JP2008039867A - Micromirror, micromirror array, and optical switch using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光スイッチ、光減衰器、その他光デバイス等に用いられる静電駆動型の微小可動構造体(マイクロデバイス)、より具体的にはマイクロミラー、およびそれを用いた光スイッチに関する。 The present invention relates to an electrostatically driven micro movable structure (microdevice) used for an optical switch, an optical attenuator, and other optical devices, more specifically, a micromirror, and an optical switch using the same.
フォトリソグラフィーやエッチングを用いて作製した微小可動構造体(マイクロデバイス)は各種提案されおり、その駆動方法も静電引力、電磁力、熱変形、圧電素子等様々な方法が提案されている。中でもギャップクロージング型の静電駆動方式を用いたマイクロミラーは、製造が比較的容易であることや、一方の電極にミラーとしての機能を与え易いことから、古くから研究されている(特許文献1)。ここで、ギャップクロージング型の静電駆動方式とは平板の電極間に静電引力を発生させ、電極間隔を低減させる方向に駆動させる駆動方式である。電極の動作は両電極が平行を保った並進動作をする場合と、何らかの中心軸に対する回転動作をする場合がある。微小可動構造体(マイクロデバイス)、特にマイクロミラーの事例では光の反射方向を変える目的で、回転動作型が用いられることが多い。 Various micro movable structures (microdevices) manufactured using photolithography and etching have been proposed, and various driving methods such as electrostatic attraction, electromagnetic force, thermal deformation, and piezoelectric elements have been proposed. Among them, a micromirror using a gap closing type electrostatic drive system has been studied for a long time because it is relatively easy to manufacture and easily functions as a mirror on one electrode (Patent Document 1). ). Here, the gap closing type electrostatic driving method is a driving method in which electrostatic attraction is generated between the electrodes of the flat plate, and the driving is performed in the direction of reducing the electrode interval. The operation of the electrodes may be a translation operation in which both electrodes are kept parallel, or a rotation operation with respect to some central axis. In the case of a micro movable structure (micro device), particularly a micro mirror, a rotary operation type is often used for the purpose of changing the light reflection direction.
静電駆動方式における駆動力は電極面積に比例する。電極面積を拡大するとき、一般にデバイス体積も増大する。一般に面積は長さの二乗に比例、体積は長さの三乗に比例するので、微小可動構造体(マイクロデバイス)が大きくなると相対的な駆動力は低下する。つまり、静電駆動方式においては微小可動構造体(マイクロデバイス)は小さいほど有利である。ところが微小可動構造体(マイクロデバイス)には、機能的な制約で、一定の大きさが要求される。具体的には、例えば反射面の最大寸法を1mm未満とするマイクロミラーの事例でも、光の反射面積を確保することが必要である。つまり微小可動構造体(マイクロデバイス)が大きくなる。この結果、駆動力が相対的に小さいという課題が生じる。この課題に対して、いくつかの対策が開示されている。例えば、特許文献1においては直梁であったマイクロミラーを支持する梁を折り曲げ梁とすることで、少ない面積に長い梁を形成し梁の占有面積を小型化するとともに梁の剛性を小さくすることで小さな駆動力で大きな動作角度を得る方法が開示されている(特許文献2)。 The driving force in the electrostatic driving system is proportional to the electrode area. When expanding the electrode area, the device volume generally also increases. In general, since the area is proportional to the square of the length and the volume is proportional to the cube of the length, the relative driving force decreases as the micro movable structure (micro device) increases. That is, in the electrostatic drive system, the smaller the movable structure (micro device), the more advantageous. However, a small movable structure (microdevice) is required to have a certain size due to functional limitations. Specifically, for example, in the case of a micromirror in which the maximum dimension of the reflection surface is less than 1 mm, it is necessary to ensure a light reflection area. That is, the micro movable structure (micro device) becomes large. As a result, there arises a problem that the driving force is relatively small. Several countermeasures have been disclosed for this problem. For example, in Patent Document 1, a beam supporting a micromirror, which was a straight beam, is a bent beam, thereby forming a long beam in a small area to reduce the occupied area of the beam and reduce the rigidity of the beam. A method for obtaining a large operating angle with a small driving force is disclosed (Patent Document 2).
前述した駆動力の確保という課題に対して、本発明者らは特願2006-70965に開示されたマイクロミラーのように、可動ミラーのミラー電極部側、すなわち電極基板に対向する側に梁を有し、該梁が折り曲げ梁であるマイクロミラーを有効な解の一つとして提案している。しかしながら、いわゆるシーソー型の動作をさせた場合、該構造においてはマイクロミラーを保持する梁と駆動電極部とが近接するので、両者の電気的短絡を防止することが新たな課題として発生する。マイクロミラーを保持する梁と駆動電極部とが近すぎると、梁が駆動電極に引き付けられて両者が接触し電気的な短絡が発生する。このとき電流が流れることで一種の溶接効果によりマイクロミラーが駆動電極部と固着し動作不能になる可能性や、流れた電流によってマイクロミラーの構成要素、特に梁、の焼き切れが発生しマイクロミラーが破損する可能性があった。このため電気的短絡の回避は極めて重要な課題である。 In response to the problem of securing the driving force described above, the present inventors set a beam on the mirror electrode portion side of the movable mirror, that is, on the side facing the electrode substrate, as in the micromirror disclosed in Japanese Patent Application No. 2006-70965. One of the effective solutions is a micromirror having a bent beam. However, when a so-called seesaw-type operation is performed, in this structure, the beam holding the micromirror and the drive electrode portion are close to each other, so that an electrical short circuit between them is a new problem. If the beam holding the micromirror is too close to the drive electrode portion, the beam is attracted to the drive electrode, and the two come into contact with each other, causing an electrical short circuit. At this time, there is a possibility that the current flows and the micromirror is fixed to the drive electrode part due to a kind of welding effect, and the current flows, and the components of the micromirror, especially the beam, are burned out. Could be damaged. For this reason, avoiding an electrical short circuit is a very important issue.
上記の課題に鑑み、本発明はマイクロミラーの電気的短絡を回避する構造を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a structure that avoids an electrical short circuit of a micromirror.
本発明は、梁で支持された可動ミラーを有する可動ミラー基板と電極基板を具備し、前記可動ミラーが前記梁を中心軸として回転動作する静電駆動型のマイクロミラーにおいて、前記可動ミラーは一方の面に反射面を有し、該反射面を有する面の反対の面にミラー電極部を有し、該ミラー電極部は前記電極基板と対向配置されており、前記電極基板は前記ミラー電極部との間に静電引力を発生させる駆動電極部を有し、前記梁は中心軸に直交する方向に伸びた棒状部材が複数回折り返した折り返し梁であり、前記駆動電極部は、前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁の折り返し部に重ならないように形成されており、前記可動ミラーの端部が前記電極基板と接触する動作状態を有するマイクロミラーである。かかる構成によれば、梁の折り返し部と駆動電極部が近接しない構成となるため、マイクロミラーの電気的短絡による動作不能や破損の回避を実現できる。 The present invention includes a movable mirror substrate having a movable mirror supported by a beam and an electrode substrate, wherein the movable mirror rotates about the beam as a central axis. And a mirror electrode portion on a surface opposite to the surface having the reflection surface, the mirror electrode portion being arranged to face the electrode substrate, and the electrode substrate being the mirror electrode portion. A drive electrode unit that generates electrostatic attraction between the beam and the beam is a folded beam in which a plurality of bar-shaped members extending in a direction perpendicular to the central axis are folded back, and the drive electrode unit is configured by the mirror electrode The micromirror is formed so as not to overlap the folded portion of the beam when viewed from the facing direction of the electrode and the electrode substrate, and has an operation state in which the end of the movable mirror is in contact with the electrode substrate. According to such a configuration, since the folded portion of the beam and the drive electrode portion are not close to each other, it is possible to achieve inoperability and avoidance of damage due to an electrical short circuit of the micromirror.
前記マイクロミラーにおいて、前記梁の厚さは前記可動ミラーの厚さよりも薄く、前記可動ミラーの厚さ方向において前記ミラー電極部側に偏った位置で前記梁が前記可動ミラーを支持することが好ましい。かかる構成によれば、マイクロミラーの電気的短絡による動作不能や破損の回避に加えて、マイクロミラーの高い剛性による優れた光学特性と剛性の低い梁による駆動力の確保が両立できる。また梁をミラー電極部側に偏らせることはミラー電極部と駆動電極部を近接させて駆動力を確保する構造を簡便に実現させるのに有利である。 In the micromirror, it is preferable that the thickness of the beam is smaller than the thickness of the movable mirror, and the beam supports the movable mirror at a position biased toward the mirror electrode portion in the thickness direction of the movable mirror. . According to this configuration, in addition to avoiding inoperability and damage due to an electrical short circuit of the micromirror, it is possible to achieve both excellent optical characteristics due to the high rigidity of the micromirror and securing of driving force due to the low rigidity beam. In addition, biasing the beam toward the mirror electrode portion is advantageous for easily realizing a structure that ensures the driving force by bringing the mirror electrode portion and the drive electrode portion close to each other.
