JP4495095B2 - Micromirror device and mirror array - Google Patents
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Description
本発明は、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装置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 device and a mirror array used for optical switching elements for communication, measuring instruments, displays, scanners, wavelength selective switches, and the like.
インターネット通信網などにおける基盤となる光ネットワークの分野では、多チャンネル化、波長分割多重(WDM)化および低コスト化を実現する技術として、光MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術が脚光を浴びており、この技術を用いて光スイッチが開発されている(例えば、特許文献1参照)。このMEMS型の光スイッチの構成部品として最も特徴的なものがマイクロミラー装置である。光スイッチは、光を電気信号に変換することなく、また多重化された光を波長ごとに分波することなく経路切り替えを可能にする。このような光スイッチは、使用している経路に障害が発生した際に別の経路に信号を振り分け、通信できる状態を維持する際に使用される。 In the field of optical networks, which are the foundation of Internet communication networks, optical MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology is in the spotlight as a technology that realizes multi-channel, wavelength division multiplexing (WDM), and cost reduction. An optical switch has been developed using this technique (see, for example, Patent Document 1). The most characteristic component of this MEMS type optical switch is a micromirror device. The optical switch enables path switching without converting light into an electrical signal and without demultiplexing multiplexed light for each wavelength. Such an optical switch is used to maintain a state where signals can be distributed to another route when a failure occurs in the route being used, and communication is possible.
これに対して、近年、多重化された光を波長毎に分波し、それぞれの波長の光の経路を個別に選択する波長選択スイッチが研究開発されている(例えば、特許文献2参照)。この波長選択スイッチにもマイクロミラー装置が使用される。図8は特許文献2に開示された波長選択スイッチの構成を示すブロック図である。波長選択スイッチの波長多重信号入力ポート50には、異なる波長λ1〜λ5の光信号が多重化された波長多重信号が入力される。グレーティング等からなる光信号分波器51は、この波長多重信号を波長毎に分波して各入力ポート52〜56に入力する。入力ポート52〜56に対応して設けられる1入力4出力光スイッチ57〜61は、それぞれ1入力2出力光スイッチ70〜72,73〜75,76〜78,79〜81,82〜84を多段に接続した構成である。1入力4出力光スイッチ57の4本の出力線は、出力ポート66〜69に対応する5入力光信号合波器62〜65にそれぞれ接続される。同様に、1入力4出力光スイッチ58〜61の各4本の出力線は、5入力光信号合波器62〜65にそれぞれ接続される。5入力光信号合波器62〜65は、それぞれ入力された光信号を出力ポート66〜69へ結合する。
On the other hand, in recent years, a wavelength selective switch that demultiplexes multiplexed light for each wavelength and individually selects a light path of each wavelength has been researched and developed (for example, see Patent Document 2). A micromirror device is also used for this wavelength selective switch. FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the wavelength selective switch disclosed in
ここで、具体的なスイッチング例として、波長多重信号入力ポート50に入力された波長多重信号のうち波長λ1の光信号を出力ポート68へ出力する場合について説明する。波長λ1の光信号は、光信号分波器51で分波され、1入力4出力光スイッチ57に入力される。1入力4出力光スイッチ57の1段目の1入力2出力光スイッチ70を1入力2出力光スイッチ72側の出力が選択されるように設定し、2段目の1入力2出力光スイッチ72を5入力光信号合波器64側の出力が選択されるように設定する。これにより、入力ポート52から入力された光信号は、1入力2出力光スイッチ70,72を介して5入力光信号合波器64へ送られる。5入力光信号合波器64では、他の入力ポートからの光信号と合波して出力ポート68へ出力する。こうして、各波長の光の経路を選択することができる。
Here, as a specific switching example, a case will be described in which an optical signal having a wavelength λ1 among the wavelength multiplexed signals input to the wavelength multiplexed signal input port 50 is output to the
以上のような波長選択スイッチでは、1入力2出力光スイッチ70〜84の構成部品としてマイクロミラー装置を使用することができる。特許文献1に記載された従来のマイクロミラー装置の1例を図9、図10に示す。図9は従来のマイクロミラー装置の構成を示す分解斜視図、図10は図9のマイクロミラー装置の断面図である。
マイクロミラー装置100は、ミラーが形成されたミラー基板200と、電極が形成された電極基板300とが平行に配設された構造を有する。
