JP2008003309A - 微小電気機械素子及び微小電気機械素子アレイ並びに変調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みの発生による各種問題の低減が可能となる微小電気機械素子を得、任意方向への変位を可能にしつつ、高速応答と低電圧駆動を実現し、設計を容易にし、動作信頼性を向上させる。
【解決手段】可動部５１の変位動作に応じた変調機能を有する微小電気機械素子１００であって、下側面５１ｂの中心位置で支柱５３によって傾斜自在に支持された平板状の可動部５１と、この可動部５１に対向してそれぞれ配置され可動部５１に物理的作用力を加える複数の駆動部６３とを備え、駆動部６３によって少なくとも２つ以上の回転軸回りで可動部５１が複数方向に傾斜変位可能となるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電気力で変位する微小可動部を備えた微小電気機械素子及び微小電気機械素子アレイ並びに変調装置に関する。

近年、ＭＥＭＳ技術（ＭＥＭＳ；Micro-Electro Mechanical Systems）の急速な進歩により、μｍオーダーの微小構造体を電気的に変位・移動させる微小電気機械式素子の開発が盛んに行われている。この微小電気機械式素子には、例えばマイクロミラーを傾けて光の偏向を図るデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）や、光路を切り換える微小薄膜可動素子としての光スイッチなどがある。ＤＭＤは、光学的な情報処理の分野において、投射ディスプレイ、ビデオ・モニター、グラフィック・モニター、テレビ及び電子写真プリントなど用途が広い。また、光スイッチは、光通信、光インタコネクション（並列コンピュータにおける相互結合網など光による信号接続技術）、光情報処理（光演算による情報処理）などへの応用が期待されている。

微小電気機械式素子は、一般的に弾性変位可能に支持され一方向又は双方向に変位する可動部を備え、この可動部が主にスイッチング動作を担う。例えば、図２０（ａ）に示す微小電気機械式素子１は、一対の電極３，５のうち一方の電極に所定の電圧を印加し、一対のヒンジ７、７によって支持されたミラー９を有する可動部１１を、これら電極３，５との間の電位差及び静電容量に応じた静電引力により回転させる構成としている。また、微小電気機械式素子は、図２０（ｂ）に示すように、二対のヒンジ７ａ、７ａ、ヒンジ７ｂ、７ｂを捩れ中心とする２軸３次元変調素子１３であってもよい。この場合、３次元変調素子１３は、第１電極３ａ，５ａに加え、第２電極３ｂ，５ｂが設けられることになる。そして、第１電極３ａ，５ａへの電圧印加によって可動部１１がＸ方向に駆動され、第２電極３ｂ，５ｂへの電圧印加によって可動部１１がＹ方向に駆動されて、可動部１１の３次元変位が可能となる。

この種の回転系の微小電気機械素子１，１３では、可動部１１の遷移時間（可動部１１が一方に傾いている状態からもう一方に傾くまでの時間）、又は応答速度（可動部１１が一方に傾いている状態からもう一方に傾くときの速度）が、可動部１１を支持するヒンジ７、７ａ、７ｂの弾性力と、印加される電圧の大きさとのバランスで設計されている。遷移時間は印加する電圧が大きければ短くなり、応答速度は印加する電圧（電位差）が大きければ速くなる。

また、微小電気機械素子には、特許文献１に開示される光偏向装置がある。図２１に示すように、この光偏向装置１５は、入射光ビームを偏向する可動部（半球体）１７と、半球体１７を回転自在に支持する半球溝１９ａを有する支持体１９と、半球体１７を回転させるために半球体１７の球面及び球面と対向する支持体１９側に設けられた駆動手段である下部電極２１ａ〜２１ｅ、帯電領域２３ａ、帯電領域２３ｂとからなる。凸型半球状構造体を有する型基板を支持体１７に押し付け、この構造体の立体反転形状を支持体１９に転写して、支持体１９に半球溝１９ａを形成している。なお、図中、２５は反射層、２７は誘電性液体を表す。図２１（ｂ）は半球溝１９ａの内面を示す平面図である。この光偏向装置１５によれば、反射層２５を備えた半球の可動部１７を誘電性液体２７とともに封止するので、可動部１７と下部電極２１ａ〜２１ｅの間に働く静電気力によって任意の方向に反射層２５を傾けることができる。

また、特許文献２に開示される誘導電荷ミラー３１は、図２２に示すように、絶縁基板の上面に少なくとも一部が絶縁物で囲まれた空間３３を設け、空間内に傾斜自在に平面状の可動部（ミラー導体）３５を配置している。ミラー導体３５を挟む上下には透明電極３７と、第１、第２の固定電極３９Ａ，３９Ｂとを設けている。そして透明電極３７に第１の電位を常時与える手段４１と、ミラー導体３５の傾斜角度を切替えるために、第１、第２の固定電極３９Ａ，３９Ｂにそれぞれ第２の電位と第３の電位を交互に与える手段４３，４５Ａ，４５Ｂ，４７Ａ，４７Ｂとを設けている。この誘導電荷ミラー３１によれば、空間３３内に傾斜自在に可動部３５を封止することで、ヒンジレスの可動部３５を静電気力で駆動できる。

