JP4388221B2 - マイクロ電気機械式光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置に関し、特に、マイクロ電気機械式光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信装置は、一般に、多様な光学器（例えば、光源、光検出器、スイッチ、減衰器、鏡、増幅器、およびフィルター）からなっている。光学器は、光通信システムにおいて光信号を伝達する。いくつかの光学器は、電気機械式光学素子を形成している電気機械式構造体（例えば、熱作動器）へ接続されている。本開示に使用されている用語“気機械式構造体”は、電気信号の制御を受けて機械的に動作する構造体に相当する。
【０００３】
電気機械的構造体の中には、光学素子を所定の第一位置から所定の第二位置へ移動するものがある。Cowan, William D., et al., "Vertical Thermal Actuators for Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems", SPIE, Vol. 3226, pp. 137-146(1997) には、この様な所定の第一位置から所定の第二位置へ光学素子を移動する有用な電気機械式構造体が記載されている。
【０００４】
Cowan et al., の場合は、電気機械式構造体は熱作動器である。この熱作動器は、光学鏡へ接続されている。熱作動器と光学鏡は、基板の表面に配置されている。熱作動器は二つの可動ビームを有する。各ビームの一端は光学鏡へ接続されている。各ビームの他端は基板面へ接続されている。
【０００５】
熱作動器の各ビームは、互いに一つに重ね合わされた二つの材料の層を有する。重ね合わされた材料層は、それぞれ、異なる熱膨張係数を有し、各ビームのうち最上部の材料層は、他の材料層より大きい熱膨張係数を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
熱作動器は、ビームへ送られた電気信号に応答して、機械的に光学鏡を移動する。ビームに電気信号が送られると、重ねられた材料層は加熱される。その後、電気信号が取り去られると、重ねられた層が冷却する。各ビームの最上層は大きい熱膨張係数を有するので、最上層は、冷却したとき基底の材料層より速く収縮する。最上材料層が収縮すると、最上層は、各ビームの一端とその層へ接続された光学鏡とを基板面から上方の所定の高さへ持ち上げる。ビームをさらに加熱および冷却しても、基板面に対する光学素子の高さは変わらない。熱作動器それ自体の有用性は、一回のセットアップまたは位置決め動作に限定される。この様な一回の動作に限定する問題を解決すべき課題とする。
【０００７】
従って、光学素子の運動を制御するに適した電気機械式構造体が、引き続いて探求される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
小さな占有面積を有するマイクロ電気機械式（ＭＥＭ）光学装置が開示されている。ＭＥＭ光学素子は、基板上に配置され、外縁を有する光学要素を支持する支持構造体を有する。光学要素は、光学要素に与えられた傾斜量に基づいて選択された角度に光を偏向する。支持構造体は、第一端において支持構造体へ接続され、かつ、第二端において基板へ固定された、第一対と第二対のビームにより支持されている。この対のビームは、各ビームの第一と第二の端が光学素子に接近して配列されるように、光学素子に対し配置されている。これにより、ＭＥＭ光学素子を支持するのに必要な基板面の面積が縮小されている。それなりに、光学素子の数量が増加された場合の配列は、与えられた基板の大きさに形成することが出来る。
【０００９】
好適な実施態様において、各対のビームの第二端は、互いに接近して配置され、ビームへの起動導線の効率的電気接続を形成しており、これにより、ビームへの導線を配置するのに必要な基板面積を減少している。
【００１０】
他の実施態様において、静止摩擦力を減少する要素が、光学要素上と、光学要素を支持する内部フレーム上とにある。
【００１１】
この静止摩擦減少要素は、基板と内部フレームまたは光学要素のいずれか、または両方との間の接触領域を小さくするため、光学要素の外縁と内部フレームの外縁に放射状に配置された複数の突起として構成されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、光通信システムにおける使用に適したマイクロ電気機械式光学装置に関する。図１に関し、マイクロ電気機械式光学装置は、基板面１３に配置されたマイクロ電気機械式構造体１５と光学素子１７とからなっている。マイクロ電気機械式構造体１５は光学素子１７へ接続されている。例えば、マイクロ電気機械式構造体１５は、スプリング１４により光学素子１７へ接続されている。
【００１３】
マイクロ電気機械式構造体１５は、複数のビーム１９，２６を有する。ビーム１９の第一端２２は、基板面１３へヒンジで取り付けられたプレート２０へ接続されている。ヒンジ取り付けのプレートは、Ｖ字形の切り込みを有する。ヒンジ取り付けプレート２０は、係合プレート２５へ接続されている。係合プレート２５は、光学素子１７へも接続されている。ビーム２６の第一端は、係合プレート２５へ接続されている。ビーム２６の第二端は、基板面１３へ接続されている。組立されていない場合、ビーム１９，２６、ヒンジ取り付けプレート２０、および係合プレート２５は、基板面１３の上に平坦に置かれている。
【００１４】
係合プレート２５は、相対する両端に配置された一組のＶ字形の切り込みを有する。係合プレート２５の一組の各Ｖ字形切り込みは、ヒンジ取り付けプレート２０のＶ字形切り込みの領域内に配置されている。
【００１５】
図２に関し、ビーム１９の第一端２２は、起動力の付加に応答して、ほぼ円弧状に基板面の上方に上方向へ持ち上がる。ビーム１９の第一端２２が基板面の上方へ持ち上がると、ヒンジ取り付けプレート２０を基板面から回転させる。
【００１６】
ヒンジ取り付けプレート２０が基板面から回転されると、ビーム２６は、係合プレート２５と光学素子を基板面の上方へ持ち上げる。係合プレートが基板面の上方へ持ち上げられると、係合プレート２５の一組のＶ字形切り込みが、ヒンジ取り付けプレート２０のＶ字形切り込みへ滑り込む。係合プレート２５が持ち上げられると、ヒンジ取り付けプレートが基板面から約９０度に立つように、係合プレートは、ビーム１９により始まったヒンジ取り付けプレート２０の回転を完了する。ヒンジ取り付けプレート２０のＶ字形切り込みの高さは、光学素子が持ち上げられる高さを制約し、光学素子を一定の明確な位置に保持する。
【００１７】
種々の起動力が電気機械式構造体へ加わり、ビームの第一端２２を持ち上げる。図３に関し、電気機械式構造体へ加わる起動力がビームの熱収縮に基づいている場合、各ビーム１９，２６は、互いに重ねられた二つ以上の材料層３１，３２からなっている。重ねられた材料層３１，３２は、それぞれ、異なる熱膨張係数を有する。
【００１８】
一つの実施態様において、各ビーム１９，２６の最上材料層３１は、他の材料層３２より大きい熱膨張係数を有する。
【００１９】
ビーム１９，２６へ電流を加えると、重ねられた材料層３１，３２を加熱する。電流が電流源（図示せず）からビーム１９，２６へ加えられる。図４に関し、重ねられた材料層３１，３２が加熱されると、それらは曲がり、各ビーム１９，２６の第一端とビームに接続された光学素子（示されていない）を基板面１３から持ち上げる。各ビームの端が基板面から持ち上がる高さは、ビームの長さと、ビームを形成するために使用された材料層の組成とに依存する。しかし、各ビーム２６の端が基板面から持ち上がる高さは、係合プレート２５を持ち上げ、かつ、ヒンジ取り付けプレートを基板に対し約９０度回転するに好適にに十分である。