前記マイクロミラーにおいて、前記駆動電極部は、前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁と重ならないように形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、マイクロミラーの電気的短絡による動作不能や破損の回避をより確実に実現できる。 In the micromirror, it is preferable that the drive electrode portion is formed so as not to overlap the beam when viewed from the facing direction of the mirror electrode portion and the electrode substrate. According to this configuration, it is possible to more reliably realize inoperability and avoidance of damage due to an electrical short circuit of the micromirror.
前記マイクロミラーにおいて、前記駆動電極部の幅が前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁の下となる部分を除き、前記可動ミラーの幅よりも大きいことが好ましい。ここで前記幅とは、前記可動ミラーの回転動作の中心軸方向における前記駆動電極部または前記可動ミラーの幅のことをいう。かかる構成によれば、マイクロミラーの電気的短絡による動作不能や破損の回避に加えて、駆動力低下の防止を実現できる。 In the micromirror, it is preferable that a width of the drive electrode portion is larger than a width of the movable mirror except for a portion under the beam when viewed from a facing direction of the mirror electrode portion and the electrode substrate. Here, the width refers to the width of the drive electrode portion or the movable mirror in the central axis direction of the rotation operation of the movable mirror. According to such a configuration, in addition to avoiding inoperability and breakage due to an electrical short circuit of the micromirror, it is possible to prevent a reduction in driving force.
前記マイクロミラーにおいて、前記可動ミラー基板をSOI基板で作製することが好ましい。かかる構成によれば、電気的短絡による動作不能や破損の回避を実現できるマイクロミラーをより簡便に作製できる。 In the micromirror, it is preferable that the movable mirror substrate is made of an SOI substrate. According to this configuration, it is possible to more easily produce a micromirror that can realize inoperability and avoidance of damage due to an electrical short circuit.
本発明のマイクロミラーアレイは、前記いずれかのマイクロミラーを複数個集積したマイクロミラーアレイである。かかる構成によれば、電気的短絡による動作不能や破損の回避を実現できるマイクロミラーを集積化できる。 The micromirror array of the present invention is a micromirror array in which a plurality of the above micromirrors are integrated. According to such a configuration, it is possible to integrate micromirrors that can realize inoperability and avoidance of damage due to an electrical short circuit.
本発明の光スイッチは、前記いずれかのマイクロミラーまたはマイクロミラーアレイを用いた光スイッチである。かかる構成によれば、光スイッチの電気的短絡による動作不能や破損の回避を実現できる。 The optical switch of the present invention is an optical switch using any one of the above-described micromirrors or micromirror arrays. According to such a configuration, it is possible to avoid inoperability and damage due to an electrical short circuit of the optical switch.
本発明によれば、梁で支持された可動ミラーを有する可動ミラー基板と電極基板を具備し、前記可動ミラーが梁を中心軸として回転動作する静電駆動型のマイクロミラーにおいて、前記マイクロミラーが具備する梁と駆動電極部との電気的な短絡を防止し、該電気的な短絡およびその際に流れる電流によりマイクロミラーが動作不能になることや破損することを回避することができる。また、マイクロミラーにおける電気的な短絡等を回避したマイクロミラーアレイおよび光スイッチを提供することができる。 According to the present invention, there is provided a movable mirror substrate having a movable mirror supported by a beam and an electrode substrate, wherein the movable mirror rotates about the beam as a central axis. It is possible to prevent an electrical short circuit between the beam and the drive electrode portion provided, and to prevent the micromirror from becoming inoperable or damaged due to the electrical short circuit and a current flowing at that time. Further, it is possible to provide a micromirror array and an optical switch that avoid an electrical short circuit in the micromirror.
以下、本発明の実施の形態を、図を参照しつつ説明する。なお、これら実施例により本発明が限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by these Examples.
図1は、本発明に係るマイクロミラー100(図2)に適用する電極基板120の一実施形態である。本マイクロミラー100は、駆動力として静電引力を用いた静電駆動マイクロミラーである。さらに本マイクロミラー100は梁114によって回転動作の中心軸が規定されており、静電引力によって可動ミラー111と電極基板120の間隔が低減する方向に回転動作するギャップクロージング型の静電駆動方式を用いている。
FIG. 1 shows an embodiment of an
図2は本発明に係るマイクロミラー100の断面図である。図3は本発明に係る可動ミラー基板の上面図である。可動ミラー111は一方の面に反射面112を有する。可動ミラー111は梁114によって可動ミラー基板110に連結され、梁114は可動ミラー111を可動ミラー基板110に対して回動可能に支持している。梁114は弾性を有しており、可動ミラーを挟んだ両側で一対の梁として可動ミラーに連結されている。可動ミラー111は梁114を中心軸115として回動し、静電引力を駆動力とし所定の角度で傾斜するようにしてある。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
図2の実施形態では、駆動電極部121を配置した電極基板120を可動ミラー111に対向して配置するとともに、可動ミラー111の反射面を有する面の反対側、すなわち電極基板120と対向する側の面にはミラー電極部113を設ける。電極基板120には、ミラー電極部113に対向して駆動電極部121が配置されている。ミラー電極部113と反射面112は略平行な平面である。略平行とは、製造上の誤差程度は許容する意味である。ミラー電極部113と反射面112を略平行とした構成は、作製が容易であるとともに、高精度を確保しやすい。反射面112は、半導体または半導体酸化物の少なくとも一方で構成された可動ミラーの基体119に反射膜132を形成することで構成されている。
In the embodiment of FIG. 2, the
前記基体119は、反射面を有する部分よりも厚さの小さい肉薄部117を有する。肉薄部117は反射面を有する側の面において前記反射面を有する部分の高さと異なる高さの面を有している。すなわち、反射面を有する側の面において、肉薄部の面は反射面を有する部分の面よりも低くなっており、これによって可動ミラー111に凹部が形成されている。静電引力を作用させるため、可動ミラーには電極面積等を確保するためのある程度の大きさ、広がりが必要とされるが、反射面は必ずしも可動ミラー全面に形成されている必要はない。反射面112の面積は光ビームを反射するために必要十分な大きさに限定する。一方、ミラー電極部113の面積はマイクロミラー100の構成上不都合がない範囲でできるだけ大きくして強い静電引力を発生させる。反射面112を有さない部分はできるだけ梁114と同じ厚さとすることが望ましい。
The
