JP2009229916A - マイクロミラー素子およびマイクロミラーアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロミラー装置およびマイクロミラーアレイのフィルファクタを向上させる。
【解決手段】電極１５−１〜１５−４は、可動梁１２−１〜１２−４に対向して配置される。これにより、固定電極をミラーに対向して配置したするよりも、各ミラー１４を高密度に配置することができるので、結果として、フィルファクタを向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロミラー素子およびマイクロミラーアレイに関し、特に、通信用の光スイッチング素子、計測機器、ディスプレイ、スキャナ、波長選択スイッチ等に使用されるマイクロミラー素子およびマイクロミラーアレイに関するものである。

近年、光通信の分野では、１つの波長に１つの光信号を対応させ、波長多重して伝送するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）技術により、大容量の光伝送を行うことが実現されている。このような光通信技術の発展に伴って、光信号を電気信号等に変換することなく経路を切り替える光スイッチングデバイスが脚光を浴びている。なかでも、小型、軽量、低コストを実現する技術として、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた空間光学系光スイッチングデバイスが注目されている（特許文献１参照）。このＭＥＭＳ技術を用いた空間光学系光スイッチングデバイスの構成部品として最も特徴的なものが、複数のマイクロミラー素子を高密度に配列したマイクロミラーアレイである。

マイクロミラーアレイは、ミラー素子（マイクロミラー素子）が、１次元的あるいは２次元的に配列されたものである。ミラー素子は、図１４に示すように、ミラー２３０が形成されたミラー基板２００と、電極３４０ａ〜３４０ｄが形成された電極基板３００とが互いに平行に配設された構造を有する。

ミラー基板２００は、板状の基部２１０とリング状の可動枠２２０と円板状のミラー２３０とを備えたＳＯＩ基板である。基部２１０は、平面視略円形の開口を備える。この開口内には、可動枠２２０が配置され、一対の連結部２１１ａ，２１１ｂにより基部２１０に連結されている。これにより可動枠２２０は、連結部２１１ａ，２１１ｂを通る回動軸（可動枠回動軸）を中心に回動可能とされている。この可動枠２２０には、平面視略円形の開口が設けられている。この可動枠２２０の開口内にミラー２３０が配置され、一対のミラー連結部２２１ａ，２２１ｂにより可動枠２２０に連結されている。これにより、ミラー２３０は、ミラー連結部２２１ａ，２２１ｂを通る回動軸（ミラー回動軸）を中心に回動可能とされている。

一方、電極基板３００は、板状の基部３１０と基部３１０の上面に突出する突出部３２０を備えている。この突出部３２０の外面を含む電極基板３００の上面には、対向するミラー基板２００のミラー２３０と同心の円内に、扇形の電極３４０ａ，電極３４０ｂ，電極３４０ｃ，電極３４０ｄが形成されている。

このようなミラー素子においては、ミラー２３０を接地し、電極３４０ａ〜３４０ｄ間に正または負の電圧を与えて、電極３４０ａ〜３４０ｄ間に非対称な電位差を生じさせることで、ミラー２３０を静電引力で吸引し、ミラー２３０を任意の方向へ回動させることができる。

上述したようなミラー素子から構成されるマイクロミラーアレイを用いた波長選択スイッチを図１５に示す。なお、図１５においては、ｍ波長多重ＷＤＭ用の１入力ｎ出力（ｍ，ｎは２以上の整数）の分波型波長選択スイッチの場合を例に説明する。

図１５に示す波長選択スイッチは、１本の入力側光ファイバ４０１と、ｎ本の出力側光ファイバ４０２−１〜４０２−ｎと、入力側光ファイバ４０１の入力ポート４０１ａからの入力光を回折してｍ本の特定波長の光信号に分波する回折格子４０３と、この回折格子４０３により回折された最大ｍ本の光信号を波長毎に、対応する出力側光ファイバ４０２−１〜４０２−ｎの出力ポート４０２ａ−１〜４０２ａ−ｎに反射するｍ個のミラー素子４０４−１〜４０４−ｍを配列したマイクロミラーアレイ４０４とから構成される。

このような波長選択スイッチでは、任意の波長の光信号に対応するミラー素子のミラーを図１５のＸ軸回りに回動させ、回折された光信号を所定の出力ポートに結合させることにより、入力側光ファイバ４０１から入力された最大ｍ波長の光信号の所定の波長の光信号のみを、任意の出力側光ファイバ４０２−１〜４０２−ｎから出力させる。また、ミラー素子のミラーをＸ軸と直交するＹ軸回りに回動させることにより、出力側光ファイバ４０２−１〜４０２−ｎの配列方向と直交する方向に回折した光信号を移動させ、いわゆる結合ずれが生じさせることにより、他の出力側光ファイバに光信号が漏れ込むことなくそのパワーを調節することができる。このように、波長選択スイッチは、単に特定の波長の光信号を任意の出力ポートから出力させるのみならず、その光信号のパワーも調節し、最大ｍ波長の光信号全てのパワーを同等にするパワー等価機能も備えている。

上述したような波長選択スイッチに用いられるマイクロミラーアレイにおいて、その小型化を実現するには、ミラー素子を高密度に配列する必要がある。このとき、光信号の等価帯域を十分確保するためには、ミラーピッチに対するミラー幅の割合、すなわちフィルファクタを、８０％以上とすることが望ましい。これは、ミラーピッチを１００μｍと仮定すると、ミラーの間隔を２０μｍ以下にしなければならないことを意味している。近年、光信号の信号速度が１０Ｇｂｐｓから４０Ｇｐｓに上昇しており、将来的には信号速度のさらなる高速化が見込まれる現状では、ミラーの間隔は可能な限り小さいことが望ましい。

