JP4402861B2

JP4402861B2 - 静電的に作動されるマイクロ電気機械システム（ｍｅｍｓ）デバイス

Info

Publication number: JP4402861B2
Application number: JP2001399599A
Authority: JP
Inventors: アナトリーヴッチアクシュックブラッドミール; エー．ボールクリスチャン; パルドフラヴィオ
Original assignee: Agere Systems LLC
Current assignee: Agere Systems LLC
Priority date: 2001-01-05
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: CA2366527C; JP2002254399A; US6600851B2; TW544437B; EP1223453A3; DE60124498T2; US20030103717A1; EP1223453B1; DE60124498D1; CA2366527A1; EP1223453A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は静電的に作動されるマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス、より詳細には、静電的に作動されるＭＥＭＳデバイスを備える光クロスコネクトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電的に作動されるＭＥＭＳデバイスが様々なアプリケーションに対して提唱されている。このようなデバイスの一つのアプリケーションにおいては、可動の微細加工された鏡が入力光信号を所望の出力に方路するためのスイッチング要素として用いられる。これら微細加工された鏡の移動は静電作動によって達成される。単純な静電的に作動される光ファイバスイッチの一例がChen,Richard T.らの論文“A Low Voltage Micromachined Optical Switch by Stress-Induced Bending（応力によって引き起こされる曲げを利用する低電圧微細加工光スイッチ）”，ＩＥＥＥ（１９９９）において開示されている。Ｃｈｅｎらによって開示されるこの静電的に作動される光ファイバスイッチにおいては、個別のヒンジ付の鏡が多結晶シリコン（ポリシリコン）の片持ちばりの端に取り付けられる。この片持ちばりの上側表面にはクロムと金の応力層が塗布される。動作の際には、この片持ちばりに電圧が加えられ、この結果としてこれがアースされた基板に向って引き寄せられる。鏡が光の経路内に入ったり出たりし、この結果として光がある与えられたあらかじめセットされた出力に方路される。
【０００３】
Ｃｈｅｎらによって開示されるスイッチの一つの短所は、限られた数の入力および出力信号しか収容できないことである。Ｃｈｅｎらによって開示されるスイッチは、２つの入力ファイバと２つの出力ファイバを備える。Ｃｈｅｎらによって開示されるスイッチは、限られた数の入力および出力しか扱うことができないために、このスイッチは低密度スイッチと呼ばれる。
【０００４】
Ｃｈｅｎらによって開示されるスイッチ要素を用いるスイッチアーキテクチャの密度が低い一つの理由は、このようなアーキテクチャにおけるスイッチング要素の数は入／出力ポートの数の二乗に比例することによる。このため、多数のポートを持つスイッチは、サイズが過度に大きくなる。加えて、このようなアーキテクチャを採用する大きなスイッチでは光路長および対応する挿入損も過度に大きくなる。
【０００５】
より高い密度のMEMS光クロスコネクトがNeilson,David T.らによって“Fully Provisioned 112×112 Micro-Mechanical Optical Crossconnect With 35.8 Tb/s Demonstrated Capacity（35.8 Tb/sなる実証容量を持つ完全装備型１１２×１１２マイクロ機械光クロスコネクト）”,Optical Fiber Communication Conference (March 8,2000)において開示されている。Neilsonらによって開示されるクロスコネクトにおいては、基板上に16×16アレイの鏡が形成される。これら鏡は基板表面より上方にヒンジ付きの支持構造によって持ち上げられる。このヒンジ付きの支持構造は基板に取り付けられる。静電力によって鏡が動かされる。これら鏡の下側に配置された電極に電位を供給すると静電力が生成される。この構成においては、鏡を所望の角度に傾けることで鏡に入射する光が出力アレイ内の所望の出力に方路される。この完全装備型クロスコネクト（fully provisioned cross connect）の場合は、入力当たり１つの鏡と、出力当たり１つの鏡のみが要求される（つまり、Ｎなるポート数に対して２Ｎなる鏡が必要とされる）。こうして、このアーキテクチャにおいては、鏡の数は（Ｃｈｅｎらの要素を用いるアーキテクチャの場合のように）Ｎ^２に比例して増加するのではなく、Ｎに比例して増加する。