ここで反射面112の反りRは、反射面を有する部分の基体119の厚さhと基体119のヤング率Eと基体119のポアッソン比νと、反射膜132の厚さtと反射膜132の応力σを用いて
R=(E×h2)/{6×(1−ν)×t×σ}
で表される。反射面112を有する部分の厚みを肉薄部の3.2倍以上とすることで、反り耐性を10倍以上向上させることができる。上記構成をとることによって、反射面112の反りを防止しつつ可動ミラー111の質量増大と慣性モーメント増大を抑制することができる。そこで、図2の実施形態では、反射の機能に必要な広さの反射面は確保し、それ以外の部分において基体119に肉薄部を設けており、これにより可動ミラーの軽量化、高速制御性の向上が図られている。また、ミラーの反り等を防止するためには、基体119を厚くする必要があるが、本実施形態では肉薄部117を設けているので、ミラー質量の増加を抑えつつ、基体の厚さを大きくすることが可能である。
該構造として可動ミラー111の体積および慣性モーメントを低減することは、相対的な駆動力を増加させることになるので好ましい。ただし、本発明の目的である、電気的短絡に起因する動作不能や破損の回避を実現するには、可動ミラー111が肉薄部を有さない構造、すなわち全体に均一の厚さを有する構造であっても良い。
Here, the warp R of the reflecting
It is represented by Warpage resistance can be improved 10 times or more by setting the thickness of the portion having the reflecting
It is preferable to reduce the volume and moment of inertia of the
また、図2および図3に示す実施形態では、反射面112を有する部分の他に、肉薄部117よりも厚さが大きい肉厚部116が、肉薄部117を挟んで反射面112を有する部分を枠状に包囲している。該肉厚部は、反射面側から見て線状に形成されている。本実施形態では、反射面112を有する部分と肉厚部116の基体の厚さは等しくしてある。かかる肉厚部116は必ずしも設ける必要はなく、該肉厚部を設けなくてもミラーの軽量化、反りの防止等の効果が得られる。ただし、特にミラーの反り、特に肉薄部117での反り防止の観点からは、反射面を有する部分の他に肉厚部を設けることが好ましい。
In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, in addition to the portion having the
図1では、回動の中心軸は、可動ミラーの面内方向の中央に位置しており、反射面112が、反射面側から見て中心軸115に跨がっている構成になっている。前記中央とは、可動ミラーの対称的動作を阻害しない誤差範囲内も許容する趣旨である。かかる構成とすることで可動ミラー111の慣性モーメントの増大を効果的に抑制でき、制御性の向上に寄与する。
In FIG. 1, the central axis of rotation is located at the center in the in-plane direction of the movable mirror, and the
また、図2の構成では、可動ミラー111の厚さが、反射面112を有する部分において最大となっており、該構成は容易に作製できるという利点がある。
In the configuration of FIG. 2, the thickness of the
反射面112を構成する部分の基体は梁114よりも厚く構成する。可動ミラー111には、望ましくは梁114と同じ厚さとした肉薄部をできるだけ多く与える。ただし、部分的に上記肉厚部のように梁114よりも厚く構成されている部分があっても良い。
The base of the part constituting the reflecting
図3を用いて梁114を説明する。梁114は可動ミラー111の中心軸115方向に直交する向きに伸びた棒状部材を連結させた折り曲げ梁(ミアンダ梁)である。梁114は可動ミラー111の厚み方向に対してミラー電極部113側に位置する。例えば、活性層(Si層)/中間層(SiO2層)/ベース層(Si層)からなるSOI基板で作製した可動ミラー111において梁114を活性層に形成した場合、SOI基板の活性層側を電極基板120に対向させる。梁114の折り返し部191はミラーの端部118より内側(すなわち中心軸側)に位置する。なお図3に例示した梁114は梁114の構造を限定するものではない。従って、梁114のミラーに対する相対長さは同図に示した比率である必要はない。また、梁114の折り返し数は増減しても良い。梁114は可動ミラー111を可動ミラー基板110に支持し、可動ミラー111の変位に対する復元力を与える。梁114はミラー駆動電極部113を外部回路と電気的に接続する経路としての機能も有する。ただし、可動ミラー111のミラー駆動電極部113と外部回路(図示せず)との電気的接続は図示していない。
The
図3は可動ミラー111の反射面112側の形状を限定するものではない。図5(a)、(b)、(c)に本発明に係るマイクロミラーの別の実施形態を例示する。図5(a)は可動ミラー111の中央部に配置した反射面112にのみ厚さの大きい部分を有する実施形態である。反射面112を有する部分以外は全て肉薄部117であり、質量および慣性モーメントの低減効果は最も大きい。図5(b)は可動ミラー111の中央部に反射面112を有し、ミラー長手方向、すなわち中心軸に垂直な方向に細幅の肉厚部116を有する実施形態である。肉厚部は反射面112を有する部分から長手方向両端部に向かって細幅の線状にそれぞれ2本ずつに延設されている。該肉厚部116の厚さは反射面112を有する部分の厚さと一致させている。肉厚部116は肉薄部117が残留応力や熱応力で変形することを抑制する効果を有する。図5(c)は図5(b)と同じ効果を有する肉厚部116の配置方法に関する別の実施形態である。肉厚部は反射面112を有する部分から長手方向両端部に向かって細幅の線状にそれぞれ1本ずつに延設されている。図5(b)に比べ肉厚部116の領域が少ないので質量および慣性モーメントは図5(b)の実施形態より優れる。
FIG. 3 does not limit the shape of the
電極基板120は1つ以上、例えば一対(2つ)の駆動電極部121を有する。電極基板120が駆動電極部を1つ有する場合、可動ミラーの動作方向は一方向のみとなる。図1は一対(2つ)の駆動電極部121を有する構成の例示である。前記一対の駆動電極部は線状の突起122を挟んで両側、すなわち可動ミラーの中心軸115を挟んで両側に当たる部分に形成されている。該駆動電極部121と前記ミラー電極部113との間には静電アクチュエータが構成されており、該駆動電極部121と該ミラー電極部113との間に電位差を与えることで両者の間に静電引力を発生させ、可動ミラー111を動作させる。
The
スペーサ130は、電極基板120と可動ミラー111との間に一定の空間を設けるために配置されている。スペーサ130は、可動ミラー基板110あるいは電極基板120と独立した部材で作製しても良いし、前記可動ミラー基板110あるいは電極基板120と一体形成してもよい。図2はスペーサ130を電極基板120と一体形成した例である。可動ミラー基板110は例えばシリコン(Si)基板、シリコン(Si)層間に酸化シリコン(SiO2)層を挟み込んだSOI(silicon on insulator)基板などを材料として作製する。可動ミラー111は反射面112に反射膜を形成することで反射率を向上させることが望ましい。反射膜は反射させる光の波長やミラーへの残留応力を考慮して選択する。反射膜として金(Au)、アルミニウム(Al)あるいは各種金属あるいは非金属の多層膜を用いることができる。可動ミラー111のミラー電極部113には、例えば金(Au)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、白金(Pt)あるいはチタン(Ti)を単独にあるいは適宜積層して導電性膜を形成する。ただし可動ミラー111を構成する材料が十分な導電性を有する場合、例えば導電性を向上させたシリコン(Si)基板の場合、ミラー電極部113に導電性膜を形成しなくてもよい。
The
スペーサ130は各種材料を用いて作製することができる。マイクロミラー100の構成に応じて、スペーサ130の表面を導電性とすることもできるし、絶縁性とすることもできる。例えば、スペーサ130の表面を導電性とすることで、可動ミラー111のミラー電極部113と外部回路(図示せず)を電気的に接続する経路の一部とすることができる。あるいは、スペーサ130の表面を絶縁性とすることで、電極基板120上の配線123との電気的短絡なしでスペーサ130を電極基板120上に配置できる。スペーサ130を可動ミラー基板110あるいは電極基板120と独立して形成する場合、該スペーサ130を構成する材料は、可動ミラー基板110および電極基板120と熱膨張係数が近い、または可動ミラー基板110および電極基板120と熱膨張係数を一致させた材料であることが望ましい。
The
図1および図4を用い本発明のマイクロミラー100に適用する電極基板120を説明する。図4(a)、(b)、(c)に示した電極基板120は、可動ミラー111と突起122と可動ミラー111との接触面積を変化させた実施形態の例である。図4(b)は突起122を点状にした例であり、図4(c)は突起122を短くしかつ分割した例である。ただし図4は、切り欠き部127と突起122の組合せを限定するものではない。電極基板120は例えばシリコン(Si)基板、シリコン(Si)層間に酸化シリコン(SiO2)層を挟み込んだSOI基板、金属基板、または絶縁体基板(例えばガラス基板やセラミック基板)などを材料として作製する。電極基板120を作製する材料が導電性の場合、電極基板120の表面に絶縁膜(例えばシリコンの場合は酸化膜SiO2や窒化膜SiNx)を形成し、該絶縁膜上に導電性膜で駆動電極部121、配線123、電極パッド124を形成する。導電性膜は、例えば金(Au)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、白金(Pt)あるいはチタン(Ti)を単独にあるいは適宜積層し形成する。別の作製方法として、めっきやスクリーン印刷で駆動電極部121を形成することができる。
An
駆動電極部121の中心軸115から最も遠ざかった箇所は、可動ミラー111が電極基板120に接触する際にミラーの端部118が電極基板120と接触する位置よりも内側とする。駆動電極部121の形状は略長方形で、少なくとも一部に切り欠き部127を有する (図4(a)、(b))。かかる構成によって駆動電極部は、前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、折り返し梁の折り返し部191に重ならない位置に形成されている。ここで切り欠き部127は、一旦形成した駆動電極部121を部分的に取り除くことや、最初から切り欠き部127に相当する部分に駆動電極部121を形成しないことで作製する。切り欠き部127の上方には該切り欠き部127に対向させて梁114の折り返し部191を配置させている。