特開２００１−１４７３８４号公報 特開２００２−１３９６８１号公報

しかしながら、図２０に示したこれまでの回転系の微小電気機械素子は、可動部を支持するヒンジの弾性戻り力が、可動部を初期位置に戻す復元力となる。よって、可動部が一方に傾いている状態から、もう一方に傾くまでを考えたとき、その遷移角度を−θ〜＋θとすると、−θ〜０度の範囲ではヒンジの弾性力は応答速度を速める効果となるが、０〜＋θ度の範囲では応答速度を遅らせる効果となる。ＤＭＤのような回転系素子をより微細化しようとしたとき、ヒンジの厚みはすでに限界に近く、ヒンジ幅を細くできるものの、ヒンジ長さが短くなるため、弾性力が上がる。その結果、応答速度が更に遅くなり、駆動電圧も増加する課題があった。また、多数回駆動させる微小電気機械素子の場合、ヒンジのメモリー効果により、どちらか一方の変位方向に癖（ヒンジ残留歪み）がついてしまい、誤動作を生じさせたり、短寿命となる課題があった。更に、ヒンジ等の弾性支持部を設けた微小電気機械素子では、構造が複雑となり、特に、図２０（ｂ）に示す微小電気機械素子は、可動部が２軸回りのＸ，Ｙ方向で駆動可能となるものの、二対のヒンジを設けなければならず、構造が極めて複雑となり、素子設計に多大な労力を要した。
一方、特許文献１に開示される技術では、可動部と下部電極の間に働く静電気力によって任意の方向に反射部を傾けることができるが、反射部を備えた半球の可動部が誘電性液体とともに封止されるため、素子の微細化には不利となった。また、誘電性液体の粘性によって可動部の駆動速度を低減させてしまうことが危惧される。
また、特許文献２に開示される技術は、ヒンジレスの可動部を静電気力で駆動させることから、ヒンジ弾性力による応答速度の低速化は生じないが、可動部が１軸回りにしか変位せず、入射光を任意の方向に反射させることができない。また、可動部を支える突起は有するが、横ズレを起こす可能性があった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みによる各種問題の低減が可能となる微小電気機械素子及び微小電気機械素子アレイ並びに変調装置を提供し、もって、任意方向への可動部変位を可能にしつつ、高速応答と低電圧駆動を実現し、設計を容易にし、動作信頼性を向上させることを目的とする。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 可動部の変位動作に応じた変調機能を有する微小電気機械素子であって、
下側面の中心位置で支柱によって傾斜自在に支持された平板状の可動部と、
該可動部に対向してそれぞれ配置され前記可動部に物理的作用力を加える複数の駆動部と、を備え、
前記駆動部が、前記可動部を少なくとも２つ以上の回転軸回りで複数方向に傾斜変位させることを特徴とする微小電気機械素子。

この微小電気機械素子によれば、可動部が下側面の中心位置で支柱によって傾斜自在に支持されることで、従来、影響を及ぼしていたヒンジ等の弾性力が可動部の変位に作用しなくなり、かつ可動部が直交２軸回りに自由に傾斜可能となる。これにより、従来、ヒンジを備えることにより発生していた高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みによる各種問題が低減される。

（２） （１）項記載の微小電気機械素子であって、
前記駆動部が、前記可動部にそれぞれ対向して少なくとも相互に異なる３箇所に配置されたことを特徴とする微小電気機械素子。

この微小電気機械素子によれば、駆動部が、少なくとも異なる３箇所に配置されることで、可動部が２軸以上の軸回りで傾斜変位可能となる。

（３） （１）項又は（２）項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部が、該可動部とは別体に立設された支柱を支点として支持されることを特徴とする微小電気機械素子。

この微小電気機械素子によれば、可動部が、支柱の先端部に支持されて、この支柱を支点として傾斜変位するようになる。つまり、可動部の中心が一点支持されることで、その全周縁の任意部位が傾斜可能となる。また、接触支持であり、ヒンジのような接続構造による支持でないので、応答速度低下の要因となる弾性力の発生することがない。

（４） （３）項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部が、前記支柱の先端部に当接する位置に窪みを有することを特徴とする微小電気機械素子。

この微小電気機械素子によれば、支柱の先端部が当接する位置の可動部に窪みがあることにより、窪みに支柱の先端が進入することで、可動部は、下面（窪み形成面）と平行な面方向への移動が規制され、可動部の支柱先端部に対しての位置ずれを防止できる。また、支柱が可動部と別体となるので、可動部の質量が小さくなり、高速応答に有利となる。

（５） （１）項又は（２）項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部の下面側に前記支柱が一体に形成されて、該支柱の下端部を支点として前記可動部が支持されることを特徴とする微小電気機械素子。

この微小電気機械素子によれば、可動部が、可動部の下面側に垂設された支柱により支持されて傾斜変位するようになる。また、可動部に窪みを形成する必要が無くなるので、可動部の強度低下を抑止できる。

（６） （１）項〜（４）項のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部と前記駆動部を密閉空間に封止する封止部材を備えたことを特徴とする微小電気機械素子。

この微小電気機械素子によれば、可動部と駆動部が密閉されることで、可動部を真空圧下で駆動し、空気抵抗を低減させたり、希ガスなどの特定雰囲気で駆動することで、動作信頼性を向上させたりすることができる。

（７） （１）項〜（６）項のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部が各変位方向における最終変位位置で当接する停止部材を備えたことを特徴とする微小電気機械素子。

この微小電気機械素子によれば、可動部が最終変位位置で停止部材に当接して停止することで、可動部の停止位置を規定し易くなり、設定精度も向上できる。また、停止部材に可動部との癒着を防止する材料を用いれば、可動部の変位動作を円滑にでき、可動部の応答性を向上させることができる。

（８） （１）項〜（７）項のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部の前記支柱とは反対側の表面に光反射層が形成され、前記可動部の傾斜変位によって前記微小電気機械素子に入射した光を変調することを特徴とする微小電気機械素子。

この微小電気機械素子によれば、可動部の表面に光反射層を形成することで、光のオンオフや変調を行う光変調素子とすることができる。

（９） （１）項〜（８）項のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部が導電性を有し、
前記駆動部が、前記可動部の縁部に対応して配置され駆動電圧の印加される電極を備え、
前記電極と前記可動部との間の電位差に応じた静電気力により、前記可動部を傾斜駆動することを特徴とする微小電気機械素子。

