JP4835145B2 - マイクロアクチュエータ、マイクロアクチュエータアレー、マイクロアクチュエータ装置及び光スイッチシステム - Google Patents

Description

本発明は、

マイクロマシニング技術の進展に伴い、種々の分野においてマイクロアクチュエータの重要性が高まっている。マイクロアクチュエータが用いられている分野の一例として、例えば、光通信などに利用され光路を切り替える光スイッチを挙げることができる。このような光スイッチの一例として、例えば、下記特許文献１〜３に開示された光スイッチを挙げることができる。

マイクロアクチュエータは、固定部と、被駆動体（光スイッチの場合は、ミラー）が搭載され固定部に対して移動可能とされた可動部とを有し、可動部を所定の位置で保持し得るように構成される。例えば、下記特許文献１〜３に開示された光スイッチにおいて採用されているミラーを移動させるマイクロアクチュエータでは、静電力によって、可動部が固定部に当接する位置（ミラーが入射光をそのまま通過させる位置）に保持されるようになっている。また、このマイクロアクチュエータでは、バネ力によって、可動部が固定部から離れた位置（ミラーが入射光を反射させる位置）に復帰して保持されるようになっている。また、可動部を固定部から離れた位置から固定部に当接する位置に移動させる際に、ローレンツ力を用いている。このマイクロアクチュエータでは、このように駆動力として静電力とローレンツ力を用いるため、可動部には、静電力用の可動電極の他に、１つのローレンツ力用電流経路が設けられている。

そして、特許文献１に開示されているマイクロアクチュエータ装置は、このようなマイクロアクチュエータと、これを制御する制御部とから構成されている。このマイクロアクチュエータ装置では、前記制御部は、ミラーが入射光をそのまま通過させる状態（非反射状態）を継続させる場合には、可動部を固定部に当接する位置に継続して保持し続けるように、マイクロアクチュエータを制御している。

ところで、複数のマイクロアクチュエータを２次元状に配置しアレー化する場合には、アドレス回路等を搭載することなく外部に引き出す配線の本数を減らすことが要請される場合がある。特許文献２，３に開示された装置は、このような要請に応えている。
特開２００３−１５９６９８号公報 特開２００４−１８４５６４号公報 特開２００４−３３８０４５号公報

しかしながら、特許文献１〜３に開示された前記従来のマイクロアクチュエータ装置では、ミラーを長時間非反射状態とし続けると、可動部が固定部に貼り付いて離れなくなってしまうことで作動不良になったり、可動部が固定部から離れ難くなってしまうことで動作遅延が生じるおそれがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、可動部が固定部から離れ易くなって作動不良や動作遅延を招き難いマイクロアクチュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータアレー、マイクロアクチュエータ装置及び光スイッチシステムを提供することを目的とする。

また、本発明は、可動部が固定部から離れ易くなって作動不良や動作遅延を招き難く、しかも、アレー化した場合にアドレス回路等を搭載することなく外部に引き出す配線の本数を減らすことができるマイクロアクチュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータアレー、マイクロアクチュエータ装置及び光スイッチシステムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の態様によるマイクロアクチュエータは、固定部と、前記固定部から離れた第１の位置と前記固定部に当接する第２の位置との間を前記固定部に対して移動し得るように設けられた可動部と、を備え、前記固定部は第１の電極部を有し、前記可動部は、前記第１の位置に復帰しようとする復帰力が生ずるように設けられ、前記可動部は、前記第１の電極部との間の電圧により前記第１の電極部との間に静電力を生じ得る第２の電極部と、制御信号に応じて前記第１の位置から前記第２の位置へ向かう方向に静電力以外の駆動力を生じ得る第１の駆動力発生部と、制御信号に応じて前記第１の位置から前記第２の位置へ向かう方向及びその反対方向に静電力以外の駆動力を生じ得る第２の駆動力発生部と、を有するものである。

なお、前記復帰力は、バネ力に限定されるものではなく、例えば、駆動力発生部として圧電素子を採用した場合において、当該圧電素子に対する印加電圧をゼロにしたときに元の位置に復帰しようとする力でもよい。この点は、後述する態様についても同様である。

本発明の第２の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第１の態様において、前記第１の駆動力発生部は、磁界内に配置されて通電によりローレンツ力を生ずる第１の電流経路であり、前記第２の駆動力発生部は、磁界内に配置されて通電によりローレンツ力を生ずる第２の電流経路であるものである。

本発明の第３の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第２の態様において、前記第１及び第２の電流経路のうちの１つの電流経路と前記第２の電極とが、電気的に接続されたものである。

本発明の第４の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第１乃至第３のいずれかの態様によるマイクロアクチュエータと、該マイクロアクチュエータの動作を制御する制御部とを備えたマイクロアクチュエータ装置であって、前記制御部は、前記可動部が前記第２の位置に所定時間以上継続して位置しないように、前記可動部が、前記第２の位置から、前記第１の位置と前記第２の位置との間の第３の位置であって前記固定部から離れた第３の位置に位置した後に、前記第２の位置に戻る動作を行うように、前記マイクロアクチュエータを制御するものである。

本発明の第５の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第４の態様において、前記制御部は、前記可動部を前記第２の位置に保持するときに、前記第１及び第２の電極部の間に静電力が生ずるように電圧を印加するものである。

本発明の第６の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第４又は第５の態様において、前記第３の位置は、前記復帰力と前記第１の駆動力発生部又は前記第２の駆動力発生部による前記第１の位置から前記第２の位置へ向かう方向の駆動力とが釣り合う位置であるものである。

本発明の第７の態様によるマイクロアクチュエータアレーは、２次元状に配置された複数のマイクロアクチュエータを備え、前記複数のマイクロアクチュエータの各々が前記第１乃至第３のいずれかの態様によるマイクロアクチュエータであり、各行（又は各列）毎に当該行（又は当該列）のマイクロアクチュエータの前記第１の駆動力発生部に対する制御信号が同時に供給されるように配線され、各列（又は各行）毎に、当該列（又は当該行）のマイクロアクチュエータの前記第２の駆動力発生部に対する制御信号が同時に供給されるように配線されたものである。

本発明の第８の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第７の態様によるマイクロアクチュエータアレーと、前記複数のマイクロアクチュエータの動作を制御する制御部とを備えたマイクロアクチュエータ装置であって、前記制御部は、前記各マイクロアクチュエータの前記可動部が前記第２の位置に所定時間以上継続して位置しないように、当該可動部が、前記第２の位置から、前記第１の位置と前記第２の位置との間の第３の位置であって前記固定部から離れた第３の位置に位置した後に、前記第２の位置に戻る動作を行うように、前記複数のマイクロアクチュエータを制御するものである。

本発明の第９の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第８の態様において、前記制御部は、前記各マイクロアクチュエータの前記可動部を前記第２の位置に保持するときに、当該マイクロアクチュエータの前記第１及び第２の電極部の間に静電力が生ずるように電圧を印加するものである。

本発明の第１０の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第８又は第９の態様において、前記各マイクロアクチュエータの前記第３の位置は、当該マイクロアクチュエータの前記復帰力と当該マイクロアクチュエータの前記第１の駆動力発生部又は前記第２の駆動力発生部による前記第１の位置から前記第２の位置へ向かう方向の駆動力とが釣り合う位置であるものである。

本発明の第１１の態様による光スイッチシステムは、前記第４乃至第６並びに第８乃至第１０のいずれかの態様によるマイクロアクチュエータ装置と、前記可動部に設けられたミラーと、を備えたものである。

本発明の第１２の態様による光スイッチシステムは、前記第１１の態様において、前記可動部が前記第１の位置に位置しているときに、前記ミラーが反射状態及び非反射状態のうちの一方の状態となり、前記可動部が前記第２の位置及び第３の位置に位置しているときに、前記ミラーが反射状態及び非反射状態のうちの他方の状態となるものである。

本発明によれば、可動部が固定部から離れ易くなって作動不良や動作遅延を招き難いマイクロアクチュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータアレー、マイクロアクチュエータ装置及び光スイッチシステムを提供することができる。

また、本発明によれば、可動部が固定部から離れ易くなって作動不良や動作遅延を招き難く、しかも、アレー化した場合にアドレス回路等を搭載することなく外部に引き出す配線の本数を減らすことができるマイクロアクチュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータアレー、マイクロアクチュエータ装置及び光スイッチシステムを提供することができる。

以下、本発明によるマイクロアクチュエータ、マイクロアクチュエータアレー、マイクロアクチュエータ装置及び光スイッチシステムについて、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態による光スイッチシステムを示す概略構成図である。説明の便宜上、図１に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する（後述する図についても同様である。）。図１において、Ｘ’軸及びＹ’軸は、Ｘ軸及びＹ軸をそれぞれＺ軸回りに４５゜回転した軸を示す。光スイッチアレー１の基板１１の面がＸＹ平面と平行となっている。また、Ｚ軸方向のうち矢印の向きを＋Ｚ方向又は＋Ｚ側、その反対の向きを−Ｚ方向又は−Ｚ側と呼び、Ｘ軸方向及びＹ軸方向についても同様とする。なお、Ｚ軸方向の＋側を上側、Ｚ軸方向の−側を下側という場合がある。

