JP2008051992A - マイクロミラーアレイデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロミラーアレイデバイスにおけるミラー間の特性のバラツキを抑制して、光学的な品質を向上させる。
【解決手段】マイクロミラーアレイデバイス１００は、例えば、薄い板状のＳｉ基板に、エッチング等でスリット１０５、１０６を形成し、反射膜を蒸着などの手法により形成することで、マイクロミラー１０１、ヒンジ１０２、梁１０３が形成される。本デバイス１００には、両端のマイクロミラー（１番目と４０番目のミラー）１０１の外側にも梁１０３が配置される。すなわち、１番目（４０番目）のミラー１０１の外側の梁１０３の形状が、１番目（４０番目）のミラー１０１と２番目（３９番目）のミラー１０１の間の梁１０３の形状と同じになるように、スリット１０６が配置される。これにより、１番目（４０番目）のミラー１０１と２番目（３９番目）のミラー１０１の間の相対的な初期傾きが改善される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロミラーアレイデバイスに関し、例えば、ＷＳＳ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｗｉｔｃｈ）などに採用されるマイクロミラーアレイデバイスに関する。

従来においては、特許文献１、２に記載されているように、ＷＳＳ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｗｉｔｃｈ）においては入力ファイバーから入射した多数の波長からなる信号チャンネルを多重した信号光をグレーティングで分波したのち、各信号光は、それぞれ対応する複数のマイクロミラーアレイにより、それぞれ反射角度を変えることにより、出力ファイバーを選択することができる。

このようなＷＳＳに用いられるマイクロミラーアレイ１０は、特許文献１、２には具体的に記載がないが、例えば、図９に示すように、複数のミラー１１が１列に並んだミラーアレイの並び方向に各ミラー１１の回転軸ＡＡ’を有している。各ミラー１１は前記の回転軸ＡＡ’に沿って偏向する。これによって、入射光を反射する角度を変えて、回転軸ＡＡ’に直交する方向に並べられた複数のファイバーからなるファイバーアレイのいずれかのファイバーにカップリングさせる構成となっている。

米国特許第６，６２５，３４６号明細書 特表２００４−５３２５４４号公報

ここで、このような作用をもつマイクロミラーアレイ１０を構成する場合、各ミラー１１にはミラーアレイの並び方向に回転軸を持たせるために、図９の（ａ）のように各ミラー１１には弾性部材からなるヒンジ１２をミラー１１の左右に設け、ヒンジ１２がねじれることにより図９の（ｂ）に示す方向（縦方向或いは上下方向）にミラー１１が偏向する必要がある。なお、図９の（ｂ）は、図９の（ａ）のＢＢ’断面構成を示している。

このようなミラーアレイにおいては、ヒンジ１２がミラー１１とミラー１１の間の細い梁１３に接続される構成をとることが合理的である。そして、それぞれの細い梁１３は、全体を支持する枠部材１４に接続支持される構成である。

このとき、両端のミラー１１においては、ミラー１１のヒンジ１２は片側には前記の細い梁１３、反対側には全体の枠部材１４に接続されることになる。

枠部材１４は、加工プロセス上、さまざまな層構造や、ミラー１１を形成するためのエッチング加工などにより、内部に応力を蓄積した状態、つまり残留応力を有した状態で使われる。

ここで、前記の細い梁１３は、太い枠部材１４に比較して剛性が低いため、枠部材１４の残留応力に応じて、大きく撓むことになる。一方、太い枠部材１４の変形量は剛性が高いため、わずかである。

したがって、端のミラー１１においては、片側の細い梁１３は大きく変形し、反対側の太い枠部材１４は変形しないため、バランスを崩して図９の（ｃ）に示す方向（横方向或いは左右方向）に傾くことになる。なお、図９の（ｃ）は、図９の（ａ）のＡＡ’断面構成を示している。

一方、中央のミラー１１においては、両側の細い梁１３が同様に変形するため左右への傾きはほとんど発生しない（図９の（ｃ）参照）。

ここで、それぞれのミラー１１は図９の（ｂ）に矢印で示す方向（縦方向或いは上下方向）には偏向可能であるが、図９の（ｃ）に示す方向（横方向或いは左右方向）には偏向ができないため、前記のような左右方向の傾きが発生すると、一切の補正が不可能となってしまう。

