 191, the light that has propagated through the optical waveguide 191 is emitted from the end face 191a, is reflected by the mirror 12, enters the end face 192a of the optical waveguide 192, and The light propagates through the wave path 192 and is emitted from the end face 192b.
[0152]
According to this embodiment, advantages similar to those of the first embodiment can be obtained. In the present invention, the third embodiment may be modified in the same manner as the first embodiment is modified to obtain the second embodiment.
[0153]
The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments.
[0154]
For example, the above-described embodiment is an example in which the microactuator device according to the present invention is applied to an optical switch system, but the application of the microactuator device according to the present invention is not limited to the optical switch system.
[0155]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to increase the movable range of the movable unit without impairing high voltage and miniaturization, and to reduce power consumption. A microactuator array capable of reducing the amount of flowing current, and a microactuator device, an optical switch array, and an optical switch system using the same can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an optical switch system including an optical switch array according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view schematically showing one optical switch as a unit element constituting an optical switch array used in the optical switch system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view taken along line X11-X12 in FIG.
FIG. 4 is a schematic sectional view taken along line X13-X14 in FIG.
FIG. 5 is a schematic sectional view taken along line X15-X16 in FIG.
FIG. 6 is a schematic sectional view taken along line Y11-Y12 in FIG.
FIG. 7 is a schematic sectional view taken along line Y13-Y14 in FIG.
FIG. 8 is a schematic sectional view taken along line Y15-Y16 in FIG.
FIG. 9 is a schematic sectional view taken along line Y17-Y18 in FIG.
FIG. 10 is a schematic plan view schematically showing an optical switch array used in the optical switch system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an electric circuit diagram showing an optical switch array used in the optical switch system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a timing chart of a potential and a current applied to each terminal by an external control circuit in the optical switch system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an electric circuit diagram showing an optical switch array of an optical switch system according to a comparative example.
FIG. 14 is a timing chart of a potential and a current applied to each terminal by an external control circuit in the optical switch system according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic sectional view schematically showing a main part of an optical switch system according to a third embodiment of the present invention in a state where a mirror is held on the upper side.
FIG. 16 is a schematic sectional view schematically showing a main part of an optical switch system according to a third embodiment of the present invention in a state where a mirror is held on a lower side.
FIG. 17 is a schematic perspective view schematically showing a part of the optical waveguide substrate in FIGS. 15 and 16;
[Explanation of symbols]
1 Optical switch array
2 Optical fiber for optical input
3,4 Optical fiber for optical output
5 magnet
6. External control circuit
12 mirror
CD1 to CD3, CU1 to CU3, L0 to L3 terminals
111 micro actuator
121 substrate
128 fixed electrodes

Claims

A microactuator array comprising a plurality of microactuators, wherein
Each of the microactuators includes a movable part provided to be movable with respect to a fixed part, a first electrode part provided to the fixed part, and a first electrode part provided to the movable part. A second electrode portion capable of generating an electrostatic force between the first electrode portion and the first electrode portion, and a current path provided in the movable portion and arranged in a magnetic field to generate a Lorentz force by energization. Have
Micro-actuators characterized in that the current paths of two or more micro-actuators of the plurality of micro-actuators are electrically connected in series so as to generate Lorentz force in the same direction when energized. Array.

The plurality of microactuators are arranged in a two-dimensional matrix,
The method according to claim 1, wherein, for each row or each column, the current paths of the microactuators in the column or the row are electrically connected in series so as to generate Lorentz force in the same direction when energized. Item 7. The microactuator array according to Item 1.

For each row, one of the first and second electrode portions of the microactuator in the row is electrically connected in common,
The microactuator array according to claim 1, wherein the other of the first and second electrode units of the microactuator in the row is electrically connected in common for each row.

For each of the microactuators, the movable part can move between a first position where the electrostatic force increases and a second position where the electrostatic force decreases or disappears, and returns to the second position. So that the desired return force occurs,
For each of the microactuators, the current path has a first direction or a second direction opposite to the first direction for moving the movable portion from the second position to the first position, depending on the direction of energization thereof. The microactuator array according to any one of claims 1 to 3, wherein the microactuator array is provided so as to generate a Lorentz force in a direction.

5. The microactuator array according to claim 4, a magnetic field generation unit that generates the magnetic field, and controlling a potential of the first and second electrode units of each microactuator and a current flowing through the current path, thereby controlling the current. A micro-actuator device comprising: a control unit configured to control switching of the position of the movable unit of each micro-actuator.

The control unit relates to at least one microactuator of the plurality of microactuators, the first and second electrode units such that holding of the movable unit at the first position is performed by the electrostatic force. When the movable portion is switched from the second position to the first position, a current having a direction corresponding to the first direction of the Lorentz force is supplied to the current path when the movable portion is switched from the second position to the first position. 6. The microactuator device according to claim 5, wherein the current is interrupted after the portion is held at the first position by the electrostatic force.

The control unit relates to at least one microactuator of the plurality of microactuators, the first and second electrode units such that holding of the movable unit at the first position is performed by the electrostatic force. Controlling the electric potential of the movable portion from the first position to the second position, by supplying a current to the current path in a direction corresponding to the second direction of the Lorentz force. The microactuator device according to claim 5 or 6, wherein

The control unit relates to at least one microactuator of the plurality of microactuators, the first and second electrode units such that holding of the movable unit at the first position is performed by the electrostatic force. When controlling the potential of the movable portion from the first position to the second position, the electrostatic force decreases as compared with the case where the movable portion is held at the first position. 8. The microactuator device according to claim 5, wherein the potential of the first and second electrode units is controlled so that the electrostatic force disappears.

The control unit relates to at least one microactuator of the plurality of microactuators, in synchronization with a command signal indicating a command to switch the movable unit from the first position to the second position, The voltage change between the first and second electrode portions and the passage of a current through the current path in a direction corresponding to the second direction of the Lorentz force are started substantially simultaneously. The microactuator device according to any one of claims 5 to 8.

10. The control device according to claim 5, wherein the control unit controls the potentials of the first and second electrode units so that an AC voltage is applied between the first and second electrode units. The microactuator device according to any one of the above.

An optical switch array comprising: the microactuator array according to any one of claims 1 to 4; and a mirror provided on each of the movable portions of the plurality of microactuators.

An optical switch system comprising: the microactuator device according to claim 5; and a mirror provided on each of the movable portions of the plurality of microactuators.