JP2007017565A - マイクロアクチュエータ、光学装置及び光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 静電力を用いながらも、プルイン状態の発生を防止する。
【解決手段】 可動板２１は、フレクチュア部を介して基板１１に固定され、基板１１に対して上下動し得る。基板１１等からなる固定部に、２本の電極１６ａ，１６ｂからなる固定電極部１６が設けられる。可動板２１に、固定電極部１６との間の電圧により固定電極部１６との間に静電力を生じ得る可動電極部２３が、設けられる。可動電極部２３は、上下方向から見て重ならないようにずれて配置された２本の電極２３ａ，２３ｂからなる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、マイクロアクチュエータ、並びに、これを用いた光学装置及び光スイッチに関するものである。

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１，２に開示された光スイッチを挙げることができる。

マイクロアクチュエータは、一般的に、固定部と、固定部に対して移動可能とされた可動部とを備え、駆動力を与えることで、可動部を移動させたり所定位置に保持したりできるように構成されている。

駆動力として静電力を用いるマイクロアクチュエータでは、固定部及び可動部にそれぞれ固定電極及び可動電極が設けられる。このマイクロアクチュエータでは、両電極間に電圧を印加すれば、両電極間に静電力が生ずるので、構造が簡単になるなどの利点が得られる。このため、従来のマイクロアクチュエータでは、駆動力として静電力が用いられることが多かった。

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、可動部に作用するバネ力に抗して可動部を所定の位置まで移動させてその位置に保持するために、静電力を用いている。また、下記特許文献２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アクチュエータでは、駆動力として静電力の他にローレンツ力を用い得るように構成され、例えば、ローレンツ力によって可動部に作用するバネ力に抗して可動部を所定の位置まで移動させ、静電力によって可動部をその位置に保持する。

特許文献１，２に開示されたマイクロアクチュエータを含めて、静電力を用いた従来のマイクロアクチュエータでは、固定電極と可動電極とは、可動部の移動方向から見たときに互いに大部分が重なり合うように配置されていた。
特開２００１−４２２３３号公報 国際公開第０３／０６０５９２号パンフレット

静電力を用いた従来のマイクロアクチュエータでは、固定電極と可動電極とが、可動部の移動方向から見たときにそれらの大部分が互いに重なり合うように配置されていたので、静電力を発生させると、可動部が固定部に当接していわゆる「プルイン状態」となってしまい、静電力を発生させた状態で、可動部が固定部に当接する手前の位置で可動部を安定して保持することができなかった。

静電力を用いた従来のマイクロアクチュエータでは、前記プルイン状態が生ずることに伴って、不都合が生じたり、用途が限られていたりしていた。

例えば、前記プルイン状態により可動部が固定部に押し付けられることから、可動部が固定部に貼り付いて動作不能となったり、動作不能に至らなくても、可動部が固定部から引き剥がれるのに時間がかかって動作遅延が生じてしまう。

また、例えば、前記プルイン状態が生じてしまうので、固定電極と可動電極との間の印加電圧の大きさによって可動部の停止位置を所望の位置に変えるような、可動部のアナログ的な位置制御が不可能であるため、静電力を用いた従来のマイクロアクチュエータは、光スイッチのようなデジタル的な位置制御で足りる用途にしか用いることができなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、静電力を用いながらもプルイン状態の発生を防止することができるマイクロアクチュエータ、並びに、これを用いた光スイッチ及び光学装置を提供することを目的とする。

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は、固定部と、前記固定部に対して、前記固定部の所定箇所に当接する第１の位置と前記所定箇所から前記第１の位置より遠ざかった第２の位置との間を移動し得るように設けられた可動部と、を備え、前記固定部は、第１の電極部を有し、前記可動部は、前記第１の電極部との間の電圧により前記第１の電極部との間に静電力を生じ得る第２の電極部を有し、前記電圧が一定である場合において生ずる前記静電力に従って前記可動部を前記第１の位置へ向かう方向へ付勢する第１の力が、前記可動部が前記第１の位置と前記第２の位置との間の第３の位置に位置するときにピークとなるように、前記第１及び第２の電極部が配置されたものである。

本発明の第２の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第１の態様において、前記第１及び第２の電極部は、前記可動部の前記第１及び第２の位置間の移動方向から見たときに前記第１及び第２の電極部が互いに実質的に重ならないように、配置されたものである。

本発明の第３の態様によるマイクロアクチュエータは、固定部と、前記固定部に対して、前記固定部の所定箇所に当接する第１の位置と前記所定箇所から前記第１の位置より遠ざかった第２の位置との間を移動し得るように設けられた可動部と、を備え、前記固定部は、第１の電極部を有し、前記可動部は、前記第１の電極部との間の電圧により前記第１の電極部との間に静電力を生じ得る第２の電極部を有し、前記第１及び第２の電極部は、前記可動部の前記第１及び第２の位置間の移動方向から見たときに前記第１及び第２の電極部が互いに実質的に重ならないように、配置されたものである。

本発明の第４の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記第１及び第２の電極部はそれぞれ、前記可動部の前記第１及び第２の位置間の移動方向を含む少なくとも１つの同じ平面に対して略面対称な形状を有するものである。

本発明の第５の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記可動部を前記第１の位置から前記第２の位置へ向かう方向へ付勢する第２の力が生じ得るように構成されたものである。

本発明の第６の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第５の態様において、前記可動部は、前記第２の力として前記第２の位置に復帰しようとするバネ力を生ずるように設けられたものである。

本発明の第７の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第５又は第６の態様において、前記第１及び第２の力とは別の第３の力を、前記可動部に生じさせる発生手段を備えたものである。

本発明の第８の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第７の態様において、前記発生手段は、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ずる電流路を含むものである。

本発明の第９の態様による光学装置は、前記第１乃至第８のいずれかの態様によるマイクロアクチュエータと、前記可動部に搭載された被駆動体とを備え、前記被駆動体が光学素子であるものである。

本発明の第１０の態様による光スイッチは、前記第１乃至第８のいずれかの態様によるマイクロアクチュエータと、前記可動部に搭載された被駆動体とを備え、前記被駆動体がミラーであるものである。

前記第１乃至第１０の態様において、前記可動部は薄膜で構成されてもよい。

本発明によれば、静電力を用いながらもプルイン状態の発生を防止することができるマイクロアクチュエータ、並びに、これを用いた光スイッチ及び光学装置を提供することができる。

以下、本発明によるマイクロアクチュエータ、光学装置及び光スイッチについて、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態による光学装置としての光スイッチ装置である光スイッチアレー１を備えた光学システム（本実施の形態では、光スイッチシステム）の一例を模式的に示す概略構成図である。説明の便宜上、図１に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する（後述する図についても同様である。）。光スイッチアレー１の基板１１の面がＸＹ平面と平行となっている。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。

この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。

光スイッチアレー１は、図１に示すように、基板１１と、基板１１上に配置されたｍ×ｎ個のミラー１２とを備えている。ｍ本の光入力用光ファイバ２は、基板１１に対する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１１に対する他方の側に配置され、光スイッチアレー１のいずれのミラー１２によっても反射されずに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１１上に配置されている。なお、本例では、ミラー１２の向きは、その法線がＸＹ平面と平行な面内においてＸ軸と４５゜をなすように設定されている。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。

次に、図１中の光スイッチアレー１の単位素子としての１つの光スイッチの構造について、図２乃至図５を参照して説明する。図２は、この１つの光スイッチを示す概略平面図である。図３は、図２中のＹ３−Ｙ４線に沿った概略断面図である。図４は、図２中のＸ１−Ｘ２線に沿った概略断面図である。図５は、図３に対応する概略断面図であり、ミラー１２が下側に保持された状態を示している。なお、図３及び図４は、ミラー１２が上側に保持された状態を示している。

