JP2014035509A - Micro-mirror element and mirror array - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光スイッチに用いられるマイクロミラー素子およびミラーアレイに関するものである。 The present invention relates to a micromirror element and a mirror array used in an optical switch.
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。例えば、数十もの波長から任意の波長を選択して複数の出力ファイバのうちの何れかへ出力可能な波長選択型光スイッチ(WSS:Wavelength Selective Switch)が提案されている。この波長選択型光スイッチ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。 2. Description of the Related Art In recent years, in the field of optical communication, it has been realized that large-capacity optical transmission is performed by WDM (Wavelength Division Multiplexing) technology in which one optical signal is associated with one wavelength and wavelength-division multiplexed. With the development of such optical communication technology, an optical switching device that switches a path without converting an optical signal into an electrical signal or the like has attracted attention. Among these, as a technology for realizing small size, light weight, and low cost, a spatial optical system optical switching device using an optical MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology has attracted attention. For example, a wavelength selective switch (WSS) that can select an arbitrary wavelength from several tens of wavelengths and output the selected wavelength to any of a plurality of output fibers has been proposed. The most characteristic component of this wavelength selective optical switch is a micromirror array in which a plurality of micromirror elements are arranged at high density.
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18に示すように、平面視略矩形のミラー301と、このミラー301の向かい合った辺に接続されミラー301を回動可能に支持する一対のばね部材302と、ミラー301のばね部材302が接続されていない一辺側に所定間隔離間して配置された電極303とを備えている。このようなミラー素子においては、ミラー301を接地し、電極303に正または負の電圧を与えることで、ミラー301を静電引力で吸引して、ミラー301を一対のばね部材302を結ぶ軸回りに回動させることができる。
In the micromirror array, mirror elements (micromirror elements) are arranged one-dimensionally or two-dimensionally. As shown in FIG. 18, the mirror element includes a
このようなミラーアレイを備えた波長選択型光スイッチでは、ミラー301の回動角度を大きく変動させることにより出力ファイバの切り替えを行い、ミラー301の回動角度を微小に変動させることにより光パワーの調整を行っている。このため、マイクロミラー素子には、ミラーの回動角度について大きく変動させることと微小に変動させることが要求されている。
In the wavelength selective optical switch having such a mirror array, the output fiber is switched by greatly changing the rotation angle of the
しかしながら、ミラーを大きく回動させるには、一般的に電極303に高電圧を印加する必要があるので特殊なICドライバを用いていたが、このICドライバが高価であるために光スイッチの低コスト化のためにも低電圧での駆動が望まれていた。そこで、図19に示すように、ミラー301の回動軸に平行な一方の辺に可動電極を304を設け、固定電極303をその可動電極304と対向して配置して、回動軸と電極とを離間させることにより、電極303への印加電圧が低電圧でも高いトルクが得られるようにして大きな回動角を実現することが提案されている。ところが、この場合には、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が小さくなってしまうので、波長単位に光路を切り替えるために光信号の等価帯域を十分確保することが困難になってしまう。
However, in order to rotate the mirror largely, it is generally necessary to apply a high voltage to the
また、ミラーを微小に回動させるときには、この微小な回動で光パワーの調整を行っているので、外乱により回動角が変動すると光パワーも揺らいでしまう。このため、外乱が生じても安定した回動の実現が望まれていた。 Further, when the mirror is rotated minutely, the optical power is adjusted by this minute rotation, so that the optical power fluctuates when the rotation angle fluctuates due to disturbance. For this reason, it has been desired to realize a stable rotation even when a disturbance occurs.
そこで、本発明は、低コストで安定した駆動を実現できるミラーアレイを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a mirror array that can realize stable driving at low cost.
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素子は、基板上に設けられた固定電極と、基板から離間して回動可能に配設された構造体とを備えたマイクロミラー素子であって、構造体は、固定電極と対向する可動電極と、この可動電極に連結されるミラーとを備え、可動電極の重心は、可動電極と構造体の回動軸とを含む面内において回動軸と離間し、可動電極とミラーは、面内において回動軸に沿った方向に離間し、構造体の重心は、回動軸上にあることを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, a micromirror element according to the present invention includes a microelectrode provided with a fixed electrode provided on a substrate and a structure that is rotatably disposed apart from the substrate. A mirror element, wherein the structure includes a movable electrode facing the fixed electrode, and a mirror coupled to the movable electrode, and the center of gravity of the movable electrode includes a plane including the movable electrode and the rotation axis of the structure The movable electrode and the mirror are spaced apart from each other in the direction along the rotational axis in the plane, and the center of gravity of the structure is on the rotational axis.
上記マイクロミラー素子において、回動軸に沿って配設され、対向する一端が前記構造体に接続され、前記構造体を前記回動軸回りに回動可能に支持する一対の支持部材をさらに備え、前記重心は、前記一対の支持部材間の中点に位置するようにしてもよい。 The micromirror element further includes a pair of support members that are disposed along the rotation axis, are connected to the structure at opposite ends, and support the structure so as to be rotatable around the rotation axis. The center of gravity may be located at the midpoint between the pair of support members.
上記マイクロミラー素子において、構造体は、ミラーまたは可動電極に連結された第1のバランサをさらに備え、第1のバランサは、回動軸に沿って少なくとも可動電極およびミラーと離間しているようにしてもよい。 In the micromirror element, the structure further includes a first balancer coupled to the mirror or the movable electrode, and the first balancer is separated from at least the movable electrode and the mirror along the rotation axis. May be.
また、上記マイクロミラー素子において、構造体は、ミラー、可動電極および第1のバランサの何れかに連結された第2のバランサをさらに備え、第2のバランサは、連結されているミラー、可動電極および第1のバランサの何れかよりも構造体の重心から離れた位置にあり、第2のバランサの重心は、連結されているミラー、可動電極およびバランサの何れかの重心よりも回動軸から離れた位置にあるようにしてもよい。 In the micromirror element, the structure further includes a second balancer coupled to any of the mirror, the movable electrode, and the first balancer, and the second balancer includes the coupled mirror and the movable electrode. The center of gravity of the second balancer is farther from the rotation axis than the center of gravity of any of the connected mirror, movable electrode, and balancer. You may make it exist in a distant position.