この光スイッチシステムは、図１に示すように、光スイッチアレー１と、ｍ本の光入力用光ファイバ２と、ｍ本の光出力用光ファイバ３と、ｎ本の光出力用光ファイバ４と、光スイッチアレー１に対して後述するように磁界を発生する磁界発生部としての磁石５と、光路切替状態指令信号に応答して、当該光路切替状態指令信号が示す光路切替状態を実現するための制御信号を光スイッチアレー１に供給する制御部としての外部制御回路６と、を備えている。図１に示す例では、ｍ＝３、ｎ＝３となっているが、ｍ及びｎはそれぞれ任意の数でよい。

本実施の形態では、磁石５は、光スイッチアレー１の下側に配置された永久磁石であり、光スイッチアレー１に対して、Ｘ軸方向に沿ってその＋側へ向かう略均一な磁界を発生している。もっとも、磁界発生部として、磁石５に代えて、例えば、他の形状を有する永久磁石や、電磁石などを用いてもよい。

光スイッチアレー１は、図１に示すように、基板１１と、基板１１上に配置されたｍ×ｎ個のミラー３１とを備えている。ｍ本の光入力用光ファイバ２は、基板１１に対するＹ’軸方向の一方の側からＹ’軸方向に入射光を導くように、ＸＹ平面と平行な面内に配置されている。ｍ本の光出力用光ファイバ３は、ｍ本の光入力用光ファイバ２とそれぞれ対向するように基板１１に対する他方の側に配置され、光スイッチアレー１のいずれのミラー３１によっても反射されずにＹ’軸方向に進行する光が入射するように、ＸＹ平面と平行な面内に配置されている。ｎ本の光出力用光ファイバ４は、光スイッチアレー１のいずれかのミラー３１により反射されて−Ｘ’軸方向に進行する光が入射するように、ＸＹ平面と平行な面内に配置されている。ｍ×ｎ個のミラー３１は、ｍ本の光入力用光ファイバ２の出射光路と光出力用光ファイバ４の入射光路との交差点に対してそれぞれ、後述するマイクロアクチュエータにより進出及び退出可能にＺ軸方向に移動し得るように、２次元マトリクス状に基板１１上に配置されている。なお、本例では、ミラー３１の向きは、その法線がＸＹ平面と平行な面内においてＹ軸’と４５゜をなすＹ軸と平行となるように設定されている。もっとも、その角度は適宜変更することも可能であり、ミラー３１の角度を変更する場合には、その角度に応じて光出力用光ファイバ４の向きを設定すればよい。なお、この光スイッチシステムの光路切替原理自体は、従来の２次元光スイッチの光路切替原理と同様である。

図２は、図１中の光スイッチアレー１を模式的に示す概略平面図である。光スイッチアレー１は、基板１１（図２では図示せず）と、該基板１１上に２次元状に配置されたｍ×ｎ個の可動板１２と、各可動板１２に搭載されたミラー３１とを備えている。図１及び図２並びに後述する図では、説明を簡単にするため、９個の光スイッチを３行３列に配置しているが、光スイッチの数は何ら限定されるものではない。光スイッチアレー１のうちのミラー３１以外の部分が、マイクロアクチュエータアレーを構成している。なお、本発明では、マイクロアクチュエータや光スイッチは、アレー化することなく単体で用いてもよい。

次に、図１中の光スイッチアレー１の単位素子としての１つの光スイッチの構造について、図３乃至図６を参照して説明する。

図３は、図１中の光スイッチアレー１の単位素子としての１つの光スイッチを模式的に示す概略平面図である。図４は、図３中のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図である。ただし、図４は可動板１２の断面のみを示している。図５は、図３中の可動板１２を上から見たときのＡｌ膜２２のパターン形状を示す図である。理解を容易にするため、図５において、Ａｌ膜２２の部分にハッチングで示している。なお、図５には、基板１１に形成された固定電極４１ａも破線で示している。図６は、図３及び図５中のＢ−Ｂ’線に沿った断面を＋Ｙ側から−Ｙ軸方向に見た概略断面図である。ただし、図６には、−Ｙ軸方向に見たミラー３１も併せて示している。図６は、ミラー３１が上側に保持されて光路に進出した状態を示している。なお、図６では、図面表記の便宜上、後述する凸部２４の図示を省略してそれによる段差がないものとして示している。

光スイッチアレー１の単位素子としての１つの光スイッチは、図２及び図３に示すように、シリコン基板等の基板１１上に設けられ基板１１と共に１つのマイクロアクチュエータを構成する可動部としての１つの可動板１２と、可動板１２に搭載された被駆動体である光学素子としてのミラー３１とを有している。

可動板１２は、薄膜で構成され、図３乃至図６に示すように、可動板１２の平面形状の全体に渡る下側の窒化ケイ素膜（ＳｉＮ膜）２１及び上側のＳｉＮ膜２３と、これらの膜２１，２３の間において部分的に形成された中間のＡｌ膜２２とから構成されている。すなわち、可動板１２は、下から順にＳｉＮ膜２１，２３を積層した２層膜からなる部分と、下から順にＳｉＮ膜２１、Ａｌ膜２２及びＳｉＮ膜２３を積層した３層膜からなる部分とを、併有している。Ａｌ膜２２のパターン形状は図５に示す通りであるが、これについては後述する。可動板１２は、ＳｉＮ膜２１，２３とＡｌ膜２２との熱膨張係数の差によって生じる内部応力、並びに、成膜時に生じた内部応力により、図６に示すように基板１１に対して上向き（＋Ｚ方向）に湾曲するように、予め定められた膜厚及び成膜条件によって形成されている。

可動板１２は、図３に示すように、ミラー３１を搭載するための搭載部（すなわち、ミラー３１用の支持基体）としての長方形状のミラー搭載板１２ａと、ミラー搭載板１２ａの端部に接続された２本の帯状の支持板１２ｂとを含む。本実施の形態では、これらの２本の支持板１２ｂが、互いに機械的に並列接続された２本の梁部となっている。支持板１２ｂは、それぞれの端部に脚部１２ｃ及び脚部１２ｄを有している。脚部１２ｃ及び１２ｄはいずれも基板１１に固定されており、可動板１２は、脚部１２ｃ及び１２ｄを固定端として、図６に示すように、ミラー搭載板１２ａ側が持ち上がるようになっている。このように、本実施の形態では、可動板１２は、脚部１２ｃ及び１２ｄを固定端とする片持ち梁構造を持つ可動部となっている。本実施の形態では、基板１１及びこれに積層された後述する絶縁膜１３，１４，１５等が、固定部を構成している。

可動板１２には、図３に示すように、可動板１２のミラー３１を搭載している部分を含む領域を取り囲むように、凸部２４が設けられている。凸部２４は、図４に示すように、可動板１２を構成する複層膜を凸型にすることにより形成されている。このように凸部２４を設けることにより、段差が生じるため、可動板１２のうち、凸部２４で囲まれた領域及び凸部２４が設けられた領域は、内部応力による湾曲が抑制され、平面性を維持することができる。このため、可動板１２は、図６のように内部応力による湾曲によりミラー３１を上側の位置に持ち上げた状態であっても、ミラー３１を搭載している部分は平面であるため、搭載されているミラー３１の形状を一定に保つことができる。

このように、可動板１２は、凸部２４で囲まれた領域及び凸部２４が設けられた領域は湾曲が抑制されるが、支持板１２ｂの脚部１２ｄに近い領域は、凸部２４が設けられていない。これにより、凸部２４が設けられていない支持板１２ｂの領域の湾曲によって、可動板１２は、脚部１２ｃ，１２ｄを固定端として、図６のように、ミラー搭載板１２ａ側が持ち上がるようになっている。また、支持板１２ｂの脚部１２ｄに近い領域は、凸部２４が設けられていないことにより、弾性部としての板ばね部となっている。

ここで、可動板１２のＡｌ膜２２の形状について、図５を参照して説明する。本実施の形態では、駆動力として２つのローレンツ力と静電力の合計３つの力を用いて可動板１２を駆動するために、図５に示すような形状に、Ａｌ膜２２をパターニングしている。

