JP2007155966A

JP2007155966A - ミラー装置

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Publication number: JP2007155966A
Application number: JP2005348929A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Takahashi; 良文高橋
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: JP4473210B2

Abstract

【課題】ミラー変形による特性低下が少なく、簡易な低電圧電源で駆動できるようにする。
【解決手段】基板３１の穴３１ａ〜３１ｄの内側に配置された可動ミラー３２を駆動するためのミラー駆動手段は、可動ミラー３２の中心から基板３１の外縁に向かう線に直交し、且つ穴３１ａ〜３１ｄの外縁の異なるそれぞれの位置から一直線をなすように内方へ延び、長さ方向に捩れ変形自在な一対の軸４２、４３と、穴３１ａ〜３１ｄの内部に配置され、一対の軸４２、４３の先端にその外縁が連結されて軸を中心に回動自在に支持された回動板４１と、可動ミラー３２の外縁から回動板４１の一端側との間を連結する可撓性を有するヒンジ３５と、回動板４１の他端側と基板３１の外縁との間に電圧を印加して、回動板４１に軸４２、４３を中心とする回動力を与えるための電極４６、４９とを一組の駆動機構とし、その駆動機構を可動ミラー３２の周りに複数組設けている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ミラーの角度を変化させてミラーを経由する光の方向等を３次元的に可変するミラー装置において、ミラー変形による特性低下が少なく、簡易な低電圧電源で駆動できるようにするための技術に関する。

例えば、光の出射方向を変化させるためのミラー装置として、ミラー本体を一つの軸を中心に回動する構造のものが従来からあり、近年では、半導体基板等に対するエッチング技術により、ミラー本体と、その角度を変化させるための機構とを一体的に且つ小型に形成した所謂ＭＥＭＳ構造のものが種々提案されている（例えば特許文献１）。

特開２００４−２９４８２８号公報明細書

しかし、上記構造のミラー装置ではビーム方向を２次元的にしか変化させることができない。

これを解決する技術として、例えば、図１１に示すＭＥＭＳ構造のファブリペロー型の光フィルタのミラー駆動方法を利用することが考えられる。

ファブリペロー型の光フィルタは、平行に対向する２つのミラーの距離を変化させることで、ミラー間の距離によって決まる波長の光を選択的に透過させるものである。

この光フィルタは、透光性を有する第１基板１と第２基板１０とをスペーサ９を挟んで重ね合わせた構造を有しており、第１基板１には、下面側中央に形成された高反射率のＨＲ膜３と、その反対面側に形成された低反射率のＡＲ膜４とにより固定ミラー２が形成されている。また、このＨＲ膜３の外側には複数の電極５が設けられている。

一方、第２基板１０は導電性を有し、その中央には、外側をエッチング処理により除去されて形成された可動ミラー１２が、可撓性を有する複数のヒンジ１１により上下動可能な状態で支持されている。

可動ミラー１２は、第２基板１０の上面側に形成されたＨＲ膜１３とその反対面側に形成されたＡＲ膜１４とにより構成され、第１基板１と第２基板１０とが一体的に重ね合わされたとき、固定ミラー２に対してほぼスペーサ９の厚さ分離れた状態で平行に支持されている。

このような構造の光フィルタで、図１１の（ａ）のように、第２基板１０を基準として、第１基板１の各電極５に電圧が印加されていない（Ｖ＝０）の場合、上記したように、可動ミラー１２は固定ミラー２からスペーサ９の厚さ分離れた位置で平行に支持されており、この状態で例えば可動ミラー１２の下面側から広帯域光Ｐ０が入力されると、ミラー間の距離によって決まる波長間隔の光Ｐ１が固定ミラー２側から出射される。

また、図１１の（ｂ）のように、第１基板１の各電極５に絶対値がゼロボルトより大きな電圧Ｖを印加すると、各電極５と可動ミラー１２との間に静電的な引力が生じて、可動ミラー１２が固定ミラー２側に近づき、電圧を印加しない場合に比べて狭い波長間隔の光Ｐ２が固定ミラー２側から出射されることになる。

したがって、電極５に印加する電圧を可変することで、ミラー間を通過する光の波長を変化させることができる。

なお、上記構造の光フィルタは、例えば次の特許文献２に開示されている。

米国特許第６３７３６３２号

上記構造の光フィルタでは、可動ミラー１２を平行移動するために各電極５に同一電圧を印加しているが、例えば電極５の数が３つの場合で、その２つの電極には同一の電圧を印加し、残り一つの電極に異なる電圧（０でもよい）を印加することで、可動ミラー１２の角度を３次元的に変化させることができ、この技術を用いることでビーム方向の３次元変化が可能なミラー装置を実現できる。