【０００６】
Neilsonらによって開示されるクロスコネクトデバイスにおいては、個々の鏡要素は可動支持構造（つまり、ジンバル）にばねなどのねじり要素を介して固着される。このジンバルは枠にこれもねじり要素を介して結合される。２つのねじり要素にて鏡がジンバルに結合され、これら２つの鏡ねじり要素は鏡要素の両側に配置され、鏡の回転軸を定義する。同様にして、２つのねじり要素にてジンバルが枠に結合され、これら２つのジンバルねじり要素はジンバルの両側に配置され、ジンバルの回転軸を定義する。鏡の回転軸はジンバルの回転軸に直交する。これらねじり要素は、緩められた状態においては、可動な鏡とジンバルを基板表面の平面に平行な平面内に維持する。
【０００７】
電極は鏡とシンバルの真下に配置される。これら電極は、鏡要素もしくはジンバルをその軸のまわりをいずれかの方向に回転できるように構成される。鏡もしくはジンバルは、鏡要素もしくはジンバルと固定された電極との間の静電的に引き付ける力（electrostatic attractive force）に応答して回転する。平衡位置においては、鏡のある与えられた角度（零度は緩められた傾きのない状態における角度として定義される）において、この引き付ける力は、ねじり要素の回復力と均衡する。回転の程度は電極に加えられた電圧の量に依存する。こうして、電極に加えられる電圧の量を制御することで、傾斜の角度が制御される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
Neilsonらによって開示されるクロスコネクトは、１１２の入力の任意の一つが１１２の出力の任意の一つに接続できるように構成される。この数の相互接続を達成するためには、このインタコネトク（つまり、鏡アレイ）は、入力信号を所望の出力ポートに方路できることを必要とされる。入力信号を所望の出力ポートに方路するためには、鏡の傾斜角度を制御することが非常に重要となる。このため、鏡を正確に傾斜させることが要求される。前述のように、鏡の平衡位置（電極と鏡の間の静電力がねじり要素の回復力と均衡する位置）によって鏡の傾斜角が定義される。このため、鏡の傾きを正確に制御するための機構が要求される。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、静電的に作動されるＭＥＭＳデバイスに関する。このＭＥＭＳアクチュエータデバイスは、作動される要素（例えば、鏡のような光学要素）を備える。この被作動要素は、支持構造に光学要素の回転軸を定義するねじり要素を介して取り付けられる。典型的には、光学要素の両側に固定された２つのねじり要素が目的のために用意される。支持構造は基板上に支持される。
【００１０】
幾つかの実施例においては、この支持構造は支持基板に移動可能に取り付けられる。可動支持構造の一例としては、ジンバルリングが考えられる。このジンバルを用いる構成は、被作動要素に第二の回転軸、従って、より多数の鏡位置を与える。この被作動要素／支持構造の下側の基板表面の上には固定電極が形成される。これら電極と被作動要素／支持構造との組合せによって静電アクチュエータが構成される。この被作動要素／支持構造は、この構造と下側電極との間の電位差に応答して移動する。
【００１１】
この電極は、被作動要素と下側電極との間に静電力を生成するように構成される。この静電力は、被作動要素を、ねじり要素にて定義される軸を中心として回転させる。一つの実施例においては、ペアの電極が被作動要素を時計まわりと反時計まわりの両方向に回転させるために設けられる。
【００１２】
この電極は３つのコンポーネントから成る。第一のコンポーネントは、被作動要素と電極との間に静電的に引き付ける力を与えることで軸のまわりの回転を起こさせる電極である。第二のコンポーネントは中性電極である。ここで用いられる中性電極とは、被作動要素に対して中性である電極を意味する。つまり、中性電極（第二のコンポーネント）は、被作動要素と同一の電圧あるいは電位に維持される。第三のコンポーネントは、被作動要素を回転させる静電力の非線形性を補償するように構成される。