特開２００７−１４０１６８号公報

しかしながら、従来のミラー素子では、リング状の可動枠の開口内にミラーが配設されてるため、ミラーの間隔は、少なくともミラーを支持する可動枠の幅の２倍を必要とするが、可動枠は、ミラーを支持する構造体でもあるので、強度を確保するためにある程度の幅が必要であり、際限なく細くすることができない。このため、可動枠内にミラーが配設された従来のミラー素子では、高いフィルファクタを実現することが難しく、光信号の等価帯域を十分に確保することが困難であった。たとえ上記可動枠の幅をゼロにできたとしても、従来のミラー素子では、ミラーの下部に電極を配置しているので、ミラーを近づけて配列すると隣接するミラーによる静電力干渉が発生してしまうため、その干渉を抑制するためにある程度離間させてミラーを配置せざるを得ず、高いフィルファクタを実現することが困難であった。

そこで、本発明は、マイクロミラー装置およびマイクロミラーアレイのフィルファクタを向上させることを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係るマイクロミラー装置は、支持部材と、この支持部材に一端が接続された複数の可動電極と、少なくとも３つの可動電極の他端部とバネ部材を介して接続されたミラーとを有する反射部と、この反射部と離間した面上に可動電極と対向して配置された複数の固定電極とを備えたことを特徴とする。

上記マイクロミラー素子において、ミラーは、平面視略矩形に形成され、複数の可動電極のうち２つはミラーの任意の第１の辺に接続され、他の少なくとも１つは第１の辺と接していない第２の辺に接続されている。ここで、ミラーは、第１の辺の長さが、この第１の辺に接続された可動電極の第１辺に沿った方向の長さの和以上で、かつ、第２の辺の長さが、この第２の辺に接続された可動電極の第２の辺に沿った方向の長さの和以上であるようにしてもよい。

また、上記マイクロミラー素子において、可動電極は、支持部材に一端が接続された可動梁である。また、可動電極は、支持部材とバネ部材を介して接続された電極部材であるようにしてもよい。

また、本発明に係るマイクロミラーアレイは、対向配置された２つの支持構造体と、これらの支持構造体に沿って複数配列された上記マイクロミラー素子とを備え、マイクロミラー素子の支持部材は、枠部材であることを特徴とする

本発明によれば、固定電極を可動電極に対向して配置することにより、固定電極をミラーに対向して配置するよりも、各ミラーを高密度に配置することができるので、結果として、フィルファクタを向上させることができる。

［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して、本発明に係る第１の実施の形態について詳細に説明する。

＜マイクロミラー素子の構成＞
図１，図２に示すように、本実施の形態に係るマイクロミラー素子（ミラー素子）１は、基板やケースなどの互いに平行に配設された一対の支持部１１と、この支持部１１に一端（以下、固定端という）が接続された可動梁１２−１〜１２−４と、この可動梁１２−１〜１２−４の他端（以下、可動端という）に接続されたバネ１３−１〜１３−４と、このバネ１３−１〜１３−４を介して可動梁１２−１〜１２−４の可動端に接続されたミラー１４とを備えている。また、可動梁１２−１〜１２−４の下方に対向配置された電極１５−１〜１５−４と、隣接する電極１５−１〜１５−４の間に形成された静電遮断壁１６とを備えている。なお、本実施の形態では、ミラー１４に光信号が照射される面（ミラー面）の側を上方、ミラー１４の裏面側を下方として説明を行う。

可動梁１２−１〜１２−４は、平面視略矩形の板状の形状を有し、長手方向がミラー１４の長手方向と平行になるように配設され、一方の短辺（可動端）が対応するバネ１３−１〜１３−４に、他方の短辺（固定端）が支持部１１に接続されている。具体的には、可動梁１２−１，１２−２は、互いにその長手方と直交する方向（短手方向）に所定間隔離間して並設されており、可動端がミラー１４の一方の短辺側のバネ１３−１またはバネ１３−２に、固定端が支持部１１に接続されている。また、可動梁１２−３，１２−４も、互いにその長手方向と直交する方向に所定間隔離間して配設されており、可動端がミラー１４の他方の短辺側のバネ１３−３または１２−４に、固定端が支持部１１に接続されている。図１に示すように、可動梁１２−１〜１２−４の隣り合う可動梁と反対側の長辺は、ミラー１４の何れかの長辺と略同一直線上に位置するように配設されている。また、可動端に接続されるバネ１３−１〜１３−４は、その可動端の短手方向に隣接する可動梁の側と反対側の端部に接続されている。

バネ１３−１〜１３−４は、屈曲やねじり動作が可能な公知のバネの構成を有し、一端がミラー１４に他端が対応する何れかの可動梁１２−１〜１２−４に接続されている。なお、バネ１３−１〜１３−４の形状は、ミラー素子１の形状や機能に応じて、棒やつづら折りの形状など適宜自由に設定することができる。

ミラー１４は、平面視略矩形の板状の形状を有する。本実施の形態では、平面視略長方形の形状を有し、一対の短辺の両端には、対応するバネ１３−１〜１３−４が接続されている。