また、上記マイクロミラー素子において、バランサの少なくとも一部は、ミラーまたは可動電極より厚く形成されているようにしてもよい。 In the micromirror element, at least a part of the balancer may be formed thicker than the mirror or the movable electrode.
また、上記マイクロミラー素子において、バランサの少なくとも一部は、ミラーまたは可動電極を構成する材料よりも密度の高い材料から形成されているようにしてもよい。 In the micromirror element, at least a part of the balancer may be formed of a material having a higher density than the material constituting the mirror or the movable electrode.
上記マイクロミラー素子において、構造体は、前記基板と平行で、前記重心を通り、かつ、前記回動軸に直交する軸に対して線対称に形成されているようにしてもよい。 In the micromirror element, the structure may be formed symmetrically with respect to an axis parallel to the substrate, passing through the center of gravity, and orthogonal to the rotation axis.
また、上記マイクロミラー素子において、基板上に設けられた第2の固定電極と、一端が構造体に連結されて、構造体を回動軸回りに回動可能に支持する一対の支持部材とをさらに備え、支持部材の少なくとも1つは、第2の固定電極と対向する第2の可動電極を備える用にしてもよい。 Further, in the micromirror element, a second fixed electrode provided on the substrate, and a pair of support members, one end of which is connected to the structure, and rotatably supports the structure around the rotation axis. In addition, at least one of the support members may include a second movable electrode facing the second fixed electrode.
また、本発明に係るミラーアレイは、複数のマイクロミラー素子を1次元的に配列したミラーアレイであって、マイクロミラー素子は、上記マイクロミラー素子からなることを特徴とするものである。ここで、上記マイクロミラー素子は、入れ子構造で配列されるようにしてもよい。 The mirror array according to the present invention is a mirror array in which a plurality of micromirror elements are arranged one-dimensionally, and the micromirror elements are composed of the micromirror elements. Here, the micromirror elements may be arranged in a nested structure.
本発明によれば、可動電極の重心が回動軸と離れているので、低電圧で大きな回動を実現できるので高電圧を印加するためのドライバなどが不用となり、結果として、低コストを実現できる。また、構造体の重心は、前記回動軸上にあるので、外乱を受けても構造体が回動軸回りに回動するのを防ぐことができ、結果として、安定した回動を実現することができる。 According to the present invention, since the center of gravity of the movable electrode is separated from the rotation axis, a large rotation can be realized at a low voltage, so that a driver for applying a high voltage is not necessary, resulting in a low cost. it can. In addition, since the center of gravity of the structure is on the rotation axis, the structure can be prevented from rotating around the rotation axis even when subjected to disturbance, and as a result, stable rotation is realized. be able to.
[第1の実施の形態]
まず、本発明の第1の実施の形態について説明する。
[First Embodiment]
First, a first embodiment of the present invention will be described.
<マイクロミラーアレイの構成>
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アレイは、例えばシリコン基板などから構成された電極基板1と、電極基板1から離間して電極基板1と略平行に対向して配置され、例えばSOI(Silicon-On-Insulator)基板などから構成されるミラー基板2とを備えている。便宜上、以下においては、電極基板1とミラー基板2の平面に沿った方向を「X軸方向」、その平面に沿いかつX軸方向に直交する方向を「Y軸方向」、X軸方向およびY軸方向に直交する方向を「Z軸方向」という。
<Configuration of micromirror array>
As shown in FIGS. 1 and 2, the micromirror array according to the present embodiment includes an
電極基板1は、平面視略矩形の開口を有し、この開口の底面に固定電極3が配設されている。この固定電極3は、後述するミラー基板2の可動電極53と対向する位置に配置されている。また、電極基板1上には配線が形成されており、この配線を介して接続された外部電源から供給される電圧が固定電極3に印加される。なお、配線は、電極基板1を貫通するように形成されていてもよい。
The
ミラー基板2は、X軸方向に延在し、かつ、互いに平行に配設された一対の基部4,4’と、この一対の基部4,4’の間にX軸方向に配列された複数のミラー構造体5と、ミラー構造体5毎に設けられ、Y軸方向に延在し、基部4とミラー構造体5とを連結する一対の支持部材6,6’とを備えている。
The
本実施の形態においては、固定電極3とミラー構造体5によりマイクロミラー素子が構成され、このマイクロミラー素子がX軸方向に配列されることにより、マイクロミラーアレイが構成されることとなる。
In the present embodiment, a micromirror element is configured by the fixed
ここで、ミラー構造体5は、図3に示すように、支持部材6を介して一方の基部4に連結されたミラー51と、支持部材6’を介して他方の基部4’に連結されたバランサ部材52と、一対の連結部材54,54’を介してミラー51およびバランサ部材52に連結された可動電極53とを備えている。このようにミラー構造体5は、支持部材6,6’により、これらを結ぶY軸に平行な軸(回動軸)α回りに回動可能に支持されている。また、ミラー51,バランサ部材52および可動電極53は、Y軸方向に離間している。
Here, as shown in FIG. 3, the
ミラー51は、平面視略矩形に形成されており、各辺がX軸またはY軸に対して平行に配置されている。このようなミラー51の各辺のうち、基部4と対向する辺には、X軸方向における一方の側(以下、「負の側」とする。)の端部に、支持部材6が接続されている。また、基部4’と対向する辺には、X軸方向における負の側の端部に、連結部材54の一端が接続されている。この連結部材54の一端は、回動軸α上に位置しているので、回動軸αは、ミラー51のY軸方向に平行な辺のうち、X軸方向における負の側の辺の近傍を通ることとなる。このため、ミラー51は、全体として回動軸αに対してX軸方向の正の側に位置しているので、ミラー51の重心も、回動軸αに対してX軸方向の正の側に位置することとなる。なお、ミラー51上面には、反射膜が形成されている。