【００１３】
この静電力は、ある与えられた印加電圧に対してこの力が被作動要素が電極に向って回転するにつれて増加するために非線形性である。ある一定の印加電圧（つまり、光学要素を動かすために要求される電圧より大きな電圧）および対応する回転の角度（光学要素の平らな状態からの傾斜の角度）において、静電力がねじり要素の回復力より大きな速度にて増加するようになり、ある時点で傾斜の角度はもはや制御不能となる。このため、被作動要素はある有限の角度まではその回転を制御できるが、その後の回転は制御不能となる。
【００１４】
電極の第三のコンポーネントは、静電力とねじり要素の回復力との間のこの非線形な関係を補償する。こうして、電極のこの第三のコンポーネントは、被作動要素を制御のきいた状態で回転できる角度レンジを（一つあるいは２つのコンポーネントから成る電極を用いて回転される光学要素と比較して）拡張する。
【００１５】
以下では本発明の３つのコンポーネントから成る電極の構成を被作動要素によって定義される傾斜領域に対する電極配置の観点から説明する。本発明の目的に対しては、被作動要素の傾斜領域とは、被作動要素の、被作動要素の下側の表面に投影されたときの表面領域として定義される。要素構成が与えられた場合、この傾斜領域は、傾斜度の関数として変化する。典型的には、この傾斜領域は、被作動要素が下側表面に対して概ね平行なとき（つまり、傾斜角度が約０度のとき）最も大きくなり、被作動要素が下側表面に向って傾斜してゆくにつれて（つまり、傾斜角度が大きくなるにつれて）小さくなる。
【００１６】
本発明の目的に対しては、ある電極コンポーネントは、そのコンポーネントの少なくとも幾らかの部分が傾斜の全レンジを通じて被作動要素の下側にある場合、傾斜領域の内側にあると定義される。逆に、ある電極コンポーネントは、その電極コンポーネント全体が傾斜のレンジの少なくともある部分の間に傾斜領域の外側にくる場合、傾斜領域の外側にあると定義される。この定義によると、第一と第二の電極コンポーネントは、第一と第二のコンポーネントの両方とも、少なくとも一部が全傾斜レンジを通じて光学要素の下側にあるために、傾斜領域の内側にあり；第三の電極コンポーネントは、傾斜レンジの少なくともある部分ではあるが第三の電極コンポーネントは光学要素の傾斜領域の完全に外側にくるために、傾斜領域の外側にある。第三のコンポーネントは、好ましくは、全傾斜レンジを通じて光学要素の傾斜領域の完全に外側にくるように配置される。
【００１７】
電極コンポーネントの被作動要素の傾斜領域に対する位置は、電極コンポーネントの位置によって電極コンポーネントによって生成される静電場の位置が定義されるために重要である。より具体的には、電極の第三のコンポーネントは、ある与えられた電圧に対して、第三のコンポーネントによって生成される静電場が被作動要素の下において被作動要素の上におけるよりも高くなる場合は、静電力を（第三のコンポーネントを備えない電極に対する力／電圧の関係と比較して）増加させる。本発明との関連では、この傾斜レンジの内の、静電場が被作動要素の下側において優勢となるような角度は、小さな傾斜角と呼ばれる。第三のコンポーネントは、ある与えられた電圧に対して、第三のコンポーネントによって生成される静電場が被作動要素の上において被作動要素の下におけるより高くなる場合は、静電力を（これも第三のコンポーネントを備えない電極に対する力／電圧関係と比較して）低減させる。こうして、これら条件の下では、被作動要素の底側は第三のコンポーネントによって生成される静電場の少なくとも一部から遮蔽される。
【００１８】
本発明のこの背景においては、この傾斜レンジ内の、被作動要素の底が静電場から遮蔽され、鏡（被作動要素）の上側が静電場に曝される角度は、大きな傾斜角と呼ばれる。本発明の目的に対しては、傾斜角度のレンジとは、（作動されてない状態における鏡の傾斜角として定義される）零度から回転を制御可能な最大の角度（つまり最大傾斜角度）までのレンジとして定義される。こうして（この定義によると）、本発明によると回転を制御することできる角度レンジが、全ての電極コンポーネントの少なくとも一部分が光学デバイスの傾斜領域内にくるように構成された電極を備えるアクチュエータと比較して拡張される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は静電MEMSアクチュエータに関する。本発明の静電的に作動されるＭＥＭＳデバイス（electrostatically actuated MEMS device）がここでは光学要素および関連する電極との関連で説明される。光学要素は、加えられる静電力に応答して回転するように構成される。関連する電極は光学要素を回転させる静電力を生成するように構成される。