電極１５−１〜１５−４は、可動梁１２−１〜１２−４と同等の平面形状を有し、それぞれ対応する可動梁１２−１〜１２−４の下方に対向配置される。このような電極１５−１〜１５−４は、外部より配線（図示せず）を介してそれぞれ独立に制御された電圧（以下、駆動電圧という）が印加されることにより、対向配置された可動梁１２−１〜１２−４を静電引力により駆動させる。駆動電圧は、通常、正の直流電圧であるが負の直流電圧であってもよく、交流的な電圧であってもよい。

静電遮断壁１６は、上方に向かって立設された平面視略矩形の板の形状を有し、隣接する電極１５−１〜１５−４の間に配設される。具体的には、電極１５−１と電極１５−２の間、および、電極１５−３と電極１５−４の間に配設される。マイクロミラー素子は、数１０μｍのオーダのサイズであり、このサイズに２つの電極が近接して配置されている。また、後述するように、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１は、ミラー１４との長辺同士が隣接するように一列に配列され、１次元のマイクロミラーアレイとして用いられるが、この場合でも、隣接する電極１５−１〜１５−４は近接配置される。このため、例えば、電極１５−１に駆動電圧を印加して可動梁１２−１を駆動させると、電極１５−１で発生した電界が可動梁１２−２にも作用し、可動梁１２−２も駆動する恐れがある。このように、電極１５−１〜１５−４が近接配置されている場合、ある電極が隣接する他の電極に対応する可動梁に電気的な干渉を与えてしまう場合がある。そこで、本実施の形態では、静電遮断壁１６を設けることにより、そのような電気的な干渉を防ぐ。静電遮断壁１６は、隣接する電極と可動梁との電界を遮断するためのものであるから、その高さは、対向する電極と可動梁との間隔程度であることが望ましいが、これよりも多少低くてもよい。また、全ての静電遮断壁１６には、例えばグラウンド電圧を印加するようにしてもよい。なお、静電遮断壁１６は、固定電極に与える電圧値が小さいなど、隣接する電極間での電気的な干渉が可動電極の動作にあまり影響を及ぼさない場合には、設けないようにしてもよい。

上述した支持部１１、可動梁１２−１〜１２−４、バネ１３−１〜１３−４およびミラー１４、例えば、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板のＳＯＩ層を公知の半導体プロセス技術により加工して、一体形成するようにしてもよい。この場合、可動梁１２−１〜１２−４、バネ１３−１〜１３−４、ミラー１４は、単結晶シリコンで形成されており、互いに導通されている。一体形成されたこれらは、例えばグラウンド電圧を印加するようにしてもよい。なお、便宜上、以下において、支持部１１、可動梁１２−１〜１２−４、バネ１３−１〜１３−４およびミラー１４が形成される基板をミラー基板と言う。

一方、電極１５−１〜１５−４および静電遮断壁１６は、金属などの導体または半導体からなり、それぞれ電気的に絶縁されて１つの基板上に形成されている。なお、便宜上、以下において、電極１５−１〜１５−４および静電遮断壁１６が形成される基板を電極基板と言う。この電極基板は、シリコン基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜状に固定電極１５−１〜１５−４および静電遮断壁１６を形成するようにしてもよい。

＜マイクロミラー素子の製造方法＞
次に、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１の製造方法について説明する。

まず、ミラー基板の製造方法について説明する。ＳＯＩ基板の支持基板の裏面（絶縁層およびＳＯＩ層が形成された面と逆の面）を感光性レジストでパターニングした状態で、支持基板をＫＯＨでエッチングし、絶縁層が露出した状態とする。次に、ＳＯＩ層を感光性レジストでパターニングし、可動梁１２−１〜１２−４、バネ１３−１〜１３−４およびミラー１４が残るように加工する。最後に、ＳＯＩ基板の裏面から絶縁層を除去することにより、可動梁１２−１〜１２−４、バネ１３−１〜１３−４およびミラー１４などの可動部分を形成する。

次に、電極基板の製造方法について説明する。シリコン基板上に熱酸化反応などにより絶縁膜を形成し、この絶縁膜上にＴｉ／Ａｕ薄膜をスパッタした後、Ｔｉ／Ａｕ薄膜上に感光性レジストをパターニングする。この感光性レジストをモールド（鋳型）として金メッキを形成させ、電極１５−１〜１５−４、静電遮断壁１６の第１層および電極１５−１〜１５−４や静電遮断壁１６に電圧を印加するための配線（図示せず）を形成する。この上に、さらに感光性レジストをパターニングし、静電遮断壁１６の第１層上に静電遮断壁１６の第２層を金メッキで形成する。最後に、感光性レジストを除去し、露出しているＴｉ／Ａｕ薄膜を除去することにより、電極１５−１〜１５−４および静電遮断壁１６を形成する。

最後に、ミラー基板と電極基板とを、対応する可動梁１２−１〜１２−４と電極１５−１〜１５−４とが対向配置されるように貼り合わせることにより、図１，図２に示すマイクロミラー素子または複数のマイクロミラー素子を１次元に配列したマイクロミラーアレイが生成される。

＜マイクロミラー素子の動作＞
次に、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１の動作について説明する。

ミラー１４の短手方向に沿った軸をＸ軸、ミラー１４の長手方向に沿った軸をＹ軸とし、それぞれの軸回りにミラー１４を回動させる場合について説明する。なお、以下においては、図３に示すように、電極１５−１〜１５−４には、それぞれ電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄという正の電圧が印加され、各可動梁１２−１〜１２−４には、グラウンド電圧が印加された場合を例に説明する。