この微小電気機械素子によれば、物理的作用力が静電気力であることにより、低い駆動電圧（数Ｖ〜数十Ｖ）で、動作速度が数十〔ｎｓｅｃ〕程度まで得られ、素子の耐久性が向上することに加え、高速変調も可能になる。

（１０） （９）項記載の微小電気機械素子であって、
前記駆動部の前記電極が、前記可動部の表裏両側に対向して配設されたことを特徴とする微小電気機械素子。

この微小電気機械素子によれば、駆動部を可動部の表裏両面に配設することで、可動部を偶力で駆動することが可能となり、応答性を一層向上でき、省電力化も図られる。

（１１） （１）項〜（１０）項のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部を変位させる物理的作用力は、矩形波、ｓｉｎ波、ｃｏｓ波、鋸波、三角波のいずれかを含むことを特徴とする微小電気機械素子。

この微小電気機械素子によれば、これらの波形のいずれかにより可動部が変位駆動される。

（１２） （１）項〜（９）項のいずれか１項記載の微小電気機械素子を１次元又は２次元配列したことを特徴とする微小電気機械素子アレイ。

この微小電気機械素子アレイによれば、同時に複数の素子による動作が可能となり、例えば画像信号を変調する場合に変調処理の高速化が図られる。

（１３） （１２）項記載の微小電気機械素子アレイであって、
前記微小電気機械素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有し、
前記可動部と、該可動部に対向する少なくとも３箇所の駆動部とのいずれか一方には前記駆動回路からの素子変位信号が入力され、いずれか他方には共通信号が入力されることを特徴とする微小電気機械素子アレイ。

この微小電気機械素子アレイによれば、微小電気機械素子を複数配列する場合に、可動部と駆動部とのいずれか一方に素子変位信号を入力し、他方を共通信号を入力することにより、アレイ状にしたときの配線が簡略化される。

（１４） （１）項〜（１３）項のいずれか１項記載の微小電気機械素子に対し、前記可動部をそれぞれ駆動して変調動作を行う制御部が備えられたことを特徴とする変調装置。

この変調装置によれば、制御部が可動部を駆動することで、可動部を任意に制御することができる。

（１５） （１４）項記載の変調装置であって、
（１）項〜（１３）項のいずれか１項記載の微小電気機械素子を用いて、入射側光ファイバより入射させた光情報を任意の出射側光ファイバに送ることで、スイッチングを行うことを特徴とする変調装置。

この変調装置によれば、上記の微小電気機械素子からなる光クロスコネクトスイッチ又は光クロスコネクトスイッチアレイを構築できる。

本発明に係る微小電気機械素子によれば、下側面の中心位置で支柱によって傾斜自在に支持された平板状の可動部と、この可動部に対向してそれぞれ配置され可動部に物理的作用力を加える複数の駆動部とを備え、駆動部が、可動部を少なくとも２つ以上の回転軸回りで複数方向に傾斜変位させるので、従来、ヒンジを備えることにより発生していた高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みによる各種問題を低減することが可能となる。この結果、任意方向への可動部変位を可能にしつつ、高速応答と低電圧駆動を実現し、設計を容易にし、動作信頼性を向上させることができる。

本発明に係る微小電気機械素子アレイによれば、（１）項〜（９）項のいずれか１項記載の微小電気機械素子を１次元又は２次元配列したので、同時に複数の素子による動作が可能となり、例えば画像信号を変調する場合に、変調処理を高速化することができる。

本発明に係る変調装置によれば、（１）項〜（１３）項のいずれか１項記載の微小電気機械素子に対し、可動部をそれぞれ駆動して変調動作を行う制御部が備えられたので、制御部が可動部を駆動することによる可動部の任意方向の変位を可能にできる。

以下、本発明に係る微小電気機械素子及び微小電気機械素子アレイ並びに変調装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る微小電気機械素子の断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面視を（ａ）、Ｂ−Ｂ断面視を（ｂ）、Ｃ−Ｃ断面視を（ｃ）に表した断面図である。
本実施の形態において微小電気機械素子１００は光変調機能を有する素子として説明するが、本発明に係る微小電気機械素子はこれに限定されるものではない。

微小電気機械素子１００は、円形平板状に形成された導電性の可動部（ミラー部）５１を有する。可動部５１は、表面（上側面５１ａ）に光反射層が形成され、入射した光を傾斜変位動作に応じてオンオフや変調させる。これにより、微小電気機械素子１００は、光変調素子としての機能を有する。微小電気機械素子１００は、可動部５１を支えるヒンジが無く、可動部５１の下側面５１ｂの中心位置が支柱５３によって傾斜自在に支持されている。

可動部５１は、別体で立設された支柱５３を支点として支持される。支柱５３は、可動部５１の収容空間５５の底面に立設され、その先端で可動部５１の下側面５１ｂ中央を支持する。可動部５１は、この支柱５３により中心（重心）が一点支持されることで、その全周縁の任意部位が傾斜可能となる。つまり、可動部５１は、２つ以上の回転軸回りで複数方向に傾斜変位可能となっている。可動部５１と支柱５３とは点接触支持であり、ヒンジのような接続構造による支持ではないので、応答速度低下の要因となる弾性力の発生することがない。

可動部５１は、支柱５３の先端部に当接する位置に窪み５７を有する。可動部５１は、下側面５１ｂに窪み５７があることにより、この窪み５７に支柱５３の先端が進入し、下側面５１ｂと平行な面方向への移動が規制される。これにより、可動部５１の支柱先端部に対しての位置ずれが防止されている。また、本実施の形態では、支柱５３が可動部５１と別体とされることで、可動部５１の質量が小さくなり、高速応答に有利となっている。