この光スイッチは、前述したミラー１２及び前記基板１１の他に、基板１１に対して移動し得るように設けられた可動部としての可動板２１を備えている。基板１１には、可動板２１が進入する領域となる凹部１３が形成されている。本実施の形態では、基板１１としてシリコン基板等の半導体基板が用いられている。基板１１上には、シリコン酸化膜等の絶縁膜１４，１５が積層され、絶縁膜１４，１５間に、固定電極部（第１の電極部）１６を構成する２本の電極１６ａ，１６ｂ及びこれらに対する配線パターン１７ａ，１７ｂが形成されている。配線パターン１７ａ，１７ｂを介して、電極１６ａ，１６ｂに同一電位が印加されるようになっている。電極１６ａ，１６ｂ及び配線パターン１７ａ，１７ｂは、例えば、Ａｌ膜などの金属膜で構成することができる。本実施の形態では、基板１１、絶縁膜１４，１５、固定電極部１６及び配線パターン１７ａ，１７ｂが、固定部を構成している。

可動板２１は、薄膜で構成され、下側絶縁膜２２と、下側絶縁膜２２上に形成され可動電極部（第２の電極部）２３を構成する２本の電極２３ａ，２３ｂと、下側絶縁膜２２上に形成され電極２３ａ，２３ｂに対する配線パターン２４ａ，２４ｂの一部と、これらの上側を覆う上側絶縁膜２５と、を有している。可動電極部２３は、固定電極部１６との間の電圧により固定電極部１６との間に静電力を生じ得るものである。例えば、絶縁膜２２，２５はシリコン酸化膜等で構成することができ、電極２３ａ，２３ｂ及び配線パターン２４ａ，２４ｂは、Ａｌ膜などの金属膜で構成することができる。

なお、電極２３ａ，２３ｂ及び配線パターン２４ａ，２４ｂは、上側絶縁膜２５で覆われているため、図２では本来隠れ線で示すべきであるが、図面表記の便宜上、上側絶縁膜２５で隠れた部分も実線で示している。なお、固定部の電極１６ａ，１６ｂ及び配線パターン１７ａ，１７ｂは、隠れ線で示している。

本実施の形態では、可動板２１のＸ軸方向の両端部が、バネ性を有するバネ部としてのフレクチュア部２７ａ，２７ｂと、アンカー部２８ａ，２８ｂとを、それぞれこの順に介して、基板１１における凹部１３の周辺部に機械的に接続されている。フレクチュア部２７ａ，２７ｂ及びアンカー部２８ａ，２８ｂは、可動板２１からそのまま連続して延びた、下側絶縁膜２２、前記配線パターン２４ａ，２４ｂの残りの部分、及び上側絶縁膜２５で構成されている。図面には示していないが、配線パターン２４ａ，２４ｂは、アンカー部２８ａ，２８ｂにおいて、絶縁膜２２，１５に形成した穴（図示せず）を介して絶縁膜１４，１５間に形成された配線パターン（図示せず）にそれぞれ電気的に接続され、これを介して、電気的に共通に接続されるとともに所望の電位を印加し得るようになっている。

フレクチュア部２７ａ，２７ｂは、図２に示すように、平面視でロの字状の形状を有している。これにより、可動板２１は、上下に（Ｚ軸方向に）移動し得るようになっている。すなわち、本実施の形態では、可動板２１は、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力（復帰力）により復帰しようとする上側位置（第２の位置）（図３及び図４参照）と、可動板２１が基板１１の凹部１３に進入してその底部（厳密に言えば、基板１１の凹部１３上の絶縁膜１５）に当接する下限位置（第１の位置）（図示せず）との間を、移動し得るようになっている。ただし、本実施の形態では、後述するように、可動板２１は、凹部１３の底部に当接することはなく、可動板２１が下側に保持される際には、前記上側位置と前記下限位置との間の図５に示す下側位置に保持される。

可動板２１及びフレクチュア部２７ａ，２７ｂは、図２に示すように、Ｘ１−Ｘ２線を通りＸＺ平面と平行な平面、及び、Ｙ１−Ｙ２線を通りＹＺ平面と平行な平面に対して、それぞれ面対称な形状及び構造を有している。

固定電極部１６及び可動電極部２３は、電極部１６，２３間の電圧が一定である場合において生ずる電極部１６，２３間の静電力に従って可動板２１を下方（−Ｚ方向）へ付勢する第１の力が、可動板２１が凹部１３の底部に当接する下限位置（第１の位置）と図３及び図４に示す上側位置（第２の位置）との間の第３の位置に位置するときにピークとなるように、配置されている。

本実施の形態では、このような配置は、固定電極部１６を構成する２本の電極１６ａ，１６ｂ及び可動電極部２３を構成する２本の電極２３ａ，２３ｂが、Ｚ軸方向（可動板２１の移動方向）から見た平面視で、図２に示すように重ならないように配置されることによって、実現されている。

本実施の形態では、電極１６ａ，１６ｂ，２３ａ，２３ｂは、それぞれＸ軸方向に延びた短冊状をなしている。固定電極部１６は、これを構成する電極１６ａ，１６ｂが図２に示すように配置されることによって、Ｘ１−Ｘ２線を通りＸＺ平面と平行な平面、及び、Ｙ１−Ｙ２線を通りＹＺ平面と平行な平面に対して、面対称な形状を有している。同様に、可動電極部２３は、これを構成する電極２３ａ，２３ｂが図２に示すように配置されることによって、Ｘ１−Ｘ２線を通りＸＺ平面と平行な平面、及び、Ｙ１−Ｙ２線を通りＹＺ平面と平行な平面に対して、面対称な形状を有している。電極２３ａ，２３ｂは、Ｘ１−Ｘ２線を通りＸＺ平面と平行な平面に対して、＋Ｙ側と−Ｙ側にそれぞれ配置されている。電極１６ａは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極２３ａの＋Ｙ側に電極２３ａから若干間隔をあけて並列し、両者は重なっていない。電極１６ｂは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極２３ｂの−Ｙ側に電極２３ｂから若干間隔をあけて並列し、両者は重なっていない。

ミラー１２は、可動板２１の上面に直立して固定されている。前述したように、ミラー１２の反射面の向きは、その法線がＸＹ平面と平行な面内においてＸ軸と４５゜をなすように設定されている。

本実施の形態では、後に詳述するが、固定電極部１６と可動電極部２３との間の電圧を制御することで、ミラー１２が上側（基板１１と反対側）に保持された状態（図３及び図４）及びミラー１２が下側（基板１１側）に保持された状態（図５）にすることができる。本実施の形態では、図１中の外部制御回路６によってこのような制御が行われるようになっている。

ミラー１２が上側に保持されている状態では、図３に示すように、Ｙ軸方向に進行して来た入射光は、ミラー１２にて反射され、図３中の紙面手前側に進行する。ミラー１２が下側に保持されている状態では、図５に示すように、Ｙ軸方向に進行して来た入射光は、ミラー１２で反射されることなく、そのまま通過して出射光となる。

前述した光スイッチの構造のうちミラー１２以外の構成要素によって、ミラー１２を駆動するマイクロアクチュエータが構成されている。

本実施の形態による光スイッチアレー１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。その製造方法の一例の概要について簡単にすると、まず、シリコン基板１にフォトリソエッチング法により凹部１３を形成する。次いで、絶縁膜１４、電極１６ａ，１６ｂ、配線パターン１７ａ，１７ｂ、及び絶縁膜１５等を、成膜及びパターニングにより形成する。次に、凹部１３を埋めるべく犠牲層としての第１のレジストを形成し、ＣＭＰ等による平坦化工程によって前記第１のレジストを凹部１３内にのみに残す。その後、絶縁膜２２、電極２３ａ，２３ｂ、配線パターン２４ａ，２４ｂ及び絶縁膜２５等を、成膜及びパターニングにより形成する。引き続いて、前記特許文献１に開示されているように、ミラー１２に対応する凹所を第２のレジストによって形成した後、電解メッキによりミラー１２となるべきＡｕ、Ｎｉその他の金属を成長させる。最後に、前記第１及び第２のレジストを除去することで、光スイッチアレー１が完成する。なお、本実施の形態では、配線パターン１７ａ，１７ｂが凹部１３の段差壁部を乗り越えるように形成されているため、製造上、配線パターン１７ａ，１７ｂを形成するのが困難である場合がある。このような場合には、例えば、シリコン基板１における凹部１３以外の領域をフレクチュア部２７ａ，２７ｂの付近の領域に限定して、シリコン基板１における凹部１３の領域を拡大し、配線パターン１７ａ，１７ｂを凹部１３内の領域のみに形成すればよい。