【００２０】
あるいは、電気機械式構造体へ加えられる起動力が、固有の応力によるビーム収縮に基づいている場合、図５に示されているように、各ビーム１９，２６は、基板面上に互いに重ねられた二つ以上の材料層４１，４２からなっている。最上材料層４１は固有の応力を有する。最上材料層は応力勾配を有する。底部材料層４２は犠牲層である。
【００２１】
犠牲材料層４２が除去されると（例えば、エッチングにより）、二つ以上の最上層４１は、各ビーム１９，２６の第一端と、それへ接続されたヒンジ取り付けプレート（示されていない）とを、基板面１３から上方へ持ち上げる。各ビームの端が基板面から持ち上がる高さは、ビームの長さとビームを形成するために使用された材料層の組成とに依存する。しかし、各ビーム２６が基板面から持ち上がる高さは、係合プレート２５を持ち上げ、かつ、ヒンジ取り付けプレートを基板面に対し約９０度回転するに好適に十分である。
【００２２】
他の適切な起動力には、引っ掻き駆動力と電磁力がある。示された引っ掻き力による電気機械式構造体は、Akiyama, T. et al., "A Quantitative Analysis of Scratch Drive Actuator Using Buckling Motion", Proc. 8th IEEE International MEMS Workshop, pp. 310-315(1995)、および電磁力に基づく電気機械式構造体は、Busch-Vishniac, I. J., "The Case for Magnetically Driven Microactuators", Sensors and Actuators A, A33, pp. 207-220(1992)において考察されている。
【００２３】
電気機械式構造体１５が光学素子１７を基板面の上方へ持ち上げた後、持ち上げられた光学素子１７は、この光学素子１７と基板面１３との間に発生した静電界に応答して動く。静電界は、光学素子１７と基板面１３との間にバイアス電圧を印加することにより発生する。
【００２４】
図１と２に関し、静電界が光学素子１７と基板１３（または電極２７）の間に発生すると、この静電界は、光学素子１７を軸１ー１の回りに回転する。光学素子１７が軸１ー１の回りを回転する角度は、光学素子１７と基板１３（または電極２７）との間に発生した静電界の大きさに依存する。静電界は、加えられたバイアス電圧の大きさに依存する。
【００２５】
あるいは、光学素子は、ほぼ基板へ向かって偏向するか、または、回転と偏向の両方により動くように製作することが出来る。この様な運動は、電極２７の幾何学的配列、および光学素子と係合プレートとの接続に依存する。
【００２６】
光学素子と基板のどちらも、バイアス電圧がそれらに印加されて、静電界を発生するように、好適に導電性である。光学素子または基板のどちらかが静電界を発生するには不十分な導電性であるならば、導電性層（電極）２７，２８が、図１に示された領域に選択的に形成される。
【００２７】
本発明によるマイクロ電気機械式光学素子は、適切に作成された（例えば、適切なドーピング）基板を用意することにより製作される。適切な基板の材料には、シリコン、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、ゲルマニウム、またはインジウム酸化スズ（ＩＴＯ）が被覆されたガラスがある。
【００２８】
複数の材料層が、基板面に平坦な構成で形成される。適切な材料層の例には、多結晶シリコン、チッ化シリコン、および二酸化シリコンがある。
【００２９】
複数の材料層の各層が基板に形成された後、各層は、マイクロ電気機械式構造体と光学素子を形成するように図形化される。例えば、鏡１７とビーム１９，２６からなる、図１に示された電気ー光ー機械式装置は、ＭＣＮＣ ＭＥＭＳテクノロジー アプリケーション センターにより作成されたマルチユーザーＭＥＭＳ法（ＭＵＭＰＳ）、ＭＣＮＣ、リサーチ トライアングル パーク、ノース カロライナ州により製作される（参照 スマート ＭＵＭＰ デザイン ハンドブック、オペレーション リサーチ グループ作成）。
【００３０】
ＭＵＭＰＳ法において、マイクロ電気機械式構造体と光学素子は、多結晶シリコンの層に形成され、酸化物の層（例えば、リン化シリコンガラス）が犠牲層を形成し、チッ化シリコンがマイクロ電気機械式構造体と光学素子を基板から電気的に絶縁する。マイクロ電気機械式構造体と光学素子は、ホトリソグラフィの段階において多結晶シリコン層に形成される。
【００３１】
ホトリソグラフィは、一つ以上の多結晶シリコンおよびリン化シリコンガラスにホトレジスト（すなわち、エネルギー感知材）の塗布、適切なマスクでホトレジストの露光、および一つ以上の基底多結晶シリコンとリン化シリコンガラスへその後パターン転写を行う所望エッチングマスクを生成するため、露光されたホトレジストの現像からなる処理法である。ホトレジストに形成されたパターンは、エッチング、例えば、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）装置により一つ以上の基底多結晶シリコンおよびリン化シリコンガラスの層へ転写される。
【００３２】
次の実施例は、本発明による発明の特定の実施態様を例証するために提示されている。
【００３３】
実施例 １
図１に示された構造体を有するマイクロ電気機械式光学装置が、ＭＥＭＳテクノロジー アプリケーション センター、ＭＣＮＣ、リサーチ トライアングルパーク、ノースカロライナ州、から得られた。マイクロ電気機械式光学装置はシリコン基板面に配置された。シリコン基板は、約１〜２オーム／ｃｍの抵抗を有していた。厚さ６００ｎｍ（ナノメータ）のチッ化シリコン層上に形成された交互の多結晶シリコン層（ＰＯＬＹ０，ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２）とリン化シリコンガラス層（ＯＸ１とＯＸ２）の平坦な多層構成が、シリコン基板上に形成された。
【００３４】
多結晶シリコン層ＰＯＬＹ０，ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２は、それぞれ、厚さが約０．５μｍ（マイクロメータ）、２．０μｍおよび１．５μｍであった。リン化シリコンガラス層ＯＸ１とＯＸ２は、それぞれ、厚さが約２μｍと０．７５μｍであった。Ｃｒ／Ａｕの０．５μｍの層が、ＰＯＬＹ２の層に形成された。
【００３５】
チッ化シリコン層、多結晶シリコン層（ＰＯＬＹ０，ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２）、リン化シリコンガラス層（ＯＸ１とＯＸ２）、およびＣｒ／Ａｕ層が低圧蒸着法によりシリコン基板面に形成された。
【００３６】
図１に関し、電気機械式構造体が１５が、ホトリソグラフィ法により平坦な多層構成に形成された。電気機械式構造体は、基板にヒンジ取り付けられたプレート２０へ一つの縁においてそれぞれ接続された二つのビーム１９，２６よりなっていた。ビーム１９は、それぞれ、幅が約５０μｍで、長さが約３００μｍであった。ビーム２６は、幅が約１００μｍで、長さが約５００μｍであった。これらのビームは、ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２層に形成された。ビーム１９，２６は、また、固有の応力を生成し、それらを曲げ、かつ、構造体を動かすために、それらのビームに配置されたＣｒ／Ａｕ層を有していた。