可動部５１を挟む収容空間５５の底面部５９，天井部６１には複数の駆動部６３が設けられ、駆動部６３は可動部５１に対向してそれぞれ配置され可動部５１に物理的作用力を加える。なお、天井部６１は、収容空間５５を包囲して底面部５９に立設される筒状の側壁６５に支持される。駆動部６３は、可動部５１の縁部に対応して配置され駆動電圧の印加される上部電極６９、下部電極７１を備える。図２に示すように、上部電極６９は、側壁６５に沿って円周方向等間隔に配設された８つの電極Ｕ_１〜Ｕ_８からなる。下部電極７１は、側壁６５に沿って円周方向等間隔に配設された８つの電極Ｄ_１〜Ｄ_８からなる。電極Ｕ_１〜Ｕ_８と電極Ｄ_１〜Ｄ_８とは、同一の方位角ψで配置されている（図４参照）。

図３は電圧印加電極の位置によって変化する可動部の傾斜状況を（ａ），（ｂ），（ｃ）に表した動作説明図である。なお、図３においては素子構成を簡略的に描き上部電極６９を省略している。
可動部５１は、導電性を有する。可動部５１と、電極Ｄ_１〜Ｄ_８の何れかのものとの間に電圧Ｖを印加すると、可動部５１と電極Ｄ_１〜Ｄ_８との間の電位差に応じた静電吸引力により、可動部５１が傾斜駆動される。可動部５１は、中心が支柱５３によって支えられている多電極構造により、任意方向に回転が可能となる。したがって、可動部５１の上側面５１ａにマイクロミラー部が形成されることにより、例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、異なる電極に電圧印加することによって、可動部５１に入射する光の反射方向がスイッチング可能となる。電圧Ｖは、可動部５１に一定電圧φＶ_０が印加され、それぞれ所定傾斜方向の電極Ｄ_１〜Ｄ_８に、一定電圧φＶ_ｘ（ｘ＝１〜８）が印加される。このように、駆動部６３による物理的作用力が静電吸引力であることにより、低い駆動電圧（数Ｖ〜数十Ｖ）で、動作速度が数十〔ｎｓｅｃ〕程度まで得られ、素子の耐久性が向上することに加え、高速変調も可能になる。

図４は電極配設位置を（ａ）、可動部の傾斜角度を（ｂ）に表した可動部の作用説明図である。
微小電気機械素子１００は、可動部５１が下側面５１ｂの中心位置で支柱５３によって傾斜自在に支持されることで、従来、影響を及ぼしていたヒンジ等の弾性力が可動部５１の変位に作用しなくなり、かつ可動部５１が直交２軸回りに自由に傾斜可能となる。これにより、可動部５１は、例えば電極Ｄ_１〜Ｄ_８のそれぞれの方位角ψで、傾斜角θ_Ｆで傾斜変位可能となる。従来、ヒンジを備えることにより発生していた高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みによる各種問題が低減される。なお、本実施の形態では、上部電極６９と下部電極７１とが８つずつ配設されているので、傾斜方向の方位角ψは、４５度刻みで設定できる。

図５は上部電極と下部電極との結線例を表した配線図である。
上記のように、駆動部６３の上部電極６９と下部電極７１とは、可動部５１を挟む表裏両側に対向して配設されている。このように、可動部５１の表裏両面に上部電極６９及び下部電極７１を配設することで、例えば電極Ｄ_２と電極Ｕ_６とを接続し、可動部５１を点対称とした偶力で駆動することが可能となる。これにより、微小電気機械素子１００の応答性を一層向上でき、省電力化も可能となっている。

図６は可動部絶縁のための絶縁膜形成位置の例を（ａ），（ｂ）に表した要部拡大断面図である。
本実施の形態の構成において、可動部５１は、上部電極６９、下部電極７１との間に生じさせた静電気力によって傾斜変位し、最終変位位置で傾斜端が接触する。この場合、可動部５１と各電極との間のショートを防止するため絶縁膜７３を形成する必要がある。絶縁膜７３は、図６（ａ）に示すように、可動部５１の上側面５１ａと下側面５１ｂとに形成してもよく、図６（ｂ）に示すように、各電極の接触面を覆って形成してもよい。なお、可動部５１に絶縁膜７３を形成する場合には、図示したように絶縁膜７３上にミラー部７５を積層形成してもよく、アルミ基体の外表面の一部に絶縁膜７３を形成してもよい。また、可動部５１、ミラー部７５の材質としては、Ａｌ等の導電性材料が好適となる。

図７は各電極へ印加される異なる電圧波形と可動部の挙動を（ａ），（ｂ）に表した説明図である。
ここで、可動部５１を変位させる物理的作用力、すなわち、静電気力は、各電極に印加される電圧によって発生させることができる。この電圧は、矩形波、ｓｉｎ波、ｃｏｓ波、鋸波、三角波のいずれかを含むパルス波形とすることができる。これらの波形のいずれかにより可動部５１は変位駆動される。例えば図７（ａ）に示す所定の電圧φＶ_ｘを矩形状に一定電圧で印加する波形とすれば、可動部５１の回転動作が短い遷移時間で行われる。これに対して図７（ｂ）に示すように、印加電圧φＶ_ｘを可動部５１の回転動作の初期から最終変位先に到達するまでの間で徐々に増加する波形として可動部５１の慣性力を付けすぎないように制御すれば、可動部５１の最終変位先に到達した後の振動を抑制することができる。