The
バランサ部材52は、ミラー51と同等の大きさの平面視略矩形に形成されており、各辺がX軸またはY軸に対して平行に配置されている。このようなバランサ部材52の各辺のうち、基部4’と対向する辺には、X軸方向における負の側の端部に、支持部材6’が接続されている。また、基部4と対向する辺には、X軸方向における負の側の端部に、連結部材54’の一端が接続されている。この連結部材54’の一端は、回動軸α上に位置しているので、回動軸αは、バランサ部材52のY軸方向に平行な辺のうち、X軸方向における負の側の辺近傍を通ることとなる。このため、バランサ部材52は、全体として回動軸αに対してX軸方向の正の側に位置しているので、バランス部材52の重心も、回動軸αに対してX軸方向の正の側に位置することとなる。なお、バランサ部材52の上面には、ミラー51に形成された反射膜と同等の材料が配設されている。
The
可動電極53は、ミラー51とバランサ部材52を連結した程度の面積を有する平面視略矩形に形成されており、各辺がX軸またはY軸に対して平行に配置されている。このような可動電極53の各辺のうち、基部4と対向する辺には、ミラー51に接続された一端からX軸方向の負の側に延在する連結部材54の他端が接続されている。また、基部4’と対向する辺には、バランサ部材52に接続された一端からX軸方向の負の側に延在する連結部材54’の他端が接続されている。したがって、可動電極53は、回動軸αに対してX軸方向の負の側に位置しているので、可動電極53の重心も、可動電極53と回動軸αとを含む面内において回動軸αからX軸方向の負の側に離間した箇所に位置している。
The
このように、ミラー構造体5は、回動軸αに対して、ミラー51およびバランサ部材52をX軸方向の正の側、ミラー51とバランサ部材52を合計した面積を有する可動電極53をX軸方向における負の側に位置させて、回動軸αを挟んで各部材の重量のバランスをとることにより、重心が回動軸α上に位置するように設定されている。また、重心が、両支持部材6,6’のミラー51またはバランサ部材52との接続端間の中心に位置するように設定されている。このようにミラー構造体5の重心Gが回動軸αの中点上にあるので、外乱を受けてもミラー構造体5が回動軸α、β(重心を通るZ軸に平行な回動軸)、γ(重心を通るX軸に平行な回動軸)回りに回動するのを防ぐことができるので、結果として、光パワーの揺らぎを防ぐことができる。
As described above, the
また、ミラー構造体5は、ミラー51、バランサ部材52および可動電極53がY軸方向に離間している。これにより、ミラー構造体5をX軸方向に並べてミラーアレイを形成するとき、いわゆる入れ子構造に並べることが可能となるので、隣り合うミラー構造体5の構成要素と干渉せずに近接して高密度に並べることができる。したがって、ミラー51のフィルファクタを向上させることができる。
In the
なお、本実施の形態においてミラー構造体5の重心は、ミラー51と支持部材6との接続端と、バランサ部材52と支持部材6’との接続端とを結ぶ直線(回動軸α)の中点に位置している。さらに、ミラー構造体5は、その中点を通るX軸方向に平行な直線に対して線対称に形成されている。
In this embodiment, the center of gravity of the
<マイクロミラーアレイの動作>
次に、本実施の形態に係るマイクロミラーアレイの動作について説明する。
<Operation of micromirror array>
Next, the operation of the micromirror array according to the present embodiment will be described.
まず、固定電極3に電圧を印加していない場合、ミラー構造体5は、支持部材6,6’により支持されて、ミラー51、バランサ部材52および可動電極53が、電極基板1やミラー基板2と平行な同一平面内に位置した状態となっている。
First, when no voltage is applied to the fixed
この状態から固定電極3に電圧を印加すると、ミラー構造体5は、発生する静電引力により固定電極3と対向して配置された可動電極53が固定電極3の方に、Z軸方向の負の側に変位するので、回動軸α回りに回動することとなる。このとき、可動電極53は、回動軸αから離れた位置に配設されている。したがって、静電引力が小さくても大きなトルクを得ることができので、ミラー構造体5を低電圧で大きく回動させることができる。このように、低電圧で大きな回動を実現できるので、特殊なドライバなどが不用となり、結果として、低コスト化を実現できる。
When a voltage is applied to the fixed
固定電極3が下方に変位した状態から固定電極3への電圧の印加を停止すると、ミラー構造体5は、固定電極3により発生していた静電引力が無くなるので、支持部材6,6’から受ける回動軸α回りのねじりの力により、ミラー51、バランサ部材52および可動電極53が、電極基板1やミラー基板2と平行な同一平面内に位置した状態に戻ることとなる。
When the application of voltage to the fixed
本実施の形態に係るマイクロミラーアレイにおける駆動特性と加速度に対する変化について測定を行った。この測定結果を図4,図5に示す。なお、図4,図5に示す測定結果は、図3に示すミラー構造体5に関するものである。このときのミラー構造体5の各部の寸法は次の通りである。ミラー51およびバランサ部材52は、X軸方向およびY軸方向の長さがそれぞれ100[μm]である。可動電極53は、X軸方向の長さが100[μm]、Y軸方向の長さが200[μm]である。連結部材54,54’は、Y軸方向の長さが43[μm]である。
Measurements were made with respect to changes in drive characteristics and acceleration in the micromirror array according to the present embodiment. The measurement results are shown in FIGS. The measurement results shown in FIGS. 4 and 5 relate to the
図4に示すように、本実施の形態では、4[deg]の回動角を実現するのに固定電極3に印加した電圧が20[V]であった。このように本実施の形態では、可動電極53を回動軸αから離れた位置に配設することにより、ミラー構造体5を低電圧で大きく回動できることが確認された。
As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the voltage applied to the fixed
また、図5に示すように、本実施の形態では、20[g]の加速度を与えても、回動角の変動が見られなかった。このように本実施の形態では、ミラー構造体5の重心を回動軸α上に位置させることにより、外乱を受けてもミラー構造体5が回動軸α回りに回動するのを防ぐことができることが確認された。
Further, as shown in FIG. 5, in the present embodiment, even when an acceleration of 20 [g] was applied, the rotation angle was not changed. As described above, in this embodiment, the center of gravity of the
<マイクロミラーアレイの製造方法>
次に、図6A〜図8を参照して、本実施の形態に係るマイクロミラーアレイの製造方法について説明する。
<Manufacturing method of micromirror array>
Next, with reference to FIGS. 6A to 8, a method for manufacturing the micromirror array according to the present embodiment will be described.