【００３７】
ヒンジ取り付けプレート２０は、幅が約３００μｍで、高さが約７０μｍであった。Ｖ字形切り込みは、切り込み高さが約５０μｍであった。ヒンジ取り付けプレート２０は、ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２層に形成された。
【００３８】
係合プレート２５は、長さが約４００μｍで、幅が約１５０μｍであった。各Ｖ字形切り込みは、切り込み高さが約７０μｍであった。係合プレート２５は、ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２層に形成された。
【００３９】
光学素子は、大きさが約３００μｍ×３００μｍの鏡であった。光学素子はＰＯＬＹ１、ＰＯＬＹ２、およびＣｒ／Ａｕの層に形成された。
【００４０】
光学素子の縁は、スプリング１４により係合プレートへ接続された。スプリングはＰＯＬＹ１層にのみ形成された。
【００４１】
電極２７は長さが約３００μｍ、幅が約２００μｍであり、ＰＯＬＹ０層により形成された。
【００４２】
上述の各製作段階は、ＭＥＭＳテクノロジー アプリケーション センター、ＭＣＮＣ、リサーチ トライアングル パーク、ノースカロライナ州、において行われた。
【００４３】
電気機械式構造体がＰＯＬＹ０，ＰＯＬＹ１，ＰＯＬＹ２、ＯＸ１、ＯＸ２、およびＣｒ／Ａｕ層に形成された後、電気機械式構造体と光学素子は、リン化シリコンガラス層を４９％のＨＦの槽内で室温において約１〜２分間エッチングすることにより、シリコン基板面から取り出された。
【００４４】
次ぎにリン化シリコンガラス層が取り出されると、ビームはヒンジ取り付けプレートを回転して、係合プレートと光学素子を基板面から持ち上げる。光学素子は基板面の上方、約５０μｍの高さに持ち上げられた。
【００４５】
約１００Ｖの電圧が、光学素子と基板面上のパッド２７との間に印加された。電圧が光学素子とパッド２７との間に印加された後、光学素子が基板面に対し約５度の角度をなすように、光学素子は軸１ー１（図１）の回りを軸回転した。
【００４６】
マイクロ電気機械式光学素子１２は、一般に、共通の基板に大量にまとめて製造され、例えば、多くの波長を多様なオプチカルファイバおよび素子へ指向させる波長指定装置に使用される。このような使用のために、例えば、図９に示されているように、多数の素子１２が基板１３上に配列８０で配置されている。前に考察したように、各素子１２は、マイクロ電気機械式構造体１５と光学素子１７からなり、ビーム１９，２６を起動する電極５０を経て適切な電気信号を送ることにより、作動して、移動し、光学素子１７を基板１３から持ち上げる。次ぎに、スプリング３０と電極５０，５２は、基板１３を含む平面に対し光学素子１７を傾斜するように使用される。このこの状態において、光学素子１７の配列８０は、例えば、光学素子へ送られた多数信号のうちの選択された一つの信号から多数チャネルを受信し、個々の光学素子１７の角度変位および調節により、各光学的信号を明確に識別されたオプチカルファイバへ偏向する。
【００４７】
図７に関し、構造体１５に支持されたマイクロ電気機械式光学装置１２が示されている。構造体１５は、二組のビーム１９，２６を有し、各ビームはその各端において対応する組の他のビームに対し異なるプレート２０へ接続されている。例えば、プレート２０ａは、その端においてプレート２０ａへ接続されたビーム１９ａと２６ａにより、光学素子１７を基板１３の面から持ち上げる係合位置へ移動する。同様に、プレート２０ｂは、それへ接続されたビーム１９ａと２６ｂにより移動する。残りのビーム端２３は、基板１３へ固定され、光学素子１７を持ち上げる梃子の力を有する。詳細に前述したように、ビームは電気信号を送ることにより、複数の起動リード線５４により起動される。向上した移動性と角度変位または傾斜のために、構造体１５は、外縁９１を有する内側フレーム１６を有する。フレーム１６は、方向軸Ｘに平行な軸に沿ってフレーム１６を傾斜するように、スプリング３０によりプレート２０ａ，２０ｂへ軸回転可能に取り付けられている。もう一組ののスプリング３２は、方向軸Ｙに平行な軸の回りに光学素子１７を傾斜するように、光学素子１７を内側フレーム１６へ軸回転可能に接続している。
【００４８】
図９に示されているように、マイクロ電気機械式光学装置１２の配列が共通基板上に形成されると、図７に示された装置１２のビームの配列は、基板面の一定面積が対のビーム１９，２６を収容するために必要であるので、隣接した装置１２の間の距離を限定する。さらに、各対のビームの基板に固定された端２３が、対象構造体１５に対し相互に離れて端末に配置されているので（例えば、ビーム１９ａと１９ｂの端２３）、同様に、起動リード線５４は末端に離れている。ビームを起動するため、電気信号が送られるように、リード線５４は集められ、基板の縁へ配置されなければならない。この様な配置は、必然的に、基板の１３の縁またはその近くの、信号がこの様なリード線へ送られる位置へ起動リード線５４の配列を収容するために、基板１３に形成された空間または配線路１６０，１６２を必要とする。図９のマイクロ電気機械式光学装置の配列に示された配線路１６０，１６２は、それぞれ幅ｗとｗ′を有する四角形の領域として形成されており、配列は四つの分離された領域に分割されている。
【００４９】
ビーム対１９，２６のレイアウトまたは配列により必要とされる、起動リード線５４の配列を収容するための配線路１６０，１６２は必要であるが、これは、マイクロ電気機械式光学装置１２をさらに支持するために使用できる基板面積を減少する。従って、本発明による他の実施態様によれば、形状合わせのビーム構造体を有する修正されたマイクロ電気機械式光学装置１１２が図８に示されている。上述した装置１２と同様な装置１１２が、基板１１３に形成されており、光学素子１１７を支持し、これを基板から持ち上げるマイクロ電気機械式構造体１５０を有する。図示の変形として、光学素子１１７は、図７の円形または図１の正方形と反対に楕円形のように示されている。それでも、光学素子１１７の形状は、すべて、本発明による発明の意図された請求範囲と概念から外れることなく、使用できることを理解されなければならない。
【００５０】
図７の構造体１５と図８の構造体１１５との主要な差異は、ビーム１１９と１２６の形状と配列にある。図８の実施態様において、各ビームの両方の端（すなわち、端１２２，１２３）が光学素子１１７に接近して位置するように、ビーム１１９と１２６が光学素子１１７に対し配置されている。言い換えると、両方の端は光学素子１１７の外縁１９０に接近して配置されている。これは、第一ビームの端だけが光学素子１７の外縁９０に接近して位置付けられている図７のビームの配置と反対である。図８の形状合わせビームの配列は、二組の形状合わせビーム、すなわち、第一組のビーム１１９ａ，１１９ｂと第二組のビーム１２６ａ，１２６ｂからなっており、上述のように、各ビームは、プレートを回転し、光学素子１１７を持ち上げる各プレート１２０ａ，１２６ｂの第一端１２２へ接続されている。各組ビームの各ビームの第二端１２３は、基板１１３へ固定され、光学素子１１７の外縁１９０へ接近して位置付けられている。各組（例えば、ビーム１１９ａ，１１９ｂ）のビームの第二端１２３は、また、示されたように相互に接近して好適に配置されている。この形状合わせビームの配置は、修正されたマイクロ電気機械式光学装置１１２の全占有面積または占有した基板の面積を有利に減少する。