次に、上記した微小電気機械素子１００の基本構成に対しての種々の変形例について説明する。
図８は電極配設位置の変形例１を（ａ），（ｂ）に表した断面図である。
上記した微小電気機械素子１００の構造では、可動部５１を挟んで上部電極６９と下部電極７１とを配設したが、本発明に係る微小電気機械素子は、図８に示すように、上部電極６９のみ、或いは下部電極７１のみを設けた構成とすることができる。このような上部側、或いは下部側のみの電極配置とすれば、素子構造を簡素化することができ、素子の一層の微細化にも有利となる。特に、下部電極７１のみとすれば、可動部５１の上側面５１ａに絶縁膜７３を形成する必要がなくなり、絶縁膜７３上にミラー部７５を形成する製造工程が省略でき、可動部５１の上側面５１ａを直接ミラー部７５とした簡素な構造が可能となる。

図９は電極数が実施形態より少ない変形例２の断面図、図１０は電極数が実施形態より多い変形例３の断面図である。
上記した実施の形態による微小電気機械素子１００の構成では、上部電極６９及び下部電極７１が、８つの電極Ｕ_１〜Ｕ_８及び電極Ｄ_１〜Ｄ_８からなるが、本発明に係る微小電気機械素子は、図９に示すように、上部電極６９及び下部電極７１が、少なくとも３つの電極Ｕ_１〜Ｕ_３及び電極Ｄ_１〜Ｄ_３からなるものであればよい。この場合、各電極Ｕ_１〜Ｕ_３、Ｄ_１〜Ｄ_３は、円周方向に１２０度の間隔で配設される。このように、各電極Ｕ_１〜Ｕ_３、Ｄ_１〜Ｄ_３が、少なくとも異なる３箇所に配置されることで、可動部５１が２軸以上の軸回りで傾斜変位可能となる。

また、本発明に係る微小電気機械素子は、図１０に示すように、上部電極６９及び下部電極７１が、電極Ｕ_１〜Ｕ_１２及び電極Ｄ_１〜Ｄ_１２からなるものであってもよい。この場合、各電極Ｕ_１〜Ｕ_１２、Ｄ_１〜Ｄ_１２は、円周方向に３０度の間隔で配設される。このように、各電極Ｕ_１〜Ｕ_１２、Ｄ_１〜Ｄ_１２が、異なる１２箇所に配置されることで、可動部５１が多数の軸回りで傾斜変位可能となり、キメ細かな反射方位の制御が可能となる。なお、電極の配置は、円環形状でなく、多角形状であってもよい。すなわち、三角形、正方形、五角形、六角形、八角形等であってもよい。

図１１は支柱を可動部に設けた変形例４の断面図である。
上記の実施の形態による微小電気機械素子１００は、支柱５３が可動部５１と別体で形成される構成例を説明したが、本発明に係る微小電気機械素子は、可動部５１に支柱５３が一体形成されるものであってもよい。支柱５３は、可動部５１の下側面５１ｂに垂設され、その下端が底面部５９に形成された窪み５７に挿入される。この場合、可動部５１は、支柱５３の下端部を支点として支持される。このように、可動部５１に支柱５３が垂設される構成では、可動部５１に窪み５７を形成する必要が無くなるので、可動部５１の強度低下を抑止できる。

図１２は停止部材を設けた変形例５の断面図である。
また、微小電気機械素子１００は、可動部５１が各変位方向における最終変位位置で当接する停止部材７３を備えていることが好ましい。停止部材７３は、可動部５１の振動、上部電極６９や下部電極７１への癒着を防止するのに好都合となる。可動部５１が最終変位位置で停止部材７３に当接して停止することで、可動部５１の停止位置を規定し易くなり、設定精度も向上できる。また、停止部材７３の材料としては、フッ素ラジカル雰囲気中において表面処理したもの、またはフッ素系溶液を表面に付着させたものを用いることができる。これらの材料によれば、可動部５１の変位動作を円滑にでき、可動部５１の応答性を一層向上させることができる。なお、停止部材７３は、可動部５１側に設けられてもよい。

図１３は封止部材を設けた変形例６の断面図である。
微小電気機械素子１００は、可動部５１と駆動部６３とを収容空間（密閉空間）５５に封止するガラスや透明樹脂等の封止部材７５を備えることが好ましい。このような封止構造により、可動部５１と駆動部６３とが密閉されることで、可動部５１を真空圧下で駆動し、空気抵抗を低減させたり、希ガスなどの特定雰囲気で駆動することで、異物の侵入や大気暴露による経時的劣化を抑止し、動作信頼性を向上させることができる。なお、封止部材７５は、少なくとも変調する光に対して透光性を有する材料で形成すればよい。

次に、微小電気機械素子１００の応用例を説明する。
図１４は複数の微小電気機械素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有した構成を示す説明図である。
微小電気機械素子１００は、複数のものを１次元又は２次元配列して微小電気機械素子アレイ２００を構成することができる。微小電気機械素子アレイ２００では、同時に複数の微小電気機械素子１００による動作が可能となり、例えば画像信号を変調する場合に変調処理の高速化が図られる。微小電気機械素子アレイ２００は、微小電気機械素子１００のそれぞれがメモリ回路７７を含む駆動回路７９を有することが好ましい。可動部５１と、この可動部５１に対向する駆動部６３とのいずれか一方には、駆動回路７９からの素子変位信号が入力され、いずれか他方には共通信号が入力される。このように、微小電気機械素子１００を複数配列する場合に、可動部５１と駆動部６３とのいずれか一方に素子変位信号を入力し、他方を共通信号を入力することにより、アレイ状にしたときの配線を簡略化することができる（図示例では可動部５１を共通電極として構成している）。