In the wavelength selective switch as described above, a micromirror device can be used as a component of the 1-input 2-output optical switches 70-84. An example of a conventional micromirror device described in
The
ミラー基板200は、平面視略円形の開口を有する板状の枠部210と、平面視略円形の開口を有し、一対の可動枠連結部211a,211bにより枠部210の開口内に配設された可動枠220と、一対のミラー連結部221a,221bにより可動枠220の開口内に配設された平面視略円形のミラー230とを有する。枠部210、可動枠連結部211a,211b、可動枠220、ミラー連結部221a,221bおよびミラー230は、例えば単結晶シリコンで一体形成されている。また、枠部210の上面には、可動枠220およびミラー230を取り囲むような枠状部材240が形成されている。
The
一対の可動枠連結部211a,211bは、それぞれトーションバネから構成され、枠部210と可動枠220とを連結している。可動枠220は、一対の可動枠連結部211a,211bを通る図9の可動枠回動軸xを軸として回動することができる。
同様に、一対のミラー連結部221a,221bは、それぞれトーションバネから構成され、可動枠220とミラー230とを連結している。ミラー230は、一対のミラー連結部221a,221bを通る図9のミラー回動軸yを軸として回動することができる。可動枠回動軸xとミラー回動軸yとは、互いに直交している。結果として、ミラー230は、直交する2軸で回動する。
The pair of movable
Similarly, the pair of
電極基板300は、板状の基部310と、基部310の表面(上面)から突出し、対向するミラー基板200のミラー230と対向する位置に形成された段丘状の突出部320を有する。基部310と突出部320は例えば単結晶シリコンからなる。突出部320は、基部310の上面に形成された角錐台の形状を有する第2テラス322と、この第2テラス322の上面に形成された角錐台の形状を有する第1テラス321と、この第1テラス321の上面に形成された柱状の形状を有するピボット330とから構成される。このピボット330は、第1テラス321のほぼ中央に位置するように形成される。これにより、ピボット330は、ミラー230の中心に対向する位置に配設される。
The
突出部320の四隅とこの四隅に続く基部310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4つの電極340a〜340dが形成されている。また、基部310の上面には、突出部320を挟むように並設された一対の凸部360a,360bが形成されている。さらに、基部310の上面の突出部320と凸部360aおよび凸部360bとの間の箇所には、それぞれ配線370が形成されており、この配線370には、引き出し線341a〜341dを介して電極340a〜340dが接続されている。
Four
以上のようなミラー基板200と電極基板300とは、ミラー230とこのミラー230に対応する電極340a〜340dとが対向配置されるように、枠部210の下面と凸部360a,360bの上面とを接合することにより、図10に示すようなマイクロミラー装置100を構成する。マイクロミラー装置100においては、ミラー230を接地し、電極340a〜340dに正又は負の電圧を与えて、しかも電極340a〜340d間に非対称な電位差を生じさせることにより、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。
以上のようなマイクロミラー装置100を用いて1入力2出力光スイッチ70〜84を構成する場合は、入力ポートからの光信号をミラー230に照射し、ミラー230の反射光が2つの出力ポートのうちいずれか一方に入射するように、ミラー230の傾斜角を制御すればよい。
The
When the one-input / two-output
図9、図10に示した従来のマイクロミラー装置100では、ミラー230とばね221a,221bとの接続点を略固定点として、このような略固定点を2つ以上設け、この2つの略固定点を結ぶ軸をミラー回動軸yとしてミラー230を回動させていた。このような構成のマイクロミラー装置100では、回動軸を形成するばね221a,221bの大きさに応じた分だけ、個々のミラー230を離す必要がある。
In the
しかし、波長選択スイッチのようにグレーティング等で分波した各波長の光の経路を切り換えるためには、個々のミラーの間隔を一定値以下に狭める必要がある。分波した各波長の光の経路間隔に対してミラーの間隔が大きくなると、ミラーとミラーの間に光が当たってしまい、出力ポートにその波長の光を導けないという現象が生じる。グレーティングで分波された比較的密な波長間隔の光信号を波長選択スイッチでスイッチングするためには、ミラーの幅を例えば160μm以上とした場合、ミラーの間隔を40μm以下にしなければならないが、図9、図10に示した従来のマイクロミラー装置100では、このような狭いミラー間隔の要求を満たせないという問題点があった。
However, in order to switch the path of light of each wavelength demultiplexed by a grating or the like like a wavelength selective switch, it is necessary to narrow the interval between individual mirrors to a certain value or less. If the distance between the mirrors becomes larger than the path distance of the demultiplexed light of each wavelength, light strikes between the mirrors, and a phenomenon that the light of that wavelength cannot be guided to the output port occurs. In order to switch an optical signal having a relatively dense wavelength interval demultiplexed by the grating using the wavelength selective switch, when the mirror width is set to 160 μm or more, for example, the mirror interval must be set to 40 μm or less. 9. The
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、複数のミラーを近接して配置することができるマイクロミラー装置およびミラーアレイを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a micromirror device and a mirror array in which a plurality of mirrors can be arranged close to each other.
