JP5309905B2 - マイクロ可動素子、マイクロ可動素子アレイ、および光スイッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、微小な可動部を有する例えばマイクロミラー素子、角速度センサ、加速度センサなどのマイクロ可動素子、マイクロ可動素子アレイ、および、マイクロミラー素子を含んで構成される光スイッチング装置に関する。

近年、様々な技術分野において、マイクロマシニング技術により形成される微小構造を有する素子の応用化が図られている。そのような素子には、例えば、マイクロミラー素子や、角速度センサ、加速度センサなど、微小な可動部を有するマイクロ可動素子が含まれる。マイクロミラー素子は、例えば光ディスク技術や光通信技術の分野において、光反射機能を担う素子として利用される。角速度センサおよび加速度センサは、例えば、ビデオカメラやカメラ付き携帯電話の手振れ防止機能、カーナビゲーションシステム、エアバッグ開放タイミングシステム、車やロボット等の姿勢制御システムの用途で、利用される。このようなマイクロ可動素子については、例えば下記の特許文献１〜３に記載されている。

特開２００３−１９７００号公報 特開２００４−３４１３６４号公報 特開２００６−７２２５２号公報

図２４から図２６は、従来のマイクロ可動素子の一例たるマイクロ可動素子Ｚ１を表す。図２４は、マイクロ可動素子Ｚ１の平面図である。図２５は、図２４の線XXV−XXVに沿った断面図である。図２６は、図２４の線XXVI−XXVIに沿った拡大断面図である。

マイクロ可動素子Ｚ１は、可動部８１と、フレーム８２と、一対のトーションバー８３と、電極部８４とを備え、マイクロミラー素子として構成されたものである。図の明確化の観点より、図２４においては、可動部８１、フレーム８２、およびトーションバー８３についてハッチングを付して表す。

可動部８１は、ランド部８１Ａと、電極部８１Ｂと、梁部８１Ｃと、錘部８１Ｄとを有し、回転変位動作可能に設けられている。ランド部８１Ａの表面には、光反射機能を有するミラー面８１ａが設けられている。電極部８１Ｂは、導電性を付与されたシリコン材料よりなり、複数の電極歯８１ｂを含む櫛歯電極構造を有する。梁部８１Ｃは、導電性を付与されたシリコン材料よりなり、ランド部８１Ａおよび電極部８１Ｂを連結する。錘部８１Ｄは、可動部８１について質量バランスをとるための部位である。相対的に密な構造をとるランド部８１Ａと相対的に疎な構造をとる電極部８１Ｂとは梁部８１Ｃを介して相対するところ、そのようなランド部８１Ａの側の質量と、そのような電極部８１Ｂの側の質量とが、電極部８１Ｂ側に位置する錘部８１Ｄの存在によって同等化されている。

フレーム８２は、図２４に示すように、可動部８１を囲む形状を有する。また、フレーム８２は、図２５および図２６に示すように、第１層部８２ａと、第２層部８２ｂと、これらの間の絶縁層８２ｃとからなる積層構造を有する。第１層部８２ａおよび第２層部８２ｂは、導電性を付与されたシリコン材料よりなる。

一対のトーションバー８３は、可動部８１の回転変位動作の軸心Ａ３を規定する。各トーションバー８３は、可動部８１の梁部８１Ｃおよびフレーム８２の第１層部８２ａに接続してこれらを連結する。また、各トーションバー８３は、導電性を付与されたシリコン材料よりなり、フレーム８２の第１層部８２ａと梁部８１Ｃとを電気的に接続する機能を有する。

電極部８４は、電極部８１Ｂと協働して静電引力を発生するための部位であり、複数の電極歯８４ａからなる櫛歯電極構造を有する。電極部８４は、図２５に示すように、フレーム８２の第２層部８２ｂから延出する。

マイクロ可動素子Ｚ１においては、電極部８１Ｂ，８４の各々に対して必要に応じて所定の電位を付与することにより、可動部８１を軸心Ａ３まわりに回転変位動作させることができる。電極部８１Ｂに対する電位付与は、フレーム８２の第１層部８２ａ、両トーションバー８３、および梁部８１Ｃを介して実現することができる。電極部８４に対する電位付与は、フレーム８２の第２層部８２ｂを介して実現することができる。電極部８１Ｂ，８４の各々に所定の電位を付与することにより電極部８１Ｂ，８４間に電界を形成して所望の静電引力を発生させると、電極部８１Ｂは電極部８４に引き込まれる（このとき各トーションバー８３は捩れる）。そのため、可動部８１は、軸心Ａ３まわりに回転変位動作する。また、電極部８１Ｂ，８４間に作用する静電引力を消滅させると、各トーションバー８３はその自然状態に復帰する。以上のような可動部８１についての駆動により、ランド部８１Ａ上に設けられたミラー面８１ａにて反射される光の反射方向を適宜切り換えることができる。