Ａｌ膜２２のうちパターン２２ａは、２つの脚部１２ｄのそれぞれから、可動板１２の外周の縁に沿って延びて可動板１２の先端側（＋Ｘ側）まで延び、可動板１２の先端の一辺１２ｅに沿ってＹ軸方向に延びた直線状のパターン２２ｃに接続されている。パターン２２ｃは、磁界内に配置されて通電により駆動力としての第１のローレンツ力を生じる第１の電流経路（第１のローレンツ力用電流経路）である。以下、パターン２２ｃを第１のローレンツ力電流経路２２ｃと呼ぶ場合がある。パターン２２ｃもＡｌ膜２２のうちのパターンである。パターン２２ａは、ローレンツ力電流経路２２ｃに電流を供給するための配線パターンである。パターン２２ａは、図６に示すように、＋Ｙ側の脚部１２ｄにおいて絶縁膜１５及びＳｉＮ膜２１のコンタクトホールを介してＡｌ膜等からなる配線パターン４２ａに接続されるとともに、−Ｙ側の脚部１２ｄにおいて同様に別の配線パターン（図６では図示せず）と接続され、脚部１２ｄを介してそれらの配線パターンから第１のローレンツ力用駆動信号としての電流が供給される。図１に示す磁石５によって、ローレンツ力用電流経路２２ｃがＸ軸方向の磁界内に置かれている。したがって、パターン２２ａを介してローレンツ力電流経路２２ｃに電流を供給すると、第１のローレンツ力用電流経路２２ｃに、その電流の向きに応じて、＋Ｚ方向又は−Ｚ方向のローレンツ力が生ずる。

なお、図６及び図７に示すように、基板１１上には、基板１１側から順にシリコン酸化膜等の絶縁膜１３，１４，１５が積層され、配線パターン４２ａは、絶縁膜１４，１５間に形成されている。

Ａｌ膜２２のうちパターン２２ｂは、２つの脚部１２ｃのそれぞれから、可動板１２の内側の縁に沿って延びて可動板１２の先端側（＋Ｘ側）まで延び、パターン２２ｃと隣接して平行してＹ軸方向に延びた直線状のパターン２２ｄに接続されている。パターン２２ｄは、磁界内に配置されて通電により駆動力としての第２のローレンツ力を生じる第２の電流経路（第２のローレンツ力用電流経路）である。以下、パターン２２ｄを第２のローレンツ力電流経路２２ｄと呼ぶ場合がある。パターン２２ｄもＡｌ膜２２のうちのパターンである。第２のローレンツ力用電流経路２２ｄの形状は、第１のローレンツ力用電流経路２２ｃの形状とほぼ同じ形状を有しているため、両者に同じ大きさの電流を互いに逆方向に流すと、両者に生ずるローレンツ力がほぼ同じで逆向きとなり打ち消し合うことになる。

また、パターン２２ｂは、可動板１２の先端側に配置された長方形状のパターン２２ｅに接続されている。パターン２２ｅは、駆動力としての静電力を発生するための可動電極である。以下、パターン２２ｅを可動電極２２ｅと呼ぶ場合がある。パターン２２ｅ，２２ｂもＡｌ膜２２のうちのパターンである。

パターン２２ｂは、ローレンツ力電流経路２２ｄに電流を供給するため及び可動電極２２ｅに電位を印加するための配線パターンである。パターン２２ｂは、＋Ｙ側の脚部１２ｃにおいて絶縁膜１５及びＳｉＮ膜２１のコンタクトホールを介してＡｌ膜等からなる配線パターン（図６では図示せず）に接続されるとともに、−Ｙ側の脚部１２ｃにおいて同様に別のローレンツ力用配線パターン（図６では図示せず）と接続されている。脚部１２ｃを介してそれらの配線パターンから、第２のローレンツ力用駆動信号としての電流が供給される。図１に示す磁石５によって、ローレンツ力用電流経路２２ｄがＸ軸方向の磁界内に置かれている。したがって、パターン２２ｂを介してローレンツ力電流経路２２ｄに電流を供給すると、ローレンツ力用電流経路２２ｄに、その電流の向きに応じて、＋Ｚ方向又は−Ｚ方向のローレンツ力が生ずる。また、その電流供給状態から切り替えて、Ａｌ膜からなる固定電極４１ａとの間に電圧（静電力用電圧、静電力用駆動信号）が印加される。固定電極４１ａは、図５及び図６に示すように、基板１１上の絶縁膜１３，１４間に形成され、可動電極２２ｅと対向する位置に配置されている。可動電極２２ｅと固定電極３５との間に電圧が印加されると、両者の間に駆動力としての静電力が生じ、この静電力により可動板１２は基板１１に引き寄せられる。

本実施の形態では、可動電極２２ｅと固定電極４１ａとの間の静電力用電圧、第１のローレンツ力用電流経路２２ｃに流す電流、及び第１のローレンツ力用電流経路２２ｄに流す電流を制御することで、ミラー３１が上側（基板１１と反対側）に保持された状態（図６、後述する図７（ａ））、ミラー３１が後述する図７（ｃ）に示す下側位置に保持された状態、及び、ミラー３１が後述する図７（ｂ）に示す下側中間位置に保持された状態にすることができる。本実施の形態では、後述するように、外部制御回路６によって、このような制御が行われるようになっている。

図７は、１つの光スイッチの可動部及びこれに設けられたミラー３１が保持される各位置を模式的に示す概略側面図である。図７において、各部の構造は大幅に簡略化して示している。図６及び図７において、Ｋは、ミラー３１の進出位置に対する光路の断面を示している。なお、図７（ａ）は、図６と同じ状態を示している。

ここで、いかなる制御信号を与えることによって、図３乃至図６に示す１つの光スイッチのミラー３１が図７に示す各位置に保持されるかについて、図８を参照して説明する。図８は１つの光スイッチに与える制御信号の例を示す説明図である。図８において、図５中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

ここでは、理解を容易にするため、図８に示すように、切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬ、可変直流電圧源ＶＶ，ＶＨ及び可変直流電流源ＩＶ，ＩＨが接続されているものと、考える。

図８に示すように、−Ｙ側の脚部１２ｄにおいて、パターン２２ａがグラウンド（接地）に接続されている。一方、＋Ｙ側の脚部１２ｄにおけるパターン２２ａとグラウンドとの間に可変直流電流源ＩＶが接続されている。したがって、可変直流電流源ＩＶからの電流が第１のローレンツ力用電流経路２２ｃに流れる第１のローレンツ力用電流となる。可変直流電流源ＩＶは、例えば、正電流＋Ｉ（この値の設定例は後述する。）、及び、ゼロから負電流−Ｉ（この値の設定例は後述する。）までの値の可変の電流を出力し得るものとする。ここで、正電流とは、第１のローレンツ力用電流経路２２ｃに−Ｚ方向（基板１１へ向かう方向）の第１のローレンツ力を生じさせる電流をいい、負電流とは、第１のローレンツ力用電流経路２２ｃに＋Ｚ方向（基板１１から遠ざかる方向）の第１のローレンツ力を生じさせる電流をいう。

切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬは互いに連動して切り替わり、切替スイッチＳＷＲの接点ａ１，ｃ１間が選択的に接続されるとともに切替スイッチＳＷＬの接点ａ２，ｃ２間が選択的に接続された状態と、切替スイッチＳＷＲの接点ｂ１，ｃ１間が選択的に接続されるとともに切替スイッチＳＷＬの接点ｂ２，ｃ２間が選択的に接続された状態とに、切り替わる。

図８に示すように、切替スイッチＳＷＲの共通接点ｃ１は、＋Ｙ側の脚部１２ｃにおいてパターン２２ｂに接続されている。切替スイッチＳＷＲの切替接点ａ１とグラウンドとの間に、可変直流電圧源ＶＨが接続されている。可変直流電圧源ＶＨは、例えば、接地電位を基準とした負の電位−Ｖ（この値の設定例は後述する。）とゼロ電位（接地電位）とを選択的に切替接点ａ１に印加し得るものとする。切替スイッチＳＷＲの切替接点ｂ１とグラウンドとの間に、可変直流電流源ＩＨが接続されている。可変直流電流源ＩＨは、切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬが切替接点ｂ１，ｂ２側（すなわち、可変直流電流源ＩＨ側）に切り替えられている場合、ゼロから正電流＋Ｉまでの値の可変の電流を出力し得るものとする。ここで、正電流とは、第２のローレンツ力用電流経路２２ｄに−Ｚ方向（基板１１へ向かう方向）の第２のローレンツ力を生じさせる電流をいう。

図８に示すように、切替スイッチＳＷＬの共通接点ｃ２は、−Ｙ側の脚部１２ｃにおいて、パターン２２ｂに接続されている。また、切替スイッチＳＷＬの切替接点ａ２は電気的に浮いており、切替スイッチＳＷＬの切替接点ｂ２は、グラウンドに接続されている。