以上より、ＷＳＳに用いられるミラーアレイにおいては、両端のミラーに他のミラーと異なる特性（具体的には左右方向への望まない傾き）が発生し、光学的な品質を低下させるおそれがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、マイクロミラーアレイデバイスにおけるミラー間の特性のバラツキを抑制して、光学的な品質を向上させることができるマイクロミラーアレイデバイスを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るマイクロミラーアレイデバイスは、駆動可能な複数のマイクロミラーと、前記マイクロミラーを偏向可能に支持する前記複数のマイクロミラーからなるマイクロミラーアレイの列方向に対称に配置された弾性部材と、それぞれの前記弾性部材を支持するために前記各マイクロミラーの間に配置される梁と、を有し、両端に位置する前記マイクロミラーの外側にも、外側の前記弾性部材を支持する梁を有することを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記複数の梁の剛性は、それぞれ略等しい特性を有することを特徴とすることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記マイクロミラーアレイの前記梁の形状は、列方向に段階的に異なることを特徴とすることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記全ての梁の形状は等しく、前記マイクロミラーの形状は、列方向に段階的に異なることを特徴とすることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記両端のマイクロミラーの外側の前記梁は、前記梁を支持する支持部材にスリットを設けることで形成することができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記マイクロミラーと、前記弾性部材と、前記梁の各部材が、枠部材の内側の薄い板部材で形成されることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、端の前記マイクロミラーの外側の前記梁は、前記梁と枠部材の間にも前記弾性部材と略等しい弾性部材が形成されていることを特徴とすることができる。

本発明に係るマイクロミラーアレイデバイスは、駆動可能な複数のマイクロミラーと、前記マイクロミラーを偏向可能に支持する前記複数のマイクロミラーからなるマイクロミラーアレイの列方向に対称に配置された弾性部材と、それぞれの前記弾性部材を支持するために各前記マイクロミラーの間に配置される梁と、を有し、前記マイクロミラーアレイの両端に位置する前記マイクロミラーに配置された複数の弾性部材には、外力に応じた変形量が略等しい梁がそれぞれ接続されていることを特徴とすることができる。

本発明にかかるマイクロミラーアレイデバイスによれば、ミラー間における特性のバラツキを抑制して、光学的な品質を向上させることができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるマイクロミラーアレイデバイスの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これら実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明の実施例１について説明する。本実施例に係るマイクロミラーアレイデバイス１００は、図１に示すように、複数個のマイクロミラー１０１が一列に配列されたマイクロミラーアレイ（列）１００Ａを少なくとも１列有している。全てのマイクロミラー（以下、適宜「ミラー」という。）１０１はマイクロミラー１０１に対してマイクロミラーアレイ（列）１００Ａの並び方向に対称に配置された一対のヒンジ１０２と、ミラー１０１間に配置されるヒンジ（弾性部材）１０２を支える為の細い梁（ヒンジ支持部）１０３とによって太い枠部材（支持部材）１０４に支持されている。

そして、本実施例においては、図１に示したように、端のミラー１０１の外側のヒンジ１０２は、太い枠部材１０４に直接支持されるのではなく、太い枠部材１０４とミラー１０１の間に細い梁１０３を設け、ヒンジ１０２はこの細い梁１０３で支持されている。

なお、本実施例に係るマイクロミラーアレイデバイス１００においては、例えば、列方向に４０個のマイクロミラーを並ばせることができるが、４０個はあくまで例示であり、これに限定されるものではない。

図１〜図３に示す本実施例に係るマイクロミラーアレイデバイス１００は、例えば、薄い板状のＳｉ基板に、エッチング等でスリット１０５、１０６を形成し、反射膜を蒸着などの手法により形成することで、マイクロミラー１０１、ヒンジ（弾性部材）１０２、梁１０３が形成されている。

図１、図２、図３に示したヒンジ１０２により、マイクロミラー１０１の並び方向に平行な軸のまわりに偏向可能な複数のマイクロミラー１０１からなるマイクロミラーアレイ１００Ａを得ることができる。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣＣ’断面の構成を示している。