マイクロ可動素子Ｚ１では、可動部８１は、各々が比較的細く且つ延び方向に配列する二本のトーションバー８３の間に介在し、そのような二本のトーションバー８３のみによってフレーム８２に対して支持されている。そのため、マイクロ可動素子Ｚ１における可動部８１は、図２４にて矢印Ｄで示す方向（非動作方向）に変位しやすい。このように可動部８１が非動作方向に変位しやすいことは、可動部８１について正確に回転変位動作させるうえで、好ましくない。

図２７から図２９は、従来のマイクロ可動素子の一例たるマイクロ可動素子Ｚ２を表す。図２７は、マイクロ可動素子Ｚ２の平面図である。図２８は、図２７の線XXVIII−XXVIIIに沿った断面図である。図２９は、図２７の線XXIX−XXIXに沿った拡大断面図である。

マイクロ可動素子Ｚ２は、可動部９１と、フレーム９２と、一対の連結部９３と、電極部９４とを備え、マイクロミラー素子として構成されたものである。図の明確化の観点より、図２７においては、可動部９１、フレーム９２、および連結部９３についてハッチングを付して表す。

可動部９１は、ランド部９１Ａと、電極部９１Ｂと、梁部９１Ｃと、錘部９１Ｄとを有し、回転変位動作可能に設けられている。ランド部９１Ａの表面には、光反射機能を有するミラー面９１ａが設けられている。電極部９１Ｂは、導電性を付与されたシリコン材料よりなり、複数の電極歯９１ｂを含む櫛歯電極構造を有する。梁部９１Ｃは、導電性を付与されたシリコン材料よりなり、ランド部９１Ａおよび電極部９１Ｂを連結する。錘部９１Ｄは、可動部９１について質量バランスをとるための部位である。相対的に密な構造をとるランド部９１Ａと相対的に疎な構造をとる電極部９１Ｂとは梁部９１Ｃを介して相対するところ、そのようなランド部９１Ａの側の質量と、そのような電極部９１Ｂの側の質量とが、電極部９１Ｂ側に位置する錘部９１Ｄの存在によって同等化されている。

フレーム９２は、図２７に示すように、可動部９１を囲む形状を有する。また、フレーム９２は、図２８および図２９に示すように、第１層部９２ａと、第２層部９２ｂと、これらの間の絶縁層９２ｃとからなる積層構造を有する。第１層部９２ａおよび第２層部９２ｂは、導電性を付与されたシリコン材料よりなる。

一対の連結部９３は、可動部９１の回転変位動作の軸心Ａ４を規定する。各連結部９３は、離隔する二本のトーションバー９３ａからなる。各連結部９３を構成する二本のトーションバー９３ａの離隔距離は、フレーム９２側から可動部９１側にかけて漸増し、且つ、当該二本のトーションバー９３ａは、軸心Ａ４を対称軸として線対称の位置に配されている。各トーションバー９３ａは、可動部９１の梁部９１Ｃおよびフレーム９２の第１層部９２ａに接続してこれらを連結する。また、各トーションバー９３ａは、導電性を付与されたシリコン材料よりなり、フレーム９２の第１層部９２ａと梁部９１Ｃとを電気的に接続する機能を有する。

電極部９４は、電極部９１Ｂと協働して静電引力を発生するための部位であり、複数の電極歯９４ａからなる櫛歯電極構造を有する。電極部９４は、図２８に示すように、フレーム９２の第２層部９２ｂから延出する。

マイクロ可動素子Ｚ２においては、電極部９１Ｂ，９４の各々に対して必要に応じて所定の電位を付与することにより、可動部９１を軸心Ａ４まわりに回転変位動作させることができる。電極部９１Ｂに対する電位付与は、フレーム９２の第１層部９２ａ、両トーションバー９３ａ、および梁部９１Ｃを介して実現することができる。電極部９４に対する電位付与は、フレーム９２の第２層部９２ｂを介して実現することができる。電極部９１Ｂ，９４の各々に所定の電位を付与することにより電極部９１Ｂ，９４間に電界を形成して所望の静電引力を発生させると、電極部９１Ｂは電極部９４に引き込まれる（このとき各トーションバー９３ａは捩れる）。そのため、可動部９１は、軸心Ａ４まわりに回転変位動作する。また、電極部９１Ｂ，９４間に作用する静電引力を消滅させると、各トーションバー９３ａはその自然状態に復帰する。以上のような可動部９１の駆動により、ランド部９１Ａ上に設けられたミラー面９１ａにて反射される光の反射方向を適宜切り換えることができる。