【００２０】
回転可能なＭＥＭＳ光学要素（rotatable MEMS optical element）の一例を図１との関連で説明する。デバイス１０は、支持リング２０に回転可能に取り付けられた反射器１５を備える。反射器１５はばね要素２１、２２を介して回転可能に取り付けられる。ばね要素２１と２２は反射器１５の回転の軸を定義する。
【００２１】
支持リング２０は枠２５に回転可能に取り付けられる。支持リング２０は枠２５にばね要素２６と２７を介して回転可能に取り付けられる。ばね要素２６、２７は支持リング２０の回転の軸を定義する。こうして、支持リング２０は、反射器１５の第二の回転軸を与えるジンバルの働きをする。
【００２２】
この光学デバイスは基板表面３０の上に形成される。反射器１５、ジンバル２０および枠２５は、基板３０の表面より高く持ち上げられる。この目的のために、ヒンジ付の側壁３５と３６が設けられる。ヒンジ３８は、側壁３５、３６が第一の位置（図示せず）から図１に示す位置に旋回できるように設けられる。
【００２３】
側壁３５、３６は、Ｖ字型のノッチ４１を持つ。側壁３５、３６は枠２５に結合される。枠２５はテーパセクション４０を持つ。Ｖ字型のノッチ４１とテーパセクション４０との位置関係によってＶ字型ノッチがテーパセクション４０を捉えるように構成される。こうして、側壁３５、３６がそれらの直立位置へと旋回すると、枠２５がその最終位置へと上昇し、結果として支持リング２０と反射器１５が基板表面より上に持ち上げられ、枠２５は側壁３５、３６によってその最終位置に固定される。
【００２４】
枠２５を基板３０の表面より高く持ち上げるためにアクチュエータ７０が設けられる。アクチュエータ７０の一端は基板３０に固定される（図示せず）。アクチュエータ７０の他端７２は、基板には固着されず、アクチュエーティング力（例えば、層状構造内の残留応力）によって基板から上方に反らされる。このタイプのアクチュエータは当業者においては周知であるため、ここでの詳細な説明は割愛する。適当なアクチュエータについては１９９９年９月３日付けで出願された本発明と譲受人を同一とする合衆国特許出願第０９／３９０１５７号において開示されているため、これを参照されたい。
【００２５】
図１に示すデバイスは微細製造技術を用いて製造される。ＭＥＭＳデバイスを形成するための微細製造技術については当業者においては周知である。このような微細製造技術の一つは表面微細機械加工として知られている。表面微細機械加工においては、基板上に形成された材料の一つあるいは複数の層内に部材が描画される。表面微細機械加工の一例においては、部材は支持層にヒンジ接続される。この技法についてはPisterらによって“Microfabiricated Hinges”,Vol.33,Sensors and Actuators,pp.249-256（1997）において説明されている。この部材が次に部材と基板との間に設けられた犠牲層（典型的には二酸化シリコン）を除去することで基板から解き放される。この部材は支持層にヒンジ接続されているために、こうして解き放されると、支持層の平面から外れる方向に旋回する能力を持つ。こうして、これら部材は、解き放された時点で、それらが製造された層の平面から飛び出るように旋回し、三次元構造を形成する。
【００２６】
表面微細機械加工を用いると、三次元構造を三次元製造プロセスを用いて製造する場合と比較して、その三次元構造を構成する部材の解像度（つまり、描画の精度）をより容易に上げることが可能となる。この解像度の向上は、垂直方向の解像度（つまり、基板表面に対して直角方向の解像度）は水平方向の解像度（つまり、層の平面内の解像度）より達成が困難であるという事実に由来する。つまり、この表面微細機械加工においては、部材を水平方向に加工することで高い解像度が得られるという長所と、基板から部材を解き放した後に三次元構造を組み立てることができるという能力の両方が活かされる。
【００２７】