本実施例では、図１に示したように、両端のミラー（１番目のミラーと４０番目のミラー）の外側にも梁１０３が配置されている。すなわち、１番目のミラー１０１の外側の梁１０３の形状が、１番目のミラー１０１と２番目のミラー１０１の間の梁１０３の形状と同じになるように、スリット１０６が配置されている。同様に、４０番目のミラー１０１の外側にもスリット１０６を配置して、梁１０３を形成してある。

図９の（ｃ）で先に説明したように、従来のように、外側の梁１０３を配置しない場合は、１番目のミラー１０１と４０番目のミラー１０１のみ両側の梁の反り形状が異なるため列方向（横方向或いは左右方向）に大きな初期傾きを有していた。２番目のミラー１０１から３９番目のミラー１０１の隣り合うミラー１０１間での初期傾きは１０ｍｄｅｇ以下であるのに対し、１番目、４０番目のミラー１０１は隣のミラー１０１との間に、例えば１００ｍｄｅｇ以上の初期傾きが存在する場合があった。

図１、図２に示すように１番目のミラー１０１と４０番目のミラー１０１の外側に梁１０３を配置することにより、１番目のミラー１０１と２番目のミラー１０１の間の相対的な初期傾き及び４０番目のミラー１０１と３９番目のミラー１０１の間の相対的な初期傾きが、例えばそれぞれ１０ｍｄｅｇ程度に改善される。

かかる特徴を備えた本実施例によれば、全てのミラー１０１の両側に梁１０３が形成されている。このため、端のミラー１０１においても、両側のヒンジ１０２は細い梁１０３に支持される構造にできるため、他のミラー１０１と同じ構造とすることができる。従って、細い梁の歪量が一定となり、端のミラー１０１での特徴的な不要な傾きを抑制することができる。このため、端のミラーであっても光学品質の良いミラーを有するマイクロミラーアレイを得ることができる。

また、本発明は、端のミラーを使わない方法によるチャンネル数の低下を避けること、或いは、外側に使用しないミラーアレイをあえて設ける方法を採用した場合における、デバイスサイズの増大といった問題を招くことなく、課題を解決することができるという、従来技術と対比した格別な効果を奏することができるものである。

また、マイクロミラーの両側の梁部材の剛性（形状）をほぼ等しくすれば、梁の応力による変形量を両側ともほぼ等しくすることができ、以って全てのマイクロミラーの姿勢をほぼ等しくすることができる。

両端のミラーの外側の梁は、梁を支持する支持部材にスリットを設けることで形成している。かかる構成とすれば、枠部材にスリットを設けることで他の部分に形成した梁と略同じ構造をとることができるため、所望の効果を得ることができる。

本実施例では、換言すると、マイクロミラーアレイの両端に位置するミラーに配置された複数の弾性部材には、外力に応じた変形量が略等しい梁がそれぞれ接続されている。かかる特徴を備えた本発明によれば、端のマイクロミラーの両側の梁の変形量を等しくできる。

このため、端のマイクロミラーに不要な傾きを抑制することができる。既述したように、ミラーアレイにおいては、特に、端のミラーのわずかな向きが光学特性に大きく影響するため、全てのミラーが均一な特性を有することは極めて重要である。

次に、本発明の実施例２について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。実施例２においては、図４、図５により、静電駆動型のマイクロミラーアレイデバイスを構成した例について説明する。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢＢ断面構成を示している。

ミラーアレイ全体を保持する３００μｍ程度の厚みの支持層２０５が形成されている。支持層２０５は、図４に示すように、下から順に、導電性反射膜２０１と、該導電性反射膜２０１の上に重ねられるマイクロ構造体支持基板２０４と、該マイクロ構造体支持基板２０４の上に重ねられる張り合わせ層２０３と、張り合わせ層２０３上に形成されているマイクロ構造体基材２０２と、マイクロ構造体基材２０２上に形成されている導電性反射膜２０１とから構成されている。そして、図５の（ａ）に示すように、枠部材１１０の内側に、１０μｍ程度の厚みの活性層（マイクロ構造体）２００にエッチング加工で形成したスリット１０５（１０６）により、マイクロミラー１０１、ヒンジ１０２、梁１０３を形成する。