≪Ｘ軸回りの回動≫
Ｘ軸回りミラー１４を回動させるには、Ｘ軸方向に並設された可動梁の変位を同じに保ったまま、Ｙ軸方向に並設された可動梁の変位を異ならせることにより、実現することができる。言い換えると、Ｘ軸方向に並設された電極に印加する電圧を同じに保ったまま、Ｙ軸方向に並設された電極に印加する電圧を異ならせることにより、実現することができる。具体的には、図３に示すように、Ｘ軸方向に併設された電極１５−１，１５−２に印加する電圧ＶａとＶｂ、および、電極１５−３，１５−４に印加する電圧ＶｃとＶｄをそれぞれ等しくし、かつ、ミラー１４に所望する回動が生じるように電圧Ｖａ（またはＶｂ）と電圧Ｖｃ（またはＶｄ）との間に電位差ΔＶを与える。これにより、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ミラー１４はＸ軸回りに回動する。

このとき、例えば、全ての可動梁１２−１〜１２−４の変位が電圧Ｖの関数ｄ（Ｖ）で表される場合、バネ１３−１〜１３−４のサイズを無視すると、図４（ｂ）に示すＸ軸回りに生じる回転角θ₁は下式（１）で表すことができる。

θ₁＝｛ｄ（Ｖａ）−ｄ（Ｖｄ）｝／Ｌｍ ・・・（１）

ここで、Ｌｍは、ミラー１４のＹ軸方向の長さである。回転角θ₁が微小で、関数ｄ（Ｖ）がｄ（Ｖ）＝ＡＶと線形に近似できる場合、上式（１）は、下式（２）で表すように電位差ΔＶで近似することができる。なお、Ａは、任意の係数である。

θ₁＝（ＡＶａ−ＡＶｄ）／Ｌｍ＝ＡΔＶ／Ｌｍ ・・・（２）

この電位差ΔＶをＸ軸を制御する電圧としてＶｘと定義すれば、Ｖｘを指定することで、ミラー１４のＸ軸回りの角度を任意に制御することができる。なお、ＶｘはＸ軸を中心にミラー１４を回動させるための制御電圧を意味する。

≪Ｙ軸回りの回動≫
Ｙ軸回りミラー１４を回動させるには、Ｙ軸方向に並設された可動梁の変位を同じに保ったまま、Ｘ軸方向に並設された可動梁の変位を異ならせることにより、実現することができる。言い換えると、Ｙ軸方向に並設された電極に印加する電圧を同じに保ったまま、Ｘ軸方向に並設された電極に印加する電圧を異ならせることにより、実現することができる。具体的には、図３に示すように、Ｙ軸方向に併設された電極１５−１，１５−４に印加する電圧ＶａとＶｄ、および、電極１５−２，１５−３に印加する電圧ＶｂとＶｃをそれぞれ等しくし、かつ、ミラー１４に所望する回動が生じるように電圧Ｖａ（またはＶｄ）と電圧Ｖｂ（またはＶｃ）との間に電位差ΔＶを与える。これにより、図５（ａ），（ｂ）に示すように、ミラー１４はＹ軸回りに回動する。

このとき、例えば、全ての可動梁１２−１〜１２−４の変位が電圧Ｖの関数ｄ（Ｖ）で表される場合、バネ１３−１〜１３−４のサイズを無視すると、図５（ｂ）に示すようにＹ軸回りに生じる回転角θ₂は下式（３）で表すことができる。

θ₂＝｛ｄ（Ｖａ）−ｄ（Ｖｂ）｝／Ｌｗ ・・・（３）

ここで、Ｌｗは、ミラー１４のＸ軸方向の長さである。回転角θ₂が微小で、関数ｄ（Ｖ）がｄ（Ｖ）＝ＡＶと線形に近似できる場合、上式（１）は、下式（４）で表すように電位差ΔＶで近似することができる。なお、Ａは、任意の係数である。

θ₂＝（ＡＶａ−ＡＶｂ）／Ｌｗ＝ＡΔＶ／Ｌｗ ・・・（４）

この電位差ΔＶをＹ軸を制御する電圧としてＶｙと定義すれば、Ｖｙを指定することで、ミラー１４のＹ軸回りの角度を任意に制御することができる。なお、ＶｙはＹ軸を中心にミラーを回動させるための制御電圧を意味する。

≪Ｘ軸およびＹ軸の回動≫
上述したように、Ｘ軸およびＹ軸の制御電圧をＶｘ，Ｖｙと定義した場合、下式（５−１）〜（５−４）に示すように各電極１５−１〜１５−４に印加する電圧を定義することにより、Ｖｘ，Ｖｙの２変数を指定することで、ミラー１４のＸ軸およびＹ軸を制御することができる。

Ｖａ＝Ｖ_bias＋Ｖｘ／２−Ｖｙ／２ ・・・（５−１）
Ｖｂ＝Ｖ_bias＋Ｖｘ／２＋Ｖｙ／２ ・・・（５−２）
Ｖｃ＝Ｖ_bias−Ｖｘ／２＋Ｖｙ／２ ・・・（５−３）
Ｖｄ＝Ｖ_bias−Ｖｘ／２−Ｖｙ／２ ・・・（５−４）