マイクロ可動素子Ｚ２における各連結部９３は、フレーム９２側から可動部９１側にかけて離隔距離が漸増するように延びる二本のトーションバー９３ａからなる。このような連結部９３は、図２７にて矢印Ｄで示す方向に可動部９１が変位するのを抑制する。そのため、マイクロ可動素子Ｚ２の可動部９１は、上述のマイクロ可動素子Ｚ１の可動部８１よりも、矢印Ｄ方向に変位（非動作方向変位）しにくい。

しかしながら、マイクロ可動素子Ｚ２では、軸心Ａ４まわりに回転変位動作可能な可動部９１について、高い共振周波数を実現しにくい。可動部９１について、軸心Ａ４を回転軸とする小さな慣性モーメントを実現しにくいからである。

マイクロ可動素子Ｚ２では、上述のように、各連結部９３を構成する二本のトーションバー９３ａの離隔距離は、フレーム９２側から可動部９１側にかけて漸増し、且つ、当該二本のトーションバー９３ａは、軸心Ａ４を対称軸として線対称の位置に配されている。このような構造を伴うマイクロ可動素子Ｚ２では、連結部９３について図３０に示す最大幅Ｗの半分（Ｗ／２）以上の長さを、梁部９１Ｃについて、軸心Ａ４からランド部９１Ａ側に確保する必要がある。そのため、マイクロ可動素子Ｚ２では、可動部９１における密構造たるランド部９１Ａと軸心Ａ４との間の離隔距離が長くなる傾向にある。ランド部９１Ａと軸心Ａ４との間の離隔距離が長いほど、ランド部９１Ａひいては可動部９１全体の、軸心Ａ４を回転軸とする慣性モーメントは増大する。また、ランド部９１Ａと軸心Ａ４との間の離隔距離が長いほど、可動部９１において、軸心Ａ４に対するランド部９１Ａ側と電極部９１Ｂ側との質量バランスをとるための錘部９１Ｄの質量（ないしサイズ）を増大させる必要があるところ、錘部９１Ｄの質量が増大するほど、軸心Ａ４を回転軸とする可動部９１の慣性モーメントは増大する。そのため、可動部９１においてランド部９１Ａと軸心Ａ４との間の離隔距離が長くなる傾向にあるマイクロ可動素子Ｚ２では、可動部９１について、軸心Ａ４を回転軸とする小さな慣性モーメントを実現しにくいのである。軸心Ａ４を回転軸とする可動部９１の慣性モーメントが大きいほど、可動部９１は高速で回転変位動作しにくく、可動部９１の共振周波数は低下する傾向にある。

本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであり、駆動時に回転変位動作する可動部について、非動作方向変位を抑制するのに適し且つ高い共振周波数を得るのに適したマイクロ可動素子、そのようなマイクロ可動素子を含んでなるマイクロ可動素子アレイ、および、そのようなマイクロ可動素子を備える光スイッチング装置を提供することを、目的とする。

本発明の第１の側面によるとマイクロ可動素子が提供される。このマイクロ可動素子は、フレームと、可動部と、フレームおよび可動部を連結して当該可動部の回転変位動作の軸心を規定する一対の連結部とを備え、各連結部は、離隔し且つフレーム側から可動部側にかけて離隔距離が大きくなるように延びる第１連結バーおよび第２連結バーを含み、第１連結バーは、可動部における、軸心に対して第１の側に接続し、第２連結バーは、可動部における、軸心に対して第１の側とは反対の第２の側に接続し、第１および第２連結バーの離隔の方向において、第２連結バーが可動部に接続する箇所よりも、第１連結バーが可動部に接続する箇所は、軸心に近い。

本マイクロ可動素子においては、フレームに対して可動部を支持する一対の連結部の各々は、離隔し且つフレーム側から可動部側にかけて離隔距離が大きくなるように延びる第１および第２連結バーを含む。このような第１および第２連結バーは、軸心まわりに回転変位動作可能な可動部が非動作方向に変位するのを抑制する。したがって、本マイクロ可動素子は、駆動時に回転変位動作する可動部について非動作方向変位を抑制するのに適する。