したがって、切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬが切替接点ｂ１，ｂ２側（すなわち、可変直流電流源ＩＨ側）に切り替えられている場合、可変直流電流源ＩＨからの電流が第２のローレンツ力用電流経路２２ｄに流れる第２のローレンツ力用電流となる。この切替状態では、可変直流電流源ＩＨから第２のローレンツ力用電流が流れると、パターン２２ｂ，２２ｄの電気抵抗により電圧降下が生ずる。しかし、パターン２２ｂ，２２ｄの電気抵抗は小さいことから、この第２のローレンツ力用電流によるパターン２２ｂ，２２ｄの電圧降下はほぼゼロであるため、可動電極２２ｅには接地電位を基準としたほぼゼロの電位（ほぼ接地電位）が印加されることになる。第２のローレンツ力用電流によるパターン２２ｂ，２２ｄの電圧降下は、可変直流電圧源ＶＶによって印加される電位よりも小さくすることができるので、無視して良い。すなわち、切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬが可変直流電流源ＩＨ側に切り替えられている場合は、可動電極２２ｅに印加されている電位は、近似的に、接地電位を基準としたゼロの電位（すなわち、接地電位）であるとして差し支えない。以下の説明では、このような状態では、可動電極２２ｅの電位はゼロであるとする。

一方、切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬが切替接点ａ１，ａ２側（すなわち、可変直流電圧ＶＨ側）に切り替えられている場合、第２のローレンツ力用電流経路２２ｄには第２のローレンツ力用電流は流れず、可動電極２２ｅには、接地電位を基準とした可変直流電圧源ＶＨによる電位が印加される。

また、図８に示すように、固定電極４１ａとグラウンドとの間には、可変直流電圧源ＶＶが接続されている。可変直流電圧源ＶＶは、例えば、接地電位を基準とした正の電位＋Ｖ（この値の設定例は後述する。）とゼロ電位（接地電位）とを選択的に固定電極４１ａに印加し得るものとする。

図７（ａ）は、前記静電力（固定電極４１ａと可動電極２２ｅとの間の電圧（電位差）による両者間の静電力）並びに前記第１及び第２のローレンツ力が印加されていない状態を示している。また、切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬを可変直流電流源ＩＨ側に切り替えた状態で、ローレンツ力用電流経路２２ｄ，２２ｅに互いに同じ大きさのローレンツ力用電流を互いに逆方向に流した場合にも、両者に生ずる第１及び第２のローレンツ力がほぼ同じで逆向きとなり打ち消し合うので、ほぼ図７（ａ）に示す状態となる。換言すれば、図７（ａ）に示す状態において、ローレンツ力用電流経路２２ｄ，２２ｅに互いに同じ大きさのローレンツ力用電流を互いに逆方向に流せば、図７（ａ）に示す状態を維持することができる。なお、図７（ａ）に示す状態において、固定電極４１ａと可動電極２２ｅとの間の電圧がＶ又は２Ｖとなっても、固定電極４１ａと可動電極２２ｅとの間の距離が十分に長く、両者の間に作用する静電力は十分に小さくて、ほぼ図７（ａ）に示す状態が保持される。

切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬの切替状態、並びに、可変直流電圧源ＶＶ，ＶＨ及び可変直流電流源ＩＶ，ＩＨの出力とによって当該光スイッチに供給される電流及び電圧が、当該光スイッチに対する制御信号である。図７に示す各状態に保持するのに必要な制御信号の例は、以下の説明から理解される。

図７（ａ）に示す状態では、可動板１２における支持板１２ｂの脚部１２ｄに近い領域がなす板ばね部のバネ力によって、＋Ｚ方向に湾曲した状態に復帰し、可動部が固定部から離れてミラー３１が上側位置に保持される。これにより、ミラー３１が光路Ｋに進出して当該光路Ｋに入射した光を反射させ、反射状態となる。

図７（ｂ）に示す状態は、例えば、前記静電力を印加しない状態で、可変直流電流源ＩＶ，ＩＨのいずれか一方のみにて、ローレンツ力用電流経路２２ｃ，２２ｄのいずれか一方のみに所定の大きさの正電流を流して下向きのローレンツ力を発生させた場合（勿論、電流の設定はこれ以外にも無数にある。）に、保たれる状態である。この状態では、可動部が固定部と当接せずに固定部からスペースを残して離れた位置（下側中間位置）で、下向きのローレンツ力と可動板１２の前記バネ力とが釣り合って静止し、可動板１２及びミラー３１がこの下側中間位置に保持される。前記スペースは、可動板１２の可動電極２２ｅと固定部の固定電極４１ａとの間に十分な静電力が発生できる距離に設定されている。この状態では、ミラー３１が光路Ｋから退出して、光路Ｋに入射した光がミラー３１で反射されずにそのまま通過し、非反射状態となる。

図７（ｂ）に示す状態において、可変直流電圧源ＶＨ及び／又は可変直流電圧源ＶＶによって、可動板１２の可動電極２２ｅと固定部の固定電極４１ａとの間に所定電圧を印加して十分な静電力を印加すると、その静電力によって、可動板１２及びミラー３１が更に下方へ移動していき、図７（ｃ）に示すように、可動板１２が固定部に当接する下側位置で静止する。

図７（ｂ）に示す状態から図７（ｃ）に示す状態への移行は、具体的には、例えば、可変直流電流源ＩＶにより所定の大きさの正の第１のローレンツ力用電流が流されており、切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬが可変直流電圧源ＶＨ側に切り替えられている場合は、可動電極２２ｅに所定値以上の絶対値を持つ負の電位を印加しかつ固定電極４１ａにゼロ電位（接地電位）を印加するか、可動電極２２ｅにゼロ電位（接地電位）を印加しかつ固定電極４１ａに所定値以上の絶対値を持つ正の電位を印加するか、あるいは、可動電極２２ｅに所定値以上の絶対値を持つ負の電位を印加しかつ固定電極４１ａに所定値以上の絶対値を持つ正の電位を印加することで、達成される。また、図７（ｂ）に示す状態から図７（ｃ）に示す状態への移行は、可変直流電流源ＩＶからの電流が流れておらず、切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬが可変直流電流源ＩＨ側に切り替えられ、可変直流電流源ＩＨから第２のローレンツ力用電流経路２２ｄに第２のローレンツ力用電流が流されている場合は、前述したように可動電極２２ｅの電位がゼロ電位（接地電位）であるので、可変直流電圧源ＶＶによって固定電極４１ａに所定値以上の絶対値を持つ負の電位を印加することで、達成される。

図７（ｂ）に示す状態から図７（ｃ）に示す状態へ移行した後、それまで流していた第１又は第２のローレンツ力用電流をゼロにして、第１又は第２のローレンツ力の印加を停止する。そのローレンツ力の印加が停止されても、前記静電力が印加されているので、前記静電力によって、可動板１２及びミラー３１が図７（ｃ）に示す下側位置に保持され続ける。

図７（ｃ）に示す状態においても、前記図７（ｂ）に示す状態と同様に、ミラー３１が光路Ｋから退出しており、非反射状態となっている。

なお、図７（ｃ）に示す状態は、流される電流の大きさや電位の大きさが変動しても、ある一定の条件で維持することができる。

第１及び第２のローレンツ力用電流経路２２ｃ，２２ｄにそれぞれ第１及び第２のローレンツ力用電流が流れていない場合は、可動電極２２ｅに所定値以上の絶対値を持つ負の電位を印加しかつ固定電極４１ａにゼロ電位（接地電位）を印加するか、可動電極２２ｅにゼロ電位（接地電位）を印加しかつ固定電極４１ａに所定値以上の絶対値を持つ正の電位を印加するか、あるいは、可動電極２２ｅに所定値以上の絶対値を持つ負の電位を印加しかつ固定電極４１ａに所定値以上の絶対値を持つ正の電位を印加することで、図７（ｃ）に示す状態を維持することができる。

次に、第１のローレンツ力用電流経路２２ｃに負の第１のローレンツ力用電流が流され、第２のローレンツ力用電流経路２２ｄには第２のローレンツ力用電流が流れていない場合について、説明する。ここで、図７（ａ）に示す位置から図７（ｂ）に示す位置へ可動板１２を引き下げるときに必要な大きさの正電流を＋Ｉと、これと大きさは同じで流れる方向が逆の負電流を−Ｉと定義する。この負電流−Ｉは、可動板１２を基板１１から遠ざける方向（＋Ｚ方向）のローレンツ力を生じさせる。後述する動作例では、この正電流−Ｉが印加された状態で、図７（ｃ）に示す状態を保つ必要がある。これを達成するのに必要な固定電極４１ａと可動電極２２ｅとの間の電位差の大きさは、原理的に設定することが可能である。すなわち、この電位差の大きさの下限よりも（実用上の都合による要請で）わずかに大きい電位差に当たる電圧Ｖを定義し、負であれば−Ｖ、正であれば＋Ｖとしておく。可動電極２２ｅに電位−Ｖを印加するとともに固定電極４１ａにゼロ電位を印加するか、可動電極２２ｅにゼロ電位を印加するとともに固定電極４１ａに電位＋Ｖを印加するか、あるいは、可動電極２２ｅに電位−Ｖを印加するとともに固定電極４１ａに電位＋Ｖを印加すれば、第１のローレンツ力用電流経路２２ｃに負電流−Ｉが流されても、図７（ｃ）に示す状態を維持することができる。