表面微細機械加工アプローチのもう一つの例としてマルチユーザＭＥＭＳプロセス（Multi-User MEMS Process、MUMP）として知られている。このＭＵＭＰプロセスは一商業MEMS鋳造業者であるCronos JDS Uniphaseから提供されている。このＭＵＭＰプロセスについてはAksyuk,V.によって“Micro Electro Mechanical Systems for Experimental Physics and Optical Telecommunication”,Ph.D thesis.New Brunswick,NJ:Rutgers University（1999）において概要が説明されているため、これを参照されたい。
【００２８】
図１においては、反射器１５はその軸１−１を中心として傾斜した状態にて示されている。支持リング２０はその軸２−２を中心として傾斜した状態にて示されている。これら傾斜は、静電力を反射器１５、支持リング２０あるいはこの両方に加えることで達成される。より具体的には、支持リング２０と反射器１５は、線形の弾性懸垂部材から成るばね２１、２２、２６および２７として示されるねじり要素を介して空中に保持される。ばね２１、２２、２６および２７は、反射器１５および支持リング２０が固定枠２５に対して１つのあるいはそれ以上の自由度にて移動できるように構成される。ばね２１、２２、２６および２７は、加えて、回復力を与えるようにも構成される。これらばねは、反射器に、平行移動よりも回転運動を与えるように構成される。本発明との関連では、平行移動とはＸ、ＹおよびＺ方向の移動として定義され、回転運動とはこれらばねによって定義される軸を中心としての回転として定義される。ねじり要素に対する適当な構成の例としては、ヘビ状構成や、長方形の断面を持つ真直ぐなビームが含まれる。Ｚ方向の変位には耐え、ねじり要素の軸のまわりの所望の回転スチフネス（rotational stiffness）を持つ構成が好ましい。
【００２９】
当業者においてはこれら緒条件を考慮してこれらばねに対する適当な構成を選択できるものと考える。従来の技術による電極構造が図２に示される。図２は、反射器１５の図１の線２−２に沿っての一半分の切り取り図である。反射器１５のこの一半分は、線２−２に沿ってのこの回転の軸から外周までの半分である。線１−１が反射器の回転の軸である。この回転の軸が図２においては点７５として示され、矢印７６は回転の方向を示す。
【００３０】
電極８０は２つのコンポーネント８１と８２を持つ。これら電極は基板３０上に形成された導電要素から成る。電極コンポーネント８１は電圧源（図示せず）に電気的に接続される。電極コンポーネント８２は反射器１５に対して中性に維持される（つまり、電極コンポーネント８２と反射器１５との間の電位差は０である）。こうして、電極コンポーネント８２と反射器１５は、共通電圧かグランドのいずれかに接続される。反射器１５を回転させるためには、電極コンポーネント８１に非零の電圧が加えられる。反射器１５も導電性であるために、反射器１５と電極コンポーネント８１との間に静電力が生成される。この静電力は、回転軸のまわりに非零のトルクを生ずる。この静電トルクに応答して、反射器１５は（ダッシュの線８５にて示される）その休止位置から角度αだけ回転する。反射器要素１５がその回転された均衡位置にある状態においては、静電トルクとばね（図１の２１と２２）の回復トルクの和は零となる。静電トルクはこの構成においてはある与えられた非零の電圧に対してαの関数となる。
【００３１】
この関係のために、鏡が安定的に回転できる最大角度αが存在し、この最大距離を超えると、反射器は不安定となる（つまり、その位置を印加電圧によって制御することは困難になる）。図２に示す構成に対しては、最大各αは、反射器４４がライン８５から電極の８０の端までの総距離の４４％に対応する点Ａを横切るところの角度によって定義される。このラインが図２に線７４として示される。
【００３２】
図３は（図２に示す従来の電極構成と比較して）反射器の傾斜の制御が改善される電極の一つの実施例を示す。図２に示す従来の技術による形態と同様に、電極８０は、２つのコンポーネント８１と８２を持つ。コンポーネント８１は、コンポーネント８１と反射器１５との間に静電力を生成するために電圧を受けるように適合化される。コンポーネント８２は反射器１５に対して中性に維持される。電極コンポーネント８２は反射器１５の端の付近で終端することに注意する。この様子を反射器１５の端を超えて延びる図２のコンポーネント８２と比較されたい。
【００３３】