本マイクロ可動素子においては、フレーム側から可動部側にかけて離隔距離が大きくなるように延びる第１および第２連結バーのうち、第１連結バーは、可動部における第１の側（軸心を基準とした一方の側）に接続し、第２連結バーは、可動部における第２の側（軸心を基準とした他方の側）に接続し、両連結バーの離隔方向において、第１連結バーが可動部に接続する箇所（第１箇所）の方が、第２連結バーが可動部に接続する箇所（第２箇所）よりも、軸心に近い。このような構造を伴う本マイクロ可動素子では、一組の第１および第２連結バーによって規定される連結部の幅は、連結部の可動部側端部にて最大となるところ、連結部の当該最大幅の中心よりも第１連結バー寄りに、前記軸心は位置する。そのため、本マイクロ可動素子では、前記の離隔方向において可動部の第１箇所から外側の部分（即ち、可動部において、第１連結バーが接続する箇所に対して軸心とは反対の側に位置する第１外側部分）の、前記軸心を回転軸とする慣性モーメントを小さく設定しやすい。前記の離隔方向において可動部の第２箇所から外側の部分（即ち、可動部において、第２連結バーが接続する箇所に対して軸心とは反対の側に位置する第２外側部分）については、第１外側部分とバランス（前記軸心を支点とする質量バランス）がとれるように、前記軸心を回転軸とする慣性モーメントを設定することが可能であり、第１外側部分の慣性モーメントを小さくするほど、第２外側部分の慣性モーメントも小さくすることができる。したがって、本マイクロ可動素子においては、第１外側部分および第２外側部分ひいては可動部全体について、前記軸心を回転軸とする小さな慣性モーメントを実現しやすい。可動部について小さな慣性モーメントを実現しやすい本マイクロ可動素子では、前記軸心まわりに回転変位動作可能な可動部について高い共振周波数を実現しやすい。前記軸心を回転軸とする可動部の慣性モーメントが小さいほど、可動部は高速で回転変位動作しやすく、可動部の共振周波数は高まる傾向にある。

以上のように、本発明の第１の側面に係るマイクロ可動素子は、駆動時に回転変位動作する可動部について、非動作方向変位を抑制するのに適し且つ高い共振周波数を得るのに適する。

本発明の第２の側面によるとマイクロ可動素子アレイが提供される。このマイクロ可動素子アレイは、本発明の第１の側面に係るマイクロ可動素子を複数含んでなる。

本発明の第３の側面によると光スイッチング装置が提供される。この光スイッチング装置は、マイクロミラー素子として構成された第１の側面に係るマイクロ可動素子を備える。本光スイッチング装置は、例えば、空間光結合型の光スイッチング装置や波長選択型の光スイッチング装置である。

図１から図５は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ可動素子Ｘ１を表す。図１は、マイクロ可動素子Ｘ１の平面図である。図２は、マイクロ可動素子Ｘ１の一部省略平面図である。図３は、図１の線III−IIIに沿った断面図である。図４および図５は、各々、図１の線IV−IVおよび線V−Vに沿った拡大断面図である。

マイクロ可動素子Ｘ１は、可動部１０と、フレーム２０と、一対の連結部３０と、電極部４０とを備え、本実施形態ではマイクロミラー素子として構成されている。また、マイクロ可動素子Ｘ１は、ＭＥＭＳ技術などのバルクマイクロマシニング技術により、いわゆるＳＯＩ（silicon on insulator）ウエハである材料基板に対して加工を施すことによって製造されたものである。当該材料基板は、第１および第２シリコン層ならびに当該シリコン層間の絶縁層よりなる積層構造を有し、各シリコン層は、不純物のドープにより所定の導電性が付与されている。マイクロ可動素子Ｘ１における上述の各部位は主に第１シリコン層および／または第２シリコン層に由来して形成されるところ、図の明確化の観点より、図１においては、第１シリコン層に由来して絶縁層より紙面手前方向に突き出る部位について、斜線ハッチングを付して表す。また、図２に示される構造は、マイクロ可動素子Ｘ１において第２シリコン層に由来するものである。

可動部１０は、ランド部１１と、電極部１２と、梁部１３と、錘部１４とを有する。

ランド部１１は、第１シリコン層に由来する部位であり、その表面には、光反射機能を有するミラー面１１ａが設けられている。また、ランド部１１について図１に示す長さｄ₁は例えば１００〜５００μｍであり、長さｄ₂は例えば１００〜１０００μｍである。

電極部１２は、第１シリコン層に由来する部位であり、二本のアーム１２ａと、当該アーム１２ａから延出する複数の電極歯１２ｂとを有する。このように、電極部１２は櫛歯電極構造を有する。また、電極部１２は、マイクロ可動素子Ｘ１の駆動時に所定の基準電位（例えばグラウンド電位）が付与される部位である。

梁部１３は、第１シリコン層に由来する部位であり、ランド部１１および電極部１２を連結する。

錘部１４は、可動部１０について質量バランスをとるための部位であり、電極部１２のアーム１２ａの先端に固定されている。相対的に密な構造をとる上述のランド部１１と相対的に疎な構造をとる上述の電極部１２とは梁部１３を介して相対するところ、そのようなランド部１１の側の質量と、そのような電極部１２の側の質量とを、電極部１２側に錘部１４を設けることよって同等化することが可能である。