図７（ｃ）に示す状態において、第１及び第２のローレンツ力用電流経路２２ｃ，２２ｄに電流を流さないで固定電極４１ａの電位及び可動電極２２ｅの電位を共にゼロ電位として、前記第１及び第２のローレンツ力並びに前記静電力の印加を停止すると、図７（ａ）に示す状態に戻る。一方、図７（ｃ）に示す状態において、第１及び第２のローレンツ力用電流経路２２ｃ，２２ｄの一方に正電流＋Ｉを流すと、図７（ｂ）に示す状態となる。

なお、ここでは、直流電圧源ＶＨ，ＶＶを用いた駆動方法について説明したが、交流電圧による駆動も可能である。それについては、前記特許文献３に開示されている手法と同様な手法が適用可能である。

１つの光スイッチに着目すると、本実施の形態では、可動板１２が図７（ｃ）に示す下側位置に所定時間以上継続して位置しないように、図７（ｃ）に示す下側位置から、図７（ｂ）に示す下側中間位置に位置した後に、図７（ｃ）に示す下側位置に戻る動作（「当接継続中止動作」と呼ぶ。）を行うように、当該光スイッチのマイクロアクチュエータが制御される。この制御を実現するためには、例えば、非反射状態を長時間に渡って維持し続ける間は、可動板１２が図７（ｂ）に示す下側中間位置及び図７（ｃ）に示す下側位置に交互に位置するように、当該光スイッチのマイクロアクチュエータを制御すればよい。そのために必要な具体的な制御信号は、先の説明から理解できる。

このように、本実施の形態では、非反射状態を長時間に渡って維持し続ける場合であっても、ミラー３１及び可動板１２が図７（ｃ）に示す下側位置に位置する継続期間を短くすることができるので、可動板１２が固定部に貼り付き難くなり、図７（ｃ）に示す位置から図７（ａ）に示す位置に戻る際に、可動部が固定部から離れ易くなって作動不良や動作遅延を招き難くなる。

ところで、可動板１２と固定部との貼り付きを防止するだけであるなら、非反射状態を長時間に渡って維持し続ける間においても、静電力用電圧（固定電極４１ａと可動電極２２ｅとの間の電圧）を常時ゼロにするとともに第１又は第２のローレンツ力用電流を常時＋Ｉにして、常時図７（ｂ）に示す下側中間位置に維持するだけでもよい。しかし、このように長時間に渡る期間において第１又は第２のローレンツ力用電流を＋Ｉに維持すると、消費電力が著しく増大してしまう。これに対し、本実施の形態では、非反射状態を維持する期間は、図７（ｂ）に示す下側中間位置と図７（ｃ）に示す下側位置を交互に繰り返すので、図７（ｂ）に示す下側中間位置は必要最小限の時間に留めることができることから、消費電力を大幅に低減することができる。

図９は、本実施の形態による光スイッチシステムの光スイッチアレー１及び外部制御回路６を示す電気回路図である。ただし、図９では、外部制御回路６については、その一部の構成要素のみを模式的に示している。図９において、光スイッチアレー１の外側に配置されている要素が、外部制御回路６の構成要素である。

図３乃至図６に示す単一の光スイッチは、電気回路的には、１個のコンデンサ（固定電極４１ａと可動電極２２ｅとがなすコンデンサに相当）と、１個の第１のコイル（第１のローレンツ力用電流経路２２ｃに相当）と、１個の第２のコイル（第２のローレンツ力用電流経路２２ｄに相当）と見なせる。図９では、ｍ行ｎ列目の光スイッチのコンデンサ、第１のコイル及び第２のコイルをそれぞれＣｍｎ、ＬＡｍｎ，ＬＢｍｎと表記している。例えば、図９中の左上の（１行１列目の）光スイッチのコンデンサ、第１のコイル及び第２のコイルをそれぞれＣ１１，ＬＡ１１，ＬＢ１１と表記している。図９では、説明を簡単にするため、既に説明したように、９個の光スイッチを３行３列に配置している。もっとも、光スイッチの数は何ら限定されるものではなく、例えば１００行１００列の光スイッチを有する場合も、原理は同一である。

光スイッチアレー１では、制御線の本数を減らすために、図９に示すように、行毎及び列毎の共通配線を施している。

光スイッチアレー１には、図９に示すように、端子ＥＢＬ１〜ＥＢＬ３、端子ＥＢＲ１〜ＥＢＲ３、端子Ｓ０〜Ｓ３及び端子ＥＡ１〜ＥＡ３が設けられている。これらの端子は、外部制御回路６に接続するための外部接続用の端子である。本実施の形態では、前述した配線パターン４２ａなどによって、図９に示す電気的な接続が実現されている。前記各端子は、例えば、配線パターンの一部を電極パッドとすることにより構成することができる。

１列目のコンデンサＣ１１，Ｃ２１，Ｃ３１の固定電極４１ａは、端子Ｓ１に共通して電気的に接続されている。２列目のコンデンサＣ１２，Ｃ２２，Ｃ３２の固定電極４１ａは、端子Ｓ２に共通して電気的に接続されている。３列目のコンデンサＣ１３，Ｃ２３，Ｃ３３の固定電極４１ａは、端子Ｓ３に共通して電気的に接続されている。このように、本実施の形態では、各列毎に、当該列のマイクロアクチュエータの固定電極４１ａが電気的に共通して接続されている。

１行目の第２のコイルＬＢ１１，ＬＢ１２，ＬＢ１３が直列に接続され、その一端が端子ＥＢＬ１に他端が端子ＥＢＲ１にそれぞれ接続されている。２行目の第２のコイルＬＢ２１，ＬＢ２２，ＬＢ２３が直列に接続され、その一端が端子ＥＢＬ２に他端が端子ＥＢＲ２にそれぞれ接続されている。３行目の第２のコイルＬＢ３１，ＬＢ３２，ＬＢ３３が直列に接続され、その一端が端子ＥＢＬ３に他端が端子ＥＢＲ３にそれぞれ接続されている。各コンデンサＣｍｎの可動電極２２ｅは、同じマイクロアクチュエータの第２のコイルＬＢｍｎの図９中の左端に接続されている。

１行目の第２のコイルＬＢ１１，ＬＢ１２，ＬＢ１３は、端子ＥＢＲ１，ＥＢＬ１間に電流を流したときにこれらの第２のコイルＬＢ１１，ＬＢ１２，ＬＢ１３に発生するローレンツ力の向きが同一になるように、電流の向きをそろえて接続されている。この点は、２行目の第２のコイルＬＢ２１，ＬＢ２２，ＬＢ２３及び３行目の第２のコイルＬＢ３１，ＬＢ３２，ＬＢ３３についても、同様である。本実施の形態では、電流を端子ＥＢＲ１〜ＥＢＲ３から端子ＥＢＬ１〜ＥＢＬ３にそれぞれ向かう方向に流したときに（この方向の電流が正電流である。）、マイクロアクチュエータの第２のローレンツ力用電流経路２２ｄに第２のローレンツ力が下向きに働くように設定されている。

本実施の形態では、このようにして、行毎に、第２のコイルＬＢｍｎに対する制御信号としての電流が同時に供給されるように配線されている。

１列目の第１のコイルＬＡ１１，ＬＡ２１，ＬＡ３１が直列に接続され、その一端が端子ＥＡ１に他端が端子Ｓ０にそれぞれ接続されている。２列目のコイルＬＡ１２，ＬＡ２２，ＬＡ３２が直列に接続され、その一端が端子ＥＡ２に他端が端子Ｓ０にそれぞれ接続されている。３列目のコイルＬＡ１３，ＬＡ２３，ＬＡ３３が直列に接続され、その一端が端子ＥＡ３に他端が端子Ｓ０にそれぞれ接続されている。

１列目の第１のコイルＬＡ１１，ＬＡ２１，ＬＡ３１は、端子ＥＡ１，Ｓ０間に電流を流したときにこれらの第１のコイルＬＡ１１，ＬＡ２１，ＬＡ３１に発生するローレンツ力の向きが同一になるように、電流の向きをそろえて接続されている。この点は、２列目の第１のコイルＬＡ１２，ＬＡ２２，ＬＡ３２及び３列目の第１のコイルＬＡ１３，ＬＡ２３，ＬＡ３３についても、同様である。本実施の形態では、電流を端子ＥＡ１，ＥＡ２，ＥＡ３から端子Ｓ０に向かう方向に流したときに（この方向の電流が正電流である。）、マイクロアクチュエータの第１のローレンツ力用電流経路２２ｃにローレンツ力が下向きに働くように設定されている。