ここで、本実施の形態による光スイッチアレー１の１つの光スイッチのマイクロアクチュエータの駆動原理について、説明する。

図３及び図４に示すように可動板２１が上側に保持されている状態で、固定電極部１６と可動電極部２３との間に電圧を加えると、両電極部１６，２３間（本実施の形態では、特に、電極１６ａ，２３ａ間及び電極１６ｂ，２３ｂ間）に静電力が働く。Ｚ軸方向から見た平面視で、電極１６ａと電極２３ａとが重なっていないとともに電極１６ｂと電極２３ｂとが重なっていないので、電極１６ａ，２３ａ間の静電力及び電極１６ｂ，２３ｂ間の静電力の方向はＺ軸方向に対してそれぞれ傾く。しかし、電極部１６，２３の前述した対称性のため、静電力のＸ軸方向成分及びＹ軸方向成分は相殺されて、生じた静電力のＺ軸方向成分のみが可動板２１に有効に働く。このように、電極部１６，２３間に生ずる静電力に従って可動板２１に下方向（−Ｚ方向）へ付勢する力が付与される。これにより、可動板２１は下方向へ移動していく。

可動板２１が下方向へ移動すると、その移動量に応じたフレクチュア部２７ａ，２７ｂによるバネ力が、上方向（＋Ｚ方向）への復帰力として働く。当初は、このバネ力に比べて前記静電力に基づく下方向の付勢力の方が大きいので、可動板２１は下方向へ移動していく。

一方、可動板２１が下方向へ移動していき基板１１に近づいていくと、電極１６ａ，２３ａ間及び電極１６ｂ，２３ｂ間の距離が短くなっていくため、当初は、電極部１６，２３間の静電力に基づく下方向の付勢力は増大していく。ところが、可動板２１が下方向へ移動していくと、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極１６ａと電極２３ａとが重なっていないとともに電極１６ｂと電極２３ｂとが重なっていないので、発生する静電力のうちのＺ方向方向成分の割合が低下していきしかもその低下の度合いは可動板２１が基板１１に近づくほど大きくなる。このため、やがて、電極部１６，２３間の静電力に基づく下方向の付勢力は、可動板２１がある位置に到達するときにピークとなり、可動板２１がその位置より更に基板１１へ近づいていくと、電極部１６，２３間の静電力に基づく下方向の付勢力は低下していく。その結果、やがて、電極部１６，２３間の静電力に基づく下方向の付勢力が、可動板２１が基板１１の凹部１３の底部に当接する手前の位置で、フレクチュア部２７ａ，２７ｂによる上方向のバネ力と釣り合い、その位置で可動板２１が停止する。その停止位置から可動板２１が下方向へ移動すると、上方向のバネ力の方が大きくなって可動板２１が逆に上方向へ移動する一方、その停止位置から可動板２１が上方向へ移動すると、静電力に基づく下方向の付勢力の方が大きくなって可動板２１が逆に下方向へ移動する。このため、可動板２１は、前記停止位置に安定して保持される。図５はこの状態を示している。

図５に示すように可動板２１が下側に保持されている状態から、図３及び図４に示す状態に切り替える場合には、電極部１６，２３間の電圧をゼロにして静電力の発生を停止させればよい。その結果、フレクチュア部２７ａ，２７ｂによる上方向のバネ力によって、可動板２１が図３及び図４に示す上側位置に復帰する。

本実施の形態によれば、前述したように、電極部１６，２３間に電圧を与えて静電力を発生させたときに、図５に示すように、可動板２１が固定部に当接する手前の位置で安定して保持されるので、従来生じていたプルイン状態が防止される。可動板２１が固定部に当接しないので、可動板２１が固定部に貼り付いて動作不能となったり動作遅延を招いたりするおそれがなくなる。

ここで、本実施の形態と比較される比較例について、図６乃至図８を参照して説明する。図６は、比較例による１つの光スイッチを示す概略平面図である。図７及び図８は、それぞれ図６中のＹ５−Ｙ６線に沿った概略断面図である。図７はミラー１２が上側に保持された状態を示し、図８はミラー１２が下側に保持された状態を示している。図６乃至図８は、図２、図３及び図５にそれぞれ対応している。ただし、図６において、ミラー１２は省略して示している。図６乃至図８において、図２、図３及び図５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。

この比較例による光スイッチが本実施の形態の光スイッチと異なる所は、この比較例では、固定電極部がＺ軸方向から見た平面視で矩形形状の電極２１６で構成され、可動電極部がＺ軸方向から見た平面視で電極２１６とちょうど重なる電極２２３で構成されている点のみである。

この比較例では、図７に示すように可動板２１が上側に保持されている状態で、電極２１６，２２３間に電圧を加えると、両電極２１６，２２３間に−Ｚ方向に静電力が働く。これにより、可動板２１は下方向（−Ｚ方向）へ移動していく。

可動板２１が下方向へ移動すると、その移動量に応じたフレクチュア部２７ａ，２７ｂによるバネ力が、上方向（＋Ｚ方向）への復帰力として働く。このバネ力に比べて前記静電力の方が大きいので、可動板２１は下方向へ移動していく。

この比較例では、Ｚ軸方向から見た平面視で電極２１６，２２３が互いにちょうど重なっている（大部分が重なっていれば一部分が重なっていなくても同様である。）ので、可動板２１が下方向へ移動していき基板１１に近づくほど、−Ｚ方向の静電力が増大していくのみであり、ピークを持たない。よって、前記静電力によって可動板２１へ作用する下方向の力がフレクチュア部２７ａ，２７ｂによる上方向のバネ力と釣り合うようなことがなく、可動板２１は図８に示すように基板１１の凹部１３の底部に当接するまで静止しない。可動板２１は、図８に示すように基板１１の凹部１３の底部に当接すると、その状態で保持される。このようにして、プルイン状態となる。

なお、可動板２１が基板１１に近づいたときに、電極２１６，２２３間の電圧を低下させれば、下方向の静電力とフレクチュア部２７ａ，２７ｂによる上方向のバネ力とが釣り合う位置が存在する。しかし、この釣り合いの位置に可動板２１が一旦位置しても、その位置から可動板２１が下方へ移動すると下方向の静電力の方が上方向のバネ力より大きくなるので、可動板２１が前記釣り合いの位置で安定して静止し得ず、可動板２１に微小な位置変動が生ずると、フレクチュア部２７ａ，２７ｂによる上方向のバネ力だけでは、可動板２１の下方向への移動は抑えきれず、結局、可動板２１は基板１１の凹部１３の底部に当接するまで静止しない。

図８に示すように可動板２１が下側に保持されている状態から、図７に示す状態に切り替える場合には、本実施の形態の場合と同様に、電極２１６，２２３間の電圧をゼロにして静電力の発生を停止させる。その結果、フレクチュア部２７ａ，２７ｂによる上方向のバネ力によって、可動板２１が図３及び図４に示す上側位置に復帰するはずである。しかし、この比較例によれば、前述したように、図８に示すようにプルイン状態が生じてしまうため、可動板２１が基板１１の凹部１３の底部に貼り付いてしまい、図７に示す状態への切り替えが不能になってしまう場合があった。このような動作不能に至らなくても、可動板２１が固定部から引き剥がれるのに時間がかかって動作遅延が生じてしまう。

ところで、実素子の駆動解析には、有限要素法などの高度な数学的手法が必要となる。ここでは、本実施の形態で用いられているアクチュエータの前述した駆動原理の理解を深めるため、計算を簡略化するべく本実施の形態で用いられているアクチュエータをモデル化し、そのモデルに基づいて可動板２１の位置と可動板２１に有効に作用する力との関係を求める。

図９は、本実施の形態で用いられているアクチュエータのモデルを示す図である。固定電極部１６を構成している２本の電極１６ａ，１６ｂ及び可動電極部２３を構成している２本の電極２３ａ，２３ｂは、実際には平板形状をなしているが、このモデルでは、それぞれ断面円形のＸ軸方向に延びた棒状体（すなわち、円柱）としている。