フレーム２０は、図３から図５に示すように、第１シリコン層に由来する第１層部２１と、第２シリコン層に由来する第２層部２２と、これらの間の絶縁層２３とからなる積層構造を有する。第１層部２１は、図１に示すように可動部１０を部分的に囲む形状を有する。第２層部２２は、可動部１０を全体的に囲む形状を有するフレーム本体である。第２層部２２は、図２に示すように、相互に離隔した部分２２ａ，２２ｂを有する。第１層部２１および第２層部２２の部分２２ａは、図５に示すように、絶縁層２３を貫通する導電ビア２４を介して電気的に接続されている。

一対の連結部３０は、可動部１０ないしランド部１１の回転変位動作の軸心Ａ１を規定するものであり、各々、図１に示すように二本のトーションバー３１，３２からなる。トーションバー３１，３２は、第１シリコン層に由来する部位であり、可動部１０の梁部１３とフレーム２０の第１層部２１とに接続して、可動部１０およびフレーム２０を連結する。また、トーションバー３１，３２は、図３に示すように、厚さ方向Ｈにおいて、可動部１０より薄肉であり、且つ、フレーム２０の第１層部２１よりも薄肉である。連結部３０をなすトーションバー３１，３２がこのように薄肉であることは、可動部１０を回転変位動作させるのに必要な駆動力を低減するという観点から好ましい。このようなトーションバー３１，３２により、梁部１３と第１層部２１は電気的に接続される。

図１および図６に示すように、各連結部３０において、二本のトーションバー３１，３２の間隔は、フレーム２０の側から可動部１０の側にかけて漸増する。フレーム２０の側から可動部１０の側にかけて間隔が漸増する二本のトーションバー３１，３２を含む各連結部３０は、可動部１０ないしランド部１１が図１に示す矢印Ｄ₁の方向（非動作方向）に変位するのを抑制する機能を有する。また、トーションバー３１は、可動部１０における軸心Ａ１に対してランド部１１側に接続し、トーションバー３２は、可動部１０における軸心Ａ１に対して電極部１２側に接続する。トーションバー３１，３２の離隔方向Ｓにおいて、トーションバー３１が可動部１０に接続する第１箇所Ｃ１の方が、トーションバー３２が可動部１０に接続する第２箇所Ｃ２よりも、軸心Ａ１に近い。

各連結部３０について具体的には、図６に示すように、離隔方向Ｓにおいて、トーションバー３１が軸心Ａ１に対してなす開き角度α₁は、トーションバー３２が軸心Ａ１に対してなす開き角度α₂よりも小さい。このような構成によると、トーションバー３１，３２の離隔方向Ｓにおいて第２箇所Ｃ２よりも第１箇所Ｃ１の方が軸心Ａ１に近いという構成を適切に実現することができる。本実施形態では、トーションバー３１が可動部１０に接続する第１箇所Ｃ１とトーションバー３２が可動部１０に接続する第２箇所Ｃ２との間を軸心Ａ１が通るようにトーションバー３１，３２は位置するところ、軸心Ａ１とトーションバー３１とがなす開き角度α₁は、軸心Ａ１とトーションバー３２がなす開き角度α₂よりも、小さいこととなる。開き角度α₁は例えば０〜１５°であり、開き角度α₂は、開き角度α₁より大きい限りにおいて例えば１０〜３０°である。各連結部３０をなすこのようなトーションバー３１，３２において、トーションバー３１はトーションバー３２より短いので、上述の可動部１０の回転変位動作に係るトーションバー３１の曲げバネ定数は、当該回転変位動作に係るトーションバー３２の曲げバネ定数以上となりやすい。

電極部４０は、図２によく表れているように、第２シリコン層に由来する部位であり、アーム４１と、当該アーム４１から延出する複数の電極歯４２とを有する。アーム４１は、フレーム２０の第２層部２２の部分２２ｂから延出する。このように、電極部４０は櫛歯電極構造を有する。このような電極部４０は、電極部１２と協働して、軸心Ａ１まわりの可動部１０の回転変位動作に係る駆動力を発生させるための駆動機構ないしアクチュエータを構成し得る。