微小電気機械素子アレイ２００は、可動部５１をそれぞれ駆動して変調動作を行う制御部８１を備えることで、変調装置３００を構成することができる。制御部８１は、駆動電圧制御回路８３を駆動することで、可動部５１を任意に制御することができる。変調装置３００は、微小電気機械素子１００のそれぞれがメモリ回路７７を備えることで、予め素子の次の変位動作を表す変位信号の書き込みが可能となる。つまり、メモリ回路７７には予め素子変位信号が書き込まれて、微小電気機械素子アレイ２００のスイッチングのとき、各々の微小電気機械素子１００のメモリ回路７７に記憶された素子変位信号に基づいて、微小電気機械素子１００への印加電圧を制御する変調駆動が行われる。

このように、変調装置３００によれば、微小電気機械素子１００に対し、可動部５１をそれぞれ駆動して変調動作を行う制御部８１が備えられたので、制御部８１がメモリ回路７７を用いて微小電気機械素子１００を駆動することにより、複数の素子１００のそれぞれを任意の駆動パターンで容易に動作させることができ、可動部５１の任意方向への変位を可能にして、より高速なアクティブ駆動が可能となる。

図１５は微小電気機械素子を光スイッチとして用いたクロスコネクトスイッチの構成図である。
微小電気機械素子１００は、入射側光ファイバより入射させた光情報を任意の出射側光ファイバに送ることで、スイッチングを行う光クロスコネクトスイッチ４００、又は光クロスコネクトスイッチアレイを構成することができる。光クロスコネクトスイッチ４００は、例えば微小電気機械素子（光スイッチ）１００を１次元状又は２次元状に配列した光スイッチアレイ８５ａ，８５ｂを用いて構成することができる。図示の例では、一対の光スイッチアレイ８５ａ，８５ｂが設けられる。この光クロスコネクトスイッチ４００では、入力ファイバーボート８７の光ファイバ８７ａからの出射光がマイクロレンズ８９を通り一方の光スイッチアレイ８５ａの所定の光スイッチ１００に入射される。入射光は、光スイッチ１００のスイッチング動作によって、反射光となって入射側光スイッチアレイ８５ｂの所望の光スイッチ１００に入射する。入射した光は光スイッチ１００のスイッチングによってマイクロレンズ８９を通り所定の出力ファイバーボード９１の光ファイバー９１ａへ入射する。

この光クロスコネクトスイッチ４００においても、上記の複数の光スイッチ１００からなる微小電気機械素子アレイ２００が用いられることで、可動部（マイクロミラー部）５１のスイッチング動作を高速化することができる。そして、この光クロスコネクトスイッチ４００では、個々の光スイッチ１００における印加電圧を変えることで、作動誤差の補正を容易に行うことができることから、個々の光スイッチ１００のばらつきに起因する作動誤差の補正が簡単に行え、高精度なスイッチングを行うことができる。

また、光クロスコネクトスイッチ４００では、微小電気機械素子１００の可動部５１が、少なくとも２軸以上の軸回りで傾斜変位可能となるので、例えば入力ファイバーボート８７の光ファイバ８７ａが１次元配列され、出力ファイバーボード９１の光ファイバ９１ａが２次元配列される場合であっても、可動部５１を３次元駆動することによって、光ファイバ８７ａからの出射光を紙面垂直方向所望の光ファイバ９１ａへも切り換えることが可能となる。

次に、上記した微小電気機械素子１００の製造方法について説明する。
図１６は微小電気機械素子のより具体的な素子構造の断面図、図１７は実施形態に係る製造方法の手順を（ａ）〜（ｈ）に表した製造工程説明図である。
図１６に示すように、微小電気機械素子１００は、基板９３上に、第１絶縁層９５が形成される。第１絶縁層９５上には駆動回路９７が形成される。本実施の形態による製造方法では、図１６，図１７（ａ）に示すように、Ｓｉなどの基板９３上に第１絶縁層９５を介してＣＭＯＳよりなる駆動回路９７が形成される。駆動回路９７の上部に、ＳｉＯ_２をＰＥＣＶＤより成膜して第２絶縁層９９を形成し、駆動回路９７の出力を素子の各電極と接続するためのコンタクトホールを、フォトリソグラフィとフッ素系のＲＩＥエッチングによりパターニング形成する。

その後、下地膜ＴｉＮ薄膜をスパッタにより成膜し（図示せず）、続けてタングステンＷをスパッタにより成膜する。これにより、タングステンＷがコンタクトホール部に埋め込まれる。更にその表面をＣＭＰで平坦化し、コンタクトホール部がタングステンＷで埋め込まれた平坦な第２絶縁層９９が形成される。

その上部に第１導電膜１０１であるＡｌ（好ましくは高融点金属を含有したＡｌ合金）をスパッタで成膜し、フォトリソグラフィと塩素系のＲＩＥエッチングにより所望の電極形状にパターニングして下部電極７１を形成する。なお、この時、下部電極７１は各々コンタクトホールを介して駆動回路９７の出力に接続されて、それぞれ電位が供給される。

次いで、図１７（ｂ）に示すように、第５絶縁層１０３を成膜し、その上に犠牲層としてポジ型レジスト膜１０５を塗布し、ハードベークする。グレースケールマスクによるフォトリソグラフィにより、レジストで支柱（ピボット）を形成させる。

図１７（ｃ）に示すように、塩素系のＲＩＥエッチングにより第５絶縁層１０５を支柱５３の形状に形成する。すなわち、レジスト構造体を第５絶縁層１０３に転写する。このとき、下部電極７１がエッチングされて取り去られないよう、膜厚を厚くしておくか、ＲＩＥエッチングでエッチングされない金属を選択しておく。