電極１６ａ，１６ｂ，２３ａ，２３ｂは全て同一形状・寸法を有し、そのＸ軸方向の長さはＬ、上面及び底面の半径はＲとする。ＹＺ平面と平行な平面内において、電極２３ａ，２３ｂの中心間距離をｌ、電極１６ａ，２３ａの中心間のＹ軸方向の距離及び電極１６ｂ，２３ｂの中心間のＹ軸方向の距離を両方ともｄ、電極１６ａ，２３ａの中心間のＺ軸方向の距離及び電極１６ｂ，２３ｂの中心間のＺ軸方向の距離を両方ともｚ、電極１６ａ，２３ａの中心間を結ぶ線がＹ軸方向となす角度及び電極１６ｂ，２３ｂの中心間を結ぶ線がＹ軸方向となす角度を両方ともθとする。距離ｚを可動板２１の位置とする。Ｒ≪ｚ，ｄ、ｚ，ｄ≪Ｌが成立するものとする。

電極２３ａ，２３ｂ間の距離ｌは十分大きいものとし、固定電極部１６と可動電極部２３との間に電圧Ｖを印加したときに、電極１６ａ，２３ａ間、及び、電極部１６ｂ，２３ｂ間のみで静電力が生じるものとする。電圧Ｖを印加したときに生ずる電極１６ａ，２３ａ間の静電力をＦ_１、電圧Ｖを印加したときに生ずる電極１６ｂ，２３ｂ間の静電力をＦ_２とする。なお、電極部１６ａ，１６ｂは互いに同電位とされ、電極２３ａ，２３ｂは互いに同電位にされる。

また、図９に示すモデルでは、フレクチュア部２７ａ，２７ｂによる＋Ｚ方向のバネ力をＦ_ｋとしている。

このモデルでは、電極２３ａ，２３ｂ間の電気容量Ｃ_０は、Ｒ≪ｚ，ｄ、ｚ，ｄ≪Ｌの仮定の下では、近似的に下記数１で表される。数１において、ε_０は真空誘電率である。なお、Ｓｉ基板や可動部の絶縁体などの誘電率は、計算を簡単にするため、ε_０とする。

ここで、電極１６ａ，２３ａ間に電圧Ｖを印加すると、電極１６ａ，２３ａ間に静電力Ｆ_１が発生する。２電極間の静電力Ｆは、電気容量Ｃ、電極間電圧Ｖ、電極間距離Ｓでは、下記数２で表される。したがって、電極１６ａ，２３ａ間の静電力Ｆ_１は、下記数３で表される。

静電力Ｆ_１の方向はＹ軸方向から前記角度θだけ傾いているので、静電力Ｆ_１のＹ軸方向成分Ｆ_１ｙ及びＺ軸方向成分Ｆ_１ｚは、それぞれ下記数４，数５で表される。

電圧Ｖを印加したときに電極１６ｂ，２３ｂ間に働く静電力Ｆ_２は、静電力Ｆ_１と大きさが同じで方向のみが違うため、静電力Ｆ_２のＹ軸方向成分Ｆ_２ｙ及びＺ軸方向成分Ｆ_２ｚは、それぞれ下記数６，数７で表される。

よって、静電力Ｆ_１と静電力Ｆ_２との合成力Ｆ_ｅのＹ軸方向成分Ｆ_ｅｙ及びＺ軸方向成分Ｆ_ｅｚは、それぞれ下記数８，数９で示される。

結局、静電力Ｆ_１のＹ軸方向成分Ｆ_１ｙと静電力Ｆ_２のＹ軸方向成分Ｆ_２ｙとが相殺され、発生する静電力によって可動板２１に有効に働く力Ｆ_ｅは、静電力Ｆ_１と静電力Ｆ_２との合成力Ｆ_ｅのＺ軸方向成分Ｆ_ｅｚとなる。

一方、フレクチュア部２７ａ，２７ｂは、フックの法則に従うものとし、そのバネ定数をｋとする。可動板２１に静電力が働いていないときの状態が自然長のコイルバネと同じ状態であるとし、そのときの可動板２１の位置をｚ_０とする。すると、フレクチュア部２７ａ，２７ｂによる＋Ｚ方向のバネ力Ｆ_ｋは、下記の数１０で表される。

図１０は、図９に示すモデルについて、前述した数９及び数１０に従って作成した、可動板２１の位置ｚと静電力による力Ｆ_ｅ及びバネ力Ｆ_ｋとの関係を示すグラフである。図１０に示す例では、Ｒ＝１μｍ、ｄ＝１０μｍ、Ｌ＝１００μｍ、Ｖ＝７５Ｖ、ｋ＝１ｍＮ／ｍ、ｚ_０＝１００μｍとした。

ここで、この図１０を用いて、本実施の形態で用いられているアクチュエータの前述した駆動原理を説明する。

図１０に示すように、可動板２１の位置ｚがｚ＝０からｚ＝ｚ_０まで変わる間に、静電力によって可動板２１に加わる−Ｚ方向の力Ｆ_ｅは、点Ａ〜Ｆを辿り、点Ｃでピークとなる。一方、可動板２１に加わる＋Ｚ方向のバネ力Ｆ_ｋは、右肩下がりの直線となっている。図１０に示す例では、力Ｆ_ｅを示すラインとバネ力Ｆ_ｋを示すラインとが、点Ｂ，Ｄ，Ｅで交わっている。

図１０に示す例では、点Ｄから点Ｅまでに相当する可動板２１の位置ｚの区間でＦ_ｋ＞Ｆ_ｅとなっているので、可動板２１の位置ｚがｚ_０である状態において、図１０に示すグラフを得たＶ＝７５Ｖを印加して力Ｆ_ｅを発生させても、そのままでは、可動板２１を点Ｅの位置より下方へ移動させることはできない。そこで、本実施の形態では、印加電圧をこの場合より大きくして、図１０中の点Ｃから点Ｆまでの可動板２１の位置ｚの区間の全体に渡ってＦ_ｋ＜Ｆ_ｅとすることで、可動板２１を図１０中の点Ａから点Ｄまでの間の位置に移動させ、その後、Ｖ＝７５Ｖを印加する。すると、可動板２１が点Ａから点Ｂまでの間に位置しているとすれば、Ｆ_ｋ＞Ｆ_ｅであるため可動板２１が上方向（＋Ｚ方向）へ移動して点Ｂへ向かい、可動板２１が点Ｂに達するとＦ_ｋ＝Ｆ_ｅであるので両者の力が釣り合って点Ｂで静止する。逆に、可動板２１が点Ｂから点Ｄまでの間に位置しているとすれば、Ｆ_ｋ＜Ｆ_ｅであるため可動板２１が下方向（−Ｚ方向）へ移動して点Ｂへ向かい、可動板２１が点Ｂに達するとＦ_ｋ＝Ｆ_ｅであるので両者の力が釣り合って点Ｂで静止する。点Ｂの付近において、点Ｂより下側位置で可動板２１を上方向へ移動させる力関係Ｆ_ｋ＞Ｆ_ｅとなるとともに、点Ｂより上側位置で可動板２１を下方向へ移動させる力関係Ｆ_ｋ＜Ｆ_ｅとなるので、可動板２１は点Ｂで安定して保持される。

なお、以上の説明では、可動板２１をｚ_０位置から点Ｂの位置に移動させて点Ｂに保持するために、比較的大きい印加電圧を加えた後に図１０に示すような値となる比較的小さい印加電圧を加える例を挙げた。これは、可動板２１を保持し続ける際に印加電圧がより小さい方が、消費電力等の関係でより好ましいためである。しかしながら、可動板２１を保持し続ける場合にも、比較的小さい印加電圧に切り替えることなく、前述した比較的大きい印加電圧を加え続けてもよい。この場合の、図１０中の点Ｂに相当する可動板２１の安定保持位置は、図１０の点Ｂより若干ずれる。これは、力Ｆ_ｋをそのままにして、各位置に応じた力Ｆ_ｅの値を印加電圧の２乗に比例させて書き変えると、両者のラインの交点がずれることから理解できる。

また、印加電圧を大きくして点Ｄに移動させたなら、その後Ｖ＝７５Ｖにしても点Ｄの位置のままであり点Ｂに向かわない。点Ｂに向かうのは、正確には、点Ｄの位置より下側位置の場合である。