本実施の形態では、このようにして、列毎に、第１のコイルＬＡｍｎに対する制御信号としての電流が同時に供給されるように配線されている。

なお、本実施の形態で用いられている光スイッチアレー１には、図９に示すように、アドレス回路や列選択スイッチや行選択スイッチ等は搭載されていない。

本実施の形態で用いられている光スイッチアレー１は、例えば、膜の形成及びパターニング、エッチング、犠牲層の形成・除去などの半導体製造技術を利用して、製造することができる。なお、ミラー３１は、例えば、ミラー３１に対応する凹所をレジストに形成した後、電解メッキによりミラー３１となるべきＡｕ、Ｎｉその他の金属を成長させ、その後に前記レジストを除去することで、形成することができる。

そして、本実施の形態では、図９に示すように、図８中の切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬ、可変直流電圧源ＶＨ及び可変直流電流源ＩＨにそれぞれ相当する切替スイッチＳＷＲ１，ＳＷＬ１、可変直流電圧源ＶＨ１及び可変直流電流源ＩＨ１が、１行目の光スイッチに対して共通して設けられている。切替スイッチＳＷＲ１の共通接点が端子ＥＢＲ１に接続され、切替スイッチＳＷＬ１の共通接点が端子ＥＢＬ１に接続されている。符号Ｈ１は、切替スイッチＳＷＲ１，ＳＷＬ１、可変直流電圧源ＶＨ１及び可変直流電流源ＩＨ１が全体として構成している電流・電位切替供給部を示している。

同様に、図８中の切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬ、可変直流電圧源ＶＨ及び可変直流電流源ＩＨにそれぞれ相当する切替スイッチＳＷＲ２，ＳＷＬ２、可変直流電圧源ＶＨ２及び可変直流電流源ＩＨ２が、２行目の光スイッチに対して共通して設けられている。切替スイッチＳＷＲ２の共通接点が端子ＥＢＲ２に接続され、切替スイッチＳＷＬ２の共通接点が端子ＥＢＬ２に接続されている。符号Ｈ２は、切替スイッチＳＷＲ２，ＳＷＬ２、可変直流電圧源ＶＨ２及び可変直流電流源ＩＨ２が全体として構成している電流・電位切替供給部を示している。

同様に、図８中の切替スイッチＳＷＲ，ＳＷＬ、可変直流電圧源ＶＨ及び可変直流電流源ＩＨにそれぞれ相当する切替スイッチＳＷＲ３，ＳＷＬ３、可変直流電圧源ＶＨ３及び可変直流電流源ＩＨ３が、３行目の光スイッチに対して共通して設けられている。切替スイッチＳＷＲ３の共通接点が端子ＥＢＲ３に接続され、切替スイッチＳＷＬ３の共通接点が端子ＥＢＬ３に接続されている。符号Ｈ３は、切替スイッチＳＷＲ３，ＳＷＬ３、可変直流電圧源ＶＨ３及び可変直流電流源ＩＨ３が全体として構成している電流・電位切替供給部を示している。

図９に示すように、図８中の可変直流電圧源ＶＶ及び可変直流電流源ＩＶにそれぞれ相当する可変直流電圧源ＶＶ１及び可変直流電流源ＩＶ１が、１列目の光スイッチに対して共通して設けられている。同様に、図８中の可変直流電圧源ＶＶ及び可変直流電流源ＩＶにそれぞれ相当する可変直流電圧源ＶＶ２及び可変直流電流源ＩＶ２が、２列目の光スイッチに対して共通して設けられている。同様に、図８中の可変直流電圧源ＶＶ及び可変直流電流源ＩＶにそれぞれ相当する可変直流電圧源ＶＶ３及び可変直流電流源ＩＶ３が、３列目の光スイッチに対して共通して設けられている。端子Ｓ０は、外部制御回路６において接地されている。

本実施の形態では、外部制御回路６は、前述した要素等によって、端子ＥＢＬ１〜ＥＢＬ３に流れる電流及び端子ＥＢＬ１〜ＥＢＬ３に印加される電位、端子ＥＡ１〜ＥＡ３に流れる電流、及び、端子Ｓ１〜Ｓ３に印加される電位を制御することで、光スイッチアレー１の各光スイッチの光路切替状態を制御するとともに、前述した当接継続中止動作を実現する。外部制御回路６は、光路切替状態指令信号に応答して当該光路切替状態指令信号が示す光路切替状態を実現するための制御信号を、端子ＥＢＬ１〜ＥＢＬ３に流れる電流及び端子ＥＢＬ１〜ＥＢＬ３に印加される電位、端子ＥＡ１〜ＥＡ３に流れる電流、及び、端子Ｓ１〜Ｓ３に印加される電位として供給し、その光路切替状態を実現するとともに、前述した当接継続中止動作を実現する。なお、外部制御回路６の具体的な回路構成自体は、以下に説明する動作例から明らかである。

次に、本実施の形態による光スイッチシステムの動作例について、説明する。なお、以下の説明では、ｍ行ｎ列目の光スイッチのミラー３１をＭｍｎとする。例えば、図９中の左上の（１行１列目の）光スイッチのミラー３１は、ミラーＭ１１と表記する。また、以下の説明では、図７（ａ）に示す位置を「（ａ）位置」、図７（ｂ）に示す位置を「（ｂ）位置」、図７（ｃ）に示す位置を「（ｃ）位置」とそれぞれ呼ぶ。

図１０は、外部制御回路６の可変直流電圧源ＶＶ１〜ＶＶ３、可変直流電流源ＩＶ１〜ＩＶ３及び電流・電位切替供給部Ｈ１〜Ｈ３がそれぞれ対応する端子に供給する電位及び電流のタイミングチャートの一例を示すものである。

電源を入れた初期状態である時刻ｔ１では、全てのミラーＭｍｎは、（ａ）位置にある。次に、時刻ｔ２において、可変直流電圧源ＶＶ１〜ＶＶ３から電位＋Ｖを供給し、電流・電位切替供給部Ｈ１〜Ｈ３は可変直流電圧源ＶＨ１〜ＶＨ３側に切り替えて電位−Ｖを供給する。

次いで、時刻ｔ３で、可変直流電流源ＩＶ１〜ＩＶ３からそれぞれ正電流＋Ｉを供給する。このとき、全てのミラーＭｍｎは（ｃ）位置へ移動する。引き続いて、時刻ｔ４で、ＩＶ１〜ＩＶ３の電流をゼロに戻す。このとき、可動電極２２ｅと固定電極４１ａとの間には静電力が働いているので、全てのミラーＭｍｎは（ｃ）位置に位置した状態を保つ。なお、時刻ｔ４の後のように、可変直流電圧源ＶＶ１〜ＶＶ３により電位＋Ｖが印加され、電流・電位切替供給部Ｈ１〜Ｈ３により電位−Ｖが印加され、かつ、可変直流電流源ＩＶ１〜ＩＶ３の電流がゼロである状態が、本実施の形態による光スイッチシステムの定常状態であり、一連の動作（一連の光路切替動作や一連の当接継続中止動作）は、この状態で一旦終了し、次の動作に進むのが通例となる。

次に、全てのミラーＭｍｎが（ｃ）位置にある状態から、各行（及び各列）のミラーのうち１つだけ（ａ）位置へ移動させる手順について説明する。時刻ｔ６で、可変直流電圧源ＶＶ１により印加されている電位と電流・電位切替供給部Ｈ１に印加されている電位をゼロにする。すると、ミラーＭ１１における可動電極２２ｅと固定電極４１ａとの間の静電力はなくなり、可動板１２の板ばね部のバネ力により、可動板１２は上方向へ移動し、ミラーＭ１１は（ａ）位置となる。時刻ｔ７で、再び、可変直流電圧源ＶＶ１により電位＋Ｖが印加されるとともに電流・電位切替供給部Ｈ１により電位−Ｖが印加される。このとき、ミラーＭ１１は（ａ）位置であるので、ミラーＭ１１は移動しない。次に、時刻ｔ８〜ｔ１１は、時刻ｔ６〜ｔ８と同様で、ミラーＭ２２とミラーＭ３３に対するリリース動作（ミラーを（ｃ）位置から（ａ）位置に移動させる動作）を行う。これら一連の動作で、ミラーＭ１１，Ｍ２２，Ｍ３３が（ａ）位置となって反射状態となり、他のミラーは（ｃ）位置を保って非反射状態を保つ。

次に、図１１を用いて、ミラーの入れ替え動作、すなわち光路切替動作について説明する。ここでは、時刻ｔ２１では、図１０中の時刻ｔ１１以降と同じ状態（すなわち、ミラーＭ１１，Ｍ２２，Ｍ３３が（ａ）位置にあるとともに他のミラーが（ｃ）位置にある定常状態）であるものとする。時刻ｔ２２で、可変直流電流源ＩＶ１から正電流＋Ｉを流す。これにより、１列目で（ａ）位置にある可動板１２の全ては（ｃ）位置へ移動する。結局、（ａ）位置にあるミラーはミラーＭ１１だけなので、ミラーＭ１１のみが（ｃ）位置へ移動する。その後、時刻ｔ２３で、可変直流電流源ＩＶ１の電流をゼロにする。次に、時刻ｔ２４で、可変直流電流源ＩＶ２から正電流＋Ｉを流す。これにより、２列目で（ａ）位置にある可動板１２の全ては（ｃ）位置へ移動する。結局、（ａ）位置にあるＭ２２のみが（ｃ）位置へ移動する。その後、時刻ｔ２５で、可変直流電流源ＩＶ２の電流をゼロにする。次に、時刻ｔ２６でミラーＭ１２を（ｃ）位置から（ａ）位置へ移動するが、この手順は、図１０の時刻ｔ８と同じである。また、時刻ｔ２７の手順も図１０の時刻ｔ９と同じである。最後に、時刻ｔ２８で、ミラーＭ２１を（ｃ）位置から（ａ）位置へ移動して、入れ替えが終了する。その後、時刻ｔ２９で定常状態に戻す。