【００５１】
図１０に関し、形状合わせマイクロ電気機械式光学装置の配列が示されている。示されているように、この配列は、図８の形状合わせビーム配置を採用している複数のマイクロ電気機械式光学装置からなっている。各組ビーム１１９のビーム端１２３の位置は、個々の装置１１２と起動リード線１５４の図形化配置の経済的レイアウトを可能にしている。その結果、図９に示された配線路１６０は不要となり、隣接するマイクロ電気機械式光学装置１１２のの間の物理的分離は、図９の配列の隣接した前記装置のの必要な分離と比較して縮小される。お分かりのように、これは、単一の基板１１３により収容された装置１１２の数の増加を可能にする。
【００５２】
装置１１２の動作中に、信号が一つまたは両方の対のスプリング１３０，１３２へ送られて、内側フレーム１１６及びまたは光学要素１１７の傾斜を発生する。傾斜量は、スプリングへ送られた信号の強さに比例する。個々の強さの信号により、内側フレーム１１６の外縁１９１または光学素子の外縁９０は、基板面１１３と接触するようになる。これが発生すると、光学素子１１７が基板１１３に対し水平位置へ後方へ動く、すなわち戻ろうとする時など、基板とフレーム縁９１との間、または、基板と光学素子縁９０との間の静止摩擦力または引っ掻き力が、フレームまたは光学要素１１７がさらに動こうとするのを遅らせるか、妨害する。
【００５３】
静止摩擦力の程度または量は、この二つ物体の間の接触面積に比例することが明らかになった。この発見により、本発明の好適な実施態様は、基板と内側フレームの外縁及びまたは光学素子１１７との間の接触面を制限する起伏追従の要素を有する。この特徴が図１１に示されており、図は光学素子１１７と内側支持部１１６の断面を示している。示されているように、光学素子１１７の前縁９０は、素子１１７から外方へ伸長している、複数の放射状に間隔を置いて突起または指２００からなっている。内側フレーム１１６の前縁もまた、放射状に配列され、内側フレーム１１６から離れる方向へ指向した複数の突起からなっている。内側フレーム縁９１または光学素子縁９０いずれかが基板１１３と接触するようになると、接触領域が減少し、基板と突起２００の先端との間だけに発生する。これは静止摩擦力を最小にし、マイクロ電気機械式構造体１１５の運動性を高める
。
【００５４】
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロ電気機械式構造体へ接続された光学素子を有するその表面に配置された、本発明のマイクロ電気機械式光学装置を有する基板の平面図。
【図２】光学素子がマイクロ電気機械式構造体により基板面の上方へ持ち上げられた後の、図１のマイクロ電気機械式光学装置の側面図。
【図３】起動力が加えられる前のビームの一つの外形の断面図。
【図４】起動力が加えられた後の図３のビームの断面図。
【図５】起動力が加えられる前のビームの別の外形の断面図。
【図６】起動力が加えられた後の図５のビームの断面図。
【図７】本発明によるマイクロ電気機械式光学装置の別の実施態様の平面図。
【図８】本発明によるマイクロ電気機械式光学装置のさらに別の実施態様の平面図。
【図９】図７の装置で製作された、マイクロ電気機械式光学装置の配列図。
【図１０】図８の装置で製作された、マイクロ電気機械式光学装置の配列図。
【図１１】本発明の他の特徴を示す、図８のマイクロ電気機械式光学装置の部分拡大図。
【符号の説明】
１３ マイクロ電気機械式光学装置
１４ スプリング
１５ マイクロ電気機械式構造体
１７ 光学素子
１９，２６ ビーム
２０ ヒンジ取り付けプレート
２２ ビーム１９の端
２５ 係合プレート
２７，２８ 導電性層（電極）
３１，３２ 重ねられた材料層
４１，４２ 二つ以上の重ねられた材料層
３０ スプリング
５０，５２ 電極
８０ 光学素子の配列
１６ 内側フレーム
１９ａ，２６ｂ ビーム
２０ａ，２０ｂ プレート
２３ ビームの基板へ固定された端
５４，１５４ 起動リード線
９０，１９０ 光学素子の外縁
９１，１９１ 内側フレームの外縁
１１２ マイクロ電気機械式光学装置
１１３ 基板
１１５ マイクロ電気機械式構造体
１１６ 内側フレーム
１１７ 光学素子
１１９，１１９ａ，１１９ｂ ビーム
１２２ ビームの端
１２３ ビームの端
１２６，１２６ａ，１２６ｂ ビーム
１３０，１３２ スプリング
１５０ マイクロ電気機械式構造体
１６０，１６２ 起動リード線の配線路
２００ 突起の先端
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置に関し、特に、マイクロ電気機械式光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信装置は、一般に、多様な光学器（例えば、光源、光検出器、スイッチ、減衰器、鏡、増幅器、およびフィルター）からなっている。光学器は、光通信システムにおいて光信号を伝達する。いくつかの光学器は、電気機械式光学素子を形成している電気機械式構造体（例えば、熱作動器）へ接続されている。本開示に使用されている用語“気機械式構造体”は、電気信号の制御を受けて機械的に動作する構造体に相当する。
【０００３】
電気機械的構造体の中には、光学素子を所定の第一位置から所定の第二位置へ移動するものがある。Cowan, William D., et al., "Vertical Thermal Actuators for Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems", SPIE, Vol. 3226, pp. 137-146(1997) には、この様な所定の第一位置から所定の第二位置へ光学素子を移動する有用な電気機械式構造体が記載されている。
【０００４】
Cowan et al., の場合は、電気機械式構造体は熱作動器である。この熱作動器は、光学鏡へ接続されている。熱作動器と光学鏡は、基板の表面に配置されている。熱作動器は二つの可動ビームを有する。各ビームの一端は光学鏡へ接続されている。各ビームの他端は基板面へ接続されている。
【０００５】
熱作動器の各ビームは、互いに一つに重ね合わされた二つの材料の層を有する。重ね合わされた材料層は、それぞれ、異なる熱膨張係数を有し、各ビームのうち最上部の材料層は、他の材料層より大きい熱膨張係数を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
熱作動器は、ビームへ送られた電気信号に応答して、機械的に光学鏡を移動する。ビームに電気信号が送られると、重ねられた材料層は加熱される。その後、電気信号が取り去られると、重ねられた層が冷却する。各ビームの最上層は大きい熱膨張係数を有するので、最上層は、冷却したとき基底の材料層より速く収縮する。最上材料層が収縮すると、最上層は、各ビームの一端とその層へ接続された光学鏡とを基板面から上方の所定の高さへ持ち上げる。ビームをさらに加熱および冷却しても、基板面に対する光学素子の高さは変わらない。熱作動器それ自体の有用性は、一回のセットアップまたは位置決め動作に限定される。この様な一回の動作に限定する問題を解決すべき課題とする。
【０００７】
従って、光学素子の運動を制御するに適した電気機械式構造体が、引き続いて探求される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