なお、前述したように、印加電圧を変えることで、図１０中の点Ｂに相当する可動板２１の安定保持位置が図１０の点Ｂより若干ずれるので、本実施の形態で用いられているアクチュエータは、可動板２１の安定保持位置を印加電圧の大きさによって所望の位置に変えるような、可動板２１のアナログ的な位置制御も可能である。したがって、本発明によるアクチュエータは、静電力を用いながらも、可動部のアナログ的な位置制御が要求される種々の用途においても、用いることができる。もっとも、本実施の形態では、図３及び図５に示されるようなデジタル的な位置制御で足りる光スイッチに用いられているので、可動板２１のアナログ的な位置制御を行うために印加電圧を変える必要はない。

次に、図９の場合と同様に、図６乃至図８に示す比較例によるアクチュエータをモデル化し、そのモデルに基づいて可動板２１の位置と可動板２１に有効に作用する力との関係を求める。

図１１は、図６乃至図８に示す比較例によるアクチュエータのモデルを示す図である。このモデルにおいても、フレクチュア部２７ａ，２７ｂによる＋Ｚ方向のバネ力をＦ_ｋについては、図９と同じである。図１１に示すモデルでは、図９に示すモデルと異なり、固定電極部を構成する電極２１６及び可動電極部を構成する電極２２３を、平行平板であるとした。図１１に示すモデルでは、電圧Ｖを印加したときの電極２１６，２２３間の−Ｚ方向の静電力をＦ_ｅ’とする。

図１２は、図１１に示すモデルについて、平行平板間の静電力を表す周知の式及び前述した数１０に従って作成した、可動板２１の位置（本例では、電極２１６，２２３間距離）ｚと−Ｚ方向の静電力Ｆ_ｅ’及びバネ力Ｆ_ｋとの関係を示すグラフである。図１２に示す例では、電極２１６，２２３のＹ軸方向の幅を１０μｍ、電極２１６，２２３のＸ軸方向の長さを１００μｍ、印加電圧Ｖを２０Ｖとした。

図１２に示すように、可動板２１の位置ｚがｚ＝０からｚ＝ｚ_０まで変わる間に、可動板２１に加わる−Ｚ方向の静電力Ｆ_ｅ’は、図１０中の力Ｆ_ｅと異なり、ピークを持たない。そして、静電力Ｆ_ｅ’を示すラインとバネ力Ｆ_ｋを示すラインとが、点Ｇで交わっている。可動板２１が点Ｇより下側に位置する場合は、可動板２１を下方向へ移動させる力関係Ｆ_ｋ＜Ｆ_ｅ’となる一方、可動板２１が点Ｇより上側に位置する場合は、可動板２１を上方向へ移動させる力関係Ｆ_ｋ＞Ｆ_ｅ’となっている。

可動板２１の位置ｚがｚ_０である状態において、図１２に示す状態の印加電圧より大きい印加電圧を加えてＦ_ｋ＜Ｆ_ｅ’とし、可動板２１を下方向へ移動させていく場合を考える。このとき、その比較的大きい印加電圧を印加し続ければ、可動板２１が図１２中の点Ｇに達してもまた点Ｇより下側に位置しても、Ｆ_ｋ＜Ｆ_ｅ’の関係が保たれるので、可動板２１は、固定部に当接してしまい、その当接した状態で保持され、プルイン状態となる。可動板２１が図１２中の点Ｇに達したときに印加電圧を図１２に示す状態の比較的低い電圧に切り替えると、点Ｇでは、Ｆ_ｋ＝Ｆ_ｅ’であるので両者の力が釣り合う。ところが、点Ｇの位置から可動板２１が上方向へ微小な位置変動が生ずると、Ｆ_ｋ＞Ｆ_ｅ’となるので、可動板２１は上方向へ移動して位置ｚ_０に戻ってしまう。一方、点Ｇの位置から可動板２１が下方向へ微小な位置変動が生ずると、Ｆ_ｋ＜Ｆ_ｅ’となるので、可動板２１は下方向へ移動していき、固定部に当接してしまい、その当接した状態で保持され、プルイン状態となる。

このように、この比較例では、可動板２１を下側の位置で保持しようとすると、プルイン状態となってしまい、ｚ_０の位置と固定部に当接する位置との中間の位置で可動板２１を安定して保持することは、不可能である。

なお、この比較例では、プルイン状態となってしまうため、印加電圧を変えても可動板２１のアナログ的な位置制御は、全く不可能である。

なお、本実施の形態では、固定電極部１６及び可動電極部２３は、前述したようにＺ軸方向から見た平面視で固定電極部１６と可動電極部２３とが全く重ならないように配置されているが、図１０中の点Ｃのようなピークが生ずる程度であれば、両者が部分的に重なるように配置してもよい。

また、本実施の形態では、前述したように、固定電極部１６も可動電極部２３も、Ｘ１−Ｘ２線を通りＸＺ平面と平行な平面、及び、Ｙ１−Ｙ２線を通りＹＺ平面と平行な平面に対して、面対称な形状を有している。しかしながら、本発明では、必ずしもこのような対称性は必要ではない。例えば、可動部がガイド手段により案内されるため加えられる力の方向に拘わらずに可動部の移動方向が定まるような場合には、必ずしも前述したような対称性は必要ではない。

［第１の実施の形態の各変形例］

本発明では、前述した第１の実施の形態における固定電極部１６及び可動電極部２３は、例えば、図１３乃至図１６にそれぞれ示すように変形してもよい。

図１３乃至図１６は、それぞれ前記第１の実施の形態の変形例を示すもので、それぞれ図２に対応する概略平面図である。図１３乃至図１６において、図２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。なお、図１３乃至図１６において、ミラー１２の図示は省略している。

いずれの変形例においても、固定電極部１６も可動電極部２３も、Ｘ１−Ｘ２線を通りＸＺ平面と平行な平面、及び、Ｙ１−Ｙ２線を通りＹＺ平面と平行な平面に対して、面対称な形状を有している。

図１３に示す変形例では、固定電極部１６は、Ｘ軸方向に延びた短冊状の１本の電極１６ｃで構成されている。可動電極部２３は、Ｘ軸方向に延びた短冊状の２本の電極２３ｃ，２３ｄで構成されている。電極１６ｃは、Ｚ軸方向から見た平面視でＸ１−Ｘ２線に沿って延びるように配置されている。電極２３ｃ，２３ｄは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極１６ｃの＋Ｙ側及び−Ｙ側にそれぞれ電極１６ｃから若干間隔をあけて並列し、電極１６ｃとは重なっていない。なお、図１３では、電極１６ｃに対する配線パターンの図示を省略しているが、この配線パターンはＺ軸方向から見た平面視で電極２３ｃ（又は２３ｄ）と重なっている。しかしながら、その重なり面積はわずかであり、図１０中の点Ｃのようなピークが生ずるのに何ら支障はない。

図１４に示す変形例では、固定電極部１６は、Ｘ軸方向に延びた短冊状の２本の電極１６ｅ，１６ｆで構成されている。可動電極部２３は、Ｘ軸方向に延びた短冊状の１本の電極２３ｅで構成されている。電極２３ｅは、Ｚ軸方向から見た平面視でＸ１−Ｘ２線に沿って延びるように配置されている。電極１６ｅ，１６ｆは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極２３ｅの＋Ｙ側及び−Ｙ側にそれぞれ電極２３ｅから若干間隔をあけて並列し、電極２３ｅとは重なっていない。なお、図１４では、電極１６ｅ，１６ｆに対する配線パターンの図示を省略しているが、この配線パターンはＺ軸方向から見た平面視で電極２３ｅとは重なっていない。

図１５に示す変形例では、固定電極部１６は、Ｘ軸方向に延びた短冊状の３本の電極１６ｇ，１６ｈ，１６ｉで構成されている。可動電極部２３は、Ｘ軸方向に延びた短冊状の２本の電極２３ｇ，２３ｈで構成されている。電極１６ｇは、Ｚ軸方向から見た平面視でＸ１−Ｘ２線に沿って延びるように配置されている。電極２３ｇ，２３ｈは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極１６ｇの＋Ｙ側及び−Ｙ側にそれぞれ電極１６ｇから若干間隔をあけて並列し、電極１６ｇとは重なっていない。電極１６ｈは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極２３ｇの＋Ｙ側に電極２３ｇから若干間隔をあけて並列し、電極２３ｇとは重なっていない。電極１６ｉは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極２３ｈの−Ｙ側に電極２３ｈから若干間隔をあけて並列し、電極２３ｈとは重なっていない。なお、図１５では、電極１６ｇ，１６ｈ，１６ｉに対する配線パターンの図示を省略している。図面には示していないが、電極１６ｇに対する配線パターンは、Ｚ軸方向から見た平面視で電極２３ｇ（又は２３ｈ）と重なっている。しかしながら、その重なり面積はわずかであり、図１０中の点Ｃのようなピークが生ずるのに何ら支障はない。