まず、図6Aに示すように、例えばシリコン単結晶からなるシリコン基板101を用意する。次に、図6Bに示すように、シリコン基板上にレジストパターン102を形成する。このレジストパターン102は、公知のフォトリソグラフィー技術により形成すればよい。
First, as shown in FIG. 6A, a
次に、図6Cに示すように、レジストパターン102をマスクとした公知のドライエッチングなどにより、シリコン基板101を選択的にエッチングし、平面視略矩形の開口を形成する。次に、図6Dに示すように、レジストパターン102を除去した後、図6Eに示すように、シリコン基板101に形成した開口の底面に固定電極3を形成する。例えばスパッタ法などにより金属を堆積することで、固定電極3を形成できる。また、メッキ法などにより金属を堆積して固定電極3を形成してもよい。以上の工程により、電極基板1が生成される。
Next, as shown in FIG. 6C, the
次に、図7Aに示すように、SOI(Silicon on Insulator)基板111を用意する。このSOI基板111は、シリコン基部112の上に、埋め込み絶縁層113を介して表面シリコン層114が形成された基板である。
Next, as shown in FIG. 7A, an SOI (Silicon on Insulator)
次に、図7Bに示すように、表面シリコン層114上にシリコン基板上に、基部4,4’、ミラー構造体5および支持部材6,6’の平面形状に対応したレジストパターン115を形成する。このレジストパターン115は、公知のフォトリソグラフィー技術により形成すればよい。
Next, as shown in FIG. 7B, a resist
次に、図7Cに示すように、レジストパターン115をマスクとした公知のドライエッチングなどにより表面シリコン層114を選択的にエッチングした後、図7Dに示すように、レジストパターン115を除去する。
Next, as shown in FIG. 7C, the
次に、図7Eに示すように、シリコン基部112および埋め込み絶縁層113を選択的にエッチングして除去することにより、基部4,4’、ミラー構造体5および支持部材6,6’を形成する。
Next, as shown in FIG. 7E, the
次に、図7Fに示すように、ミラー構造体5のミラー51およびバランサ部材52の表面に反射膜116を形成する。例えばスパッタ法などにより金などの金属を堆積することで、反射膜116を形成できる。また、メッキ法、抵抗加熱蒸着法などにより金などの金属を堆積して反射膜116を形成してもよい。以上の工程により、ミラー基板2が生成される。
Next, as illustrated in FIG. 7F, a
次に、図8に示すように、上述した工程により生成した電極基板1とミラー基板2を世電極基板1の開口が形成された側の面に、ミラー基板2の表面シリコン層114側の面を貼り合わせる。これにより、本実施の形態に係るマイクロミラーアレイが生成されることとなる。
Next, as shown in FIG. 8, the surface of the
以上説明したように、本実施の形態によれば、可動電極53の重心が回動軸αと離れているので、低電圧で大きな回動を実現できるため、高電圧を印加するためのドライバなどが不用となり、結果として、低コストを実現できる。また、ミラー構造体5の重心は、回動軸α上にあるので、外乱を受けてもミラー構造体5が回動軸α回りに回動するのを防ぐことができ、結果として、安定した回動を実現することができる。
As described above, according to the present embodiment, since the center of gravity of the
なお、本実施の形態では、可動電極53として平板状の電極を用いる場合を例に説明したが、可動電極53は、図9に示すように、棒状の第1の梁部材531から同じ方向に突出した棒状の複数の第2の梁部材532を備えた、いわゆる櫛歯状の可動電極53’から構成されるようにしてもよい。このとき、固定電極3は、板状の電極部材3’が所定間隔離間して互いに平行に配置された構成を有する。このような構成を採ることによっても、上述した本実施の形態による作用効果と同等の作用効果を実現することができる。
なお、固定電極3および可動電極53’の第2の梁部材532の形状を、図10に示すように、Y軸方向の幅を4[μm]、X軸方向の長さ80[μm]とし、かつ、第2の梁部材532を15個設けることにより、図4,図5に示した特性を得ることができた。
In the present embodiment, the case where a flat electrode is used as the
As shown in FIG. 10, the shape of the
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第1の実施の形態と固定電極3およびミラー構造体5の構成が異なるものである。したがって、本実施の形態において、上述した第1の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment described above in the configuration of the fixed
図11に示すように、本実施の形態におけるミラー構造体5aは、一対の連結部材54a,54a’の一端により支持されたミラー51aと、連結部材54aの他端と連結部材55aの一端により支持された第1の可動電極53aと、連結部材54a’の他端と連結部材55a’の一端により支持された第2の可動電極53a’とを備えている。ここで、連結部材55aの他端は、支持部材6が連結されている。同様に、連結部材55a’の他端は、支持部材6’が連結されている。したがって、ミラー構造体5aは、支持部材6,6’により、これらを結ぶY軸に平行な軸(回動軸α)回りに回動可能に支持されている。また、ミラー51a,第1の可動電極53aおよび第2の可動電極53a’は、Y軸方向に離間している。さらに、電極基板上には、第1の可動電極53aと対向する位置に固定電極3aが配置され、第2の可動電極53aと対向する位置に固定電極3a’が配置されている。
As shown in FIG. 11, the