小さな占有面積を有するマイクロ電気機械式（ＭＥＭ）光学装置が開示されている。ＭＥＭ光学素子は、基板上に配置され、外縁を有する光学要素を支持する支持構造体を有する。光学要素は、光学要素に与えられた傾斜量に基づいて選択された角度に光を偏向する。支持構造体は、第一端において支持構造体へ接続され、かつ、第二端において基板へ固定された、第一対と第二対のビームにより支持されている。この対のビームは、各ビームの第一と第二の端が光学素子に接近して配列されるように、光学素子に対し配置されている。これにより、ＭＥＭ光学素子を支持するのに必要な基板面の面積が縮小されている。それなりに、光学素子の数量が増加された場合の配列は、与えられた基板の大きさに形成することが出来る。
【０００９】
好適な実施態様において、各対のビームの第二端は、互いに接近して配置され、ビームへの起動導線の効率的電気接続を形成しており、これにより、ビームへの導線を配置するのに必要な基板面積を減少している。
【００１０】
他の実施態様において、静止摩擦力を減少する要素が、光学要素上と、光学要素を支持する内部フレーム上とにある。
【００１１】
この静止摩擦減少要素は、基板と内部フレームまたは光学要素のいずれか、または両方との間の接触領域を小さくするため、光学要素の外縁と内部フレームの外縁に放射状に配置された複数の突起として構成されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、光通信システムにおける使用に適したマイクロ電気機械式光学装置に関する。図１に関し、マイクロ電気機械式光学装置は、基板面１３に配置されたマイクロ電気機械式構造体１５と光学素子１７とからなっている。マイクロ電気機械式構造体１５は光学素子１７へ接続されている。例えば、マイクロ電気機械式構造体１５は、スプリング１４により光学素子１７へ接続されている。
【００１３】
マイクロ電気機械式構造体１５は、複数のビーム１９，２６を有する。ビーム１９の第一端２２は、基板面１３へヒンジで取り付けられたプレート２０へ接続されている。ヒンジ取り付けのプレートは、Ｖ字形の切り込みを有する。ヒンジ取り付けプレート２０は、係合プレート２５へ接続されている。係合プレート２５は、光学素子１７へも接続されている。ビーム２６の第一端は、係合プレート２５へ接続されている。ビーム２６の第二端は、基板面１３へ接続されている。組立されていない場合、ビーム１９，２６、ヒンジ取り付けプレート２０、および係合プレート２５は、基板面１３の上に平坦に置かれている。
【００１４】
係合プレート２５は、相対する両端に配置された一組のＶ字形の切り込みを有する。係合プレート２５の一組の各Ｖ字形切り込みは、ヒンジ取り付けプレート２０のＶ字形切り込みの領域内に配置されている。
【００１５】
図２に関し、ビーム１９の第一端２２は、起動力の付加に応答して、ほぼ円弧状に基板面の上方に上方向へ持ち上がる。ビーム１９の第一端２２が基板面の上方へ持ち上がると、ヒンジ取り付けプレート２０を基板面から回転させる。
【００１６】
ヒンジ取り付けプレート２０が基板面から回転されると、ビーム２６は、係合プレート２５と光学素子を基板面の上方へ持ち上げる。係合プレートが基板面の上方へ持ち上げられると、係合プレート２５の一組のＶ字形切り込みが、ヒンジ取り付けプレート２０のＶ字形切り込みへ滑り込む。係合プレート２５が持ち上げられると、ヒンジ取り付けプレートが基板面から約９０度に立つように、係合プレートは、ビーム１９により始まったヒンジ取り付けプレート２０の回転を完了する。ヒンジ取り付けプレート２０のＶ字形切り込みの高さは、光学素子が持ち上げられる高さを制約し、光学素子を一定の明確な位置に保持する。
【００１７】
種々の起動力が電気機械式構造体へ加わり、ビームの第一端２２を持ち上げる。図３に関し、電気機械式構造体へ加わる起動力がビームの熱収縮に基づいている場合、各ビーム１９，２６は、互いに重ねられた二つ以上の材料層３１，３２からなっている。重ねられた材料層３１，３２は、それぞれ、異なる熱膨張係数を有する。
【００１８】
一つの実施態様において、各ビーム１９，２６の最上材料層３１は、他の材料層３２より大きい熱膨張係数を有する。
【００１９】
ビーム１９，２６へ電流を加えると、重ねられた材料層３１，３２を加熱する。電流が電流源（図示せず）からビーム１９，２６へ加えられる。図４に関し、重ねられた材料層３１，３２が加熱されると、それらは曲がり、各ビーム１９，２６の第一端とビームに接続された光学素子（示されていない）を基板面１３から持ち上げる。各ビームの端が基板面から持ち上がる高さは、ビームの長さと、ビームを形成するために使用された材料層の組成とに依存する。しかし、各ビーム２６の端が基板面から持ち上がる高さは、係合プレート２５を持ち上げ、かつ、ヒンジ取り付けプレートを基板に対し約９０度回転するに好適にに十分である。
【００２０】
あるいは、電気機械式構造体へ加えられる起動力が、固有の応力によるビーム収縮に基づいている場合、図５に示されているように、各ビーム１９，２６は、基板面上に互いに重ねられた二つ以上の材料層４１，４２からなっている。最上材料層４１は固有の応力を有する。最上材料層は応力勾配を有する。底部材料層４２は犠牲層である。
【００２１】
犠牲材料層４２が除去されると（例えば、エッチングにより）、二つ以上の最上層４１は、各ビーム１９，２６の第一端と、それへ接続されたヒンジ取り付けプレート（示されていない）とを、基板面１３から上方へ持ち上げる。各ビームの端が基板面から持ち上がる高さは、ビームの長さとビームを形成するために使用された材料層の組成とに依存する。しかし、各ビーム２６が基板面から持ち上がる高さは、係合プレート２５を持ち上げ、かつ、ヒンジ取り付けプレートを基板面に対し約９０度回転するに好適に十分である。
【００２２】
他の適切な起動力には、引っ掻き駆動力と電磁力がある。示された引っ掻き力による電気機械式構造体は、Akiyama, T. et al., "A Quantitative Analysis of Scratch Drive Actuator Using Buckling Motion", Proc. 8th IEEE International MEMS Workshop, pp. 310-315(1995)、および電磁力に基づく電気機械式構造体は、Busch-Vishniac, I. J., "The Case for Magnetically Driven Microactuators", Sensors and Actuators A, A33, pp. 207-220(1992)において考察されている。
【００２３】
電気機械式構造体１５が光学素子１７を基板面の上方へ持ち上げた後、持ち上げられた光学素子１７は、この光学素子１７と基板面１３との間に発生した静電界に応答して動く。静電界は、光学素子１７と基板面１３との間にバイアス電圧を印加することにより発生する。
【００２４】
図１と２に関し、静電界が光学素子１７と基板１３（または電極２７）の間に発生すると、この静電界は、光学素子１７を軸１ー１の回りに回転する。光学素子１７が軸１ー１の回りを回転する角度は、光学素子１７と基板１３（または電極２７）との間に発生した静電界の大きさに依存する。静電界は、加えられたバイアス電圧の大きさに依存する。
【００２５】
あるいは、光学素子は、ほぼ基板へ向かって偏向するか、または、回転と偏向の両方により動くように製作することが出来る。この様な運動は、電極２７の幾何学的配列、および光学素子と係合プレートとの接続に依存する。
【００２６】