図１６に示す変形例では、固定電極部１６は、円環状部分とそのＸ軸方向の＋Ｘ側及び−Ｘ側から＋Ｘ方向及び−Ｘ方向にそれぞれ延びた短冊状部分とからなる電極１６ｊで構成されている。可動電極部２３は、Ｚ軸方向から見た平面視で電極１６ｊの＋Ｘ側及び−Ｘ側において電極１６ｊから若干間隔をあけて電極１６ｊの形状に沿う並列した２本の帯状の電極２３ｊ，２３ｋで構成されている。電極２３ｊ，２３ｋは、電極１６ｊとは重なっていない。なお、図１６では、電極１６ｊに対する配線パターンの図示を省略しているが、この配線パターンはＺ軸方向から見た平面視で電極２３ｊ（又は２３ｋ）と重なっている。しかしながら、その重なり面積はわずかであり、図１０中の点Ｃのようなピークが生ずるのに何ら支障はない。

［第２の実施の形態］

図１７は、本発明の第２の実施の形態による光学装置としての光スイッチ装置である光スイッチアレー１０１を備えた光学システム（本実施の形態では、光スイッチシステム）の一例を模式的に示す概略構成図である。図１７において、図１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。

図１７に示す光学システムが図１に示す光学システムと異なる所は、光スイッチアレー１に代えて光スイッチアレー１０１が用いられている点と、これに伴う外部制御回路６の動作の相違と、光スイッチアレー１０１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が追加されている点のみである。

本実施の形態では、磁石５は、図１に示すように、光スイッチアレー１０１の下側に配置され、光スイッチアレー１０１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１０１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。

図１８は、図１７中の光スイッチアレー１０１を模式的に示す概略平面図である。光スイッチアレー１０１は、基板１１１（図１８では図示せず）と、該基板１１１上に２次元状に配置されたｍ×ｎ個の可動板１１２と、各可動板１１２に搭載されたミラー１２とを備えている。光スイッチアレー１０１のうちのミラー１２以外の部分が、マイクロアクチュエータ装置であるマイクロアクチュエータアレーを構成している。

次に、図１７中の光スイッチアレー１０１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１９乃至図２５を参照して説明する。

図１９は、図１７中の光スイッチアレー１０１の単位素子としての１つの光スイッチを模式的に示す概略平面図である。図２０は、図１９中のＭ−Ｍ’線に沿った概略断面図である。ただし、図２０は可動板１１２の断面のみを示している。図２１は、図１９中の可動板１１２を上から見たときのＡｌ膜１２２のパターン形状を示す図である。理解を容易にするため、図２１において、Ａｌ膜１２２の部分にハッチングで示している。また、図２１には、固定電極部３２３及びこれに対する配線パターン３２４も、併せて示している。図２２及び図２４はそれぞれ、図１９及び図２１中のＮ−Ｎ’線に沿った断面を＋Ｙ側から−Ｙ方向に見た概略断面図である。ただし、図２２及び図２４には、−Ｙ方向に見たミラー１２も併せて示している。図２３及び図２５はそれぞれ、図２１中のＫ−Ｋ’線に沿った断面を示す概略断面図である。図２２及び図２３はミラー１２が上側に保持されて光路に進出した状態、図２４及び図２５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２２乃至図２５では、図面表記の便宜上、後述する凸部１２４の図示を省略してそれによる段差がないものとして示している。

光スイッチアレー１０１の単位素子としての１つの光スイッチは、図１８及び図１９に示すように、シリコン基板等の基板１１１上に設けられ基板１１１と共に１つのマイクロアクチュエータを構成する可動部としての１つの可動板１１２と、可動板１１２に搭載された被駆動体である光学素子としてのミラー１２とを有している。

可動板１１２は、図１９及び図２１に示すように、Ｘ１０１−Ｘ１０２線を通りＸＺ平面と平行な平面に対して、面対称な形状及び構造を有している。

可動板１１２は、薄膜で構成され、図１９乃至図２５に示すように、可動板１１２の平面形状の全体に渡る下側の窒化ケイ素膜（ＳｉＮ膜）１２１及び上側のＳｉＮ膜１２３と、これらの膜１２１，１２３の間において部分的に形成された中間のＡｌ膜１２２とから構成されている。すなわち、可動板１１２は、下から順にＳｉＮ膜１２１，１２３を積層した２層膜からなる部分と、下から順にＳｉＮ膜１２１、Ａｌ膜１２２及びＳｉＮ膜１２３を積層した３層膜からなる部分とを、併有している。Ａｌ膜１２２のパターン形状は図２１に示す通りであるが、これについては後述する。可動板１１２は、ＳｉＮ膜１２１，１２３とＡｌ膜１２２との熱膨張係数の差によって生じる内部応力、並びに、成膜時に生じた内部応力により、図２２に示すように基板１１１に対して上向き（＋Ｚ方向）に湾曲するように、予め定められた膜厚及び成膜条件によって形成されている。

可動板１１２は、図１９に示すように、ミラー１２を搭載するための搭載部（すなわち、ミラー１２用の支持基体）としての長方形状のミラー搭載板１１２ａと、ミラー搭載板１１２ａの端部に接続された２本の帯状の支持板１１２ｂとを含む。本実施の形態では、これらの２本の支持板１１２ｂが、互いに機械的に並列接続された２本の梁部となっている。支持板１１２ｂは、それぞれの端部に脚部１１２ｃ及び脚部１１２ｄを有している。脚部１１２ｃ及び１１２ｄはいずれも基板１１１に固定されており、可動板１１２は、脚部１１２ｃ及び１１２ｄを固定端として、図２２に示すように、ミラー搭載板１１２ａ側が持ち上がるようになっている。このように、本実施の形態では、可動板１１２は、脚部１１２ｃ及び１１２ｄを固定端とする片持ち梁構造を持つ可動部となっている。本実施の形態では、基板１１１及びこれに積層された後述する絶縁膜１１３，１１４及び固定電極部３２３等が、固定部を構成している。

可動板１１２には、図１９に示すように、可動板１１２のミラー１２を搭載している部分を含む領域を取り囲むように、凸部１２４が設けられている。凸部１２４は、図２０に示すように、可動板１１２を構成する複層膜を凸型にすることにより形成されている。このように凸部１２４を設けることにより、段差が生じるため、可動板１１２のうち、凸部１２４で囲まれた領域及び凸部１２４が設けられた領域は、内部応力による湾曲が抑制され、平面性を維持することができる。このため、可動板１１２は、図２２のように内部応力による湾曲によりミラー１２を上側の位置に持ち上げた状態であっても、ミラー１２を搭載している部分は平面であるため、搭載されているミラー１２の形状を一定に保つことができる。

このように、可動板１１２は、凸部１２４で囲まれた領域及び凸部１２４が設けられた領域は湾曲が抑制されるが、支持板１１２ｂの脚部１１２ｄに近い領域は、凸部１２４が設けられていない。これにより、凸部１２４が設けられていない支持板１１２ｂの領域の湾曲によって、可動板１１２は、脚部１１２ｃ，１１２ｄを固定端として、図２２のように、ミラー搭載板１１２ａ側が持ち上がるようになっている。また、支持板１１２ｂの脚部１１２ｄに近い領域は、凸部１２４が設けられていないことにより、弾性部としての板ばね部となっている。