The place farthest from the
該構造の駆動電極部121とすることで、梁の折り返し部191と駆動電極部121の電気的に短絡、すなわち可動ミラー111と駆動電極部121との電気的短絡を回避することができる。
By using the
切り欠き部127の延長線上にあり、該切り欠き部127のよりも内側(すなわち中心軸を投影した側)の駆動電極部121は主として梁114に対して静電引力を作用させる。前記梁114の厚さは前記可動ミラー111の厚さよりも薄く、前記可動ミラー111の厚さ方向において前記ミラー電極部側に偏った位置で前記梁114が前記可動ミラー111を支持している。すなわち、本発明のマイクロミラー100においては梁114は、反射面112側ではなくミラー電極部113側すなわち、電極基板120に対向する側に形成したので、梁114と駆動電極部121の間隔は小さい。可動ミラー111が電極基板120に接する状態では、特に強い静電引力が発生する。このため駆動電極部121と梁114との間に無視できない静電引力が発生する。梁114に対する静電引力は可動ミラー111の主要な駆動力とはならない。一方で梁114自身への静電引力を発生させるので、前記梁の折り返し部191以外の場所で、梁114と駆動電極部121が接触する危険性がある。これを回避するために梁114直下の駆動電極部121を全て切り欠き部として、前記駆動電極部121が前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁と重ならないようにしても良い(図4(c))。
The
駆動電極部121の幅は可動ミラー111の幅(図3のMW)を超えていることが望ましい。ここで駆動電極部121の幅および可動ミラー111の幅とは中心軸115方向の寸法を意味する。可動ミラーの111の幅よりも駆動電極部121の幅を大きくすることで、組立位置ずれに対する駆動力の低下が抑制できる。前記切り欠き部127の大きさは想定した最大組立ずれを考慮して与える。
It is desirable that the width of the
次に、可動ミラーの動きについて説明する。電極基板120には可動ミラー111を静電アクチュエータで駆動させる駆動電極部121が形成されている。可動ミラー111と駆動電極部121との位置関係は、可動ミラー111が電極基板120に接触した場合に、駆動電極部121と可動ミラー111が電気的に短絡しない関係とする。具体的には、駆動電極部121と可動ミラー111が接触しない位置にのみ駆動電極部121を配置する。電極基板120には、可動ミラー111の中心軸115を下部、すなわち電極基板120側へ投影した位置に突起を形成している。可動ミラー111は該可動ミラーの一方の端部118が電極基板120と接触し、該可動ミラー111のミラー電極部113を形成した側の面の中央付近が該突起122と接触する状態をとることで、該可動ミラー111の動作角度を機械的に安定に与える。
Next, the movement of the movable mirror will be described. On the
図5(a)、(b)、(c)、(d)に例示した可動ミラー111は、可動ミラー111と電極基板120との接触面積の低減を目的として、ミラーの端部118の形状を変えた実施形態である。該接触部面積を低減することにより、可動ミラー111が動作時に電極基板120に接触する際、可動ミラー111と電極基板120との凝着の抑制に寄与する。なお、図5(a)、(b)、(c)、(d)は反射面側の形状例とミラーの端部118の各形状例を示しているが、両者の組合せを限定するものではない。図5(a)、(b)の実施形態では可動ミラー111と電極基板120との接触部を肉薄部117に有するが、図5(c)、(d)の実施形態においては可動ミラー111と電極基板120との接触部を肉厚部116に有する。図5(b)の実施形態では、ミラーの端部118に曲線を形成しているので、可動ミラー111と電極基板120とが点接触することになり、接触面積低減効果が最も大きい。図5(c)の実施形態では反射面112側から厚みを有するミラーの端部118が確認できる。ただし肉厚部を有するミラーの端部は一部である。図5(d)はミラーの端部118を肉薄部としない例である。図5(d)の実施形態ではミラー電極部113側を一部加工することで、肉厚部を有するミラーの端部118を実現している。図5(d)の形態ではミラーの端部118全体が肉厚部を有する。肉厚部を有するミラーの端部118は強度があるので破損が発生し難い。図5(a)、(b)、(c)、(d)に例示した形状のミラーの端部118は、可動ミラー111と電極基板120との接触部を低減する。該接触部の近傍は可動ミラー111と電極基板120が近接している領域であるので、該領域を低減することは、該領域に混入した異物(ゴミ)によって、可動ミラーの動作角度が変動することを回避する効果を有する。前記異物(ゴミ)は電気的短絡の一因である。
The
図6は電極基板120の別の実施形態である。図6の電極基板120は掘り込み部128を有する。図6(a)に示した電極基板120において、掘り込み部128は、駆動電極部121の中心軸から遠い方の端部から可動ミラーの端部118が電極基板120と接触する位置までの少なくとも一部に存在する。図6(b)に示した電極基板120において、掘り込み部128は可動ミラーの端部118が電極基板120と接触する位置の一部分に存在する。同図は、掘り込み部128が可動ミラーの端部118が電極基板120と接触する位置の一部分に存在していることを示す図であり、掘り込み部128の個数を限定するものではない。該掘り込み部128が存在する位置は、可動ミラー111と電極基板120が近接する領域である。該領域に存在する掘り込み部128は、該領域に混入した異物(ゴミ)によって、可動ミラーの動作角度が変動することを回避する効果を有する。前記異物(ゴミ)は電気的短絡の一因である。図7は本発明のマイクロミラーに適用する駆動電極部121の形状を可動ミラー111と比較して示す図である。図7は駆動電極部121の幅が可動ミラー111の幅より大とした例である。図7は駆動電極部121、および位置決めパターン129を点線で示し、可動ミラー111、梁114、および可動ミラー基板110の外形を実線で示した。電極基板上の突起や可動ミラーの凹凸の図示は省略した。図7(a)は梁114の下全体を切り欠き部127とした。可動ミラー111と可動ミラー基板110との間隔を広く取ったので、駆動電極部121の幅方向の端は、可動ミラー111を上方から確認可能である。よって組立後の可動ミラー基板110と電極基板120との位置ずれが確認できる。図7(b)は梁114の下全体を切り欠き部127とした。可動ミラー111と可動ミラー基板110との間隔は部分的に広く、部分的に狭くした。可動ミラー111と可動ミラー基板110との間隔を狭くすることで、幅方向、すなわち図面縦横方向の衝撃が加わった場合の可動ミラー111の変位を抑制することができる。一方で、両者の間隔を広く取った部分、すなわち空気抜け孔192は空気抵抗により可動ミラー111の動作速度が鈍くなることを緩和する。なお、同図は空気抜け孔192の位置と大きさを限定するものではないが、空気抜け孔は可動ミラー基板110の可動ミラーに対向する辺に凹部を設けることで形成することが好ましい。かかる構成によれば可動ミラーの形状や強度を変えることなく、また可動ミラー基板による可動ミラーの前記図面縦横方向の変位抑制機能を阻害することなく、空気抜けの機能を発揮させることができる。駆動電極部121の幅が可動ミラー111の幅より大とするとき、駆動電極部121の幅方向の端は、可動ミラー111を上方から確認不能である。よって位置決めパターン129を配置することで、組立後の可動ミラー基板110と電極基板120との位置ずれを確認する。
FIG. 6 shows another embodiment of the
位置決めパターン129は図4(c)にも例示した。位置決めパターン129は中心軸115を電極基板に投影した線上、すなわち一対の駆動電極部121を分割する中心線に沿って配置する。位置決めパターン129は駆動電極部から一定の間隔を空けて配置する。位置決めパターン129の位置は梁114の隙間から確認する。位置決めパターン129は1つのマイクロミラーに対して1個、例えば駆動電極部121の片側だけに配置しても良いが、図4(c)の例のように駆動電極部129の両側に配置すると相対位置が認識しやすい。位置決めパターン129の形状は問わない。例示した角型でなくても良い。例えば、位置決めパターンを三角形とし、その頂点を中心線に一致させることで位置関係をより明確にできる。三角形の位置決めパターンを図6に例示した。位置決めパターン129は可動ミラー111と同電位とする。梁114と位置決めパターン129が接触しても電流は流れない。位置決めパターン129と可動ミラー111を同電位とする方法は、電極基板表面に配置した配線を介し両者を接続するものでも良く、電極基板内部を介した接続でも良い。例示した位置決めパターン129は駆動電極部121に近接させた、すなわちマイクロミラーに付随させたが、可動ミラー基板110の外周付近に配置しても良い。特にマイクロミラーを複数アレイ化する場合は、可動ミラー基板の外周付近に配置した少数の位置決めパターンで、複数のマイクロミラーの位置決めパターンを共通化することができる。位置決めパターンを可動ミラー基板の外周に配置する場合、より正確には個々の可動ミラー111の動作範囲外に配置した場合、位置決めパターン129の電位は可動ミラー111の電位と共通化する必要はない。このとき、位置決めパターンの電位は電気回路的に浮いた状態であっても良い。また、位置決めパターン129の位置はマイクロミラーの梁114の隙間から確認する必要はない。そのような位置決めパターンを図12に例示する。
The
可動ミラー111の厚さは、反射面112を有する部分において最大とすることで作製が容易になる。可動ミラー基板110の作製方法の例として、SOI基板を用いた作製方法を、図8を用いて説明する。可動ミラー基板110を形成する基板として、SOI基板を用いる(図8(a))。SOI基板の活性層173(Si層)側にミラー電極部113を形成し、ベース層(Si層)171に反射面を形成する。SOI基板は両面を鏡面研磨する。活性層173(Si層)にミラー電極部113を形成するのは、活性層(Si層)173側がベース層(Si層)171側より薄いからであるので、もし、活性層(Si層)173側がベース層(Si層)171側より厚ければ、活性層(Si層)173側に反射面112を形成する。通常、活性層(Si層)173側がベース層(Si層)171側より薄いので、以下活性層(Si層)173側にミラー電極部113を形成する場合の作製方法を説明する。