ここで、Ｖ_biasは各電極１５−１〜１５−４に等しく印加するバイアス電圧である。このバイアス電圧には、例えば可動梁１２−１〜１２−４の最大変位を与える電圧値の半分の値を設定する。

なお、各電極１５−１〜１５−４にバイアス電圧Ｖ_biasを印加することにより、ミラー１４を回動させる際のＸ軸およびＹ軸を固定させることができるようになる。これについて、以下に説明する。

一般に、可動電極と固定電極からなる２つの電極間に電位差を与え、この電位差により発生する静電引力により可動電極を駆動させる静電駆動アクチュエータ（本実施の形態における可動梁１２−１〜１２−４と電極１５−１〜１５−４の関係に相当）は、電位差がない状態が２つの電極間が最も離れた状態であり、電位差を大きくするにしたがって可動電極は固定電極に引きつけられる、すなわち２つの電極間が近づくように動作する。したがって、図１，図２に示すマイクロミラー素子１において、各電極１５−１〜１５−４にバイアス電圧Ｖ_biasを印加しない状態では、各可動梁１２−１〜１２−４は初期状態（Ｖｘ＝Ｖｙ＝０）の位置から電極１５−１〜１５−４に近づく方向のみしか変位することができない。このため、マイクロミラー素子１の電極１５−１，１５−２のみに正の電圧を印加してミラー１４を回動させた場合、ミラー１４の回動軸は、バネ１３−３，１３−４を通る直線となる。一方、マイクロミラー素子１の電極１５−３，１５−４のみに正の電圧を印加してミラー１４を回動させた場合、ミラー１４の回動軸は、バネ１３−１，１３−２を通る直線となり、上述した電極１５−１，１５−２に電圧を印加した場合と異なってしまう。

これに対して、図１，図２に示すマイクロミラー素子１において、各電極１５−１〜１５−４に適当なバイアス電圧Ｖ_biasを印加することにより、各可動梁１２−１〜１２−４は、その初期状態（Ｖｘ＝Ｖｙ＝０）であっても、等しいバイアス電圧によって定まる位置まで電極１５−１〜１５−４側に押し下げられた状態となる。したがって、電極１５−１〜１５−４に負の電圧を印加することにより、可動梁１２−１〜１２−４を電極１５−１〜１５−４から離れる方向に駆動させることができるようになる。具体的には、マイクロミラー素子１において、可動梁１２−１，１２−２を電極側に引きつける方向に駆動させ、かつ、可動梁１２−３，１２−４を電極から離間する方向に駆動させることにより、または、可動梁１２−３，１２−４を電極側に引きつける方向に駆動させ、かつ、可動梁１２−１，１２−２を電極から離間する方向に駆動させることにより、Ｘ軸をミラー１４の中心を通る位置に固定したまま、ミラー１４を回動させることができる。なお、Ｙ軸についても、同様の方法により固定することができることは言うまでもない。

例えば、マイクロミラー素子１のミラー面に集光された信号光が照射される場合において、信号光の焦点は、通常、ミラー面の中心付近に位置するように光学系が設計される。このとき、上述したような方法により、ミラー１４の回動軸をミラー１４の中心を通る位置で固定することにより、ミラー１４が回動しても信号光の焦点が常にミラー面上で結ばれるため、光学系の結合損失などが増加するのを防ぐことができる。

なお、上式（５−１）〜（５−４）は、一例であって、符号や係数などは適宜自由に設定することができる。また、可動梁１２−１〜１２−４や電極１５−１〜１５−４の特性がそれぞれ異なる場合には、その特性に応じてバイアス電圧や係数を適宜自由に設定することができる。

＜マイクロミラーアレイ＞
上述したマイクロミラー素子１をミラー１４の短手方向に一列に配列することにより、図６に示すようなマイクロミラーアレイを生成することができる。図６に示すマイクロミラーアレイにおいて、マイクロミラー素子１は、支持部１１から構成される互いに平行に配設された一対の支持枠１９に沿って、一列に配列されている。隣り合うミラー素子１の間、すなわち、隣り合うミラー素子１の対向する電極１５−１〜１５−４の間には、静電遮断壁１６と同等の構成を有し、グラウンド電圧が印加される静電遮断壁１７が設けられている。これにより、隣接するミラー素子１の電極１５−１〜１５−４からの静電気的な干渉を防ぐことができる。

図６に示すマイクロミラーアレイは、各可動梁１２−１〜１２−４および電極１５−１〜１５−４の寸法がそれぞれ等しいとした場合、２つの可動梁または電極の短手方向の幅は、静電遮断壁１６の幅も含めてミラーピッチ以下となるように設計される。

なお、静電気的な干渉を防ぐためには、静電遮断壁を設けるのみならず、電極１５−１〜１５−４を上方に突出させて対向する可動梁との間隔を短くするようにしてもよい。このようにしても、隣接する電極１５−１〜１５−４の影響を防ぐことができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電極１５−１〜１５−４を可動梁１２−１〜１２−４に対向して配置することにより、固定電極をミラーに対向して配置するよりも、各ミラー１４を高密度に配置することができるので、結果として、フィルファクタを向上させることができる。

また、ミラー１４を支持する可動梁１２−１〜１２−４をＹ方向の両側に配設することにより、ミラー１４をＸ方向に沿って配列した際に各ミラー１４の間隔を狭くすることができるので、フィルファクタを向上させることができる。