光学素子と基板のどちらも、バイアス電圧がそれらに印加されて、静電界を発生するように、好適に導電性である。光学素子または基板のどちらかが静電界を発生するには不十分な導電性であるならば、導電性層（電極）２７，２８が、図１に示された領域に選択的に形成される。
【００２７】
本発明によるマイクロ電気機械式光学素子は、適切に作成された（例えば、適切なドーピング）基板を用意することにより製作される。適切な基板の材料には、シリコン、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、ゲルマニウム、またはインジウム酸化スズ（ＩＴＯ）が被覆されたガラスがある。
【００２８】
複数の材料層が、基板面に平坦な構成で形成される。適切な材料層の例には、多結晶シリコン、チッ化シリコン、および二酸化シリコンがある。
【００２９】
複数の材料層の各層が基板に形成された後、各層は、マイクロ電気機械式構造体と光学素子を形成するように図形化される。例えば、鏡１７とビーム１９，２６からなる、図１に示された電気ー光ー機械式装置は、ＭＣＮＣ ＭＥＭＳテクノロジー アプリケーション センターにより作成されたマルチユーザーＭＥＭＳ法（ＭＵＭＰＳ）、ＭＣＮＣ、リサーチ トライアングル パーク、ノース カロライナ州により製作される（参照 スマート ＭＵＭＰ デザイン ハンドブック、オペレーション リサーチ グループ作成）。
【００３０】
ＭＵＭＰＳ法において、マイクロ電気機械式構造体と光学素子は、多結晶シリコンの層に形成され、酸化物の層（例えば、リン化シリコンガラス）が犠牲層を形成し、チッ化シリコンがマイクロ電気機械式構造体と光学素子を基板から電気的に絶縁する。マイクロ電気機械式構造体と光学素子は、ホトリソグラフィの段階において多結晶シリコン層に形成される。
【００３１】
ホトリソグラフィは、一つ以上の多結晶シリコンおよびリン化シリコンガラスにホトレジスト（すなわち、エネルギー感知材）の塗布、適切なマスクでホトレジストの露光、および一つ以上の基底多結晶シリコンとリン化シリコンガラスへその後パターン転写を行う所望エッチングマスクを生成するため、露光されたホトレジストの現像からなる処理法である。ホトレジストに形成されたパターンは、エッチング、例えば、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）装置により一つ以上の基底多結晶シリコンおよびリン化シリコンガラスの層へ転写される。
【００３２】
次の実施例は、本発明による発明の特定の実施態様を例証するために提示されている。
【００３３】
実施例 １
図１に示された構造体を有するマイクロ電気機械式光学装置が、ＭＥＭＳテクノロジー アプリケーション センター、ＭＣＮＣ、リサーチ トライアングルパーク、ノースカロライナ州、から得られた。マイクロ電気機械式光学装置はシリコン基板面に配置された。シリコン基板は、約１〜２オーム／ｃｍの抵抗を有していた。厚さ６００ｎｍ（ナノメータ）のチッ化シリコン層上に形成された交互の多結晶シリコン層（ＰＯＬＹ０，ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２）とリン化シリコンガラス層（ＯＸ１とＯＸ２）の平坦な多層構成が、シリコン基板上に形成された。
【００３４】
多結晶シリコン層ＰＯＬＹ０，ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２は、それぞれ、厚さが約０．５μｍ（マイクロメータ）、２．０μｍおよび１．５μｍであった。リン化シリコンガラス層ＯＸ１とＯＸ２は、それぞれ、厚さが約２μｍと０．７５μｍであった。Ｃｒ／Ａｕの０．５μｍの層が、ＰＯＬＹ２の層に形成された。
【００３５】
チッ化シリコン層、多結晶シリコン層（ＰＯＬＹ０，ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２）、リン化シリコンガラス層（ＯＸ１とＯＸ２）、およびＣｒ／Ａｕ層が低圧蒸着法によりシリコン基板面に形成された。
【００３６】
図１に関し、電気機械式構造体が１５が、ホトリソグラフィ法により平坦な多層構成に形成された。電気機械式構造体は、基板にヒンジ取り付けられたプレート２０へ一つの縁においてそれぞれ接続された二つのビーム１９，２６よりなっていた。ビーム１９は、それぞれ、幅が約５０μｍで、長さが約３００μｍであった。ビーム２６は、幅が約１００μｍで、長さが約５００μｍであった。これらのビームは、ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２層に形成された。ビーム１９，２６は、また、固有の応力を生成し、それらを曲げ、かつ、構造体を動かすために、それらのビームに配置されたＣｒ／Ａｕ層を有していた。
【００３７】
ヒンジ取り付けプレート２０は、幅が約３００μｍで、高さが約７０μｍであった。Ｖ字形切り込みは、切り込み高さが約５０μｍであった。ヒンジ取り付けプレート２０は、ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２層に形成された。
【００３８】
係合プレート２５は、長さが約４００μｍで、幅が約１５０μｍであった。各Ｖ字形切り込みは、切り込み高さが約７０μｍであった。係合プレート２５は、ＰＯＬＹ１，およびＰＯＬＹ２層に形成された。
【００３９】
光学素子は、大きさが約３００μｍ×３００μｍの鏡であった。光学素子はＰＯＬＹ１、ＰＯＬＹ２、およびＣｒ／Ａｕの層に形成された。
【００４０】
光学素子の縁は、スプリング１４により係合プレートへ接続された。スプリングはＰＯＬＹ１層にのみ形成された。
【００４１】
電極２７は長さが約３００μｍ、幅が約２００μｍであり、ＰＯＬＹ０層により形成された。
【００４２】
上述の各製作段階は、ＭＥＭＳテクノロジー アプリケーション センター、ＭＣＮＣ、リサーチ トライアングル パーク、ノースカロライナ州、において行われた。
【００４３】
電気機械式構造体がＰＯＬＹ０，ＰＯＬＹ１，ＰＯＬＹ２、ＯＸ１、ＯＸ２、およびＣｒ／Ａｕ層に形成された後、電気機械式構造体と光学素子は、リン化シリコンガラス層を４９％のＨＦの槽内で室温において約１〜２分間エッチングすることにより、シリコン基板面から取り出された。
【００４４】
次ぎにリン化シリコンガラス層が取り出されると、ビームはヒンジ取り付けプレートを回転して、係合プレートと光学素子を基板面から持ち上げる。光学素子は基板面の上方、約５０μｍの高さに持ち上げられた。
【００４５】
約１００Ｖの電圧が、光学素子と基板面上のパッド２７との間に印加された。電圧が光学素子とパッド２７との間に印加された後、光学素子が基板面に対し約５度の角度をなすように、光学素子は軸１ー１（図１）の回りを軸回転した。
【００４６】
マイクロ電気機械式光学素子１２は、一般に、共通の基板に大量にまとめて製造され、例えば、多くの波長を多様なオプチカルファイバおよび素子へ指向させる波長指定装置に使用される。このような使用のために、例えば、図９に示されているように、多数の素子１２が基板１３上に配列８０で配置されている。前に考察したように、各素子１２は、マイクロ電気機械式構造体１５と光学素子１７からなり、ビーム１９，２６を起動する電極５０を経て適切な電気信号を送ることにより、作動して、移動し、光学素子１７を基板１３から持ち上げる。次ぎに、スプリング３０と電極５０，５２は、基板１３を含む平面に対し光学素子１７を傾斜するように使用される。このこの状態において、光学素子１７の配列８０は、例えば、光学素子へ送られた多数信号のうちの選択された一つの信号から多数チャネルを受信し、個々の光学素子１７の角度変位および調節により、各光学的信号を明確に識別されたオプチカルファイバへ偏向する。