The
活性層(Si層)173側の面にフォトリソグラフィーによりミラー電極部113の形状および梁114の形状を、フォトレジスト、またはアルミニウム膜、または酸化シリコン膜、あるいはその他のマスク材で、パターニングし、ドライエッチングを施す(図8(b))。図8(b)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。梁114の厚さは活性層(Si層)173の厚さで与えられる。ベース層(Si層)171側に反射面112側の可動ミラー形状を、フォトレジスト、またはアルミニウム膜、または酸化シリコン膜、あるいはその他のマスク材で、パターニングし、ドライエッチングを施す(図8(c))。図8(c)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。反射面112側にパターンニングする可動ミラー形状は、例えば、図2に示した形状とする。反射面112を有する部分の厚さはベース層(Si層)171の厚さで与えられるので、可動ミラー111の厚さは反射面112を有する部分で最大となる。ドライエッチングで薄くした肉薄部117の厚さは活性層(Si層)173の厚さに中間層(SiO2層)172を加えた厚さとなる。中間層(SiO2層)172をウェットエッチングで除去する(図8(d))。図8(d)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。この工程によって可動ミラーは梁114のみで可動ミラー基板110に連結された状態となる。すなわち梁114で与えられる中心軸115の周りに回動自在な状態となる。ドライエッチングで薄くした肉薄部117の厚さは梁114の厚さと一致する。図8(d)に示した状態の可動ミラーを構成する要素を基体119と称する。すなわち基体119とは可動ミラー111構成要素の内、構成材料として用いた基板のみで形成されている部分を示す。最後に反射面112に反射膜、ミラー電極部113に導電性膜を、例えばスパッタリングや蒸着で成膜する(図8(e))。その後、可動ミラー基板110は活性層(Si層)173側、すなわち梁114側が電極基板120に対向する向きで、電極基板120と一体化させる。
The shape of the
上述したSOI基板を用いた可動ミラー基板110の作製方法の場合、可動ミラー111の各部分の厚さをSOI基板の各層の厚さで制御することができるので製造が容易である。反射面112およびミラー電極部113は、特に反射面112は光学特性を維持するために、平坦であることが必要である。反射面112およびミラー電極部113の平坦性は両面を鏡面研磨したSOI基板の平坦性で確保する。上述した作製方法例ではエッチング面を反射面112に用いないので、エッチング面の平坦を要求する必要は無い。上述した手順ではSOI基板の中間層(SiO2層)172をドライエッチング(図8(b)、(c))でのエッチストップ層として利用することができるので製造を容易にできる。同様にドーパントをドープしてエッチングレートが異なる層を作製し、該層をエッチストップ層として機能させるシリコン基板を材料とする場合も、可動ミラー基板110の製造を容易にできる。該基板を用いた作製方法例の説明は、SOI基板を用いた作製方法に準じるので、説明は省略する。
In the case of the method for manufacturing the
なお、上述した製法は一例であって、本発明のマイクロミラー100の製法を限定するものではない。例えばベース層(Si層)171側のシリコンを部分的に適当な深さ(例えば半分)エッチングし、エッチング面を反射面112とする構造としても良い。図9(a)に可動ミラー111を一定量エッチングしてエッチング面を反射面112とした静電駆動型のマイクロミラー100の実施形態を図示する。反射面112は可動ミラー基板110の表面よりも低く、反射面112を有する部分は可動ミラー基板110よりも厚さが小さくなっている。また、形成されている肉厚部116の表面も可動ミラー基板110の表面よりも低く、肉厚部も可動ミラー基板110よりも厚さが小さくなっている。図9(a)の例では、反射面112と同じ厚さとなっている。図9(a)の構成では、可動ミラー基板110を厚くして、該基板の剛性を高く保ちつつ、可動ミラー基板の質量を小さくすることができる。
In addition, the manufacturing method mentioned above is an example, Comprising: The manufacturing method of the
別の実施例として肉厚部116部分の厚さを、反射面112を有する部分の厚さより薄く、かつ可動ミラー111で最も薄い部分である肉薄部117の厚さより厚くする構成例を図9(b)に示す。図9(b)に示した構成は、例えば肉厚部116に意図的にサイドエッチ(マスク側面から回り込んだエッチャントによる側面からのエッチングの進行)を発生させることで実現することができる。あるいは反射面112を有する部分のマスク厚を肉厚部116のマスク厚より厚くすることで、図9(c)のエッチング工程の途中から意図的に肉厚部116をエッチングすることで実現することができる。肉厚部116の厚さを低減することで可動ミラー111の質量および慣性モーメントを低減することができる。特にミラーの端部118付近の肉厚部116を薄くすることは慣性モーメントの低減に効果的に寄与する。なお、図に明記していないが、肉薄部116の厚さは一様でなくても良く、部分的に薄くすることもできる。例えば反射面112付近では反射面112部分の厚さと同じ厚さであり、ミラーの端部118に近付くに連れて徐々に薄くなる構造とすることもできる。
As another example, a configuration example in which the thickness of the
次に電極基板120の作製方法例を、図10を用いて説明する。図10の電極基板120はスペーサ130を電極基板と一体形成した例であり、図2のマイクロミラー100に用いる電極基板120の作製例に相当する。電極基板120を形成する基板として、シリコン(Si)基板181を用いる(図10(a))。表面にフォトリソグラフィーによりスペーサ130の形状を、フォトレジスト、または酸化シリコン膜、あるいはその他のマスク材で、パターニングし、エッチャントにKOH(水酸化カリウム水溶液)等を用いた異方性ウェットエッチングを施す(図10(b))。図10(b)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。本工程でスペーサ130の高さと突起122の高さの差が形成される。表面にフォトリソグラフィーによりスペーサ130の形状と突起122の形状をパターニングし、エッチャントにKOH(水酸化カリウム水溶液)等を用いた異方性ウェットエッチングを施す(図10(c))。図10(c)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。シリコン(Si)基板181の表面に絶縁膜として熱酸化膜(SiO2) を形成する(図10 (d))。図6に示した掘り込み部128は、例えば、該熱酸化膜を除去することで形成できる。最後に、例えばスパッタリングや蒸着で導電性の駆動電極部121、配線123、電極パッド124を成膜する(図10(e))。駆動電極部121は切り欠き部127を有する。位置決めパターン129は駆動電極部121と同じ工程で作製すると効率的であるが、別工程で作製しても良い。
Next, an example of a method for manufacturing the
なお、上記した製法は一例であり、電極基板120の作製方法を限定するものではない。例えばエッチング方法は等方性ウェットエッチングでもドライエッチングでも良い。あるいは突起122、スペーサ130を積層で作製することもできる。本実施形態の電極基板120はスペーサ130の高さと突起122の高さが異なっているので、エッチングを2回施したが、両者の高さは一致していてもよく、その場合、エッチング回数を1回とすることができる。本実施形態の電極基板120はスペーサ130を一体形成した例であるが、スペーサ130を別部材で作製する場合、エッチング回数を1回とすることができる。スペーサ130を可動ミラー基板110や電極基板120と独立に作製する場合の作製方法は図示しないが、例えばシリコン(Si)基板の厚さをエッチングで調整して形成することができる。さらに必要に応じて、表面を熱酸化し絶縁性を与えることや、表面に導電性膜を成膜して導電性を与えることができる。
The above-described manufacturing method is an example, and the manufacturing method of the
以下、マイクロミラー100を形成する方法を説明する。図2に示したマイクロミラー100は、図1に例示したスペーサ130を一体形成した電極基板120と、図3に例示した可動ミラー基板110とを接着、接合または締結することで形成する。可動ミラー基板110と電極基板120の位置関係は、梁114を有する面が電極基板120に近接する関係とする。可動ミラー基板110と、スペーサ130を一体形成した電極基板120の並進位置は、例えば、両者に位置決め用孔(図示せず)を形成し、該位置決め用孔にピンまたは球体等を挿入することで、両者の並進位置を制御することができる。別の例として、可動ミラー基板110と、スペーサを一体形成した電極基板120に位置決めパターンを形成し、パターン認識(例えば画像処理)によって両者の並進位置を制御することができる。可動ミラー基板110と電極基板120の積層方向の間隔はスペーサ130の精度で与える。接着によってマイクロミラー100を形成する場合は、接着剤として、例えば紫外線硬化樹脂を用いることができる。あるいは、熱硬化樹脂を用いることができる。接合でマイクロミラー100を形成する場合は、例えば金-錫はんだ等を用いることができる。スペーサ130を可動ミラー基板110や電極基板120と独立に作製する場合、あるいは可動ミラー基板110にスペーサ130を一体形成する場合も同様の方法でマイクロミラー100が作製できる。
Hereinafter, a method for forming the