図１７（ｄ）に示すように、犠牲層としてポジ型レジスト膜１０７を塗布し、ハードベークする。ハードベークは、ＤｅｅｐＵＶを照射しながら２００℃を超える温度で行う。これにより後工程の高温プロセスにおいても、その形状を維持し、又レジスト剥離溶剤に不溶となる。レジストの塗布成膜により下地膜の段差によらずレジスト表面は平坦となる。このレジスト層１０７は犠牲層として機能し、後述の工程で除去される。したがって、ハードベーク後のレジストの膜厚は将来の下部電極７１と可動部５１との空隙を決定する。その後、ＣＭＰにより表面を平坦化し、フォトリソエッチにより犠牲層を所望の大きさに切り出す。

図１７（ｅ）に示すように、Ａｌ（又はＡｌ合金）からなる第２導電膜１０９をスパッタにより成膜し、下部の犠牲層１０７と同じ形状になるように、フォトリソエッチングと塩素系のＲＩＥエッチングを行う。

図１７（ｆ）に示すように、別のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１１１上に絶縁膜（第３、第４絶縁膜１１３，１１５）を形成させ、フォトリソエッチングを繰り返すことで所望の形状にする。また、この際、第３、第４絶縁膜１１３，１１５の間にはフォトリソエッチングにより上部電極６９となる第３導電膜１１７が形成される。

図１７（ｇ）に示すように、図１７（ｅ）で得た構造と、図１７（ｆ）で得た基板１１１とを反転して貼り合わせ、ＳＯＩ基板のＳｉ基板１１１と絶縁膜（第３、第４絶縁膜１１３，１１５）を剥離する。

図１７（ｈ）に示すように、最後に、酸素系かつ又はフッ素系のプラズマエッチング（アッシング）により、犠牲層であるレジスト層１０７を除去して空隙１１９を形成し、所望構造の微小電気機械素子１００が形成される。
なお、上記の材料及び製造方法は一例であり、本発明の主旨に沿えば、如何なる材料及製造方法が適用されても良い。

次に、上記の微小電気機械素子１００の特性を検証するために、ヒンジ構造の微小電気機械素子に対してシミュレーションを行った例を示す。
図１８は一般的なヒンジ支持構造の素子モデルを表す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図、図１９は遷移時間の解析結果を示す図であって、可動部の大きさを（ａ）６μｍ、（ｂ）８μｍ、（ｃ）１０μｍとし、それぞれ印加する電圧を５Ｖ、１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖと変化させた場合の、可動部の傾斜が−１０度から＋１０度に変化するまでの遷移時間を弾性支持部の弾性力に対して示したグラフである。

＜解析条件＞
シミュレーションは、下記の変動値及び固定値を用いて解析を行った。可動部５１は正方形状を仮定し、弾性支持部となるヒンジ１２１が可動部５１の下に隠れるように、可動部５１の長さによって決まるように設定した。可動部材、支持部材の材料はアルミを用いた。

ａ）変動値
可動部長さ：Ｌ₁
可動部幅：Ｌ₂（＝Ｌ₁）
支持部長さ：ｌ₁（＝(Ｌ₁-2.2μｍ)/2)
支持部幅：ｌ₂（＝0.6μｍ）
支持部厚さ：ｈ（＝0.05μｍ）
可動部質量：Ｍ
電極間距離：ｄ
電極間電位差：Ｖ

ｂ）固定値
可動部厚さ：Ｈ＝0.5μｍ
可動部密度：ρ＝2.7ｇ/ｃｍ³
支持部材ヤング率：Ｅ＝68.85ＧＰａ
支持部材ポアソン比：ν＝0.36
接触角度：θ＝10 deg
粘性係数：ａ（１気圧環境下で設定）

図１９に示した解析結果は、可動部５１の大きさを（ａ）６μｍ、（ｂ）８μｍ、（ｃ）１０μｍとし、それぞれ印加する電圧を５Ｖ、１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖと変化させたときの、可動部５１の傾斜が−１０度から＋１０度に変化するまでの遷移時間と、ヒンジ１２１の弾性力との関係を表したものである。ただし、素子の環境雰囲気は１気圧としている。任意の可動部の大きさ（慣性モーメント）を有し、任意の印加電圧を設定したときの遷移時間とヒンジ弾性力との関係の曲線においては、ヒンジ１２１の弾性力を弱め、印加電圧を大きくした方が遷移時間を速くできることが分かる。よって、ヒンジ１２１の弾性力は微小電気機械素子１００の高速応答の妨げとなることが分かる。

本実施の形態による微小電気機械素子１００によれば、下側面５１ｂの中心位置で支柱５３によって傾斜自在に支持された平板状の可動部５１と、この可動部５１に対向してそれぞれ配置され可動部５１に物理的作用力を加える複数の駆動部６３とを備え、駆動部６３が、可動部５１を少なくとも２つ以上の回転軸回りで複数方向に傾斜変位させるので、従来、ヒンジを備えることにより発生していた高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みによる問題の低減が可能となる。この結果、任意方向への可動部変位を可能にしつつ、高速応答と低電圧駆動を実現し、設計を容易にし、動作信頼性を向上させることができる。

なお、上記の実施の形態では、可動部５１に作用させる物理的作用力が静電気力である場合を例に説明したが、本発明に係る微小電気機械素子は、可動部５１に作用させる物理的作用力が静電気力以外の物理的作用力であってもよい。その他の物理的作用力としては、例えば電磁石などによる電磁力、ピエゾ素子などによる電歪、機械的手段などの任意の手段が挙げられる。