【００４７】
図７に関し、構造体１５に支持されたマイクロ電気機械式光学装置１２が示されている。構造体１５は、二組のビーム１９，２６を有し、各ビームはその各端において対応する組の他のビームに対し異なるプレート２０へ接続されている。例えば、プレート２０ａは、その端においてプレート２０ａへ接続されたビーム１９ａと２６ａにより、光学素子１７を基板１３の面から持ち上げる係合位置へ移動する。同様に、プレート２０ｂは、それへ接続されたビーム１９ａと２６ｂにより移動する。残りのビーム端２３は、基板１３へ固定され、光学素子１７を持ち上げる梃子の力を有する。詳細に前述したように、ビームは電気信号を送ることにより、複数の起動リード線５４により起動される。向上した移動性と角度変位または傾斜のために、構造体１５は、外縁９１を有する内側フレーム１６を有する。フレーム１６は、方向軸Ｘに平行な軸に沿ってフレーム１６を傾斜するように、スプリング３０によりプレート２０ａ，２０ｂへ軸回転可能に取り付けられている。もう一組ののスプリング３２は、方向軸Ｙに平行な軸の回りに光学素子１７を傾斜するように、光学素子１７を内側フレーム１６へ軸回転可能に接続している。
【００４８】
図９に示されているように、マイクロ電気機械式光学装置１２の配列が共通基板上に形成されると、図７に示された装置１２のビームの配列は、基板面の一定面積が対のビーム１９，２６を収容するために必要であるので、隣接した装置１２の間の距離を限定する。さらに、各対のビームの基板に固定された端２３が、対象構造体１５に対し相互に離れて端末に配置されているので（例えば、ビーム１９ａと１９ｂの端２３）、同様に、起動リード線５４は末端に離れている。ビームを起動するため、電気信号が送られるように、リード線５４は集められ、基板の縁へ配置されなければならない。この様な配置は、必然的に、基板の１３の縁またはその近くの、信号がこの様なリード線へ送られる位置へ起動リード線５４の配列を収容するために、基板１３に形成された空間または配線路１６０，１６２を必要とする。図９のマイクロ電気機械式光学装置の配列に示された配線路１６０，１６２は、それぞれ幅ｗとｗ′を有する四角形の領域として形成されており、配列は四つの分離された領域に分割されている。
【００４９】
ビーム対１９，２６のレイアウトまたは配列により必要とされる、起動リード線５４の配列を収容するための配線路１６０，１６２は必要であるが、これは、マイクロ電気機械式光学装置１２をさらに支持するために使用できる基板面積を減少する。従って、本発明による他の実施態様によれば、形状合わせのビーム構造体を有する修正されたマイクロ電気機械式光学装置１１２が図８に示されている。上述した装置１２と同様な装置１１２が、基板１１３に形成されており、光学素子１１７を支持し、これを基板から持ち上げるマイクロ電気機械式構造体１５０を有する。図示の変形として、光学素子１１７は、図７の円形または図１の正方形と反対に楕円形のように示されている。それでも、光学素子１１７の形状は、すべて、本発明による発明の意図された請求範囲と概念から外れることなく、使用できることを理解されなければならない。
【００５０】
図７の構造体１５と図８の構造体１１５との主要な差異は、ビーム１１９と１２６の形状と配列にある。図８の実施態様において、各ビームの両方の端（すなわち、端１２２，１２３）が光学素子１１７に接近して位置するように、ビーム１１９と１２６が光学素子１１７に対し配置されている。言い換えると、両方の端は光学素子１１７の外縁１９０に接近して配置されている。これは、第一ビームの端だけが光学素子１７の外縁９０に接近して位置付けられている図７のビームの配置と反対である。図８の形状合わせビームの配列は、二組の形状合わせビーム、すなわち、第一組のビーム１１９ａ，１１９ｂと第二組のビーム１２６ａ，１２６ｂからなっており、上述のように、各ビームは、プレートを回転し、光学素子１１７を持ち上げる各プレート１２０ａ，１２６ｂの第一端１２２へ接続されている。各組ビームの各ビームの第二端１２３は、基板１１３へ固定され、光学素子１１７の外縁１９０へ接近して位置付けられている。各組（例えば、ビーム１１９ａ，１１９ｂ）のビームの第二端１２３は、また、示されたように相互に接近して好適に配置されている。この形状合わせビームの配置は、修正されたマイクロ電気機械式光学装置１１２の全占有面積または占有した基板の面積を有利に減少する。
【００５１】
図１０に関し、形状合わせマイクロ電気機械式光学装置の配列が示されている。示されているように、この配列は、図８の形状合わせビーム配置を採用している複数のマイクロ電気機械式光学装置からなっている。各組ビーム１１９のビーム端１２３の位置は、個々の装置１１２と起動リード線１５４の図形化配置の経済的レイアウトを可能にしている。その結果、図９に示された配線路１６０は不要となり、隣接するマイクロ電気機械式光学装置１１２のの間の物理的分離は、図９の配列の隣接した前記装置のの必要な分離と比較して縮小される。お分かりのように、これは、単一の基板１１３により収容された装置１１２の数の増加を可能にする。
【００５２】
装置１１２の動作中に、信号が一つまたは両方の対のスプリング１３０，１３２へ送られて、内側フレーム１１６及びまたは光学要素１１７の傾斜を発生する。傾斜量は、スプリングへ送られた信号の強さに比例する。個々の強さの信号により、内側フレーム１１６の外縁１９１または光学素子の外縁９０は、基板面１１３と接触するようになる。これが発生すると、光学素子１１７が基板１１３に対し水平位置へ後方へ動く、すなわち戻ろうとする時など、基板とフレーム縁９１との間、または、基板と光学素子縁９０との間の静止摩擦力または引っ掻き力が、フレームまたは光学要素１１７がさらに動こうとするのを遅らせるか、妨害する。
【００５３】
静止摩擦力の程度または量は、この二つ物体の間の接触面積に比例することが明らかになった。この発見により、本発明の好適な実施態様は、基板と内側フレームの外縁及びまたは光学素子１１７との間の接触面を制限する起伏追従の要素を有する。この特徴が図１１に示されており、図は光学素子１１７と内側支持部１１６の断面を示している。示されているように、光学素子１１７の前縁９０は、素子１１７から外方へ伸長している、複数の放射状に間隔を置いて突起または指２００からなっている。内側フレーム１１６の前縁もまた、放射状に配列され、内側フレーム１１６から離れる方向へ指向した複数の突起からなっている。内側フレーム縁９１または光学素子縁９０いずれかが基板１１３と接触するようになると、接触領域が減少し、基板と突起２００の先端との間だけに発生する。これは静止摩擦力を最小にし、マイクロ電気機械式構造体１１５の運動性を高める
。
【００５４】
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロ電気機械式構造体へ接続された光学素子を有するその表面に配置された、本発明のマイクロ電気機械式光学装置を有する基板の平面図。
【図２】光学素子がマイクロ電気機械式構造体により基板面の上方へ持ち上げられた後の、図１のマイクロ電気機械式光学装置の側面図。
【図３】起動力が加えられる前のビームの一つの外形の断面図。
【図４】起動力が加えられた後の図３のビームの断面図。
【図５】起動力が加えられる前のビームの別の外形の断面図。
【図６】起動力が加えられた後の図５のビームの断面図。