図11に本発明のマイクロミラー100の別の実施形態を示す。図11(a)に示すマイクロミラー100は、マイクロミラー100を密封可能な筐体140に収め、筐体内部を光学オイル150で充填することを特徴とする。マイクロミラー100周囲に充填された光学オイル150は、可動ミラー111に衝撃が加わった時の抑制力として機能するので可動ミラー111の耐衝撃性を向上させることができる。図11(b)は図11(a)に示した電極基板120を可動ミラー基板110側から見た図である。基本的な構成は図1で説明した電極基板120と同じであるが、可動ミラー111の端部118が電極基板120に接触する付近に抵抗配線125を有することを特徴とする。該抵抗配線125は可動ミラー111とは接触しない。可動ミラー111を動作させ始めるとき、少なくとも可動ミラーの端部118が接近している側の抵抗配線125に通電することで、該抵抗配線125上の光学オイル150に気泡151を発生させる。該気泡151で可動ミラー111に押上げ力を加えることで、可動ミラー111に初速度を与え、可動ミラー111の動作を補助し、可動ミラー111の凝着防止にも寄与する。気泡151の発生を図11(c)に示す。
FIG. 11 shows another embodiment of the
上述した実施形態に基づく構成は全て、マイクロミラー100を支持する梁114と駆動電極部121との電気的短絡を回避する構成を有するので、マイクロミラーの動作不能や破損を回避できる。該構成を有するマイクロミラー100を構成する可動ミラー111を可動ミラー基板110に複数個形成し、それに対応した数の駆動電極部129を電極基板120に形成し、該可動ミラー基板111と該電極基板120および適宜与えたスペーサ130を組み合わせることで、上述したマイクロミラー100を複数集積したマイクロミラーアレイが実現できる。該マイクロミラーアレイは、個々のマイクロミラーの動作不能や破損を回避できる。図12にマイクロミラーアレイ400の構成例を示す。図12のマイクロミラーアレイ400は本発明のマイクロミラー100をアレイ化したものであるが、図12のマイクロミラーアレイ400がマイクロミラー100のアレイ数、アレイ配置等を限定するものではない。アレイ数は増減しても良く、アレイ配置は2次元マトリクス状であっても良い。図12においては位置決めパターン129をアレイ化した8つのマイクロミラー110で共通化している。位置決めパターンは可動ミラー基板110と電極基板120の両方に配置している。
Since all the configurations based on the above-described embodiments have a configuration that avoids an electrical short circuit between the
図13を用いて本発明のマイクロミラーを用いた光スイッチを説明する。前述のマイクロミラー100は、2値デジタル駆動をするので、該マイクロミラー100を用いて1入力2出力の光スイッチ(1×2光スイッチ)が実現できる。図13は本発明のマイクロミラーを用いた静電駆動型の1入力2出力の光スイッチ(1×2光スイッチ)の一実施形態例である。
An optical switch using the micromirror of the present invention will be described with reference to FIG. Since the above-described
図13に示した光スイッチ200は、入力側光ファイバ202aと入力側コリメートレンズ204aを有する入力ポートと、シリンドリカルレンズ205、前述したいずれかのマイクロミラー100、出力側コリメートレンズ204b、204cと出力側光ファイバ202b、202cを有する出力ポート100、を構成要素として有する。図13に示す実施形態では、集光光学系をコリメートレンズとマイクロミラーの間に配置し、該集光光学系を用いて反射面に光ビームを集光する構成である。図13では、集光光学系としてシリンドリカルレンズを用いる。
The
光スイッチ200の構成要素として、マイクロミラー100の反射面112に光ビーム209を集光する集光光学系としてシリンドリカルレンズ205を用いたことで、マイクロミラー100の反射面112を小型化できる。このことを、図14を用いて説明する。図14にD0で示した領域は集光光学系を用いない場合の反射面112における光ビーム径である。前記領域D0を十分にカバーするマイクロミラー100の反射面112の長さはL0である。一方ハッチングで示した領域Dは集光光学系としてシリンドリカルレンズを用いた場合の反射面112における光ビーム径である。前記領域Dを十分にカバーする反射面112の長さLとなる。つまり反射面112を小さくすることができる。その結果、マイクロミラー100の質量と慣性モーメントを低減することができるので、マイクロミラー100の耐衝撃性、高速制御性が向上する。なお、反射面112において光ビーム209が集光する特性を有しているのであれば、シリンドリカルレンズ205は他の集光光学素子(レンズ)で置き換えることができる。
Since the
図13に示す光スイッチをその機能とともに更に詳述する。図13は、1本の入力側光ファイバ202aと2本の出力側光ファイバ202b、202cを有し、前述したいずれかのマイクロミラー100が前記入力側光ファイバ202aと第一の出力側光ファイバ202bとの間に光路を形成する第一の姿勢と前記入力側光ファイバ202aと第二の出力側光ファイバ202cとの間に光路を形成する第二の姿勢を選択する構成例である。該構成の光スイッチ200は、電気的短絡による動作不能や破損を回避できるだけでなく、動作角度の時間的な安定性にも優れるので、光スイッチの光学特性向上にも効果的である。該構成の光スイッチ200は入力側光ファイバ202aと出力側光ファイバ202b、202cが一直線上に配置可能であるので、集光光学系としてシリンドリカルレンズを適用することができる。
The optical switch shown in FIG. 13 will be described in further detail together with its function. FIG. 13 includes one input-side
図13(a)は、入力側光ファイバ202aから第一の出力側光ファイバ202cへの光路形成状態を示す図である。図13(a)において可動ミラー111は第一の姿勢をとる。図13(b)は入力側光ファイバ202aから第二の出力側光ファイバ202bへの光路形成状態を示す図である。図13(c)において可動ミラー111は第二の姿勢をとる。図13(c)は可動ミラー111に駆動力を与えない状態を示す図である。
FIG. 13A is a diagram showing an optical path forming state from the input side
本発明の光スイッチは図15に示す各構成でも実現できる。図15(a)は光ファイバ202同士を角度配置する光スイッチの構成である。光偏向手段として、本発明に係るいずれかのマイクロミラーを用いている。光ファイバ202aからの入射光はコリメートレンズ204aでコリメートされ、可動ミラー111の反射面112に入射する。その光路209は可動ミラー111の回動によって切り替えられ、光ファイバ202bと202cの間で結合を切り替える。可動ミラー111で反射された光は光ファイバ202bまたは202cに再結合する前にコリメートレンズ204bまたは204cで集光される。本構成の光スイッチ200は、本発明に係るいずれかのマイクロミラーを用いることで、梁114と駆動電極部121の電気的短絡および電流が流れることによる動作不能や破損を回避できる。
The optical switch of the present invention can also be realized by each configuration shown in FIG. FIG. 15A shows a configuration of an optical switch in which the
図15(b)の構成例では、光ファイバ202a、202b、202cと可動ミラー111との間にコリメートレンズアレイを配置して、前記各光ファイバにはコリメートレンズ204a、204b、204cを対置させている。ここで、複数の光ファイバのうちの少なくとも一部、例えば図15(b)の例では光ファイバ202a、202cとそれぞれに対置するコリメートレンズ204a、204cをオフセット配置する。オフセット配置とは光ファイバの光軸とコリメートレンズの光軸をずらして配置することとする。光ファイバの光軸とコリメートレンズの光軸をずらすと、コリメートレンズを通過後の光ビーム209の光軸は、光ファイバのずれ方向と逆方向に偏向する。従って、図15(b)において光ファイバ202aをコリメートレンズ204aに対し光ファイバ202bから遠ざかる方向にずらすと、光ビーム209の光軸はマイクロミラー中央方向に偏向する。その結果、光ファイバ202aからの入射光は可動ミラー111の反射面で反射される。反射光がコリメートレンズ204cへ向かった場合、光ファイバ202cがコリメートレンズ204cに対して光ファイバ202bから遠ざかる方向にずらしておくことで、光ビームは光ファイバ202cに結合する。本構成では本発明のマイクロミラー100の特性、すなわち光スイッチが動作不能になることや破損することを回避できる特徴を活かしつつ、シリンドリカルレンズを不要とすることで光学素子数が低減できる。また入出力側の光ファイバ202が平行配列であるので配列し易い。
In the configuration example of FIG. 15B, a collimating lens array is disposed between the
図15(c)の構成例は、コリメートレンズ204a、204b、205cと可動ミラー111との間に固定ミラー230が配置され、光ファイバ202aからの入射光は可動ミラー111の反射面に集光し、該反射面による反射光は光ファイバ202cに結合される。図15(b)のコリメートレンズをオフセット配置する変わりに、固定ミラー230を用いている。入出力側の光ファイバ202は図15(b)の場合と同様に平行配列である。固定ミラー230は反射損失、波長依存性損失に優れた光学部品であるので、本構成においては、本発明のマイクロミラー100を用いることで光スイッチが動作不能になることや破損することを回避できるだけでなく、光スイッチ200の光学特性向上が期待できる。また固定ミラー230は集光光学系(レンズ)に比べて作製が容易という利点もある。
15C, the fixed