本発明は、平面視略矩形のミラーと、このミラーを回動可能に支持する少なくとも2つの伸縮可能な支持体と、前記ミラーと対向する下部基板の上に形成された、前記ミラーの傾斜角を制御する駆動電極と、前記ミラーの長さ方向の両側の前記下部基板上に形成された支持構造とを備えたマイクロミラー装置であって、前記少なくとも2つの支持体は、前記ミラーの長い方の2辺に沿った長さ方向の両端を支持するものであり、前記支持体の各々は、一端が前記ミラーの長さ方向の端部に接続され、他端が前記支持構造の前記長さ方向の端部に接続され、前記長さ方向と直交する方向に一定のピッチで複数回折り返す折り返し部を有し、前記長さ方向に沿った軸に対して垂直で、かつミラー面と平行な軸を第1の回動軸として前記ミラーが所望の角度に回動可能であると共に、前記長さ方向に沿った軸を第2の回動軸として前記ミラーが所望の角度に回動可能なように、前記支持体のばね定数が設定されることを特徴とするものである。
また、本発明のマイクロミラー装置の1構成例は、さらに、前記ミラーの中心部直下の前記下部基板上に、前記ミラーの裏面と接する導体からなる支点突起を備えるものである。
また、本発明のマイクロミラー装置の1構成例は、少なくとも2つ以上の前記駆動電極を備えるものである。
また、本発明のマイクロミラー装置の1構成例は、少なくとも3つ以上の前記駆動電極を備えるものである。
また、本発明のマイクロミラー装置の1構成例は、さらに、複数の前記駆動電極に印加する駆動電圧をそれぞれ独立に制御する電源を備えるものである。
また、本発明のミラーアレイは、マイクロミラー装置を前記長さ方向と直角の幅方向に沿って複数配置したことを特徴とするものである。
The present invention relates to a mirror having a substantially rectangular shape in plan view, at least two extendable supports for rotatably supporting the mirror, and an inclination angle of the mirror formed on a lower substrate facing the mirror. And a support structure formed on the lower substrate on both sides in the length direction of the mirror, wherein the at least two supports are the longer one of the mirrors. Each end of the support is connected to an end in the length direction of the mirror, and the other end is the length of the support structure. A folded portion that is connected to an end portion in the direction and that folds back multiple times at a constant pitch in a direction orthogonal to the length direction, and is perpendicular to an axis along the length direction and parallel to the mirror surface The mirror is located with the axis as the first pivot axis. And the spring constant of the support is set so that the mirror can be rotated to a desired angle with the axis along the length direction as a second rotation axis. It is characterized by this.
In addition, one configuration example of the micromirror device of the present invention further includes a fulcrum projection made of a conductor in contact with the back surface of the mirror on the lower substrate just below the center of the mirror.
In addition, one configuration example of the micromirror device of the present invention includes at least two or more drive electrodes.
Further, one configuration example of the micromirror device of the present invention includes at least three or more drive electrodes.
In addition, one configuration example of the micromirror device of the present invention further includes a power source that independently controls drive voltages applied to the plurality of drive electrodes.
The mirror array of the present invention is characterized in that a plurality of micromirror devices are arranged along a width direction perpendicular to the length direction.