ここで、ミラー51aは、平面視略矩形に形成されており、各辺がX軸またはY軸に対して平行に配置されている。このようなミラー51aのX軸に平行な辺のうち、Y軸方向における正の側の辺には、X軸方向における負の側の端部に連結部材54aの一端が接続され、Y軸方向における負の側の辺には、X軸方向における負の側の端部に連結部材54a’の一端が接続されている。連結部材54a,54a’は、ミラー51aに接続された一端から、回動軸αを通過した位置までX軸方向における負の側に延在している。したがって、回動軸αは、ミラー51aよりもX軸方向における負の側に位置することとなる。このように、ミラー51aは、全体として回動軸αに対してX軸方向の正の側に位置しているので、ミラー51の重心も、回動軸αに対してX軸方向の正の側に位置することとなる。
Here, the
第1の可動電極53aは、ミラー51aと同等の大きさの平面視略矩形に形成されており、各辺がX軸またはY軸に対して平行に配置されている。このような第1の可動電極53aのX軸に平行な辺のうち、Y軸方向における負の側の辺には、X軸方向における正の側の端部に、一端がミラー51aに接続された連結部材54aの他端が接続されている。また、Y軸方向における正の側の辺には、X軸方向における正の側の端部に連結部材55a’の一端が接続されている。この連結部材55aは、その一端からX軸方向における正の側に延在しており、他端が支持部材6に接続されている。したがって、回動軸αは、第1の可動電極53aよりもX軸方向における正の側に位置することとなる。このように、第1の可動電極53aは、全体として回動軸αに対してX軸方向の負の側に位置しているので、第1の可動電極53aの重心も、回動軸αに対してX軸方向の負の側に位置することとなる。このような第1の可動電極53aは、第1の実施の形態におけるバランサ部材52および可動電極53として機能する。
The first
第2の可動電極53a’は、ミラー51aと同等の大きさの平面視略矩形に形成されており、各辺がX軸またはY軸に対して平行に配置されている。このような第2の可動電極53a’のX軸に平行な辺のうち、Y軸方向における正の側の辺には、X軸方向における正の側の端部に、一端がミラー51aに接続された連結部材54a’の他端が接続されている。また、Y軸方向における負の側の辺には、X軸方向における正の側の端部に連結部材55a’の一端が接続されている。この連結部材55a’は、その一端からX軸方向における正の側に延在しており、他端が支持部材6’に接続されている。したがって、回動軸αは、第2の可動電極53a’よりもX軸方向における正の側に位置することとなる。このように、第2の可動電極53a’は、全体として回動軸αに対してX軸方向の負の側に位置しているので、第2の可動電極53a’重心も、回動軸αに対してX軸方向の負の側に位置することとなる。このような第2の可動電極53a’は、第1の実施の形態におけるバランサ部材52および可動電極53として機能する。
The second
このように、ミラー構造体5aは、回動軸αに対して、ミラー51aをX軸方向の正の側、第1の可動電極53aおよび第2の可動電極53a’をX軸方向における負の側に位置させて、回動軸αを挟んで各部材の重量のバランスをとることにより、重心Gが回動軸α上に位置するように設定されている。このようにミラー構造体5aの重心Gが回動軸α上にあるので、外乱を受けてもミラー構造体5aが回動軸α回りに回動するのを防ぐことができるので、結果として、光パワーの揺らぎを防ぐことができる。
As described above, the
また、ミラー構造体5aは、ミラー51a、第1の可動電極53aおよび第2の可動電極53a’がY軸方向に離間している。これにより、ミラー構造体5aをX軸方向に並べてミラーアレイを形成するとき、いわゆる入れ子構造に並べることが可能となるので、隣り合うミラー構造体5aの構成要素と干渉せずに近接して高密度に並べることができる。したがって、ミラー51aのフィルファクタを向上させることができる。
In the
さらに、第1の可動電極53aおよび第2の可動電極53a’は、回動軸αから離れた位置に配設されている。したがって、静電引力が小さくても大きなトルクを得ることができので、ミラー構造体5aを低電圧で大きく回動させることができる。このように、低電圧で大きな回動を実現できるので、特殊なドライバなどが不用となり、結果として、低コスト化を実現できる。
Further, the first
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第1の実施の形態と固定電極3およびミラー構造体5の構成が異なるものである。したがって、本実施の形態において、上述した第1の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment described above in the configuration of the fixed
図12に示すように、本実施の形態におけるミラー構造体5bは、一対の連結部材54b,54b’の一端により支持されたミラー51bと、連結部材54bの他端により支持された第1の可動電極53bと、連結部材54b’の他端により支持された第2の可動電極53b’とを備えている。ここで、連結部材54bの一端側には、支持部材6が連結されている。同様に、連結部材54b’の一端側には、支持部材6’が連結されている。したがって、ミラー構造体5bは、支持部材6,6’により、これらを結ぶY軸に平行な軸(回動軸α)回りに回動可能に支持されている。また、ミラー51b,第1の可動電極53bおよび第2の可動電極53b’は、Y軸方向に離間している。さらに、電極基板上には、第1の可動電極53bと対向する位置に固定電極3bが配置され、第2の可動電極53b’と対向する位置に固定電極3b’が配置されている。
As shown in FIG. 12, the
ここで、ミラー51bは、平面視略矩形に形成されており、各辺がX軸またはY軸に対して平行に配置されている。このようなミラー51bのX軸に平行な辺のうち、Y軸方向における正の側の辺には、X軸方向における負の側の端部に連結部材54bの一端が接続され、Y軸方向における負の側の辺には、X軸方向における負の側の端部に連結部材54b’の一端が接続されている。連結部材54b,54b’のミラー51bに接続された端部には、支持部材6または支持部材6’が接続されている。したがって、回動軸αは、ミラー51bのY軸方向に平行な辺のうち、X軸方向における負の側の辺の近傍を通ることとなる。このため、ミラー51bは、全体として回動軸αに対してX軸方向の正の側に位置しているので、ミラー51bの重心Gも、回動軸αに対してX軸方向の正の側に位置することとなる。