本発明に係る微小電気機械素子の断面図である。 図１のＡ−Ａ断面視を（ａ）、Ｂ−Ｂ断面視を（ｂ）、Ｃ−Ｃ断面視を（ｃ）に表した断面図である。 電圧印加電極の位置によって変化する可動部の傾斜状況を（ａ），（ｂ），（ｃ）に表した動作説明図である。 電極配設位置を（ａ）、可動部の傾斜角度を（ｂ）に表した可動部の作用説明図である。 上部電極と下部電極との結線例を表した配線図である。 可動部絶縁のための絶縁膜形成位置の例を（ａ），（ｂ）に表した要部拡大断面図である。 電極へ印加される異なる電圧波形と可動部の挙動を（ａ），（ｂ）に表した説明図である。 電極配設位置の変形例１を（ａ），（ｂ）に表した断面図である。 電極数が実施形態より少ない変形例２の断面図である。 電極数が実施形態より多い変形例３の断面図である。 支柱を可動部に設けた変形例４の断面図である。 停止部材を設けた変形例５の断面図である。 封止部材を設けた変形例６の断面図である。 複数の微小電気機械素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有した構成を示す説明図である。 微小電気機械素子を光スイッチとして用いたクロスコネクトスイッチの構成図である。 実施形態の製造方法で得られる微小電気機械素子のより具体的な素子構造の断面図である。 実施形態に係る製造方法の手順を（ａ）〜（ｈ）に表した製造工程説明図である。 一般的なヒンジ支持構造の素子モデルを表す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図である。 遷移時間の解析結果を示す図であって、可動部の大きさを（ａ）６μｍ、（ｂ）８μｍ、（ｃ）１０μｍとし、それぞれ印加する電圧を５Ｖ、１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖと変化させた場合の、可動部の傾斜が−１０度から＋１０度に変化するまでの遷移時間を弾性支持部の弾性力に対して示したグラフである。 従来の微小電気機械素子における一般的なヒンジ支持構造を（ａ）、２軸ヒンジ支持構造を（ｂ）に表した斜視図である。 半球の可動部が誘電性液体とともに封止される従来素子の説明図である。 ヒンジレスの可動部を静電気力で駆動させる従来素子の断面図である。

符号の説明

５１ 可動部
５１ｂ 下側面
５３ 支柱
５５ 収容空間（密閉空間）
５７ 窪み
６３ 駆動部
６９ 上部電極
７１ 下部電極
７３ 停止部材
７５ 封止部材
７７ メモリ回路
８１ 制御部
８７ 入射側光ファイバ
９１ 出射側光ファイバ
９７ 駆動回路
１００ 微小電気機械素子
２００ 微小電気機械素子アレイ
３００ 変調装置

Claims (15)

1. 可動部の変位動作に応じた変調機能を有する微小電気機械素子であって、
   下側面の中心位置で支柱によって傾斜自在に支持された平板状の可動部と、
   該可動部に対向してそれぞれ配置され前記可動部に物理的作用力を加える複数の駆動部と、を備え、
   前記駆動部が、前記可動部を少なくとも２つ以上の回転軸回りで複数方向に傾斜変位させることを特徴とする微小電気機械素子。
2. 請求項１記載の微小電気機械素子であって、
   前記駆動部が、前記可動部にそれぞれ対向して少なくとも相互に異なる３箇所に配置されたことを特徴とする微小電気機械素子。
3. 請求項１又は請求項２記載の微小電気機械素子であって、
   前記可動部が、該可動部とは別体に立設された支柱を支点として支持されることを特徴とする微小電気機械素子。
4. 請求項３記載の微小電気機械素子であって、
   前記可動部が、前記支柱の先端部に当接する位置に窪みを有することを特徴とする微小電気機械素子。
5. 請求項１又は請求項２記載の微小電気機械素子であって、
   前記可動部の下面側に前記支柱が一体に形成されて、該支柱の下端部を支点として前記可動部が支持されることを特徴とする微小電気機械素子。
6. 請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
   前記可動部と前記駆動部を密閉空間に封止する封止部材を備えたことを特徴とする微小電気機械素子。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
   前記可動部が各変位方向における最終変位位置で当接する停止部材を備えたことを特徴とする微小電気機械素子。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
   前記可動部の前記支柱とは反対側の表面に光反射層が形成され、前記可動部の傾斜変位によって前記微小電気機械素子に入射した光を変調することを特徴とする微小電気機械素子。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
   前記可動部が導電性を有し、
   前記駆動部が、前記可動部の縁部に対応して配置され駆動電圧の印加される電極を備え、
   前記電極と前記可動部との間の電位差に応じた静電気力により、前記可動部を傾斜駆動することを特徴とする微小電気機械素子。
10. 請求項９記載の微小電気機械素子であって、
    前記駆動部の前記電極が、前記可動部の表裏両側に対向して配設されたことを特徴とする微小電気機械素子。
11. 請求項１〜請求項１０のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
    前記可動部を変位させる物理的作用力は、矩形波、ｓｉｎ波、ｃｏｓ波、鋸波、三角波のいずれかを含むことを特徴とする微小電気機械素子。
12. 請求項１〜請求項９のいずれか１項記載の微小電気機械素子を１次元又は２次元配列したことを特徴とする微小電気機械素子アレイ。
13. 請求項１２記載の微小電気機械素子アレイであって、
    前記微小電気機械素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有し、
    前記可動部と、該可動部に対向する少なくとも３箇所の駆動部とのいずれか一方には前記駆動回路からの素子変位信号が入力され、いずれか他方には共通信号が入力されることを特徴とする微小電気機械素子アレイ。
14. 請求項１〜請求項１３のいずれか１項記載の微小電気機械素子に対し、前記可動部をそれぞれ駆動して変調動作を行う制御部が備えられたことを特徴とする変調装置。
15. 請求項１４記載の変調装置であって、
    請求項１〜請求項１３のいずれか１項記載の微小電気機械素子を用いて、入射側光ファイバより入射させた光情報を任意の出射側光ファイバに送ることで、スイッチングを行うことを特徴とする変調装置。

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