すなわち、従来技術と比較して、２軸回転を実現するための可動機構をミラー１４が配列される側と直交する側に配設し、かつ、ミラー１４の下方に静電電極を設けない構造とすることにより、隣接するミラーとの静電力の干渉がなくなり、ミラー１４の製造限界を高密度に並べることが可能となったので、フィルファクタを向上させることができる。

さらに、電極１５−１〜１５−４を可動梁１２−１〜１２−４に対向して配置することにより、ミラーが電極としての機能を有さなくてよいため、形状等を適宜自由に設定することができるので、例えば、ミラー１４が高密度に配置できるような形状に設定することができる。

＜ミラー素子の変形例＞
なお、図７（ａ），（ｂ）に示すように、上述したミラー素子１の可動梁１２−１〜１２−４と支持部１１との間に、バネ部１８−１〜１８−４を設けるようにしてもよい。このバネ部１８−１〜１８−４は、それぞれ一対のつづら折り構造を有するバネからなり、一端が可動梁１２−１〜１２−４の固定端に、他端が支持部１１にそれぞれ接続されている。このような構成としても、上述したのと同様の効果を得ることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る第２の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態に係るマイクロミラー素子（ミラー素子）２は、上述した第１の実施とミラーの形状が異なるものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については同じ名称付し適宜説明を省略する。

図８に示すように、本実施の形態に係るミラー素子２は、基板やケースなどの互いに平行に配設された一対の支持部２１と、この支持部２１に一端（以下、固定端という）が接続された可動梁２２−１〜２２−３と、この可動梁２２−１〜２２−３の他端（以下、可動端という）に接続されたバネ２３−１〜２３−３と、このバネ２３−１〜２３−３を介して可動梁２２−１〜２２−３の可動端に接続されたミラー２４とを備えている。また、可動梁２２−１〜２２−３の下方においてそれぞれに対向配置された電極２５−１〜２５−３と、隣接する電極２５−２と２５−３の間に形成された静電遮断壁２６とを備えている。なお、本実施の形態においても、ミラー２４に光信号が照射される面（ミラー面）の側を上方、ミラー２４の裏面側を下方として説明を行う。

ミラー２４は、平面視略台形の板状の形状を有し、上底に対応する短辺の中央部にはバネ２３−１が、下底に対応する長辺の両端にはバネ２３−２，２３−３が接続されている。なお、短辺および長辺以外の辺には、何も接続されていない。

このような構成を有するマイクロミラー素子２は、上述した第１の実施の形態と同等の方法により製造することができる。また、静電遮断壁２６の構造および作用効果についても、上述した第１の実施における静電遮断壁１６と同等である。なお、第１の実施の形態と同様、隣接する電極間での電気的な干渉が可動梁の動作に影響を及ぼさない場合には、静電遮断壁２６は設けないようにしてもよい。

＜マイクロミラー素子の動作＞
次に、本実施の形態に係るマイクロミラー素子２の動作について説明する。

ミラー２４の上底と下底を結ぶ方向の軸をＹ軸、このＹ軸に直交する軸をＸ軸とし、それぞれの軸回りにミラー２４を回動させる場合について説明する。なお、以下においては、図９に示すように、電極２５−１〜２５−３には、それぞれ電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃという正の電圧が印加され、各可動梁２２−１〜２２−３には、グラウンド電圧が印加された場合を例に説明する。

≪Ｘ軸回りの回動≫
Ｘ軸回りミラー２４を回動させるには、ミラー２４の長辺側に設けられた可動梁２２−１，２２−２の変位を同じに保ったまま、短辺側に設けられた可動梁２２−１との変位を異ならせることにより、実現することができる。言い換えると、ミラー２４の長辺側に設けられた電極２５−２，２５−３に印加する電圧を同じに保ったまま、これらとミラー２４の短辺側に設けられた電極２５−１に印加する電圧を異ならせることにより、実現することができる。具体的には、図９に示すように、電極２５−２，２５−３に印加する電圧ＶｂとＶｃをそれぞれ等しくし、かつ、ミラー２４に所望する回動が生じるように電圧Ｖａと電圧Ｖｂ（またはＶｃ）との間に電位差ΔＶを与える。これにより、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、ミラー２４はＸ軸回りに回動する。

このとき、例えば、全ての可動梁２２−１〜２２−３の変位が電圧Ｖの関数ｄ（Ｖ）で表される場合、バネ２３−１〜２３−３のサイズを無視すると、図１０（ｂ）に示すＸ軸回りに生じる回転角θ₃は下式（６）で表すことができる。

θ₃＝｛ｄ（Ｖａ）−ｄ（Ｖｂ）｝／Ｌｍ ・・・（６）

ここで、Ｌｍは、ミラー２４のＹ軸方向の長さ、すなわち短辺と長辺の距離である。回転角θ₃が微小で、関数ｄ（Ｖ）がｄ（Ｖ）＝ＡＶと線形に近似できる場合、上式（６）は、下式（７）で表すように電位差ΔＶで近似することができる。なお、Ａは、任意の係数である。

θ₃＝（ＡＶａ−ＡＶｂ）／Ｌｍ＝ＡΔＶ／Ｌｍ ・・・（７）

この電位差ΔＶをＸ軸を制御する電圧としてＶｘと定義すれば、Ｖｘを指定することで、ミラー２４のＸ軸回りの角度を任意に制御することができる。なお、ＶｘはＸ軸を中心にミラー２４を回動させるための制御電圧を意味する。