Here, the
第1の可動電極53bは、ミラー51bと同等の大きさの平面視略矩形に形成されており、各辺がX軸またはY軸に対して平行に配置されている。このような第1の可動電極53bのX軸に平行な辺のうち、Y軸方向における負の側の辺には、X軸方向における正の側の端部に、一端がミラー51bに接続されてX軸方向の負の側に延在する連結部材54bの他端が接続されている。したがって、回動軸αは、第1の可動電極53bよりもX軸方向における正の側に位置することとなる。このように、第1の可動電極53bは、全体として回動軸αに対してX軸方向の負の側に位置しているので、第1の可動電極53bの重心も、回動軸αに対してX軸方向の負の側に位置することとなる。このような第1の可動電極53bは、第1の実施の形態におけるバランサ部材52および可動電極53として機能する。
The first
第2の可動電極53b’は、ミラー51bと同等の大きさの平面視略矩形に形成されており、各辺がX軸またはY軸に対して平行に配置されている。このような第2の可動電極53bのX軸に平行な辺のうち、Y軸方向における正の側の辺には、X軸方向における正の側の端部に、一端がミラー51bに接続されてX軸方向の負の側に延在する連結部材54b’の他端が接続されている。したがって、回動軸αは、第2の可動電極53b’よりもX軸方向における正の側に位置することとなる。このように、第2可動電極53b’は、全体として回動軸αに対してX軸方向の負の側に位置しているので、第2の可動電極53b’の重心も、回動軸αに対してX軸方向の負の側に位置することとなる。このような第2の可動電極53b’は、第1の実施の形態におけるバランサ部材52および可動電極53として機能する。
The second
このように、ミラー構造体5bは、回動軸αに対して、ミラー51bをX軸方向の正の側、第1の可動電極53bおよび第2の可動電極53b’をX軸方向における負の側に位置させて、回動軸αを挟んで各部材の重量のバランスをとることにより、重心Gが回動軸α上に位置するように設定されている。また、重心が、支持部材6,6’の連結部材54b,54b’との接続端間の中心に位置するように設定されている。このようにミラー構造体5の重心Gが回動軸αの中点上にあるので、外乱を受けてもミラー構造体5が回動軸α、β(重心を通るZ軸に平行な回動軸)、γ(重心を通るX軸に平行な回動軸)回りに回動するのを防ぐことができるので、結果として、光パワーの揺らぎを防ぐことができる。
As described above, the
また、ミラー構造体5bは、ミラー51b、第1の可動電極53bおよび第2の可動電極53b’がY軸方向に離間している。これにより、ミラー構造体5bをX軸方向に並べてミラーアレイを形成するとき、いわゆる入れ子構造に並べることが可能となるので、隣り合うミラー構造体5bの構成要素と干渉せずに近接して高密度に並べることができる。したがって、ミラー51bのフィルファクタを向上させることができる。
In the
さらに、第1の可動電極53bおよび第2の可動電極53b’は、回動軸αから離れた位置に配設されている。したがって、静電引力が小さくても大きなトルクを得ることができので、ミラー構造体5bを低電圧で大きく回動させることができる。このように、低電圧で大きな回動を実現できるので、特殊なドライバなどが不用となり、結果として、低コスト化を実現できる。
Further, the first
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第1の実施の形態における支持部材6,6’に可動電極をさらに設けたものである。したがって、本実施の形態において、上述した第1の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, movable electrodes are further provided on the
図13に示すように、ミラー構造体5c、支持部材6cを介して一方の基部4に連結されたミラー51と、支持部材6c’を介して他方の基部4’に連結されたバランサ部材52と、一対の連結部材54,54’を介してミラー51およびバランサ部材52に連結された可動電極53とを備えている。このようにミラー構造体5は、支持部材6c,6c’により、これらを結ぶY軸に平行な軸(回動軸α)回りに回動可能に支持されている。また、ミラー51,バランサ部材52および可動電極53は、Y軸方向に離間している。このようなミラー構造体5cは、重心Gが回動軸α上にあるように形成されている。
As shown in FIG. 13, a
ここで、支持部材6cは、一端がミラー51に接続された第1の梁部材61と、この第1の梁部材61の他端が接続された第3の可動電極62と、一端が第3の可動電極62に接続され、他端が基部4に接続された第2の梁部材63とから構成されている。ここで、電極基板1上面には、第3の可動電極62と対向する位置に固定電極3cが配置されている。
Here, the
同様に、支持部材6d’は、一端がバランサ部材52に接続された第1の梁部材61’と、この第1の梁部材61’の他端が接続された第3の可動電極62’と、一端が第3の可動電極62’に接続され、他端が基部4’に接続された第2の梁部材63’とから構成されている。ここで、電極基板1上面には、第3の可動電極62’と対向する位置に固定電極3c’が配置されている。
Similarly, the
本実施の形態において、固定電極3c,3c’に電圧を印加すると、発生する静電引力により、固定電極3c,3c’と対向して配置された第3の可動電極62,62’が固定電極3c,3c’に引き寄せられる。したがって、例えば、固定電極3c,3c’の一方に電圧を印加したり、固定電極3c,3c’に互い違いに電圧を印加することにより、ミラー構造体3cをX軸回りに回動させることができる。
In the present embodiment, when a voltage is applied to the fixed
なお、本実施の形態においても、上述した第1の実施の形態で説明した作用効果と同等の作用効果を得られることは言うまでもない。 Needless to say, in this embodiment, the same effects as those described in the first embodiment can be obtained.