マイクロ可動素子Ｘ１の可動部１０においては、ランド部１１よりも疎な構造をとる電極部１２がランド部１１と錘部１４との間に位置するように、ランド部１１、電極部１２、および錘部１４は配列されている。このような可動部１０の回転変位動作の軸心Ａ１は、ランド部１１および電極部１２の間の梁部１３に接続してフレーム２０と可動部１０とを連結する連結部３０ないしトーションバー３１，３２によって規定されるところ、相対的に疎な構造をとる電極部１２の側に錘部１４が連結している構成によると、ランド部１１および電極部１２を含む可動部１０における軸心Ａ１まわりの重量バランスをとりやすい。本実施形態では、このような錘部１４を具備することによって、可動部１０における軸心Ａ１から図１中上側に位置する構造（ランド部１１、ミラー面１１ａ、および梁部１３の一部）の質量と、軸心Ａ１から図１中下側に位置する構造（電極部１２、梁部１３の一部、および錘部１４）の質量とが等しくなるように、即ち、可動部１０における軸心Ａ１から図３中右側に位置する構造の質量と、軸心Ａ１から図３中左側に位置する構造の質量とが等しくなるように、ランド部１１、電極部１２、および梁部１３に加えて可動部１０に錘部１４が設けられている。

マイクロ可動素子Ｘ１の駆動時には、可動部１０の電極部１２に所定の基準電位が付与される。電極部１２に対する基準電位の付与は、フレーム２０における第２層部２２の部分２２ａ、導電ビア２４（図５に示す）、第１層部２１、連結部３０ないしトーションバー３１，３２、および、可動部１０の梁部１３を介して、実現することができる。基準電位は、例えばグラウンド電位であり、好ましくは一定に維持される。そして、基準電位よりも高い駆動電位を電極部４０に付与することにより、電極部１２，４０間（電極歯１２ｂ，４２間）に静電引力を発生させることができる。電極部４０に対する駆動電位の付与は、フレーム２０における第２層部２２の部分２２ｂを介して実現することができる。電極部１２，４０間に所定以上の静電引力が発生すると、電極部１２は電極部４０に引き込まれる。そのため、可動部１０ないしランド部１１は、軸心Ａ１まわりに回転変位動作し、当該静電引力と各トーションバー３１，３２の捩り抵抗力の総和とがつり合う角度まで回転変位する。つり合い状態においては、電極部１２，４０は、例えば図７に示す配向をとる。このような回転変位動作における回転変位量は、電極部４０に対して付与する駆動電位を調整することにより、調節することができる。また、電極部１２，４０間の静電引力を消滅させると、一対の連結部３０のトーションバー３１，３２はその自然状態に復帰し、可動部１０ないしランド部１１は、図３に表れているような配向をとる。以上のような可動部１０ないしランド部１１の揺動駆動により、ランド部１１上に設けられたミラー面１１ａにて反射される光の反射方向を適宜切り換えることができる。

マイクロ可動素子Ｘ１においては、錘部１４を具備することによって上述のように可動部１０の重量バランスがとられているため、当該可動部１０の回転変位動作における回転変位量について、高精度に制御しやすい。

マイクロ可動素子Ｘ１においては、フレーム２０に対して可動部１０を支持する一対の連結部３０の各々は、離隔し且つフレーム２０側から可動部１０側にかけて離隔距離が漸増するように延びるトーションバー３１，３２からなる。このようなトーションバー３１，３２は、軸心Ａ１まわりに回転変位動作可能な可動部１０が非動作方向（図１にて矢印Ｄ₁で示す方向）に変位するのを抑制する。したがって、本マイクロ可動素子Ｘ１は、駆動時に回転変位動作する可動部１０について非動作方向変位を抑制するのに適する。

マイクロ可動素子Ｘ１においては、フレーム２０側から可動部１０側にかけて離隔距離が漸増するように延びるトーションバー３１，３２のうち、トーションバー３１は、可動部１０における第１の側（軸心Ａ１を基準とした一方の側）に接続し、トーションバー３２は、可動部１０における第２の側（軸心Ａ１を基準とした他方の側）に接続し、両トーションバー３１，３２の離隔方向Ｓにおいて、トーションバー３１が可動部１０に接続する第１箇所Ｃ１の方が、トーションバー３２が可動部１０に接続する第２箇所Ｃ２よりも、軸心Ａ１に近い。このような構造を伴うマイクロ可動素子Ｘ１では、一組のトーションバー３１，３２によって規定される連結部３０の幅は、連結部３０の可動部１０側端部にて最大となるところ、連結部３０について図６に示す最大幅Ｗの中心よりもトーションバー３１寄りに、軸心Ａ１は位置する。