図13や図15は本発明のマイクロミラーを光スイッチに適用する例を示したが、光ファイバの一部の代わりにフォトダイオードなどの光検出素子を配置して、光検出器を構成しても良い。あるいはレーザ光源から発した光の進行方向を本発明のマイクロミラーで切り替えて所望の光ファイバに結合させる光デバイスを構成しても良い。本発明のマイクロミラーは、上述のように光偏向手段として優れる一方、その適用形態に制限はないことから、光偏向手段を必要とする光部品に広く適用することができる。すなわち、本発明のマイクロミラーを光偏向手段として用いて各種の光部品を構成することができる。 FIGS. 13 and 15 show examples in which the micromirror of the present invention is applied to an optical switch. However, instead of a part of the optical fiber, a photodetector such as a photodiode is arranged to constitute a photodetector. Also good. Or you may comprise the optical device which switches the advancing direction of the light emitted from the laser light source with the micromirror of the present invention and couples it to a desired optical fiber. While the micromirror of the present invention is excellent as a light deflecting means as described above, there is no limitation on its application form, so that it can be widely applied to optical components that require the light deflecting means. That is, various optical components can be configured by using the micromirror of the present invention as a light deflection unit.
本発明に係るマイクロミラーを図13に示した1×2光スイッチに適用し、さらに該1×2光スイッチをアレイ化して光スイッチアレイ300とする例を図16に示し、本発明に係るマイクロミラー、マイクロミラーアレイおよび光スイッチをさらに詳しく説明する。
An example in which the micromirror according to the present invention is applied to the 1 × 2 optical switch shown in FIG. 13 and the 1 × 2 optical switch is arrayed to form an
図16に示した光スイッチアレイ300は、光ファイバアレイ203と、コリメートレンズアレイ204と、シリンドリカルレンズ205と、静電駆動型のマイクロミラー100を構成要素に持つ。図16に示した光スイッチアレイ300は独立に動作する8組の1×2光スイッチが集積化された光スイッチアレイである。ただし、図16は1×2光スイッチの集積化可能な数を限定するものではない。また、本発明のマイクロミラー100の適用デバイスを限定するものでもない。各1×2光スイッチ要素は図13に示した構造をとる。各1×2光スイッチ要素で使用するマイクロミラー100は図1〜3に示したマイクロミラーである。可動ミラー111はミラーの端部118とミラー電極部113の中央付近が、電極基板120と突起122に接触することで、動作角度を決定する。光スイッチ200の切替動作中には一時的に可動ミラー111と突起122の接触が開放される。
The
光ファイバアレイ203は24本の光ファイバ202と該ファイバを整列させる基板(光ファイバ整列基板)218、219を構成要素に持つ。本実施例は8組の1×2光スイッチを集積化するので、24本の光ファイバ2は一方向に3本、それと直交する方向に8本配列する。ここで、3本配列した光ファイバは1つの1×2光スイッチに対応する1本の入力光ファイバと2本の出力光ファイバに対応する。この配列方向を切り替え方向と定義する。切り替え方向と直交する配列方向を集積化方向と定義する。切り替え方向と集積化方向の定義は図16に記載する。
The
本実施例においては切り替え方向の光ファイバピッチを0.5mmとし、集積化方向の光ファイバピッチを1mmとする。光ファイバアレイ203においては、光ファイバが精度よく整列されている。本実施例では、光ファイバ整列用孔を形成した光ファイバ整列基板218を用いて光ファイバを整列させる。光ファイバアレイ203の整列精度は、光ファイバ整列基板218に形成する光ファイバ整列用孔の精度で与える。
In this embodiment, the optical fiber pitch in the switching direction is 0.5 mm, and the optical fiber pitch in the integration direction is 1 mm. In the
本実施例は8組の1×2光スイッチの集積化しているので、コリメートレンズアレイ204は切り替え方向に3つ配列し、集積化方向に8つ配列した合計24個のコリメートレンズを構成要素に持つ。ここで切り替え方向と集積化方向の定義は、光ファイバアレイ203で定義した方向に準ずる。コリメートレンズアレイ204のピッチは光ファイバアレイ203のピッチに対応させる。本実施例においてはコリメートレンズアレイの切り替え方向のピッチは0.5mm、集積化方向のピッチは1mmとする。本実施例ではコリメートレンズアレイ204は基板厚さが0.625mmのシリコン基板をエッチングすることで作製する。コリメートレンズアレイ204の表裏面には使用する光の波長(1300〜1650nm)に対応した反射防止膜を成膜する。コリメートレンズアレイ204は光ファイバアレイ203に対向する側が平面でシリンドリカルレンズ205に対向する側に凸レンズを形成する構造とする。コリメートレンズアレイ204を構成する各コリメートレンズはレンズ径が0.45mmの球面凸レンズとし、その曲率半径は3mmとする。光ファイバ整列基板218とコリメートレンズアレイ204との間隙は入力光ファイバから出射された光が所望の特性を持つコリメートビームとなるように選択する。
In this embodiment, since 8 sets of 1 × 2 optical switches are integrated, three collimating
本実施例では8つの1×2光スイッチで1つのシリンドリカルレンズ205を共用する。該シリンドリカルレンズ205は光学ガラス(BK7)製とし、曲率半径を3.58mm、焦点距離を7.15mmとする。シリンドリカルレンズ205には表裏面に使用する光の波長(1300〜1650nm)に対応する反射防止膜を成膜する。シリンドリカルレンズ205は曲面側をコリメートレンズアレイ204に対向させ、平面側をマイクロミラー110に対向させる向きに配置する。
In the present embodiment, one
本実施例は8組の1×2光スイッチを集積化しているので、本発明のマイクロミラー100を8つ有する。各マイクロミラー100はマイクロミラーの配列方向に中心軸115を取った一軸回転可能な構造とする。マイクロミラーの配列方向は、光ファイバアレイ203およびコリメートレンズアレイ204の集積化方向に対応する方向とする。したがってマイクロミラー100は光ファイバアレイ203の集積化方向のピッチに対応したピッチで一列に配列される。本実施例ではマイクロミラー100のピッチは1mmとする。
Since this embodiment integrates eight sets of 1 × 2 optical switches, it has eight
可動ミラー基板110は活性層(Si層)173厚さ10μm、中間層(SiO2層)172厚さ1μm、ベース層(Si層)171厚さ300μmのSOIを材料とする。可動ミラー111は図8に示した方法で作製する。反射面112を有する部分の厚さと可動ミラーの肉厚部の厚さはSOI基板の初期厚さと同じ311μmである。可動ミラーの肉薄部117の厚さと梁114の厚さはSOIの活性層(Si層)の厚さの10μmである。
The
可動ミラーの反射面を有する側の反対側の面の中心軸115に直交する方向の長さ(図3のML)は1735μmとし、中心軸115に沿う方向の最大幅(図3のMW)は500μmとする。可動ミラー111は、電極基板120に接触するまで動作させる。可動ミラー111と電極基板120は、ミラーの端部118が電極基板120と接触し、反射面を有する側の反対側の面の中央付近が突起122と接触して、傾斜角度1度を実現する。電極基板120のミラーの端部118が接触する部分には駆動電極部121を配置しない。
The length (M L in FIG. 3) in the direction orthogonal to the
入力側の光ファイバ202aから出射され対応するコリメートレンズ204aでコリメートビーム化された光はシリンドリカルレンズ205の作用で可動ミラーの反射面112において可動ミラーの配列方向に長径を有する擬楕円形状となる(図14参照)。反射面112において、光は長径方向に0.2〜0.25mm、短径方向に0.1〜0.15mmとなるので、可動ミラーの反射面112は0.4mm×0.3mmとする。反射面側の肉厚部116の形状は図3に示した形状とする。肉厚部116の線幅は50μmとする。
The light emitted from the input-side
可動ミラー111は、弾性部材である2本一対の梁114によって支持され、該梁114は可動ミラーが形成されている基板(可動ミラー基板)110に連結されている。梁114は可動ミラー111が回転および沈み込み、すなわち可動ミラー111が突起122と接触する方向の変位を行いやすいように、折り返し梁として相対的に大きな静電引力を確保する。梁幅は15μm、梁厚さは可動電極基板を作製したSOI基板の活性層(Si層)の厚さと同じ10μmとする。梁の長さ、すなわち梁114を構成する棒状部材の長さは760μmとする。梁の折り返し数は3回とする。前記寸法の梁を与えることで光スイッチ200は40Vで動作させることができる。
The
電極基板120には可動ミラー111を駆動するための駆動電極部121を形成する。電極基板120には15μmの突起122と18μmのスペーサ130を形成する。電極基板120は図10に示した方法で作製する。電極基板120はシリコン(Si)を材料とし、該シリコン基板の表面に熱酸化膜(SiO2膜)を形成した後、切り欠き部127を有する駆動電極部121、配線123、電極パッド124、(位置決めパターン129)を表面が金(Au)の膜で形成する。駆動電極部121の幅は可動ミラー111の最大幅500μmよりも片側50μmずつ大きくする、すなわち幅600μmとする。切り欠き部127は梁114を投影した領域全体に各方向50μm拡大する。
A