ここで、可動板１１２のＡｌ膜１２２の形状について、図２１を参照して説明する。本実施の形態では、駆動力としてローレンツ力と静電力の両方を用いて可動板１１２を駆動するために、図２１に示すような形状に、Ａｌ膜１２２をパターニングしている。Ａｌ膜１２２のうちパターン１２２ａは、２つの脚部１１２ｄのそれぞれから、可動板１１２の外周の縁に沿って延びて可動板１１２の先端側（＋Ｘ側）まで延び、可動板１１２の先端の一辺１１２ｅに沿ってＸ軸方向に延びた直線状のパターン１２２ｃに接続されている。パターン１２２ｃは、磁界内に配置されて通電により駆動力としてのローレンツ力を生じる電流経路（ローレンツ力用電流経路）である。以下、パターン１２２ｃをローレンツ力電流経路１２２ｃと呼ぶ場合がある。パターン１２２ｃもＡｌ膜１２２のうちのパターンである。パターン１２２ａは、ローレンツ力電流経路１２２ｃに電流を供給するための配線パターンである。パターン１２２ａは、図２２及び図２４に示すように、＋Ｙ側の脚部１１２ｄにおいて絶縁膜１１４及びＳｉＮ膜１２１のコンタクトホールを介してＡｌ膜等からなるローレンツ力用配線パターン１４２に接続されるとともに、−Ｙ側の脚部１１２ｄにおいて同様に別のローレンツ力用配線パターン１４２と接続され、脚部１１２ｄを介してローレンツ力用配線パターンからローレンツ力用駆動信号としての電流が供給される。図１７に示す磁石５によって、ローレンツ力用電流経路１２２ｃがＸ軸方向の磁界内に置かれている。したがって、パターン１２２ａを介してローレンツ力電流経路１２２ｃに電流を供給すると、ローレンツ力用電流経路１２２ｃに、その電流の向きに応じて、＋Ｚ方向又は−Ｚ方向のローレンツ力が生ずる。

なお、図２２乃至図２４に示すように、基板１１１上には、基板１１１側から順にシリコン酸化膜等の絶縁膜１１３，１１４が積層され、ローレンツ力用配線パターン１４２は、絶縁膜１１３，１１４間に形成されている。

また、Ａｌ膜１２２のうちパターン１２２ｂは、２つの脚部１１２ｃのそれぞれから、可動板１１２の２本の帯状の支持板１１２ｂの内側の縁に沿って可動板１１２のミラー搭載板１１２ａの根元側（−Ｘ側）付近まで延び、ミラー搭載板１１２ａの根元付近に配置された可動電極部３２２に接続されており、可動電極部３２２に対する配線パターンとなっている。可動電極部３２２は、後述する固定電極部３２３との間の電圧により固定電極部３２３との間に静電力を生じ得るものである。

可動電極部３２２は、図２１、図２３及び図２５に示すように、Ｚ軸方向から見た平面視でＸ軸方向に延びた短冊状の４本の電極１２２ｆ，１２２ｇ，１２２ｈ，１２２ｉで構成されている。電極１２２ｆ，１２２ｇ，１２２ｈ，１２２ｉの＋Ｘ側端部は、配線パターン１２２ｊによって互いに接続されている。２本の配線パターン１２２ｂは、電極１２２ｆの−Ｘ側の端部及び電極１２２ｉの−Ｘ側の端部にそれぞれ接続されている。電極１２２ｆ，１２２ｇ，１２２ｈ，１２２ｉ及び配線パターン１２２ｊも、Ａｌ膜１２２のうちパターンである。

可動電極部３２２は、これを構成する電極１２２ｆ，１２２ｇ，１２２ｈ，１２２ｉが図２１に示すように配置されることによって、Ｘ１０１−Ｘ１０２線を通りＸＺ平面と平行な平面に対して、面対称な形状を有している。

パターン１２２ｂは、脚部１１２ｃにおいて、絶縁膜１１４及びＳｉＮ膜１２１のコンタクトホールを介して可動電極用配線パターン（図示せず）に接続され、固定電極部３２３との間に電圧（静電力用電圧、静電力用駆動信号）が印加される。

固定電極部３２３は、図２１、図２３及び図２５に示すように、Ｘ軸方向に延びた短冊状の３本の電極３２３ａ，３２３ｂ，３２３ｃで構成され、固定電極部３２３に対する配線パターン３２４と共に、基板１１１上の絶縁膜１１３，１１４間に形成されている。固定電極部３２３及び配線パターン３２４は、連続して一体に形成されたＡｌ膜で構成されている。固定電極部３２３は、これを構成する電極３２３ａ，３２３ｂ，３２３ｃが図２１に示すように配置されることによって、Ｘ１０１−Ｘ１０２線を通りＸＺ平面と平行な平面に対して、面対称な形状を有している。

本実施の形態では、電極３２３ｂは、Ｚ軸方向から見た平面視でＸ１０１−Ｘ１０２線に沿って延びるように配置されている。電極１２２ｇ，１２２ｈは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極３２３ｂの＋Ｙ側及び−Ｙ側にそれぞれ電極３２３ｂから若干間隔をあけて並列し、電極３２３ｂとは重なっていない。電極３２３ａは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極１２２ｈの−Ｙ側に電極１２２ｈから若干間隔をあけて並列し、電極１２２ｈとは重なっていない。電極３２３ｃは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極１２２ｇの＋Ｙ側に電極１２２ｇから若干間隔をあけて並列し、電極１２２ｇとは重なっていない。電極１２２ｆは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極３２３ｃの＋Ｙ側に電極３２３ｃから若干間隔をあけて並列し、電極３２３ｃとは重なっていない。電極１２２ｉは、Ｚ軸方向から見た平面視で、電極３２３ａの−Ｙ側に電極３２３ａから若干間隔をあけて並列し、電極３２３ａとは重なっていない。

本実施の形態では、固定電極部３２３及び可動電極部３２２を構成する各電極が前述したように配置されることによって、電極部３２３，３２２間の電圧が一定である場合において生ずる電極部３２３，３２２間の静電力に従って可動板１１２を下方（−Ｚ方向）へ付勢する第１の力が、可動板１１２が基板１１１の絶縁膜１１４に当接する下限位置（第１の位置）と図２２及び図２３に示す上側位置（第２の位置）との間の第３の位置に位置するときにピークとなるようになっている。

本実施の形態では、後に詳述するが、固定電極部３２３と可動電極部３２２との間の電圧及びローレンツ力用電流経路１２２ｃに流す電流を制御することで、ミラー１２が上側（基板１１１と反対側）に保持された状態（図２２及び図２３）及びミラー１２が下側（基板１１１側）に保持された状態（図２４及び図２５）にすることができる。本実施の形態では、図１７中の外部制御回路６によってこのような制御が行われるようになっている。図２２及び図２４において、Ｔは、ミラー１２の進出位置に対する入射光の光路の断面を示している。

前述した光スイッチの構造のうちミラー１２以外の構成要素によって、ミラー１２を駆動するマイクロアクチュエータが構成されている。

本実施の形態による光スイッチアレー１０１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については、例えば、前記第１の実施の形態の場合と同様の方法で製造することができる。

本実施の形態によれば、固定電極部３２３及び可動電極部３２２が前述したように構成されているので、電極部３２３，３２２間に一定の電圧を印加した場合において、可動板１１２の位置と電極部３２３，３２２間に発生する静電力により可動板１１２に有効に働く力との関係は、前述した図１０に示す関係と同様となる。

本実施の形態によれば、図２２及び図２３に示すように、前記静電力及び前記ローレンツ力が印加されていない状態では、支持板１１２ｂの脚部１１２ｄに近い領域（凸部１２４が設けられていない領域）が構成する板ばね部の応力（バネ力）によって＋Ｚ方向に湾曲した状態に復帰し、ミラー１２が上側に保持される。これにより、ミラー１２が光路Ｔに進出して、当該光路Ｔに入射した光を反射させる。

この状態から、光路Ｔに入射した光をミラー１２で反射させずにそのまま通過させる状態に切り替える場合には、例えば、まず、前記ローレンツ力を印加して、支持板１１２ｂの前記板ばね部のバネ力に抗して可動板１１２を下方へ移動させ、前記ローレンツ力によって可動板１１２を図１０中の点Ａから点Ｄまでの範囲に相当する任意の位置まで移動させる。この状態で、前記ローレンツ力の印加を停止させ、固定電極部３２３及び可動電極部３２２との間に図１０に示す状態に相当する電圧を印加する。その結果、前記第１の実施の形態と同様に、可動電極部３２２が図１０中の点Ｂに相当する位置（可動板１１２が基板１１１上の絶縁膜１１４に当接する手前の位置）で安定して保持される。図２４及び図２５はこの状態を示している。