本発明によれば、少なくとも2つの支持体が、ミラーの長さ方向の両端を支持するようにし、長さ方向に沿った軸に対して垂直で、かつミラー面と平行な軸を第1の回動軸としてミラーが所望の角度に回動可能であると共に、長さ方向に沿った軸を第2の回動軸としてミラーが所望の角度に回動可能なように、支持体のばね定数を設定することにより、ミラーが従来のマイクロミラー装置の回動軸に相当する第2の回動軸だけでなく、第1の回動軸の周りにも回動できるようにすることができ、各ミラー間の隙間に支持体を配置する必要性を排除することができる。その結果、本発明では、長さ方向と直角の幅方向に沿って複数のマイクロミラー装置を近接して配置することができ、ミラー間隔が小さい波長選択スイッチのような素子にマイクロミラー装置を適用することができる。 According to the present invention, at least two supports support both ends of the mirror in the length direction, and the first axis is perpendicular to the axis along the length direction and parallel to the mirror surface. The spring constant of the support is such that the mirror can be rotated to a desired angle as the rotation axis, and the mirror can be rotated to the desired angle with the axis along the length direction as the second rotation axis. By setting, the mirror can be rotated not only about the second rotation axis corresponding to the rotation axis of the conventional micromirror device but also about the first rotation axis, The need to place a support in the gap between each mirror can be eliminated. As a result, in the present invention, a plurality of micromirror devices can be arranged close to each other along the width direction perpendicular to the length direction, and the micromirror device is applied to an element such as a wavelength selective switch having a small mirror interval. can do.
また、本発明では、ミラーの中心部直下の下部基板上に、ミラーの裏面と接する支点突起を設けることにより、ミラーの駆動電極側への沈み込みを防ぐことができる。また、ミラーの沈み込みを防止することで、ミラーの回動軸の高さを規定することができる。すなわち、回動軸上にミラーが存在することになり、光学設計を容易にすることができると共に、設計からのずれ量を小さくすることができる。回動軸上にミラーがないと、ミラーの回転量によってミラーと他の光学素子との距離が変化することになり、この距離の変化を加味した光学系の設計あるいは距離の変化を補正する光学系の設計が必要となり、設計に負担が生じる。本発明では、このような負担を減じることができる。 Further, according to the present invention, by providing a fulcrum protrusion in contact with the back surface of the mirror on the lower substrate immediately below the center of the mirror, it is possible to prevent the mirror from sinking to the drive electrode side. Moreover, the height of the rotation axis | shaft of a mirror can be prescribed | regulated by preventing sinking of a mirror. That is, the mirror exists on the rotation axis, so that the optical design can be facilitated and the deviation from the design can be reduced. If there is no mirror on the rotation axis, the distance between the mirror and other optical elements changes depending on the amount of rotation of the mirror, and the optical system that takes this change in distance into account or an optical that corrects the change in distance A system design is required, and a burden is imposed on the design. In the present invention, such a burden can be reduced.
また、本発明では、少なくとも2つ以上の駆動電極を設けることにより、この駆動電極とミラーとの間に発生する静電力によって、ミラーを第1の回動軸周りに回動させることができる。その結果、本発明のマイクロミラー装置を波長選択スイッチに適用した場合には、グレーティングで分波された光信号をミラーで反射して所望の出力ポートに導くことができる。 In the present invention, by providing at least two or more drive electrodes, the mirror can be rotated around the first rotation axis by the electrostatic force generated between the drive electrodes and the mirror. As a result, when the micromirror device of the present invention is applied to a wavelength selective switch, an optical signal demultiplexed by a grating can be reflected by a mirror and guided to a desired output port.
また、本発明では、少なくとも3つ以上の駆動電極を設けることにより、この駆動電極とミラーとの間に発生する静電力によって、ミラーを第1の回動軸周りと第2の回動軸周りに回動させることができる。その結果、本発明のマイクロミラー装置を波長選択スイッチに適用した場合には、グレーティングで分波された光信号をミラーで反射して所望の出力ポートに導く際に、ミラーを第2の回動軸周りに回動させて、光信号を出力ポートからいったん逸らすことで、本来の出力ポート以外のポートに光信号が照射されることを防止できる。 In the present invention, by providing at least three or more drive electrodes, the mirror is moved around the first rotation axis and the second rotation axis by the electrostatic force generated between the drive electrode and the mirror. Can be rotated. As a result, when the micromirror device of the present invention is applied to a wavelength selective switch, the mirror is moved to the second position when the optical signal demultiplexed by the grating is reflected by the mirror and guided to a desired output port. By rotating the optical signal around the axis and once deflecting the optical signal from the output port, it is possible to prevent the optical signal from being applied to ports other than the original output port.