以上の図１０及び図１１を参照した動作説明から、本実施の形態による光スイッチシステムは、光路切替状態指令信号に応答して当該光路切替状態指令信号が示す任意の光路切替状態を実現できることが、わかる。

次に、図１２を用いて、当接継続中止動作について説明する。ここでは、時刻ｔ４１では、図１０中の時刻ｔ１１以降と同じ状態（すなわち、ミラーＭ１１，Ｍ２２，Ｍ３３が（ａ）位置にあるとともに他のミラーが（ｃ）位置にある定常状態）であるものとする。ここでは、この状態から、ミラーＭ２１の当接継続中止動作を行う例を説明する。

まず、時刻ｔ４２で、可変直流電圧源ＶＶ１により印加されている電位をゼロにする。次に、時刻ｔ４３で、電流・電位切替供給部Ｈ１を可変直流電流源ＩＨ１側に切り替える。このとき、ミラーＭ１１の光スイッチの可動電極２２ｅと固定電極４１ａとの間の電圧はゼロになるが、ミラーＭ１１はそもそも（ａ）位置にあるので、その位置は変わらない。また、ミラーＭ１２，Ｍ１３の光スイッチの可動電極２２ｅと固定電極４１ａとの間の電圧はＶ（＝＋Ｖ−０）であるので、それによる静電力によって、ミラーＭ１２，Ｍ１３の位置は（ｃ）位置のまま変わらない。

次いで、時刻ｔ４４から電流・電位切替供給部Ｈ１の可変直流電流源ＩＶ１の電流を徐々に変化させて、時刻ｔ４５で正電流＋Ｉまでもっていく。これと同時に、可変直流電流源ＩＶ１の電流の時間変化と大きさがほぼ同じになるようにして、時刻ｔ４５で負電流−Ｉまで変化させる。この過程で、ミラーＭ１１は（ａ）位置にあるので、本来は電流が与えられると位置が変化するはずであるが、可変直流電流源ＩＶ１と電流・電位切替供給部Ｈ１とでちょうど打ち消し合うように電流を印加しているので、両者のローレンツ力が相殺されるため、結局、ミラーＭ１１は（ａ）位置を維持したまま、流れる電流量だけが変化していく。なお、ミラーＭ１２，Ｍ１３，Ｍ２１，Ｍ３１は、（ｃ）位置にいるので、この過程で流れる電流は変化するが、位置変化は伴わない。すなわち、ミラーＭ１２，Ｍ１３の光スイッチの可動板１２は、電流・電位切替供給部Ｈ１からの正電流により上方向のローレンツ力を受けるが、それらの光スイッチの可動電極２２ｅと固定電極４１ａとの間の電圧はＶ（＝＋Ｖ−０）であるので、それによる静電力によって、ミラーＭ１２，Ｍ１３の位置は（ｃ）位置のまま変わらない。また、ミラーＭ２１，Ｍ３１の光スイッチの可動板１２は、可変直流電流源ＩＶ１からの負電流により下方向のローレンツ力を受けるので、ミラーＭ２１，Ｍ３１の位置は（ｃ）位置のまま変わらない。

次に、時刻ｔ４５で、電流・電位切替供給部Ｈ２の電位をゼロにする。このとき、ミラーＭ２１の光スイッチには、可変直流電流源ＩＶ１からの正電流＋Ｉが流れ、その光スイッチの可動電極２２ｅと固定電極４１ａとの間の電圧はゼロであるので、図７に関連した既に説明したように、ミラーＭ２１は（ｂ）位置となる。このとき、ミラーＭ２１の固定部と可動板１２との間には所定のスペースが空くので、長時間可動板１２が固定部に当接されていることによる貼り付きが防止される。なお、電流・電位切替供給部Ｈ２の電位をゼロにしても、ミラーＭ２２の位置は（ａ）位置のまま変わらず、ミラーＭ２３は（ｃ）位置のまま変わらない。その理由は、ミラーＭ２２の場合、ミラーＭ２２の光スイッチの可動電極２２ｅと固定電極４１ａとの間に電圧Ｖが印加されているが、ミラーＭ２２は（ａ）位置にいるため、両電極間の距離が十分に長いのでほとんど静電力が生じないとともに、その光スイッチには第１及び第２のローレンツ力用電流が両方とも流れておらずローレンツ力がかかっていないからである。また、ミラーＭ２３の場合、その光スイッチには第１及び第２のローレンツ力用電流が両方とも流れておらずローレンツ力がかかっていない上に、ミラーＭ２３は（ｃ）位置にいて、ミラーＭ２２の光スイッチの可動電極２２ｅと固定電極４１ａとの間に電圧Ｖが印加されており、両者の間に十分大きな静電力が作用しているからである。

次に、時刻ｔ４６で、電流・電位切替供給部Ｈ２の電位を再び−Ｖにする。これにより、ミラーＭ２１は再び（ｃ）位置へ戻る。時刻ｔ４７，ｔ４８，ｔ４９は、時刻ｔ４２，ｔ４３，ｔ４４とちょうど逆の動作を行い、本システムの定常状態に復帰して一連の動作を終了する。

以上の図１２を参照した当接継続中止動作の説明から、任意の光路切替状態における定常状態において（ｃ）位置に位置する任意のミラーについて、他のミラーの位置を変更することなしに、当接継続中止動作を行うことができることが、わかる。

本実施の形態では、外部制御回路６の制御下で、各光スイッチの当接継続中止動作は、各光スイッチの（ｃ）位置の状態が所定時間以上継続しないように、予め定めた適当タイミングで行われるようになっている。

本実施の形態によれば、このように前記当接継続中止動作が行われるので、ミラー３１及び可動板１２が図７（ｃ）に示す下側位置に位置する継続期間を短くすることができる。よって、可動板１２が固定部に貼り付き難くなり、図７（ｃ）に示す位置から図７（ａ）に示す位置に戻る際に、可動板１２が固定部から離れ易くなって作動不良や動作遅延を招き難くなる。また、本実施の形態によれば、前述したように、非反射状態を維持する期間は、図７（ｂ）に示す下側中間位置と図７（ｃ）に示す下側位置を交互に繰り返すことで、図７（ｂ）に示す下側中間位置は必要最小限の時間に留めることができることから、消費電力を大幅に低減することができる。

さらに、本実施の形態によれば、前述した図９に示すように行毎及び列毎の共通配線を施しているので、アドレス回路等を搭載することなく外部に引き出す配線の本数を減らすことができる。そして、このように共通配線を施しているにも拘わらず、可動板１２には静電力以外の駆動力発生する２つの駆動力発生部として２つのローレンツ力用電流経路２２ｃ，２２ｄが設けられているため、あるミラー３１の当接継続中止動作に際し、他のミラーの位置を変更するようなことがなくなり、適切な光路切替状態を維持することができる。

［第２の実施の形態］

図１３は、本発明の第２の実施の形態による光スイッチシステムで用いられている光スイッチアレー１０１の１つの光スイッチの可動板１２を上から見たときのＡｌ膜２２のパターン形状を示す図であり、図５に対応している。図１３において、図５中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

図１４は、本実施の形態による光スイッチシステムの光スイッチアレー１０１及び外部制御回路１０６を示す電気回路図であり、図９に対応している。図１４において、図９中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点のみである。

前記第１の実施の形態では、各光スイッチにおいて、パターン２２ｂがローレンツ力用電流経路２２ｃの配線として用いられるのみならず可動電極２２ｅの配線としても用いられているのに対し、本実施の形態では、図１３に示すように、各光スイッチにおいて、パターン２２ｂはローレンツ力用電流経路２２ｃの配線としてのみ用いられ、可動電極２２ｅの配線としてパターン２２ｆが追加されている。パターン２２ｆもＡｌ膜２２のうちのパターンである。これに伴い、本実施の形態では、パターン２２ｅを基板１１側へ接続するための脚部１２ｅが追加されている。

また、本実施の形態では、ローレンツ力用電流経路２２ｃの配線と可動電極２２ｅの配線とを分けたことに伴い、図１４に示すように、光スイッチアレー１０１における配線や外部制御回路１０６の構成も、変更されている。