なお、前記活性層（マイクロ構造体）２００は、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などで構成され、図４に示すように、導電性反射膜２０１、該導電性反射膜２０１の上に重ねられるマイクロ構造体基材２０２、該マイクロ構造体基材２０２の上に重ねられる導電性反射膜２０１を含んで構成される。

このとき、図１で説明したと同様に、最も端のマイクロミラー１０１の外側にも梁１０３を形成し、その梁１０３に端のマイクロミラー１０１のヒンジ１０２が繋がるような形状で構成する（図５の（ａ）参照）。

このようなマイクロミラーアレイは、図６に示すように、厚み１００μｍ程度のスペーサ２１０を介して駆動電極２２０を有する電極基板２３０に接続され、マイクロミラーアレイデバイスを構成する。

マイクロミラー１０１をグランドに接続し、駆動電極に電圧を加えることにより、マイクロミラー１０１と駆動電極間に静電引力が発生し、マイクロミラー１０１を偏向させることが可能である。

このようにすれば、枠部材のみを厚い部材で形成できるため、ミラーアレイ全体の歪を回避しながら、マイクロミラーの偏向を可能とする薄い弾性部材を構成することができる。

次に、図７、図８を用いて、本発明の実施例３を説明する。上記実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施例は、マイクロミラー１０１の間隔が、図７の左から右に進むに従って、広くなっている構成となっている。

マイクロミラー１０１の間隔は、分光器の特性できまる。例えば、グレーティングを用いる場合は、短波長側より、長波長側では、ミラー間隔は段階的（徐々）に広がることになる。

これに対応するために、マイクロミラー１０１の間隔も段階的（徐々）に広がるように構成する必要がある。このような場合でも、図７に示すように、細い梁１０３ａ、やや細い梁１０３ｂ、中間の梁１０３ｃ、やや太い梁１０３ｄというように段階的に梁を太くしていくことにより、１つ１つのマイクロミラー１０１の両側の梁の形状をほぼ等しく構成することで、本発明の効果を得ることが可能である。

かかる特徴を備えることで、光学設計でマイクロミラー１０１の間隔が徐々に変化して、梁の形状が変化する場合でも、ひとつのマイクロミラー１０１の両側で梁の形状がほぼ等しければ、剛性もほぼ等しい。このため、所望の効果を得ることができる。ＷＳＳにおいては、分光による特性上、ミラーとミラーの間隔は全て一定で無いが、本発明を用いることで、課題を解決することができる。

（変形例）
図８に変形例の構成を示す。なお、光学特性上は、マイクロミラー１０１の中心の間隔を段階的に広げることが重要であるため、マイクロミラー１０１のサイズも段階的に図８の横方向（幅方向）に拡大し、全ての梁１０３の形状を等しく構成することは、特に本発明の効果をより大きくすることは勿論である。

また、ミラー間隔が広がるところでは、光のビーム径も大きくなることが想定されるため、マイクロミラー１０１の幅を広げることは光学品質をより向上することにも寄与することになる。

このようにすれば、マイクロミラー１０１の両側の梁１０３の剛性（形状）が等しいことで、梁１０３の応力による変形量が両側ともほぼ等しくなり、全てのマイクロミラー１０１の姿勢がほぼ等しくなることに加え、マイクロミラー１０１の反射面のサイズが最も広く確保できるため、光学的な損失を最小にすることが可能である。

最後に、端のマイクロミラーの外側にも梁を形成する構成において、スリットを設ける構成を主に説明しているが、スリットの形状は直線状の形態でも、その他の形状でも適宜選択することが可能である。また、エッチングによりスリットを形成する場合に限定されるものではなく、例えば、パターンカットなどによりスリットを形成することも可能である。更に、一の基板から、マイクロミラー、ヒンジ、梁等を一体的に形成するものに限られるものではなく、複数の部材を組み合わせて、本実施例で説明したようなマイクロミラーアレイデバイスを形成することも可能である。

全ての梁のおよびその周辺の形状をできるだけ均一にするためには、スリットの形状を図１で示したようにコの字にするなどの工夫も本発明の概念に含まれる。

同様に、全ての梁の両側にヒンジを設ける構成として、端のミラーの外側の梁のさらに外側にもヒンジと同じ形状の要素を設けることも、梁の剛性を一定にするという点で採用可能である。