しかしながら、上記構造の光フィルタでは、可動ミラー１２自体に電極５からの力を加えているため、その厚さが薄い場合、可動ミラー１２自体に歪みが発生して、ビーム方向を正しく制御できないという問題があった。

また、電極５と可動ミラー１２との間に印加した電圧により、可動ミラー１２の角度を変化させているので、大きな角度変化を得るためには、非常に高い直流電圧が必要となり、製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は、これらの問題を解決し、ミラー変形による特性低下が少なく、簡易な低電圧電源で駆動できるミラー装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１のミラー装置は、
基板（３１）と、
前記基板に形成され、その一面側が高反射率に形成された可動ミラー（３２）と、
前記可動ミラーの角度を変化させるミラー駆動手段とを有するミラー装置において、
前記可動ミラーは、前記基板に形成された穴（３１ａ〜３１ｄ）の内側に配置され、
前記ミラー駆動手段は、
前記可動ミラーの中心から前記基板の外縁に向かう線に直交し、且つ前記穴の外縁の異なるそれぞれの位置から一直線をなすように内方へ延び、長さ方向に捩れ変形自在な一対の軸（４２、４３）と、
前記穴の内部に配置され、前記一対の軸の先端にその外縁が連結されて該一対の軸を中心に回動自在に支持された回動板（４１）と、
前記可動ミラーの外縁から前記回動板の一端側との間を連結する可撓性を有するヒンジ（３５）と、
前記回動板の他端側と前記基板の外縁との間に電圧を印加して、前記回動板に前記軸を中心とする回動力を与えるための電極（４６、４９）とを一組の駆動機構とし、
当該駆動機構が前記可動ミラーの周りに複数組設けられていることを特徴としている。

また、本発明の請求項２のミラー装置は、請求項１記載のミラー装置において、
前記可動ミラーの外縁部にスリット（５１Ａ〜５１Ｃ）が形成されていることを特徴としている。

また、本発明の請求項３のミラー装置は、請求項１または請求項２記載のミラー装置において、
前記穴、可動ミラーおよびミラー駆動手段が、前記基板に複数組設けられていることを特徴としている。

このように本発明のミラー装置は、可動ミラー自身に直接力を与えずに、回動板に与えた回動力をヒンジを介して可動ミラーに間接的に伝達しているので、可動ミラーに歪みが生じにくく、良好な特性を維持できる。

また、回動板の回動中心を電極側に近づけることで、先端側の移動量を大きくすることができ、低電圧駆動で大きな角度変化を与えることができる。

また、可動ミラーの外縁部にスリットを形成したことにより、ＨＲ膜の蒸着等による反りを防止でき、より良好な特性を得ることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図６は、本発明を適用したＭＥＭＳ構造のミラー装置２０の構造を示している。

これらの図において、ミラー装置２０は、外形が矩形（この例では正方形）で透光性を有する基板３１に一体的に形成されている。

基板３１は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる絶縁層１０１とシリコン（Ｓｉ）からなる導電層１０２とを有する２層構造のＳＯＩ基板（図示せず）に対するエッチング処理および蒸着処理により形成されている。

基板３１には、可動ミラー３２および可動ミラー３２を動かすための機構が一体的に形成されている。

即ち、基板３１の中央部には、円形状に形成された円形穴３１ａと、その円形穴３１ａを中心にして基板３１の外縁部まで放射状に且つ長方形状に延びた複数（この例では３つ）の矩形穴３１ｂ〜３１ｄが形成されている。各矩形穴３１ｂ〜３１ｄは、円形穴３１ａの中心に対して１２０度の間隔をあけて形成されている。なお、各穴３１ａ〜３１ｄの形状は任意である。

円形穴３１ａの内側には円形の可動ミラー３２が同心状に配置されている。可動ミラー３２は、エッチング処理により円形に残された導電層１０２と、その表面に円形に蒸着されたＨＲ膜３３とにより構成されている。

可動ミラー３２の外周には各矩形穴３１ｂ〜３１ｄの方向に延び、長さ方向およびそれと直交する方向に可撓性を有するヒンジ３５Ａ〜３５Ｃの一端側が連結されている。

各ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃの他端側は、各矩形穴３１ｂ〜３１ｄの中央部に配置された回動板４１Ａ〜４１Ｃの先端にそれぞれ連結されている。