光スイッチアレー１０１において、図１４に示すように、図９中の端子ＥＢＬ１〜ＥＢＬ３が除去され、第２のコイルＬＢ１１，ＬＢ２１，ＬＢ３１の図中左端が端子Ｓ０に接続されている。また、光スイッチアレー１０１において、図１４に示すように、図９中の端子ＥＢＲ１〜ＥＢＲ３に代えて、端子ＥＢＶ１〜ＥＢＶ３及び端子ＥＢＩ１〜ＥＢＩ３が設けられている。各コンデンサＣｍｎの可動電極２２ｅは、同じマイクロアクチュエータの第２のコイルＬＢｍｎに接続されていない。

１行目のコンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３は、端子ＥＢＶ１に共通して電気的に接続されている。２行目のコンデンサＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３は、端子ＥＢＶ２に共通して電気的に接続されている。３行目のコンデンサＣ３１，Ｃ３２，Ｃ３３は、端子ＥＢＶ３に共通して電気的に接続されている。

コイルＬＢ１３の図１４中の右端は端子ＥＢＩ１に電気的に接続され、コイルＬＢ２３の図１４中の右端は端子ＥＢＩ２に電気的に接続され、コイルＬＢ３３の図１４中の右端は端子ＥＢＩ３に電気的に接続されている。

外部制御回路１０６において、図９中の切替スイッチＳＷＲ１〜ＳＷＲ３，ＳＷＬ１〜ＳＷＬ３が除去されている。可変直流電圧源ＶＨ１〜ＶＨ３の一端が端子ＥＢＶ１〜ＥＢＶ３にそれぞれ接続されている。可変直流電流源ＩＨ１〜ＩＨ３の一端が端子ＥＢＩ１〜ＥＢＩ３にそれぞれ接続されている。

本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態に関して図１０乃至図１２を参照して説明した動作と実質的に同一の動作が可能である。よって、本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

例えば、前述した各実施の形態は、複数の光スイッチを２次元状に配置した光スイッチアレーを用いた光スイッチシステムの例であったが、本発明は１つの光スイッチのみを用いた光スイッチシステムであってもよい。この場合、光スイッチのマイクロアクチュエータの動作を制御する制御部は、図７及び図８を参照して説明したような動作を行うように制御するように構成すればよい。

また、前記実施の形態は本発明によるマイクロアクチュエータ装置を光スイッチシステムに適用した例であったが、その用途に限定されるものではない。

さらに、前記実施の形態では、静電力以外の駆動力として２つの駆動力として２つのローレンツ力が用いられていたが、本発明は、これに限定されるものではなく、静電力以外の駆動力として２つの駆動力として種々の駆動力を用いることができる。例えば、ローレンツ力で駆動する代わりに、圧電素子を用いて駆動してもよい。

本発明の第１の実施の形態による光スイッチシステムを示す概略構成図である。 図１中の光スイッチアレーを模式的に示す概略平面図である。 図１中の光スイッチアレーの単位素子としての１つの光スイッチを模式的に示す概略平面図である。 図３中のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図である。 図３中の可動板を上から見たときのＡｌ膜のパターン形状を示す図である。 図３及び図５中のＢ−Ｂ’線に沿った断面を＋Ｙ側から−Ｙ軸方向に見た概略断面図である。 １つの光スイッチの可動板及びこれに設けられたミラーが保持される各位置を模式的に示す概略側面図である。 １つの光スイッチに与える制御信号の例を示す説明図である。 図１中の光スイッチアレー及び外部制御回路を示す電気回路図である。 図１に示す光スイッチシステムの動作の一例を示すタイミングチャートである。 図１に示す光スイッチシステムの動作の他の例を示すタイミングチャートである。 図１に示す光スイッチシステムの動作の更に他の例を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施の形態による光スイッチシステムで用いられている光スイッチアレーの１つの光スイッチの可動板を上から見たときのＡｌ膜のパターン形状を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による光スイッチシステムの光スイッチアレー及び外部制御回路を示す電気回路図である。

符号の説明

１ 光スイッチアレー
２ 光入力用光ファイバ
３，４ 光出力用光ファイバ
５ 磁石
６ 外部制御回路
１１ 基板
１２ 可動板
２２ｃ 第１のローレンツ力用電流経路
２２ｄ 第２のローレンツ力用電流経路
２２ｅ 可動電極
３１ ミラー
４１ａ 固定電極

Claims (12)

1. 固定部と、前記固定部から離れた第１の位置と前記固定部に当接する第２の位置との間を前記固定部に対して移動し得るように設けられた可動部と、を備え、
   前記固定部は第１の電極部を有し、
   前記可動部は、前記第１の位置に復帰しようとする復帰力が生ずるように、設けられ、
   前記可動部は、前記第１の電極部との間の電圧により前記第１の電極部との間に静電力を生じ得る第２の電極部と、制御信号に応じて前記第１の位置から前記第２の位置へ向かう方向に静電力以外の駆動力を生じ得る第１の駆動力発生部と、制御信号に応じて前記第１の位置から前記第２の位置へ向かう方向及びその反対方向に静電力以外の駆動力を生じ得る第２の駆動力発生部と、を有することを特徴とするマイクロアクチュエータ。
2. 前記第１の駆動力発生部は、磁界内に配置されて通電によりローレンツ力を生ずる第１の電流経路であり、
   前記第２の駆動力発生部は、磁界内に配置されて通電によりローレンツ力を生ずる第２の電流経路であることを特徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
3. 前記第１及び第２の電流経路のうちの１つの電流経路と前記第２の電極とが、電気的に接続されたことを特徴とする請求項２記載のマイクロアクチュエータ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロアクチュエータと、該マイクロアクチュエータの動作を制御する制御部とを備えたマイクロアクチュエータ装置であって、
   前記制御部は、前記可動部が前記第２の位置に所定時間以上継続して位置しないように、前記可動部が、前記第２の位置から、前記第１の位置と前記第２の位置との間の第３の位置であって前記固定部から離れた第３の位置に位置した後に、前記第２の位置に戻る動作を行うように、前記マイクロアクチュエータを制御することを特徴とするマイクロアクチュエータ装置。
5. 前記制御部は、前記可動部を前記第２の位置に保持するときに、前記第１及び第２の電極部の間に静電力が生ずるように電圧を印加することを特徴とする請求項４記載のマイクロアクチュエータ装置。
6. 前記第３の位置は、前記復帰力と前記第１の駆動力発生部又は前記第２の駆動力発生部による前記第１の位置から前記第２の位置へ向かう方向の駆動力とが釣り合う位置であることを特徴とする請求項４又は５記載のマイクロアクチュエータ装置。
7. ２次元状に配置された複数のマイクロアクチュエータを備え、
   前記複数のマイクロアクチュエータの各々が請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロアクチュエータであり、
   各行（又は各列）毎に、当該行（又は当該列）のマイクロアクチュエータの前記第１の駆動力発生部に対する制御信号が同時に供給されるように配線され、
   各列（又は各行）毎に、当該列（又は当該行）のマイクロアクチュエータの前記第２の駆動力発生部に対する制御信号が同時に供給されるように配線されたことを特徴とするマイクロアクチュエータアレー。
8. 請求項７記載のマイクロアクチュエータアレーと、前記複数のマイクロアクチュエータの動作を制御する制御部とを備えたマイクロアクチュエータ装置であって、
   前記制御部は、前記各マイクロアクチュエータの前記可動部が前記第２の位置に所定時間以上継続して位置しないように、当該可動部が、前記第２の位置から、前記第１の位置と前記第２の位置との間の第３の位置であって前記固定部から離れた第３の位置に位置した後に、前記第２の位置に戻る動作を行うように、前記複数のマイクロアクチュエータを制御することを特徴とするマイクロアクチュエータ装置。
9. 前記制御部は、前記各マイクロアクチュエータの前記可動部を前記第２の位置に保持するときに、当該マイクロアクチュエータの前記第１及び第２の電極部の間に静電力が生ずるように電圧を印加することを特徴とする請求項８記載のマイクロアクチュエータ装置。
10. 前記各マイクロアクチュエータの前記第３の位置は、当該マイクロアクチュエータの前記復帰力と当該マイクロアクチュエータの前記第１の駆動力発生部又は前記第２の駆動力発生部による前記第１の位置から前記第２の位置へ向かう方向の駆動力とが釣り合う位置であることを特徴とする請求項８又は９記載のマイクロアクチュエータ装置。
11. 請求項４乃至６並びに８乃至１０のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ装置と、前記可動部に設けられたミラーと、を備えたことを特徴とする光スイッチシステム。
12. 前記可動部が前記第１の位置に位置しているときに、前記ミラーが反射状態及び非反射状態のうちの一方の状態となり、
    前記可動部が前記第２の位置及び第３の位置に位置しているときに、前記ミラーが反射状態及び非反射状態のうちの他方の状態となることを特徴とする請求項１１記載の光スイッチシステム。

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