電極８０はさらに第三のコンポーネント８３を持つ。コンポーネント８３は反射器１５の傾斜領域の外側に配置される。第三のコンポーネント８３も、コンポーネント８１と同様に、電圧を受けるように適合化される。電極８１と８３は電気的に接続することも、独立に付勢することもできる。コンポーネント８３は二重の目的を持つ。前述のように、傾斜角の第一のレンジ（図示せず）においては、この電極（コンポーネント８３）からの電場は反射器の底側と電極との間に集中する。この力は、従って（電圧の符号によって）任意に決まる電場の方向と関係なく、引き付ける力となる。こうして、この電極（コンポーネント８３）は、傾斜角度が小さなときは、引く力（つまり、正のトルク）を与える。
【００３４】
傾斜角度の第二のレンジ（つまり、先に定義され、図３に示すような大きな傾斜角度）においては、コンポーネント８３からの電場は反射器１５上に対して上向きの力を生成する。この上向きの力が矢印８７によって示される。この上向きの力は、電極コンポーネント８３が反射器１５の横に配置されることと、電極コンポーネント８２が存在することによる。電極コンポーネント８２が存在しない場合は、電極コンポーネント８３は反射器１５の横に位置するために、電極コンポーネント８３が反射器１５に与えるトルクは本質的に０となる。ただし、電極コンポーネント８２が反射器１５の底側のコンポーネント８３からの電場をスクリーニングし、こうして、コンポーネント８３からの電場が反射器１５の上側表面上に上向きの力を生成し、反射器１５に負のトルクを与える。この電場が矢印８８として示される。
【００３５】
こうして、小さな傾斜角を生じさせる電圧においては、電極コンポーネント８３は（コンポーネント８３を備えない電極と比較して）要求される作動電圧を低減させ、大きな傾斜角を生じさせる電圧においては、電極コンポーネント８３は（コンポーネント８３を備えない電極と比較して）傾斜角の増加とともに正味静電力が増加する速度を押さえる。こうして、電極コンポーネント８３は、（コンポーネント８３を備えない電極と比較して）反射器が安定した応答を持つことができる傾斜角度を拡張する。
【００３６】
本発明においては、第二の電極コンポーネントは上側要素（反射器）の傾斜領域を超えて延長するように構成される。当業者においては気付かれるように、第三の電極コンポーネントからの電場は、第三の電極コンポーネントの寸法並びに他の全てのコンポーネントおよび上側要素の寸法と位置の関数となる。つまり、ある第三の電極コンポーネントが与えられた場合、その電場が上側光学要素（反射器）に与える効果は、一般的には、第三の電極コンポーネントと上側光学要素との間の距離が増加するにつれて減少する。さらに、第三の電極コンポーネントが上側光学要素の傾斜領域内に入り込みすぎる場合は、第三の電極コンポーネントからの電場が傾斜の際に上側光学要素を不安定にさせる恐れがある。
【００３７】
一つの代替実施例として、第二の電極コンポーネントを第一と第三のコンポーネントの下側に配置することもできる。この構成は製造が容易である。つまり、これら電極がその上に形成される基板は、典型的には導電性であり、このためこの基板表面自体を第二の電極コンポーネントとして利用することができる。
【００３８】
本発明の一つの実施例を図４との関連で説明する。図４に示すように、ジンバル付の鏡１００が電極基板１１０の上側に配置される。鏡要素１１５は丸く、５００ミクロンなる直径を持つ。鏡要素１１５は、ジンバル１２０に線形の弾性ばね１１６、１１７を介して取り付けられる。ジンバル要素１２０は、６６０ミクロンなる外径を持つ。ジンバル要素１２０は、枠１２５に線形の弾性ばね１２１、１２２を介して取り付けられる。線形弾性要素１１６、１１７は鏡要素１１５の回転の軸を定義し、線形弾性要素１２１、１２２はジンバル要素１２０の回転の軸を定義する。
【００３９】
電極基板１１０は、ジンバル付の鏡１００の下（平な状態において）50ミクロンの距離に配置される。２つのセットの電極が設けられ；線形弾性要素１２１、１２２によって定義される回転軸の各側に１つのセットが配置される。ジンバルを回転させる電極は、電極１３２、１３２’と１３３、１３３’である。ジンバルを図４に示すように回転させるためには、電極１３２’と１３３’に電圧が加えられる。他の電極（１３０、１３０’；１３１、１３２および１３３）は中性（０ボルト）に維持される。電極１３３’はジンバル要素１２０の傾斜領域の外側に置かれることに注意する。こうして、この実施例においては、電極１３２’が第一の電極コンポーネントとして機能し、電極１３３’が第三の電極コンポーネントとして機能し、電極１３１が第二の電極コンポーネントとして機能する。図５に示すように鏡１１５を回転させるためには、電極１３０、１３２および１３２’に電圧が加えられ、他の全ての電極には０ボルトが加えられる。電極１３２と１３２’は、鏡１１５の傾斜領域の外側にあることに注意する。こうして、この実施例においては、電極１３０が第一の電極コンポーネントとして機能し、電極１３１が第二の電極コンポーネントとして機能し、電極１３２と１３２’が第三の電極コンポーネントとして機能する。