また、本発明では、複数の駆動電極に印加する駆動電圧をそれぞれ独立に制御する電源を設けることにより、ミラーの第1の回動軸周りの傾斜角度と第2の回動軸周りの傾斜角度とを独立に制御することができる。 Further, in the present invention, by providing a power source for independently controlling the drive voltages applied to the plurality of drive electrodes, the tilt angle around the first rotation axis and the tilt angle around the second rotation axis of the mirror are provided. And can be controlled independently.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1(A)は本発明の実施の形態に係るマイクロミラー装置の構成を示す平面図、図1(B)は図1(A)のマイクロミラー装置の斜視図、図2(A)は図1(A)のI−I断面図、図2(B)は図1(A)のII−II線断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A is a plan view showing a configuration of a micromirror device according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a perspective view of the micromirror device of FIG. 1A, and FIG. 2A is a sectional view taken along line II-II in FIG. 1A. FIG.
本実施の形態のマイクロミラー装置1は、平行平板型電極構造で発生させる静電力を駆動源とするものであり、平面視略矩形の平板状のミラー2と、ミラー2と対向する下部基板7上に形成された駆動電極3a,3b,3c,3dと、一端がミラー2に接続され、他端が下部基板7上に形成された支持構造8a,8bに接続された、ミラー2を回動可能に支持する支持体となるばね4a,4bと、下部基板7上に形成され、駆動電極3a,3b,3c,3dにそれぞれ駆動電圧を供給する配線5a,5b,5c,5dと、下部基板7上に形成されたピボット6と、下部基板7と、支持構造8a,8bとを備えている。なお、図1(A)、図1(B)では、下部基板7と支持構造8a,8bの記載を省略している。また、図1(A)では、下部基板7の表面に配線5a,5b,5c,5dを設けるようにしているが、配線5a,5b,5c,5dを下部基板7の内部に埋設してもよい。
The
図1(A)、図1(B)の例では、各ミラー2は略一定間隔で配置されている。ただし、波長選択スイッチで経路を選択する各光信号の周波数間隔が一定となるように設計した場合は、各ミラー2の間隔は一定ではなくなり、ミラー2の間隔が光信号の周波数に関係した式で算出される間隔になることがある。一方、波長選択スイッチで経路を選択する各光信号の波長間隔が一定となるように設計した場合は、各ミラー2の間隔は一定になることが一般的である。いずれの場合においても、ミラー2の配置とその他の光学素子の機能と相対位置関係によってミラー2の間隔が一定か否かが決定される。
In the example of FIGS. 1A and 1B, the
図3に示すミラー2の幅MWとミラー2のピッチMPとミラー2の長さMLなどは、波長選択スイッチで経路を選択する各光信号の波長間隔、光信号の通過帯域あるいは透過帯域、光信号のビームの仕様・設計によって決定される。一例を挙げると、ミラー2の幅MWは160μm、長さMLは400μm、ピッチMPは200μmである。このとき、理想的には光信号の波長間隔を100GHzとすると、通過帯域は80GHzとなる。
The width MW of the
ミラー2の動作仕様も素子の設計によって異なるが、本実施の形態ではミラー2とばね4a,4bとの2つの接続点を結ぶ軸に対して垂直で、かつミラー面と平行な軸(図1(A)、図1(B)の軸A)を第1の回動軸とするミラー2の回動を基本動作とし、ミラー2とばね4a,4bとの2つの接続点を結ぶ軸(図1(A)、図1(B)の軸B)を第2の回動軸とする微小回動も可能なミラー2の製造を目的としている。
Although the operation specifications of the
図9、図10に示した従来のマイクロミラー装置では、ミラー230とばねとの接続点を略固定点として、このような略固定点を2つ以上設け、この2つの略固定点を結ぶ軸を回動軸(図9のミラー回動軸y)としてミラー230を回動させていた。しかし、上述のように、波長選択スイッチでは、複数のミラーを近接して配置する必要があり、ミラーとミラーの隙間にばね等の支持体を配置することができない。
In the conventional micromirror device shown in FIGS. 9 and 10, the connection point between the
そこで、本実施の形態では、ばね4a,4bを主たる第1の回動軸Aではなく、副次的な第2の回動軸Bに沿った方向に配置し、ミラー2とばね4a,4bとの接続点を略固定点ではなく、可動点として動作させることによって、各ミラー間の隙間に支持体を配置する必要性を排除した。このような構造を採用することによって、回動軸Aの周りにミラー2を回動させることができ、複数のマイクロミラー装置1を近接して配置することができるので、ミラー間隔が小さい波長選択スイッチのような素子にマイクロミラー装置1を適用することができる。