[第5の実施の形態]
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第3の実施の形態における支持部材6,6’に第4の実施の形態における可動電極6c,6c’と同等の構成をさらに設けたものである。したがって、本実施の形態において、上述した第3の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the
図14に示すように、本実施の形態におけるミラー構造体5dは、一対の連結部材54b,54b’の一端により支持されたミラー51bと、連結部材54bの他端により支持された第1の可動電極53bと、連結部材54b’の他端により支持された第2の可動電極53b’とを備えている。ここで、連結部材54bの一端側には、支持部材6dが連結されている。同様に、連結部材54b’の一端側には、支持部材6d’が連結されている。したがって、ミラー構造体5bは、支持部材6d,6d’により、これらを結ぶY軸に平行な軸(回動軸α)回りに回動可能に支持されている。また、ミラー51b,第1の可動電極53bおよび第2の可動電極53b’は、Y軸方向に離間している。また、電極基板上には、第1の可動電極53bと対向する位置に固定電極3bが配置され、第2の可動電極53b’と対向する位置に固定電極3b’が配置されている。さらに、このようなミラー構造体5dは、重心Gが回動軸αの中点上にあるように形成されている。
As shown in FIG. 14, the
ここで、支持部材6dは、一端が連結部材54bに接続された第1の梁部材61と、この第1の梁部材61の他端が接続された第3の可動電極62と、一端が第3の可動電極62に接続され、他端が基部4に接続された第2の梁部材63とから構成されている。ここで、電極基板1上面には、第3の可動電極62と対向する位置に固定電極3dが配置されている。
Here, the supporting
同様に、支持部材6d’は、一端が連結部材54b’に接続された第1の梁部材61’と、この第1の梁部材61’の他端が接続された第3の可動電極62’と、一端が第3の可動電極62’に接続され、他端が基部4’に接続された第2の梁部材63’とから構成されている。ここで、電極基板1上面には、第3の可動電極62’と対向する位置に固定電極3d’が配置されている。
Similarly, the
本実施の形態において、固定電極3d,3d’に電圧を印加すると、発生する静電引力により、固定電極3d,3d’と対向して配置された第3の可動電極62,62’が固定電極3d,3d’に引き寄せられる。したがって、例えば、固定電極3d,3d’の一方に電圧を印加したり、固定電極3d,3d’に互い違いに電圧を印加することにより、ミラー構造体3dをX軸回りに回動させることができる。
In the present embodiment, when a voltage is applied to the fixed electrodes 3d and 3d ′, the third
なお、本実施の形態においても、上述した第3の実施の形態で説明した作用効果と同等の作用効果を得られることは言うまでもない。 Needless to say, in this embodiment, the same effects as those described in the third embodiment can be obtained.
[第6の実施の形態]
次に、本発明の第6の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第1の実施の形態にさらにバランサ部材52を設けたものである。したがって、本実施の形態において、上述した第1の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
[Sixth Embodiment]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a
図15に示すように、ミラー構造体5eは、支持部材6を介して一方の基部4に連結されたミラー51と、支持部材6’を介して他方の基部4’に連結されたバランサ部材52と、一対の連結部材54,54’を介してミラー51およびバランサ部材52に連結された可動電極53と、連結部材57を介してミラー51に連結された第2のバランサ部材56と、連結部材57’を介してバランサ部材52に連結された第2のバランサ部材56’とを備えている。このようにミラー構造体5eは、支持部材6,6’により、これらを結ぶY軸に平行な軸(回動軸α)回りに回動可能に支持されている。また、ミラー51,バランサ部材52および可動電極53は、Y軸方向に離間している。さらに、このようなミラー構造体5eは、重心Gが回動軸αの中点上にあるように形成されている。
As shown in FIG. 15, the
ここで、第2のバランサ部材56は、平面視略矩形に形成されており、各辺がX軸またはY軸に対して平行に配置されている。このような第2のバランサ部材56のX軸に平行な辺のうち、Y軸方向における負の側の辺には、X軸方向における負の側の端部に連結部材57の一端が接続されている。この連結部材57の他端は、ミラー51の連結部材54が接続された辺と反対側の辺の、X軸方向における正の側の端部に接続される。
Here, the
また、第2のバランサ部材56’は、平面視略矩形に形成されており、各辺がX軸またはY軸に対して平行に配置されている。このような第2のバランサ部材56’のX軸に平行な辺のうち、Y軸方向における正の側の辺には、X軸方向における負の側の端部に連結部材57’の一端が接続されている。この連結部材57’の他端は、バランサ部材52の連結部材54’が接続された辺と反対側の辺の、X軸方向における正の側の端部に接続される。
The second balancer member 56 'is formed in a substantially rectangular shape in plan view, and each side is arranged in parallel to the X axis or the Y axis. Of the sides parallel to the X-axis of the
このように、ミラー構造体5eは、ミラー51、バランサ部材52および可動電極53に加えて第2のバランサ部材57,57’を設け、回動軸αを挟んで各部材の重量のバランスをとって重心Gが回動軸α上に位置することにより、可動電極53を回動軸αからさらに離間させている。これにより、より大きなトルクを得ることができので、ミラー構造体5eをより低電圧で大きく回動させることができる。
As described above, the
なお、本実施の形態においても、上述した第1の実施の形態で説明した作用効果と同等の作用効果を得られることは言うまでもない。 Needless to say, in this embodiment, the same effects as those described in the first embodiment can be obtained.
[第7の実施の形態]
次に、本発明の第7の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第1の実施の形態とバランサ部材52の構成が異なるものである。したがって、本実施の形態において、上述した第1の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
[Seventh Embodiment]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. Note that the present embodiment is different from the first embodiment described above in the configuration of the
図16に示すように、ミラー構造体5fは、支持部材6を介して一方の基部4に連結されたミラー51と、支持部材6’を介して他方の基部4’に連結されたバランサ部材52fと、一対の連結部材54,54’を介してミラー51およびバランサ部材52に連結された可動電極53とを備えている。このようにミラー構造体5fは、支持部材6,6’により、これらを結ぶY軸に平行な軸(回動軸α)回りに回動可能に支持されている。また、ミラー51,バランサ部材52および可動電極53は、Y軸方向に離間している。さらに、このようなミラー構造体5eは、重心Gが回動軸α上にあるように形成されている。
As shown in FIG. 16, the
ここで、バランサ部材52fは、ミラー51と比較して、面積が小さくされている一方、厚さ、すなわちZ軸方向の長さが大きく形成されている。このように厚さを大きくして質量を増加させることにより、バランサ部材52fの面積を小さくしても、ミラー構造体5fの重心Gを回動軸α上に位置させることができる。これにより、ミラー構造体5fを小型化できるので、ミラーアレイについても小型化を実現することができる。
Here, the
なお、図17に示すバランサ部材52f’のように、異なる材料を用いて厚さミラー51等と異ならせるようにしてもよい。このバランサ部材52f’では、シリコン521上に例えば金など密度の高い材料522が配設されている。これにより、ミラー構造体5fをより小型化できる。
Note that, as a
本発明は、MEMSミラー装置など、マイクロマシン技術により作製された各種アクチュエータに適用することができる。 The present invention can be applied to various actuators manufactured by micromachine technology, such as a MEMS mirror device.