また、端のミラーの外側の梁は、梁と枠部材の間にも弾性部材と略等しい弾性部材が形成されていることが望ましい。このようにすれば、最も外側の梁の周辺の構造を、他の梁の周辺構成と統一することができ、それぞれの梁の剛性や、梁にかかる応力を略均一にすることができる。
このように本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形例をとることができる。

以上のように、本発明にかかるマイクロミラーアレイデバイスは、高い光学的品質が要求されるマイクロミラーアレイデバイスとして有用であり、特に、ＷＳＳに用いられるマイクロミラーアレイデバイスなどに適している。

本発明の実施例１に係るマイクロミラーアレイデバイスの構成例を示す図である。 実施例１に係るマイクロミラーアレイデバイスの一部をマイクロミラーの回動軸に沿って図１平面に直交する平面で切断した断面図である。 実施例１に係るマイクロミラーアレイデバイスの一部を拡大して示した図である。 本発明の実施例２に係るマイクロミラーアレイデバイスの一部断面を拡大して示した断面図である。 同上実施例に係るマイクロミラーアレイデバイスの構成例の全体を示す図である。 図５のマイクロミラーアレイデバイスをマイクロミラーの回動軸に沿って図５平面に直交する平面で切断した断面図である。 本発明の実施例３に係るマイクロミラーアレイデバイスの構成例の全体を示す図である。 実施例３の変形例に係るマイクロミラーアレイデバイスの他の構成例を示す図である。 従来のマイクロミラーアレイデバイスの構成例を示す図である。

符号の説明

１００ マイクロミラーアレイデバイス
１０１ マイクロミラー
１０２ ヒンジ（弾性部材）
１０３ 梁
１０４ 枠部材
１０５ スリット
１０６ （端部の）スリット
１１０ 枠
２００ マイクロ構造体
２０１ 導電性反射膜
２０２ マイクロ構造体基材
２０３ 張り合わせ層
２０４ マイクロ構造体支持基板
１０ マイクロミラーデバイス
１１ マイクロミラー
１２ ヒンジ
１３ 梁
１４ 枠部材

Claims (8)

1. 駆動可能な複数のマイクロミラーと、
   前記マイクロミラーを偏向可能に支持する前記複数のマイクロミラーからなるマイクロミラーアレイの列方向に対称に配置された弾性部材と、
   それぞれの前記弾性部材を支持するために前記各マイクロミラーの間に配置される梁と、を有し
   両端に位置する前記マイクロミラーの外側にも、外側の前記弾性部材を支持する梁を有することを特徴とするマイクロミラーアレイデバイス。
2. 前記複数の梁の剛性は、それぞれ略等しい特性を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラーアレイデバイス。
3. 前記マイクロミラーアレイの前記梁の形状は、列方向に段階的に異なることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロミラーアレイデバイス。
4. 前記全ての梁の形状は等しく、
   前記マイクロミラーの形状は、列方向に段階的に異なることを特徴とする請求項２に記載のマイクロミラーアレイデバイス。
5. 前記両端のマイクロミラーの外側の前記梁は、前記梁を支持する支持部材にスリットを設けることで形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロミラーアレイデバイス。
6. 前記マイクロミラーと、前記弾性部材と、前記梁の各部材が、枠部材の内側の薄い板部材で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロミラーアレイデバイス。
7. 端の前記マイクロミラーの外側の前記梁は、前記梁と枠部材の間にも前記弾性部材と略等しい弾性部材が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のマイクロミラーアレイデバイス。
8. 駆動可能な複数のマイクロミラーと、
   前記マイクロミラーを偏向可能に支持する前記複数のマイクロミラーからなるマイクロミラーアレイの列方向に対称に配置された弾性部材と、
   それぞれの前記弾性部材を支持するために各前記マイクロミラーの間に配置される梁と、を有し、
   前記マイクロミラーアレイの両端に位置する前記マイクロミラーに配置された複数の弾性部材には、外力に応じた変形量が略等しい梁がそれぞれ接続されていることを特徴とするマイクロミラーアレイデバイス。

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