ミラー１２が下側に保持されている状態では、図２４及び図２５に示すように、ミラー１２が光路Ｔから退出して、入射光はミラー１２で反射されることなく、そのまま通過して出射光となる。

図２４及び図２５に示すように可動板１１２が下側に保持されている状態から、図２２及び図２３に示す状態に切り替える場合には、例えば、電極部３２３，３２２間の電圧をゼロにして静電力の発生を停止させればよい。その結果、支持板１１２ｂの前記板ばね部による上方向のバネ力によって、可動板１１２が図２２及び図２３に示す上側位置に復帰する。

本実施の形態によれば、前述したように、電極部３２３，３２２間に電圧を与えて静電力を発生させたときに、図２４及び図２５に示すように、可動板１１２が固定部に当接する手前の位置で安定して保持されるので、従来生じていたプルイン状態が防止される。可動板１１２が固定部に当接しないので、可動板１１２が固定部に貼り付いて動作不能となったり動作遅延を招いたりするおそれがなくなる。

なお、図２２及び図２３に示す状態から図２４及び図２５に示す状態に切り替えるときに、一旦印加したローレンツ力を停止させて電極部３２３，３２２に電圧を印加するタイミングは、ローレンツ力によって可動板１１２が固定部に当接する前でも一旦当接した後でもよい。ローレンツ力によって可動板１１２が固定部に当接しても、そのローレンツ力は、前述した比較例の図８に示す状態における静電力に比べるとはるかに小さくすることができるので、可動板１１２が固定部に貼り付いて動作不能となったりする可能性はほとんどなくなる。

また、本実施の形態で用いられているアクチュエータも、前記第１の実施の形態で用いられているアクチュエータと同様に、可動板１１２の安定保持位置を印加電圧の大きさによって所望の位置に変えるような、可動板１１２のアナログ的な位置制御が可能である。

以上、本発明の各実施の形態及び変形例について説明したが、本発明はこれらの実施の形態や変形例に限定されるものではない。

例えば、前記第２の実施の形態において、固定電極部３２３及び可動電極部３２２のパターンとして、前記第１の実施の形態及び図１３乃至図１６に示す各変形例のうちのいずれの、固定電極部１６及び可動電極部２３のパターンと同様の、パターンを採用してもよい。

また、本発明では、前記第２の実施の形態において、静電力以外に用いる力として、ローレンツ力に代えて、他の力（熱膨張による薄膜の応力変化を利用した力、圧電効果を利用した力など）を用いることができるように、構成してもよい。

さらに、前記第１及び第２の実施の形態においては、可動板を上側位置へ復帰させるための力としてバネ力が用いられていたが、本発明では、バネ力の代わりに他の力（例えば、磁気力など）を用いることができるように構成してもよい。

さらにまた、本発明によるマイクロアクチュエータは、光スイッチ以外の他の光学装置やその他の種々の用途に用いることができる。

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学システムの一例を模式的に示す概略構成図である。 図１中の光スイッチアレーの単位素子としての１つの光スイッチを模式的に示す概略平面図である。 ミラーが上側に保持された状態を示す、図２中のＹ３−Ｙ４線に沿った概略断面図である。 図２中のＸ１−Ｘ２線に沿った概略断面図である。 ミラーが下側に保持された状態を示す、図２中のＹ３−Ｙ４線に沿った概略断面図である。 比較例による１つの光スイッチを示す概略平面図である。 ミラーが上側に保持された状態を示す、図６中のＹ５−Ｙ６線に沿った概略断面図である。 ミラーが下側に保持された状態を示す、図６中のＹ５−Ｙ６線に沿った概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態で用いられているアクチュエータのモデルを示す図である。 図９に示すモデルについて得た、可動板の位置と静電力による力Ｆ_ｅ及びバネ力Ｆ_ｋとの関係を示すグラフである。 図６乃至図８に示す比較例によるアクチュエータをモデルを示す図である。 図１１に示すモデルについて得た、可動板の位置と静電力Ｆ_ｅ’及びバネ力Ｆ_ｋとの関係を示すグラフである。 第１の実施の形態の一変形例を示す概略平面図である。 第１の実施の形態の他の変形例を示す概略平面図である。 第１の実施の形態の更に他の変形例を示す概略平面図である。 第１の実施の形態の更に他の変形例を示す概略平面図である。 本発明の第２の実施の形態による光スイッチアレーを備えた光学システムの一例を模式的に示す概略構成図である。 図１７中の光スイッチアレーを模式的に示す概略平面図である。 図１７中の光スイッチアレーの単位素子としての１つの光スイッチを模式的に示す概略平面図である。 図１９中のＭ−Ｍ’線に沿った概略断面図である。 図１９中の可動板を上から見たときのＡｌ膜のパターン形状を示す図である。 ミラーが上側に保持された状態を示す、図１９及び図２１中のＮ−Ｎ’線に沿った断面を＋Ｙ側から−Ｙ方向に見た概略断面図である。 ミラーが上側に保持された状態を示す、図２１中のＫ−Ｋ’線に沿った断面を示す概略断面図である。 ミラーが下側に保持された状態を示す、図１９及び図２１中のＮ−Ｎ’線に沿った断面を＋Ｙ側から−Ｙ方向に見た概略断面図である。 ミラーが下側に保持された状態を示す、図２１中のＫ−Ｋ’線に沿った断面を示す概略断面図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ ミラー
１６ 固定電極部
１６ａ ，１６ｂ 固定電極部を構成する電極
２１ 可動板
２３ 可動電極部
２３ａ，２３ｂ 可動電極部を構成する電極

Claims (10)

1. 固定部と、前記固定部に対して、前記固定部の所定箇所に当接する第１の位置と前記所定箇所から前記第１の位置より遠ざかった第２の位置との間を移動し得るように設けられた可動部と、を備え、
   前記固定部は、第１の電極部を有し、
   前記可動部は、前記第１の電極部との間の電圧により前記第１の電極部との間に静電力を生じ得る第２の電極部を有し、
   前記電圧が一定である場合において生ずる前記静電力に従って前記可動部を前記第１の位置へ向かう方向へ付勢する第１の力が、前記可動部が前記第１の位置と前記第２の位置との間の第３の位置に位置するときにピークとなるように、前記第１及び第２の電極部が配置されたことを特徴とするマイクロアクチュエータ。
2. 前記第１及び第２の電極部は、前記可動部の前記第１及び第２の位置間の移動方向から見たときに前記第１及び第２の電極部が互いに実質的に重ならないように、配置されたことを特徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
3. 固定部と、前記固定部に対して、前記固定部の所定箇所に当接する第１の位置と前記所定箇所から前記第１の位置より遠ざかった第２の位置との間を移動し得るように設けられた可動部と、を備え、
   前記固定部は、第１の電極部を有し、
   前記可動部は、前記第１の電極部との間の電圧により前記第１の電極部との間に静電力を生じ得る第２の電極部を有し、
   前記第１及び第２の電極部は、前記可動部の前記第１及び第２の位置間の移動方向から見たときに前記第１及び第２の電極部が互いに実質的に重ならないように、配置されたことを特徴とするマイクロアクチュエータ。
4. 前記第１及び第２の電極部はそれぞれ、前記可動部の前記第１及び第２の位置間の移動方向を含む少なくとも１つの同じ平面に対して略面対称な形状を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
5. 前記可動部を前記第１の位置から前記第２の位置へ向かう方向へ付勢する第２の力が生じ得るように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
6. 前記可動部は、前記第２の力として前記第２の位置に復帰しようとするバネ力を生ずるように設けられたことを特徴とする請求項５記載のマイクロアクチュエータ。
7. 前記第１及び第２の力とは別の第３の力を、前記可動部に生じさせる発生手段を備えたことを特徴とする請求項５又は６記載のマイクロアクチュエータ。
8. 前記発生手段は、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ずる電流路を含むことを特徴とする請求項７記載のマイクロアクチュエータ。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のマイクロアクチュエータと、前記可動部に搭載された被駆動体とを備え、前記被駆動体が光学素子であることを特徴とする光学装置。
10. 請求項１乃至８のいずれかに記載のマイクロアクチュエータと、前記可動部に搭載された被駆動体とを備え、前記被駆動体がミラーであることを特徴とする光スイッチ。

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