≪Ｙ軸回りの回動≫
Ｙ軸回りミラー２４を回動させるには、ミラー２４の長辺側に設けられた可動梁２２−２，２２−３の変位を異ならせることにより、実現することができる。言い換えると、ミラー２４の長辺側に電極２５−２，２５−３に印加する電圧を異ならせることにより、実現することができる。具体的には、図９に示すように、ミラー２４に所望する回動が生じるように電圧Ｖｂと電圧Ｖｃとの間に電位差ΔＶを与える。これにより、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、ミラー２４はＹ軸回りに回動する。

このとき、例えば、全ての可動梁２２−１〜２２−３の変位が電圧Ｖの関数ｄ（Ｖ）で表される場合、バネ２３−１〜２３−３のサイズを無視すると、図１１（ｂ）に示すようにＹ軸回りに生じる回転角θ₄は下式（８）で表すことができる。

θ₄＝｛ｄ（Ｖｂ）−ｄ（Ｖｃ）｝／Ｌｗ ・・・（８）

ここで、Ｌｗは、ミラー２４の長辺の長さである。回転角θ₄が微小で、関数ｄ（Ｖ）がｄ（Ｖ）＝ＡＶと線形に近似できる場合、上式（８）は、下式（９）で表すように電位差ΔＶで近似することができる。なお、Ａは、任意の係数である。

θ₄＝（ＡＶｂ−ＡＶｃ）／Ｌｗ＝ＡΔＶ／Ｌｗ ・・・（９）

この電位差ΔＶをＹ軸を制御する電圧としてＶｙと定義すれば、Ｖｙを指定することで、ミラー２４のＹ軸回りの角度を任意に制御することができる。なお、ＶｙはＹ軸を中心にミラーを回動させるための制御電圧を意味する。

≪Ｘ軸およびＹ軸の回動≫
上述したように、Ｘ軸およびＹ軸の制御電圧をＶｘ，Ｖｙと定義した場合、下式（１０−１）〜（１０−３）に示すように各電極２５−１〜２５−３に印加する電圧を定義することにより、Ｖｘ，Ｖｙの２変数を指定することで、ミラー２４のＸ軸およびＹ軸を制御することができる。

Ｖａ＝Ｖ_bias＋Ｖｘ／２ ・・・（５−１）
Ｖｂ＝Ｖ_bias−Ｖｘ／２＋Ｖｙ／２ ・・・（５−２）
Ｖｃ＝Ｖ_bias−Ｖｘ／２−Ｖｙ／２ ・・・（５−３）

ここで、Ｖ_biasは各電極２５−１〜２５−３に等しく印加するバイアス電圧である。このバイアス電圧には、例えば可動梁２２−１〜２２−３の最大変位を与える電圧値の半分の値を設定する。

なお、上式（１０−１）〜（１０−３）は、一例であって、符号や係数などは適宜自由に設定することができる。また、可動梁２２−１〜２２−３や電極２５−１〜２５−３の特性がそれぞれ異なる場合には、その特性に応じてバイアス電圧や係数を適宜自由に設定することができる。

また、本実施の形態においても、図７（ａ），（ｂ）を参照して説明したバネ部２７−１〜２７−３を、可動梁２２−１〜２２−３と支持部２１との間に設けるようにしてもよい。このような構成としても、上述したのと同様の効果を得ることができる。

＜マイクロミラーアレイ＞
上述したマイクロミラー素子２をＸ軸方向に一列に配列することにより、図１２に示すようなマイクロミラーアレイを生成することができる。このマイクロミラーアレイは、マイクロミラー素子２を、支持部２１から構成される支持枠２９に沿って一列に配列されている。ここで、図６に示したマイクロミラーアレイと大きく異なるのは、ミラー２４が台形の形状を有するので、その台形の上底と下底が交互に入れ替わるようにミラー素子２を配列していことである。これにより、ミラー素子２をより高密度に配設することができる。

また、図１２に示すマイクロミラーアレイにおいて、隣り合うミラー素子２の間、すなわち、隣り合うミラー素子２の対向する電極２５−１〜２５−３の間には、静電遮断壁２６と同等の構成を有し、グラウンド電圧が印加される静電遮断壁２７が設けられている。これにより、隣接するミラー素子２の電極２５−１〜２５−３からの静電気的な干渉を防ぐことができる。

また、図１２に示すマイクロミラーアレイは、各可動梁２２−１〜２２−３および電極２５−１〜２５−３の寸法がそれぞれ等しいとした場合、３つの可動梁または電極の短手方向の幅は、静電遮断壁１６の幅も含めてミラーピッチの２倍以下となるように設計される。すなわち、４つの電極を有する上述した第１の実施の形態と比較して、電極の幅を１．３倍｛≒（２／３）／（１／２）｝大きくすることができる。これにより、電極の幅を大きくして静電力を大きくすることができるので、駆動電圧の低電圧化を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電極２５−１〜２５−３を可動梁２２−１〜２２−３に対向して配置することにより、固定電極をミラーに対向して配置するよりも、各ミラー２４を高密度に配置することができるので、結果として、フィルファクタを向上させることができる。

また、ミラー２４を支持する可動梁２２−１〜２２−３をＹ方向の両側に配設することにより、ミラー２４をＸ方向に沿って配列した際に各ミラー２４の間隔を狭くすることができるので、フィルファクタを向上させることができる。