各回動板４１Ａ〜４１Ｃは、矩形穴３１ｂ〜３１ｄと中心線が一致する長方形状に形成され、その先端側の中央にヒンジ３５Ａ〜３５Ｃの一端側が連結されている。

また、各回動板４１Ａ〜４１Ｃの両側縁は、可動ミラー３２の中心から第２基板３１の外縁に向かう線に直交し、且つ矩形穴３１ｂ〜３１ｄの外縁の異なるそれぞれの位置（矩形穴３１ｂ〜３１ｄの両側縁）から一直線をなすように内方へ延び、その長さ方向に捩れ変形自在な一対の軸４２Ａ、４３Ａ、４２Ｂ、４３Ｂ、４２Ｃ、４３Ｃの先端に支持され、各軸４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃを中心に回動できるようになっている。

各回動板４１Ａ〜４１Ｃの後端には電極部４５Ａ〜４５Ｃが形成されている。
電極部４５Ａ〜４５Ｃには、矩形穴３１ｂ〜３１ｄの奥端方向へ櫛歯状に間隔をあけて平行に延びた複数本の電極４６が形成されている。なお、ここでは図示する都合上電極４６を３本にしているが、実際にはより多く設けることが望ましく、これは後述の電極４９についても同様である。

一方、基板３１の導電層１０２の表面側で各矩形穴３１ｂ〜３１ｄの奥端部近傍の位置には、絶縁板４７Ａ〜４７Ｃを介して導電性を有する電極板４８Ａ〜４８Ｃが設けられている。

各電極板４８Ａ〜４８Ｃには、回動板４１Ａ〜４１Ｃの各電極４６の隙間に入り込む幅と間隔で回動板４１Ａ〜４１Ｃ方向に櫛歯状に延びた複数本の電極４９がそれぞれ形成されている。

ここで、可動ミラー３２、ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃ、回動板４１Ａ〜４１Ｃ、軸４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃおよび電極部４５Ａ〜４５Ｃは、基板３１の導電層１０２で形成されており、電極板４８Ａ〜４８Ｃは、この導電層１０２から絶縁板４７Ａ〜４７Ｃの厚さ分だけ高い位置で絶縁された状態になっている。

なお、上記構造のミラー装置２０では、ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃ、回動板４１Ａ〜４１Ｃ、軸４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃ、電極部４５Ａ〜４５Ｃ、電極板４８Ａ〜４８Ｃおよび制御回路６０によりミラー駆動手段が構成され、制御回路６０を除く部分が駆動機構となる。

このように構成されたミラー装置２０では、図３に示しているように、制御回路６０から、基板３１の導電層１０２を基準電位として、各電極板４８Ａ〜４８Ｃに直流電圧Ｖａ〜Ｖｃを印加することで、可動ミラー３２を、指定された方向情報に対応した向きに設定することができる。

即ち、各電極板４８Ａ〜４８Ｃに直流電圧を印加しない場合には、図７の（ａ）に示しているように、可動ミラー３２の反射面は設計上基板３１と平行となっており、この状態で、基板３１と平行な面に対して例えば入射光Ｐ１が角度θ１で入射した場合、反射面から出射される光Ｐ２も基板３１と平行な面と直交し且つ入射光Ｐ１の光路を含む面内で角度θ１で出射される。

そして、例えば、電極板４８Ａ〜４８Ｃのうち、例えば電極板４８Ｂ、４８Ｃに絶対値がゼロボルトより大きい同一電圧を与え、電極板４８Ａに電圧ゼロボルトを与えると、電極板４８Ｂ、４８Ｃの電極４９と回動板４１Ｂ、４１Ｃの電極４６との間に静電的な引力が生じて、図７の（ｂ）のように、回動板４１Ｂ、４１Ｃが、軸４２Ｂ、４２Ｃ、４３Ｂ、４３Ｃを中心に、その先端側が下がる方向（絶縁層１０１方向）に回動する。

このため、可動ミラー３２は、図７の（ｃ）のように、入射光Ｐ１の光路を含む面内で角度Δθだけ傾く。このとき、各回動板４１Ａ〜４１Ｃの先端から可動ミラー３２の縁部までの距離は大きくなるが、その間に生じる張力により各ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃが伸長するので、可動ミラー３２の角度は円滑に変化し、電極４６、４９の間に生じる引力と、軸４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃ、ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃのバネ定数に依存した復帰力とが釣り合った状態で停止する。

このように可動ミラー３２が所定角度Δθ傾くことにより、可動ミラー３２からの出射光Ｐ２は、基板３１の表面に対してθ１＋２Δθの角度で出射されることになる。

この出射光Ｐ２の出射方向は、各電極第４８Ａ〜４８Ｃに印加する電圧を任意に設定することで、所定範囲内で３次元的に任意に変化させることができる。

なお、図示しないが、各電極板４８Ａ〜４８Ｃにゼロでない同一電圧を印加した場合、回動板４１Ａ〜４１Ｃが同一角度回動するので、可動ミラー３２は基板３１に対して平行な状態で下面側（絶縁層１０１側）へ下降することになる。この場合、出射光Ｐ２の角度は変化しないが、光路は上下方向に平行移動する。