【００４０】
以下では図６との関連で本発明の長所について説明する。図６は、２つのアクチュエータ構成に対して、回転の角度を電圧の関数として示す。第一の構成は、両方のコンポーネントともその部分が傾斜領域内に位置する２つのコンポーネントから成る電極を備える。この構成の傾斜角と電圧との関係がライン２００として示される。第二の構成は、図５に示すような本発明による３つのコンポーネントから成る電極を備える。本発明によるアクチュエータに対する傾斜角と電圧との関係がライン２１０として示される。ライン２１０をライン２００と比較することで、本発明のアクチュエータは、２つのコンポーネントから成る電極を備えるアクチュエータと比較して、より大きな傾斜角のレンジを持つことがはっきりとわかる。
【００４１】
本発明が幾つかの実施例との関連で説明された。これら実施例は本発明を詳しく説明するために示されたものであり、当業者においては理解できるように、上で説明の実施例に対する様々な修正がクレームにおいて定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく可能である。より具体的には、静電アクチュエータが光スイッチとの関連で説明されたが、当業者においては説明のアクチュエータに対する様々なアプリケーションが可能である考えられる。例えば、本発明のアクチュエータを、作動される要素にプローブチップが設けられたセンサとして用いるために適合化することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】静電的に作動される光学要素の斜視図である。
【図２】図１の２つのコンポーネントから成る電極によって作動される光学要素の線２−２に沿っての部分の切取り略側面図である。
【図３】本発明による３つのコンポーネントから成る電極によって静電的に作動される光学要素の略側面図である。
【図４】本発明による静電アクチュエータと上側光学デバイスの一つの実施例を示す分解斜視図である。
【図５】本発明による静電アクチュエータと上側光学デバイスのもう一つの実施例を示す分解斜視図である。
【図６】本発明によるアクチュエータを用いて達成される傾斜角のレンジを電圧の関数として示す図である。
【符号の説明】
１０光学デバイス
２０支持リング（ジンバル）
１５反射器
２１、２２ばね要素
２５枠
２６、２７ばね要素
３０基板表面
３５、３６ヒンジ付の側壁
４１Ｖ字型ノッチ
４０テーパセクション
７０アクチュエータ
８０電極
８１第一の電極コンポーネント
８２第一の電極コンポーネント
８３第三のコンポーネント
１００ジンバル付の鏡
１１０電極基板
１１５鏡要素

Claims

マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータデバイスであって、
支持構造に回転可能に結合された光学要素であって、前記支持構造が前記光学要素を下側基板の表面の平面より上方の平面内に支持し、および前記下側基板の表面の、前記光学要素の真下の部分によって前記下側基板上の傾斜領域が限定されている光学要素と、
前記下側基板の表面上に形成された電極とを備え、この電極が前記光学要素をこの電極に電位が供給されたとき回転させるように構成され、この電極が少なくとも３つのコンポーネントから成り、第一のコンポーネントと第三のコンポーネントが作動電圧を受けるように適合化され、第二のコンポーネントが前記光学要素の電位と実質的に同一の電位となるように適合化され、前記第一と第二のコンポーネントが前記光学要素の傾斜領域内に少なくとも部分的に入るように配置され、前記第三のコンポーネントが全傾斜レンジを通じて前記光学要素の傾斜領域の完全に外側に配置され、前記第二のコンポーネントが前記第一と第三のコンポーネントの中間に配置され、
前記第三のコンポーネントは、その傾斜角度が大きなときは、電場が前記光学要素の上側表面上に上向きの力を生成し、およびその傾斜角度が小さなときは、電場が前記光学要素の底側表面上に引き付ける力を生成するように当該電場を発生し、これにより、前記光学要素を回転させる静電力の非線形性を補償するようにした、ことを特徴とするデバイス。
前記光学要素が鏡から成る請求項１記載のデバイス。
前記第二の電極と前記光学要素が、グランド電位に維持されるように適合化される請求項１記載のデバイス。