さらに、電極２５−１〜２５−３を可動梁２２−１〜２２−３に対向して配置することにより、ミラーが電極としての機能を有さなくてよいため、形状等を適宜自由に設定することができるので、例えば、ミラー１４が高密度に配置できるような形状に設定することができる。

なお、上述した第１，第２の形態では、ミラーとバネとの接続点である支持点の全てがミラーの周辺に存在する場合を例に説明したが、ミラーの形状は矩形や台形に限定されず、アレイ化したときに隣りのミラーと接触しないのであれば、適宜自由に設定することができる。例えば図１３に示すように、第２の実施の形態で示した台形上のミラー２４を第１の実施の形態で示した矩形状のミラー１４に近づけた、平面視略八角形の形状のミラー３１とするようにしてもよい。なお、図１３において、第２の実施の形態のミラー素子２と同等の構成要素については、同じ符号を付している。

また、上述した第１，第２の実施の形態のミラー素子１，２では、電極の長さが可動梁とほぼ同じ場合を例に説明したが、電極の形状はそれに限定されない。例えば、対向する可動梁のミラーよりの一部の下部のみに形成するようにしてもよい。これは、片持ち梁の可動端を駆動させるために最も効果的な位置は、片持ち梁の可動端の下部であるからである。この場合、静電遮断壁の長さも電極の長さと同等にするようにしてもよい。

また、上述した第１，第２の実施の形態では、支持枠１９，２９に沿ってマイクロミラー素子１，２を一列に配列させることによりマイクロミラーアレイを形成する場合を例に説明したが、可動梁の固定端を支持してマイクロミラー素子を一列に配列させることができるのであれば、マイクロミラー素子を支持させる構造体は支持枠１９，２９のような構成に限定されず、例えば、基板から延在した支柱など適宜自由に設定することができる。

また、第１の実施のミラー素子１は、長方形のミラー１４に対して可動梁および電極を４つ設けた場合を例に説明したが、第２の実施の形態と同様、長方形のミラー１４に対してもその可動梁および電極を３つ設けるようにしてもよい。

また、上述した第１，第２の実施の形態に係るミラー素子１，２は、図１５を参照して説明したような波長選択スイッチに適用できることは言うまでもない。

本発明は、ミラーなどの構造体を回動可能とするに支持する各種装置に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態のミラー素子の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態のミラー素子の構成を模式的に示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態のミラー素子の電極の構成を模式的に示す図である。 （ａ）は本発明の第１の実施の形態のミラー素子のミラーをＸ軸回りに回動させたときの状態を模式的に示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ方向からの図である。 （ａ）は本発明の第１の実施の形態のミラー素子のミラーをＹ軸回りに回動させたときの状態を模式的に示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＹ方向からの図である。 本発明の第１の実施の形態のミラー素子から構成されるミラーアレイを示す平面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施の形態のミラー素子の変形例の構成を模式的に示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。 本発明の第２の実施の形態のミラー素子の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態のミラー素子の電極の構成を模式的に示す図である。 （ａ）は本発明の第２の実施の形態のミラー素子のミラーをＸ軸回りに回動させたときの状態を模式的に示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ方向からの図である。 （ａ）は本発明の第２の実施の形態のミラー素子のミラーをＹ軸回りに回動させたときの状態を模式的に示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＹ方向からの図である。 本発明の第２の実施の形態のミラー素子から構成されるミラーアレイを示す平面図である。 図１２の変形例である。 従来のミラー素子の構成を模式的に示す斜視図である。 波長選択スイッチの構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１，２…マイクロミラー素子、１１，２１…支持部、１２−１〜１２−４，２２−１〜２２−３…可動梁、１３−１〜１３−４，２３−１〜２３−３…バネ、１４，２４…ミラー、１５−１〜１５−４，２５−１〜２５−３…電極、１６，２６…静電遮断壁、１７，２７…静電遮断壁、１８−１〜１８−４，２８−１〜２８−３…バネ部、１９，２９…支持枠。

Claims (6)

1. 支持部材と、この支持部材に一端が接続された複数の可動電極と、少なくとも３つの前記可動電極の他端部とバネ部材を介して接続されたミラーとを有する反射部と、
   この反射部と離間した面上に前記可動電極と対向して配置された複数の固定電極と
   を備えたことを特徴とするマイクロミラー素子。
2. 前記ミラーは、平面視略矩形に形成され、
   前記複数の可動電極のうち２つは前記ミラーの任意の第１の辺に接続され、他の少なくとも１つは前記第１の辺と接していない第２の辺に接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載のマイクロミラー素子。
3. 前記ミラーは、前記第１の辺の長さが、この第１の辺に接続された前記可動電極の前記第１辺に沿った方向の長さの和以上で、かつ、前記第２の辺の長さが、この第２の辺に接続された前記可動電極の前記第２の辺に沿った方向の長さの和以上である
   ことを特徴とする請求項２記載のマイクロミラー素子。
4. 前記可動電極は、前記支持部材に一端が接続された可動梁である
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のマイクロミラー素子。
5. 前記可動電極は、前記支持部材とバネ部材を介して接続された電極部材である
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のマイクロミラー素子。
6. 対向配置された２つの支持構造体と、
   これらの支持構造体に沿って複数配列された請求項１乃至５の何れか１項に記載のマイクロミラー素子と
   を備え、
   前記マイクロミラー素子の支持部材は、前記枠部材である
   ことを特徴とするマイクロミラーアレイ。

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