また、この構造のミラー装置２０では、可動ミラー３２自身に直接力を与えずに、回動板４１Ａ〜４１Ｃに与えた回動力をヒンジ３５Ａ〜３５Ｃを介して可動ミラー３２に伝達しているので、可動ミラー３２に歪みが生じにくく、良好な特性を維持できる。

さらに、回動板４１Ａ〜４１Ｃの回動中心を電極側に近づけることで、先端側の移動量を大きくすることができ、低電圧駆動で大きな角度変化を与えることができる。

なお、この実施形態では、可動ミラー３２を、ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃを介して３つの回動板４１Ａ〜４１Ｃで３方から支持していたが、可動ミラー３２の周りに、回動板を含む駆動機構を４組以上設けてもよく、また、回動範囲は狭まるが、図８のように、一組だけ回動板を設けずにヒンジ３５Ａの他端側を基板３１に連結してもよい。

また、この実施形態では、各電極板４８Ａ〜４８Ｃを基板３１の表面側に設けていたが、電極板４８を基板３１の反対面に配置してもよい。

また、可動ミラー３２の表面に例えばＡｕ等からなるＨＲ膜３３を蒸着した場合に、その外縁部に反りが発生して、平行度が低下する場合があるが、このような場合には、図９に示すように、可動ミラー３２の外縁部にスリット５１Ａ〜５１Ｃを形成することで、ミラーの反りを防止し、より良好な選択特性を得ることができる。

また、ミラー２２の形状や基板３１の穴３１ａ〜３１ｄの形状については上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

また、図１０に示すミラー装置２０′のように、基板３１の形状を大きくし、穴３１ａ〜３１ｄ、可動ミラー３２およびこれを駆動する機構を複数組設けてアレー化することもできる。このアレー化したミラー装置では、多チャンネル光切り換え装置の切り換え部として利用できる。なお、図１０ではアレー配置を４列４段にしているが、この配置は任意である。

本発明の実施形態の斜視図実施形態の分解斜視図実施形態の平面図実施形態の背面図図３のＡ１−Ａ２線断面図図３のＡ３−Ａ４線断面図実施形態の動作を説明するための概略図実施形態の変形例を示す図可動ミラーの外縁にスリットを設けた例を示す図アレー化した例を示す図ビーム方向を３次元的に変化できる機構を有する従来装置の構成および動作を説明するための概略断面図

符号の説明

２０、２０′……ミラー装置、３１……基板、３２……可動ミラー、３３……ＨＲ膜、３５Ａ〜３５Ｃ……ヒンジ、４１Ａ〜４１Ｃ……回動板、４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃ……軸、４５Ａ〜４５Ｃ……電極部、４６……電極、４７Ａ〜４７Ｃ……絶縁板、４８Ａ〜４８Ｃ……電極板、４９……電極、５１Ａ〜５１Ｃ……スリット、６０……制御回路

Claims

基板（３１）と、
前記基板に形成され、その一面側が高反射率に形成された可動ミラー（３２）と、
前記可動ミラーの角度を変化させるミラー駆動手段とを有するミラー装置において、
前記可動ミラーは、前記基板に形成された穴（３１ａ〜３１ｄ）の内側に配置され、
前記ミラー駆動手段は、
前記可動ミラーの中心から前記基板の外縁に向かう線に直交し、且つ前記穴の外縁の異なるそれぞれの位置から一直線をなすように内方へ延び、長さ方向に捩れ変形自在な一対の軸（４２、４３）と、
前記穴の内部に配置され、前記一対の軸の先端にその外縁が連結されて該一対の軸を中心に回動自在に支持された回動板（４１）と、
前記可動ミラーの外縁から前記回動板の一端側との間を連結する可撓性を有するヒンジ（３５）と、
前記回動板の他端側と前記基板の外縁との間に電圧を印加して、前記回動板に前記軸を中心とする回動力を与えるための電極（４６、４９）とを一組の駆動機構とし、
当該駆動機構が前記可動ミラーの周りに複数組設けられていることを特徴とするミラー装置。
前記可動ミラーの外縁部にスリット（５１Ａ〜５１Ｃ）が形成されていることを特徴とする請求項１記載のミラー装置。
前記穴、可動ミラーおよびミラー駆動手段が、前記基板に複数組設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のミラー装置。