1…電極基板、2…ミラー基板、3,3b,3b’,3c,3c’…固定電極、4,4’…基部、5,5a,5b,5c,5d,5e,5f,5g…ミラー構造体、6,6’,6c,6c’,6d,6d’…支持部材、51,51a,51b…ミラー、52…バランサ部材、53…可動電極、53a…第1の可動電極、53a’,53b,53b’…第2の可動電極、54,54’,54a,54a’,54b,54b’,55a,55a’,57,57’…連結部材、56,56’…第2のバランサ部材、61…第1の梁部材、62…第3の可動電極、63…第2の梁部材、101…シリコン基板、102…レジストパターン、111…SOI基板、112…シリコン基部、113…埋め込み絶縁層、114…表面シリコン層、115…レジストパターン、116…反射膜、521…シリコン、522…材料、G…重心、α…回動軸α。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記構造体は、前記固定電極と対向する可動電極と、この可動電極に連結されるミラーとを備え、
前記可動電極の重心は、前記可動電極と前記構造体の回動軸とを含む面内において前記回動軸と離間し、
前記可動電極と前記ミラーは、前記面内において前記回動軸に沿った方向に離間し、
前記構造体の重心は、前記回動軸上にある
ことを特徴とするマイクロミラー素子。 A micromirror device comprising a fixed electrode provided on a substrate and a structure disposed so as to be rotatable away from the substrate,
The structure includes a movable electrode facing the fixed electrode, and a mirror connected to the movable electrode,
The center of gravity of the movable electrode is separated from the rotation axis in a plane including the movable electrode and the rotation axis of the structure,
The movable electrode and the mirror are separated in a direction along the rotation axis in the plane,
The micromirror element, wherein the center of gravity of the structure is on the rotation axis.
前記回動軸に沿って配設され、対向する一端が前記構造体に接続され、前記構造体を前記回動軸回りに回動可能に支持する一対の支持部材
をさらに備え、
前記重心は、前記一対の支持部材間の中点に位置する
ことを特徴とするマイクロミラー素子。 The micromirror element according to claim 1, wherein
A pair of support members disposed along the rotation axis and having opposite ends connected to the structure and supporting the structure so as to be rotatable about the rotation axis;
The center of gravity is located at a midpoint between the pair of support members.
前記構造体は、前記ミラーまたは前記可動電極に連結された第1のバランサをさらに備え、
前記第1のバランサは、前記回動軸に沿って少なくとも前記可動電極および前記ミラーと離間している
ことを特徴とするマイクロミラー素子。 The micromirror element according to claim 1 or 2,
The structure further includes a first balancer connected to the mirror or the movable electrode,
The micro-mirror element, wherein the first balancer is separated from at least the movable electrode and the mirror along the rotation axis.
前記構造体は、前記ミラー、前記可動電極および前記第1のバランサの何れかに連結された第2のバランサをさらに備え、
前記第2のバランサは、連結されている前記ミラー、前記可動電極および前記第1のバランサの何れかよりも前記構造体の重心から離れた位置にあり、
前記第2のバランサの重心は、連結されている前記ミラー、前記可動電極および前記バランサの何れかの重心よりも前記回動軸から離れた位置にある
ことを特徴とするマイクロミラー素子。 In the micromirror element according to claim 3,
The structure further includes a second balancer coupled to any of the mirror, the movable electrode, and the first balancer,
The second balancer is at a position farther from the center of gravity of the structure than any of the mirror, the movable electrode, and the first balancer connected to each other.
The center of gravity of the second balancer is at a position farther from the rotation shaft than the center of gravity of any of the mirror, the movable electrode, and the balancer connected to each other.
前記バランサの少なくとも一部は、前記ミラーまたは前記可動電極より厚く形成されている
ことを特徴とするマイクロミラー素子。 The micromirror element according to claim 3 or 4,
At least a part of the balancer is formed thicker than the mirror or the movable electrode.
前記バランサの少なくとも一部は、前記ミラーまたは前記可動電極を構成する材料よりも密度の高い材料から形成されている
ことを特徴とするマイクロミラー素子。 The micromirror element according to any one of claims 3 and 4,
At least a part of the balancer is formed of a material having a higher density than a material constituting the mirror or the movable electrode.
前記構造体は、前記基板と平行で、前記重心を通り、かつ、前記回動軸に直交する軸に対して線対称に形成されている
ことを特徴とするマイクロミラー素子。 The micromirror element according to any one of claims 1 to 6,
The micromirror element, wherein the structure is formed in parallel with the substrate, passes through the center of gravity, and is symmetrical with respect to an axis orthogonal to the rotation axis.
前記基板上に設けられた第2の固定電極
をさらに備え、
前記支持部材の少なくとも1つは、前記第2の固定電極と対向する第2の可動電極を備える
ことを特徴とするマイクロミラー素子。 In the micromirror element according to any one of claims 1 to 7,
A second fixed electrode provided on the substrate;
At least one of the support members includes a second movable electrode facing the second fixed electrode. A micromirror element, wherein:
前記マイクロミラー素子は、請求項1乃至8の何れか1項に記載のマイクロミラー素子からなる
ことを特徴とするミラーアレイ。 A mirror array in which a plurality of micromirror elements are arranged one-dimensionally,
The said micromirror element consists of a micromirror element of any one of Claims 1 thru | or 8. The mirror array characterized by the above-mentioned.
前記マイクロミラー素子は、入れ子構造で配列されている
ことを特徴とするミラーアレイ。 The mirror array according to claim 9, wherein
The micromirror elements are arranged in a nested structure.
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