そのため、マイクロ可動素子Ｘ１では、離隔方向Ｓにおいて可動部１０の第１箇所Ｃ１から外側の部分（即ち、可動部１０において、トーションバー３１が接続する第１箇所Ｃ１に対して軸心Ａ１とは反対の側に位置する第１外側部分Ｐ１）の、軸心Ａ１を回転軸とする慣性モーメントを小さく設定しやすい。離隔方向Ｓにおいて可動部１０の第２箇所Ｃ２から外側の部分（即ち、可動部１０において、トーションバー３２が接続する第２箇所Ｃ２に対して軸心Ａ１とは反対の側に位置する第２外側部分Ｐ２）については、第１外側部分Ｐ１と質量バランス（軸心Ａ１を支点とする質量バランス）がとれるように、軸心Ａ１を回転軸とする慣性モーメントを設定することが可能であり、第１外側部分Ｐ１の慣性モーメントを小さくするほど、第２外側部分Ｐ２の慣性モーメントも小さくすることができる。したがって、マイクロ可動素子Ｘ１においては、第１外側部分Ｐ１および第２外側部分Ｐ２ひいては可動部１０全体について、軸心Ａ１を回転軸とする小さな慣性モーメントを実現しやすい。

また、マイクロ可動素子Ｘ１では、上述のように、一組のトーションバー３１，３２によって規定される連結部３０について図６に示す最大幅Ｗの中心よりもトーションバー３１寄りに軸心Ａ１が位置するため、可動部１０において電極部１２よりも密な構造を有するランド部１１について、軸心Ａ１を回転軸とする慣性モーメントを小さく設定しやすい。密な構造を有するランド部１１について小さな慣性モーメントを実現しやすいことは、ランド部１１を含む可動部１０の全体について小さな慣性モーメントを実現するのに好適である。一方、可動部１０においてランド部１１よりも疎な構造を有する電極部１２、および錘部１４については、ランド部１１と質量バランス（軸心Ａ１を支点とする質量バランス）がとれるように、軸心Ａ１を回転軸とする慣性モーメントを設定することが可能であり、ランド部１１の慣性モーメントを小さくするほど、梁部１３に対してランド部１１とは反対側の慣性モーメント（特に錘部１４の慣性モーメント）も小さくすることができる。したがって、マイクロ可動素子Ｘ１においては、ランド部１１、電極部１２、および錘部１４、ひいては可動部１０全体について、軸心Ａ１を回転軸とする小さな慣性モーメントを実現しやすい。

可動部１０について小さな慣性モーメントを実現しやすいマイクロ可動素子Ｘ１では、軸心Ａ１まわりに回転変位動作可能な可動部１０について高い共振周波数を実現しやすい。軸心Ａ１を回転軸とする慣性モーメントが小さいほど、可動部１０は高速で回転変位動作しやすく、可動部１０の共振周波数は高まる傾向にある。

以上のように、マイクロ可動素子Ｘ１は、駆動時に回転変位動作する可動部１０について、非動作方向変位を抑制するのに適し且つ高い共振周波数を得るのに適する。

マイクロ可動素子Ｘ１においては、フレーム２０に対して可動部１０を支持するための一対の連結部３０は、軸心Ａ１の延び方向においてランド部１１および電極部１２よりも短い梁部１３に接続する。このような構成は、マイクロ可動素子Ｘ１について、軸心Ａ１の延び方向に小型化を図るうえで好ましい。

マイクロ可動素子Ｘ１では、各連結部３０において、可動部１０の回転変位動作に係るトーションバー３１の曲げバネ定数は、当該回転変位動作に係るトーションバー３２の曲げバネ定数以上であるのが好ましい。各連結部３０において、可動部１０の回転変位動作に係るトーションバー３１の曲げバネ定数が大きいほど、可動部１０の回転変位動作に係る連結部３０全体の捩れバネ定数は大きくなる傾向にある。当該回転変位動作に係る連結部３０の捩れバネ定数が大きいほど、可動部１０について高い共振周波数を得ることが可能である。また、各連結部３０において、可動部１０の回転変位動作に係るトーションバー３１の曲げバネ定数と、当該回転変位動作に係るトーションバー３２の曲げバネ定数との差が小さいほど、可動部１０が回転変位動作する際にトーションバー３１，３２にかかる負荷が均等化する。このような負荷の均等化は、トーションバー３１，３２の破損を防止するうえで好適である。

図８は、連結部３０の変形例を表す。図８（ａ）に示す変形例では、トーションバー３２はトーションバー３１よりも幅太であり、従って、トーションバー３２の横断面積は、トーションバー３１の横断面積よりも大きい。このような構成は、各連結部３０において、可動部１０の回転変位動作に係るトーションバー３１の曲げバネ定数と、当該回転変位動作に係るトーションバー３２の曲げバネ定数との差を小さくするうえで、好適である。上述のように、各連結部３０をなすトーションバー３１，３２の曲げバネ定数の差が小さいほど、可動部１０が回転変位動作する際にトーションバー３１，３２にかかる負荷が均等化する。