Therefore, in the present embodiment, the
ミラー2とばね4a,4bは単結晶シリコンで一体形成されており、ミラー2には、ばね4a,4bを介して接地電位が印加される。そして、図示しない電源から配線5a,5b,5C,5dを介して駆動電極3a,3b,3c,3dに正又は負の駆動電圧を与えて、かつ駆動電極3a,3b,3c,3d間に非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー2を静電引力で吸引し、ミラー2を第1の回動軸A周り、あるいは第2の回動軸B周りの任意の方向へ回動させることができる。なお、シリコンで形成されたミラー2の上面には、赤外線の反射率を向上させるために、金あるいはアルミニウムなどの金属を堆積している。同様に、ミラー2の下面についても、金あるいはアルミニウムなどの金属を堆積している。
The
ただし、本実施の形態では、図9、図10に示したマイクロミラー装置とは異なり、ミラー2とばね4a,4bとの接続点をz軸方向に可動にする必要がある。すなわち、駆動電極3a,3b,3c,3dに駆動電圧を印加した場合に、ミラー2とばね4a,4bとの接続点が駆動電極側もしくは駆動電極と反対側に移動し易いようにしなければならない。そのために、駆動電極3a,3b,3c,3dの面積と駆動電圧とに応じた静電力が発生した場合に、所望の回転角度を実現できるばね定数を持ったばね4a,4bを作製する。
However, in the present embodiment, unlike the micromirror device shown in FIGS. 9 and 10, the connection point between the
従来のばねの設計では、ミラー面に垂直な方向へのミラーの沈み込みを防止するように設計されていたが、本実施の形態では、駆動電極側(−z方向)へのばね4a,4bの沈み込みを制御しながら、ミラー2の所望の回転角度を実現することが重要となる。そこで、ミラー2の第1の回動軸A周りの動作を設計する際に重要となるばね定数は、ミラー2とばね4a,4bとの2つの接続点を通る軸に対して平行、かつミラー2と垂直な平面(図1(A)、図1(B)におけるyz平面)に対して、平行な2方向(図1(A)、図1(B)のy,z軸に沿った2方向)のばね定数である。また、ミラー2の第2の回動軸B周りの動作を設計する際に重要となるばね定数として、回動軸B周りのばね定数がある。
In the conventional design of the spring, it was designed to prevent the mirror from sinking in the direction perpendicular to the mirror surface, but in this embodiment, the
このy,z軸方向のばね定数、及び回動軸B周りのばね定数は、駆動電極3a,3b,3c,3dの大きさと駆動電圧の大きさ、ミラー2の面積などによって決定される。x軸方向のばね定数は、ミラー間の接触の問題、動作時のミラー2のずれの問題、製造途中での歩留まりの問題を考慮して決定される。
The spring constants in the y and z axis directions and the spring constant around the rotation axis B are determined by the size of the
ばね4a,4bの構造パラメータを図4に示し、電極3a,3b,3c,3dの構造パラメータを図5に示す。図4において、SLはばね長さ、STLは折り返し部の長さ、SPはばねピッチ、SHPはばねハーフピッチ、SWはばね幅、SILは折り返し部からミラー2までの距離であるばね内側接続長、SOLは折り返し部から支持構造8a,8bまでの距離であるばね外側接続長、nは折り返し数である。図5において、ELは電極長さ、EWは電極幅、ELDは長さ方向電極間距離、EWDは幅方向電極間距離、PEDはピボット−電極間距離、PDはピボット径である。
The structural parameters of the
ミラー2を回動軸Aの周りに回動させるためには、駆動電極を3a,3bの組と3c,3dの組に2分割する必要がある。また、ミラー2を回動軸Bの周りに回動させるためには、駆動電極をさらに左右に2分割して独立に駆動電圧を制御できることが必要である。よって、本実施の形態では、駆動電極を3a,3b,3c,3dの4分割構成にしている。ただし、ミラー2を回動軸A,Bの周りに回動させるために必要な駆動電極の最低個数は3個である。駆動電極の最低個数が3個である理由は、ミラー2のB軸周りの回動が両方向ではなく、1方向のみでもその目的を達成できるからである。
In order to rotate the
ミラー2とばね4a,4bとの接続点がz軸方向に動き易いようにばね4a,4bを設計すると、駆動電極3a,3b,3c,3dに駆動電圧を印加した場合に、実現したいミラー2の角度を達成できないまま或いは制御できないまま、ミラー全体が駆動電極側に引き付けられてしまう場合がある。このような引き付けを防止するために、本実施の形態では、ミラー2の中心部直下の下部基板7上に支点突起となるピボット6を形成する。ピボット6は、シリコンや金等の導体からなり、ミラー2の電極対向面(下面)の表面電位と等しくなるように設定される。この電位設定は、ミラー2とピボット6との固着を防ぐためである。ピボット6は、ミラー2の中心が駆動電極側に引き付けられることを防止する。これにより、ミラー2は、回動軸A,Bの周りで回動する。このピボット6の上部を基準位置としてミラー2を回動させることができるので、ミラー2が回動中にミラー中心のZ方向の位置が変位しない。ピボット6は、ミラー2の回動軸の高さを正確に定めることができる。結果として光学設計からのずれ量を小さくすることができる。