さらに、入力ポートのアレイとＭＥＭＳアクチュエータの関連する第一のアレイおよび出力ポートのアレイとＭＥＭＳアクチュエータの関連する第二のアレイを備え、前記ＭＥＭＳアクチュエータの第一のアレイがこの第一のアレイ内の光学要素に当たる光信号を入力ポートからＭＥＭＳアクチュエータの第二のアレイに制御下で方路するように適合化され、前記ＭＥＭＳアクチュエータの第二のアレイがこのアレイ内の光学要素に当たる光信号を出力ポートに方路するように構成される請求項１記載のデバイス。
前記光学要素がある角度レンジだけ回転し、前記第三の電極コンポーネントが前記全角度レンジを通じて前記光学要素の傾斜領域の外側にある請求項１記載のデバイス。
前記光学要素が、前記支持構造に少なくとも２つのねじり部材によって回転可能に結合される請求項１記載のデバイス。
光クロスコネクトであって、
基板によって支持される光学要素を含み、この光学要素が前記基板の上方に対応する支持部材に固着された複数のねじり部材によって懸垂され、前記光学要素が前記基板上に設けられた電極によって与えられる作動力に応答して前記ねじり要素によって限定される軸のまわりを回転するように適合化され、前記電極が少なくとも３つのコンポーネントから成り、第一のコンポーネントが作動電圧を受けるように適合化され、第二のコンポーネントが前記光学要素の電位と実質的に同一の電位となるように適合化され、第三のコンポーネントが作動電圧を受け、かつ全傾斜レンジを通じて前記基板上の前記光学要素によって限定される傾斜領域の下には全くこないように適合化され、
前記第三のコンポーネントは、その傾斜角度が大きなときは、電場が前記光学要素の上側表面上に上向きの力を生成し、およびその傾斜角度が小さなときは、電場が前記光学要素の底側表面上に引き付ける力を生成するように当該電場を発生し、これにより、前記光学要素を回転させる静電力の非線形性を補償するようにした、ことを特徴とする光クロスコネクト。
さらに、入力ポートのアレイとＭＥＭＳアクチュエータの関連する第一のアレイおよび出力ポートのアレイとＭＥＭＳアクチュエータの関連する第二のアレイを備え、前記ＭＥＭＳアクチュエータの第一のアレイがこの第一のアレイ内の光学要素に当たる光信号を入力ポートからＭＥＭＳアクチュエータの第二のアレイに制御下で方路するように適合化され、前記ＭＥＭＳアクチュエータの第二のアレイがこのアレイ内の光学要素に当たる光信号を出力ポートに方路するように構成される請求項７記載の光クロスコネクト。
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータデバイスであって、
支持構造に回転可能に結合された被作動要素であって、前記支持構造が前記被作動要素を下側基板の表面の平面の上方の平面内に支持し、前記下側基板の表面の、前記被作動要素の真下の部分によって前記下側基板上の傾斜領域が限定されている被作動要素と、
前記下側基板の表面上に形成された電極とを含み、この電極が前記被作動要素をこの電極に電位が供給されたとき回転させるように構成され、この電極が少なくとも３つのコンポーネントから成り、第一のコンポーネントと第三のコンポーネントが作動電圧を受けるように適合化され、第二のコンポーネントが前記被作動要素の電位と実質的に同一の電位となるように適合化され、前記第一と第二のコンポーネントが前記被作動要素の傾斜領域内に少なくとも部分的に入るように配置され、前記第三のコンポーネントが全傾斜レンジを通じて前記被作動要素の傾斜領域の完全に外側にくるように配置され、前記第二のコンポーネントが前記第一と第三のコンポーネントの中間に配置され、
前記第三のコンポーネントは、その傾斜角度が大きなときは、電場が前記被作動要素の上側表面上に上向きの力を生成し、およびその傾斜角度が小さなときは、電場が前記被作動要素の底側表面上に引き付ける力を生成するように当該電場を発生し、これにより、前記被作動要素を回転させる静電力の非線形性を補償するようにした、ことを特徴とするデバイス。
前記被作動要素が鏡から成る請求項９記載のデバイス。
前記被作動要素がプローブから成る請求項１０記載のデバイス。
前記第二の電極と光学要素がグランド電位となるように適合化される請求項９記載のデバイス。
前記被作動要素がある角度レンジだけ回転し、前記第三の電極コンポーネントが前記全角度レンジを通じて前記被作動要素の傾斜領域の外側にある請求項９記載のデバイス。
前記被作動要素が前記支持構造に少なくとも２つのねじり部材によって回転可能に結合される請求項９記載のデバイス。