本実施例のマイクロミラーは質量と慣性モーメントがそれぞれ2.5×10−7[kg]、6.3×10−14[kg・m2]となる。ただし、シリコン(Si)の密度は2330[kg/m3]とした。該質量および慣性モーメントは可動ミラー全体がSOI基板の初期厚さである311μmである構成例の質量および慣性モーメント6.3×10−7[kg]、1.8×10−13[kg・m2]に対して、それぞれ0.4倍、0.35倍に低減する。したがって、同じ剛性の梁で支持する場合、耐衝撃性は質量に反比例し、2.5倍に向上し、回転動作の共振周波数は慣性モーメントの平方根に反比例し、1.7倍に向上する。また、可動ミラー全体を活性層(Si層)の厚さである10μmとした場合に対して、反りに対する耐性は厚さの2乗倍すなわち900倍以上に向上する。なお、本実施例のSOI基板は十分な厚みを有するので取り扱いが容易な点でも好適である。本構成の光スイッチに、本発明に係るマイクロミラーを用いることで、電気的短絡による動作不能や破損を回避した光スイッチを提供することができる。なお、前記実施例では、本発明に係る構成を反射面の最大寸法が1mm未満のマイクロミラーに適用しているが、機能・構造上の制約が許せば反射面の最大寸法が1mm以上のミラーにも適用することが可能である。 The micromirror of this example has a mass and a moment of inertia of 2.5 × 10 −7 [kg] and 6.3 × 10 −14 [kg · m 2 ], respectively. However, the density of silicon (Si) was 2330 [kg / m 3 ]. The mass and moment of inertia of the configuration example in which the entire movable mirror is 311 μm, which is the initial thickness of the SOI substrate, are 6.3 × 10 −7 [kg] and 1.8 × 10 −13 [kg · m. 2 ] is reduced to 0.4 times and 0.35 times, respectively. Therefore, when supported by a beam having the same rigidity, the impact resistance is inversely proportional to the mass and is improved by 2.5 times, and the resonance frequency of the rotational operation is inversely proportional to the square root of the moment of inertia and is improved by 1.7 times. Further, when the entire movable mirror is 10 μm, which is the thickness of the active layer (Si layer), the resistance to warpage is improved to the square of the thickness, that is, 900 times or more. Note that the SOI substrate of this embodiment has a sufficient thickness and is suitable in terms of easy handling. By using the micromirror according to the present invention for the optical switch of this configuration, it is possible to provide an optical switch that avoids inoperability and damage due to an electrical short circuit. In the above-described embodiment, the configuration according to the present invention is applied to a micromirror having a maximum reflective surface dimension of less than 1 mm. However, a mirror having a maximum reflective surface dimension of 1 mm or more is allowed if functional and structural restrictions permit. It is also possible to apply to.
100:マイクロミラー 110:可動ミラー基板 111:可動ミラー
112:反射面 113:ミラー電極部 114:梁 115:中心軸 116:肉厚部
117:肉薄部 118:端部 119:基体 120:電極基板 121:駆動電極部122:突起 123:配線 124:電極パッド 125:抵抗配線
126:抵抗配線パッド
127:切り欠き部 128:掘り込み部 129:位置決めパターン
130:スペーサ 132:反射膜 140:筐体 150:光学オイル
151:気泡 160:外枠部 162:第2の梁部 171:ベース層
172:中間層 173:活性層 181:シリコン基板
191:折り返し部 192:空気抜け孔
200:光スイッチ
202、202a、202b、202c:光ファイバ 203:光ファイバアレイ
204:コリメートレンズアレイ 204a、204b、204c:コリメートレンズ
205:シリンドリカルレンズ 209:光路(光ビーム)
218、219:光ファイバ整列基板 230:固定ミラー 300:光スイッチアレイ
400:マイクロミラーアレイ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100: Micro mirror 110: Movable mirror board | substrate 111: Movable mirror 112: Reflecting surface 113: Mirror electrode part 114: Beam 115: Center axis 116: Thick part 117: Thin part 118: End part 119: Base | substrate 120: Electrode board 121 : Driving electrode part 122: protrusion 123: wiring 124: electrode pad 125: resistance wiring 126: resistance wiring pad
127: Notch portion 128: Dimmed portion 129: Positioning pattern 130: Spacer 132: Reflective film 140: Housing 150: Optical oil 151: Bubble 160: Outer frame portion 162: Second beam portion 171: Base layer 172: Intermediate layer 173: active layer 181: silicon substrate
191: Folding part 192: Air vent hole 200:
218, 219: Optical fiber alignment substrate 230: Fixed mirror 300: Optical switch array 400: Micro mirror array
Claims (7)
前記可動ミラーは一方の面に反射面を有し、該反射面を有する面の反対の面にミラー電極部を有し、
該ミラー電極部は前記電極基板と対向配置されており、
前記電極基板は前記ミラー電極部との間に静電引力を発生させる駆動電極部を有し、
前記梁は中心軸に直交する方向に伸びた棒状部材が複数回折り返した折り返し梁であり、
前記駆動電極部は、前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、前記梁の折り返し部に重ならないように形成されており、
前記可動ミラーの端部が前記電極基板と接触する動作状態を有するマイクロミラー。 In an electrostatically driven micromirror that includes a movable mirror substrate having a movable mirror supported by a beam and an electrode substrate, and the movable mirror rotates about the beam as a central axis.
The movable mirror has a reflective surface on one surface, and has a mirror electrode portion on a surface opposite to the surface having the reflective surface,
The mirror electrode portion is disposed opposite to the electrode substrate,
The electrode substrate has a drive electrode unit that generates electrostatic attraction between the mirror electrode unit,
The beam is a folded beam in which a plurality of bar-shaped members extending in a direction perpendicular to the central axis are folded back,
The drive electrode portion is formed so as not to overlap the folded portion of the beam as seen from the facing direction of the mirror electrode portion and the electrode substrate.
The micromirror which has the operation state which the edge part of the said movable mirror contacts with the said electrode substrate.
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