If the
駆動電極3a,3bの組と3c,3dの組のどちらか一方の組に駆動電圧を印加するか、あるいは両方の組に異なる大きさの駆動電圧を印加して、図6に示すようにミラー2を回動軸A周りに回動させる場合、ピボット6はミラー2が沈み込まないように+z方向に力を作用させる。図6に示すミラー2の回動により、ばね4a,4bのうち駆動電極側に近づいた方のばね4aは、ミラー2の端部を+z方向に引き上げ、駆動電極側から遠のいた方のばね4bは、ミラー2の端部を−z方向に引き下げる。これに対して、ミラー2と駆動電極3a,3b,3c,3dとの間に生じる静電力は、−z方向にミラー2を引き付けるように作用する。概略的には、静電力とばね4a,4bのy,z方向の復元力とピボット6の力とが釣り合うことによって、ミラー2はある角度で停止する。
A drive voltage is applied to one of the pair of
なお、ミラー2の仕様と設計によっては、ピボット6は無くても構わない。ピボット6が無い場合、ミラー2が回動軸A周りに回動したときに、ばね4a,4bはいずれもミラー2の端部を+z方向に引き上げるように作用する。そして、静電力とばね4a,4bの復元力とが釣り合うところで、ミラー2は停止する。ピボット6が無い場合には、駆動電極3a,3bの組と3c,3dの組のどちらか一方の組に駆動電圧を印加してミラー2を回動させ、ばねと駆動電極間の距離がばね4a,4bで異なることでミラー2の傾斜角度が決まる。4つの駆動電極に電位を与えても良いが、ミラー2の沈み込み量を大きくしてしまうので、得策ではない。ミラー2は全体的に駆動電極側に引き寄せられるので、駆動電圧の大きさによって回動軸A,Bのz軸方向の位置が変動する。このような回動軸A,Bの沈み込み特性まで含めて制御するのであれば、ピボット6を使用する必要はなくなる。
Depending on the specification and design of the
ミラー2の傾斜角度を大きくするためには、ミラー2の長さMLを大きくすることが有効である。ミラー2の傾斜角度は、静電力と回動軸からの距離とを乗じたトルクによって大きさが決まる。回動軸からの距離を大きくすることにより、電極3a,3b,3c,3dで発生させた小さな静電力を大きなトルクとしてミラー2を回動させることが可能となる。
In order to increase the tilt angle of the
ただし、ミラー2の長さMLが大きいと、ミラー2が回動した際にミラー2の端部の変位量が大きくなり、下部基板7や電極3a,3b,3c,3dとミラー2とが衝突する可能性が大きくなるので、このような衝突を防ぐためには電極3a,3b,3c,3dとミラー2間のギャップを大きくすることが必要となる。よって、電極3a,3b,3c,3dあるいはミラー2の大面積化による駆動力の増大と大ギャップ化による駆動力の低下とを考慮して設計する必要がある。
However, if the length ML of the
ミラー2を回動軸B周りに回動させる場合には、駆動電極3a,3dの組と3b,3cの組に異なる大きさの駆動電圧を印加すればよい。この場合、ミラー2の左右で静電力が異なり、その結果、ミラー2が静電力の差分に応じた回動をすることになる。ミラー2は、静電力とばね4a,4bの回動軸B周りの復元力とピボット6の力とが釣り合ったところで停止する。
When the
次に、本実施の形態のマイクロミラー装置1を波長選択スイッチに適用した場合の動作を図7を用いて説明する。まず、各マイクロミラー装置1のミラー2には、図示しない入力ポートから例えばyz平面に平行な入射光(光信号)L1,L2,L3が入射する。そして、各ミラー2により入射光L1,L2,L3は+y方向に反射される。このとき、+y方向にはy軸に沿って図示しない複数の出力ポートが配置されているので、各ミラー2の回動軸A周りの傾斜角度を調整すれば、反射光L4,L5,L6をそれぞれ所望の出力ポートに入射させることができる。
Next, the operation when the
ところで、入射光L1,L2,L3は入力ポートから常時出力されているのであるから、光信号の経路を切り換えるために、ミラー2の回動軸B周りの角度を固定したまま、回動軸A周りの角度を変えると、ミラー2が所望の角度に達するまでに、光信号が本来の出力ポート以外のポートに入射してしまう可能性がある。このような出力の誤りにより、信号のクロストークが発生する。
By the way, since the incident lights L1, L2, and L3 are always output from the input port, the rotation axis A is maintained with the angle around the rotation axis B of the
そこで、光信号の経路を切り換える場合には、まずミラー2を回動軸B周りに回動させて、反射光をyz平面から+x方向または−x方向に傾けて出力ポートから逸らし、続いてミラー2を回動軸A周りに回動させて、反射光のy軸方向の位置を調整した上で、ミラー2を回動軸B周りに回動させて、反射光を出力ポートの上に戻すようにすれば、所望の出力ポートに光信号を出力することができる。これが、回動軸B周りの微小回動が必要な理由である。ミラー2を回動軸B周りに微小回動させることにより、光信号の経路選択時に他の出力ポートに光信号が誤って入射しないようにすることができ、信号のクロストークを低減することが可能となる。
Therefore, when switching the path of the optical signal, the
本発明は、例えば波長選択スイッチ等に適用することができる。 The present invention can be applied to, for example, a wavelength selective switch.