【図７】本発明によるマイクロ電気機械式光学装置の別の実施態様の平面図。
【図８】本発明によるマイクロ電気機械式光学装置のさらに別の実施態様の平面図。
【図９】図７の装置で製作された、マイクロ電気機械式光学装置の配列図。
【図１０】図８の装置で製作された、マイクロ電気機械式光学装置の配列図。
【図１１】本発明の他の特徴を示す、図８のマイクロ電気機械式光学装置の部分拡大図。
【符号の説明】
１３ マイクロ電気機械式光学装置
１４ スプリング
１５ マイクロ電気機械式構造体
１７ 光学素子
１９，２６ ビーム
２０ ヒンジ取り付けプレート
２２ ビーム１９の端
２５ 係合プレート
２７，２８ 導電性層（電極）
３１，３２ 重ねられた材料層
４１，４２ 二つ以上の重ねられた材料層
３０ スプリング
５０，５２ 電極
８０ 光学素子の配列
１６ 内側フレーム
１９ａ，２６ｂ ビーム
２０ａ，２０ｂ プレート
２３ ビームの基板へ固定された端
５４，１５４ 起動リード線
９０，１９０ 光学素子の外縁
９１，１９１ 内側フレームの外縁
１１２ マイクロ電気機械式光学装置
１１３ 基板
１１５ マイクロ電気機械式構造体
１１６ 内側フレーム
１１７ 光学素子
１１９，１１９ａ，１１９ｂ ビーム
１２２ ビームの端
１２３ ビームの端
１２６，１２６ａ，１２６ｂ ビーム
１３０，１３２ スプリング
１５０ マイクロ電気機械式構造体
１６０，１６２ 起動リード線の配線路
２００ 突起の先端
Claims (8)
- Ａ）表面領域を有する基板と、
Ｂ）光学要素により受光された光学信号を偏向する、外縁を有する前記光学要素と、
Ｃ）前記基板面上に支持され、前記光学要素の前記外縁へ機械的に接続され、前記光学要素を前記基板面上方に持ち上げるように動作可能なマイクロ電気機械式構造体からなるマイクロ電気機械式光学装置であって、
前記マイクロ電気機械式構造体が、
第一プレートと、第一ビーム対とを有し、
前記第一ビーム対の各ビームの第一端が、前記第一プレートに接続され、
前記第一ビーム対の各ビームの第二端が、前記基板面に接続され、および
前記第一プレートが前記光学要素の前記外縁に接続され、
前記第一ビーム対の各ビームが起動されることにより、前記第一プレートが前記光学要素を前記基板面から持ち上げる位置に移動するようになっており、
前記第一ビーム対が、前記光学要素の前記外縁に接近して位置するように前記基板上に配置され、これにより前記マイクロ電気機械式光学装置の全占有面積を減少させるようにした
ことを特徴とするマイクロ電気機械式光学装置。 - 前記マイクロ電気機械式構造体が、第二プレートと、第二ビーム対とを更に含んでおり、
前記第二プレートが前記第二ビーム対の各ビームの第一端へ接続され、前記第二ビーム対の各ビームの第二端が前記基板面へ接続され、および前記第二プレートが前記光学要素の前記外縁に接続され、
前記第二ビーム対の各ビームが起動されることにより、前記第二プレートが前記光学要素を前記基板面から持ち上げる位置に移動するようになっており、
前記第二ビーム対が前記光学要素の前記外縁に接近して位置するように前記基板面上に配置され、これにより前記マイクロ電気機械式光学装置の全占有面積を減少させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ電気機械式光学装置。 - 前記第一ビーム対の前記第二端が前記第二ビーム対の前記第二端に接近して前記基板上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ電気機械式光学装置。
- 前記光学要素の前記外縁が湾曲し、前記第一及び第二ビーム対の前記各ビームが湾曲していることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ電気機械式光学装置。
- Ａ）表面領域を有する基板と、
Ｂ）受光された光学信号を偏向する光学要素と、
Ｃ）前記光学要素を支持する外縁を有する支持体と、
Ｄ）前記基板面上に支持され、前記支持体へ機械的に接続され、前記光学要素を前記基板面上方に持ち上げるように動作可能なマイクロ電気機械式構造体と、からなるマイクロ電気機械式光学装置であって、
前記マイクロ電気機械式構造体が、
第一プレートと、第一ビーム対とを有し、
前記第一ビーム対の各ビームの第一端が、前記第一プレートに接続され、
前記第一ビーム対の各ビームの第二端が、前記基板面に接続され、および
前記第一プレートが前記支持体の前記外縁に接続され、
前記第一ビーム対の各ビームが起動されることにより、前記第一プレートが前記光学要素を前記基板面から持ち上げる位置に移動するようになっており、
前記第一ビーム対が、前記支持体の前記外縁に接近して位置するように前記基板上に配置され、これにより前記マイクロ電気機械式光学装置の全占有面積を減少させるようにした
ことを特徴とするマイクロ電気機械式光学装置。 - さらに、前記光学要素の前記外縁に配置され、前記基板と前記光学要素間の静止摩擦力を低減するための静止摩擦力低減要素を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ電気機械式光学装置。
- 前記静止摩擦力低減要素が、前記光学要素の前記外縁から外方へ伸長し、かつ、その回りに放射状に間隔を置いて配置された複数の突起を含んでいることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ電気機械式光学装置。
- Ａ）表面領域を有する基板と、
Ｂ）受光された光学信号を偏向する光学要素と、
Ｃ）前記光学要素を支持する外縁を有する支持体と、
Ｄ）前記基板面上に支持され、前記支持体へ機械的に接続され、前記光学要素を前記基板面上方に持ち上げるように動作可能なマイクロ電気機械式構造体と、
前記基板と前記光学要素間の静止摩擦力を低減するために、前記光学要素の前記外縁に配置された第一静止摩擦力低減要素と、
前記基板と前記支持体間の静止摩擦力を低減するために、前記内側支持体の前記外縁に配置された第二静止摩擦力低減要素と、を備えるマイクロ電気機械式光学装置であって、
前記マイクロ電気機械式構造体が、
第一プレートと、第一ビーム対とを有し、
前記第一ビーム対の各ビームの第一端が、前記第一プレートに接続され、
前記第一ビーム対の各ビームの第二端が、前記基板面に接続され、および
前記第一プレートが前記支持体の前記外縁に接続され、
前記第一ビーム対の各ビームが起動されることにより、前記第一プレートが前記光学要素を前記基板面から持ち上げる位置に移動するようになっており、
前記第一ビーム対が、前記支持体の前記外縁に接近して位置するように前記基板上に配置され、これにより前記マイクロ電気機械式光学装置の全占有面積を減少させるようにし、
前記マイクロ電気機械式構造体が、第二プレートと、第二ビーム対とを更に含んでおり、
前記第二プレートが前記第二ビーム対の各ビームの第一端へ接続され、前記第二ビーム対の各ビームの第二端が前記基板面へ接続され、および前記第二プレートが前記支持体の前記外縁に接続され、
前記第二ビーム対の各ビームが起動されることにより、前記第二プレートが前記光学要素を前記基板面から持ち上げる位置に移動するようになっており、
前記第二ビーム対が前記支持体の前記外縁に接近して位置するように前記基板面上に配置され、これにより前記マイクロ電気機械式光学装置の全占有面積を減少させるようにした、
ことを特徴とするマイクロ電気機械式光学装置。
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