1…マイクロミラー装置、2…ミラー、3a,3b,3c,3d…駆動電極、4a,4b…ばね、5a,5b,5c,5d…配線、6…ピボット、7…下部基板、8a,8b…支持構造。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記少なくとも2つの支持体は、前記ミラーの長い方の2辺に沿った長さ方向の両端を支持するものであり、前記支持体の各々は、一端が前記ミラーの長さ方向の端部に接続され、他端が前記支持構造の前記長さ方向の端部に接続され、前記長さ方向と直交する方向に一定のピッチで複数回折り返す折り返し部を有し、
前記長さ方向に沿った軸に対して垂直で、かつミラー面と平行な軸を第1の回動軸として前記ミラーが所望の角度に回動可能であると共に、前記長さ方向に沿った軸を第2の回動軸として前記ミラーが所望の角度に回動可能なように、前記支持体のばね定数が設定されることを特徴とするマイクロミラー装置。 A mirror that is substantially rectangular in plan view, at least two extendable supports that rotatably support the mirror, and a drive that controls the tilt angle of the mirror formed on the lower substrate facing the mirror A micromirror device comprising an electrode and a support structure formed on the lower substrate on both sides in the length direction of the mirror,
The at least two supports support both ends in the length direction along the longer two sides of the mirror, and each of the supports has one end at the end in the length direction of the mirror. Connected, the other end is connected to the end in the length direction of the support structure, and has a folded portion that folds back multiple times at a constant pitch in a direction perpendicular to the length direction,
The mirror can be rotated at a desired angle with an axis perpendicular to the axis along the length direction and parallel to the mirror surface as a first rotation axis, and along the length direction. A micromirror device characterized in that a spring constant of the support is set so that the mirror can be rotated to a desired angle with an axis as a second rotation axis.
さらに、前記ミラーの中心部直下の前記下部基板上に、前記ミラーの裏面と接する導体からなる支点突起を備えることを特徴とするマイクロミラー装置。 The micromirror device according to claim 1, wherein
Furthermore, a fulcrum protrusion made of a conductor in contact with the back surface of the mirror is provided on the lower substrate directly below the center of the mirror.
少なくとも2つ以上の前記駆動電極を備えることを特徴とするマイクロミラー装置。 The micromirror device according to claim 1 or 2,
A micromirror device comprising at least two or more of the drive electrodes.
少なくとも3つ以上の前記駆動電極を備えることを特徴とするマイクロミラー装置。 The micromirror device according to claim 1 or 2,
A micromirror device comprising at least three or more drive electrodes.
さらに、複数の前記駆動電極に印加する駆動電圧をそれぞれ独立に制御する電源を備えることを特徴とするマイクロミラー装置。 The micromirror device according to any one of claims 1 to 4,
The micromirror device further includes a power source that independently controls drive voltages applied to the plurality of drive electrodes.
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