図８（ｂ）に示す変形例では、トーションバー３２において、可動部１０側の接続端部３２ａは、フレーム２０側の接続端部３２ｂよりも幅太である。すなわち、接続端部３２ａが可動部１０に接続している面積は、接続端部３２ｂがフレーム２０に接続している面積よりも大きい。トーションバー３２において、可動部１０の回転変位動作の軸心Ａ１から遠い接続端部３２ａ側には、軸心Ａ１に近い接続端部３２ｂ側よりも、可動部１０の回転変位動作する際に大きな負荷がかかりやすいが、当該変形例の構成は、接続端部３２ａ，３２ｂにかかる負荷を均等化するうえで好適である。このような負荷の均等化は、トーションバー３２の破損を防止するうえで好適である。

マイクロ可動素子Ｘ１は、加速度センサなどのセンシングデバイスとしても構成することができる。センシングデバイスとしてのマイクロ可動素子Ｘ１では、可動部１０のランド部１１上のミラー面１１ａは必ずしも設ける必要はない。

加速度センサとして構成されたマイクロ可動素子Ｘ１の駆動時には、例えば、電極部１２，４０間に所定の直流電圧印加を行うことによって、フレーム２０や電極部４０に対して可動部１０を静止状態にさせる。この状態で、マイクロ可動素子Ｘ１ないし可動部１０に法線方向（図１の平面図において紙面に垂直な方向）の加速度が作用すると、加速度と平行なベクトル成分の慣性力が働いて、可動部１０に対し、一対の連結部３０によって規定される軸心Ａ１まわりに回転トルクが作用し、加速度に比例した回転変位（軸心Ａ１まわりの回転変位）が可動部１０に生じる（当該慣性力は、図１に現れる平面視において可動部１０の重心位置が軸心Ａ１とは完全には重ならないように設計しておくことで、発生させ得る）。回転変位量は、電極部１２，４０間の静電容量の変化として電気的に検出することができる。その検出結果に基づき、マイクロ可動素子Ｘ１ないし可動部１０に作用する加速度を導出することが可能である。

図９および図１０は、マイクロ可動素子Ｘ１の製造方法の一例を表す。この方法は、バルクマイクロマシニング技術によりマイクロ可動素子Ｘ１を製造するための一手法である。図９および図１０においては、図１０（ｄ）に示すランド部Ｌ、梁部Ｂ、フレームＦ１，Ｆ２、連結部Ｃ１，Ｃ２、および一組の電極Ｅ１，Ｅ２の形成過程を、一の断面の変化として表す。当該一の断面は、加工が施される材料基板（多層構造を有するウエハ）における単一のマイクロ可動素子形成区画に含まれる複数の所定箇所の断面を、モデル化して連続断面として表したものである。ランド部Ｌは、ランド部１１の一部に相当する。梁部Ｂは、梁部１３に相当し、梁部１３の横断面を表す。フレームＦ１，Ｆ２は、各々、フレーム２０に相当し、フレーム２０の横断面を表す。連結部Ｃ１は、連結部３０に相当し、トーションバー３１，３２の延び方向の断面を表す。連結部Ｃ２は、連結部３０に相当し、トーションバー３１，３２の横断面を表す。電極Ｅ１は、電極部１２の一部に相当し、電極歯１２ｂの横断面を表す。電極Ｅ２は、電極部４０の一部に相当し、電極歯４２の横断面を表す。

マイクロ可動素子Ｘ１の製造においては、まず、図９（ａ）に示すような材料基板１００を用意する。材料基板１００は、シリコン層１０１，１０２と、当該シリコン層１０１，１０２間の絶縁層１０３とからなる積層構造を有するＳＯＩウエハであり、図外において上述の導電ビア２４が予め埋め込み形成されたものである。シリコン層１０１，１０２は、不純物をドープすることにより導電性を付与されたシリコン材料よりなる。不純物としては、Ｂなどのｐ型不純物や、ＰおよびＳｂなどのｎ型不純物を採用することができる。絶縁層１０３は例えば酸化シリコンよりなる。シリコン層１０１の厚さは例えば１０〜１００μｍであり、シリコン層１０２の厚さは例えば５０〜５００μｍであり、絶縁層１０３の厚さは例えば０.３〜３μｍである。

次に、図９（ｂ）に示すように、シリコン層１０１上にミラー面１１ａを形成する。ミラー面１１ａの形成においては、まず、スパッタリング法により、シリコン層１０１に対して例えばＣｒ（５０ｎｍ）およびこれに続いてＡｕ（２００ｎｍ）を成膜する。次に、所定のマスクを介してこれら金属膜に対してエッチング処理を順次行うことにより、ミラー面１１ａをパターン形成する。Ａｕに対するエッチング液としては、例えば、ヨウ化カリウム−ヨウ素水溶液を使用することができる。Ｃｒに対するエッチング液としては、例えば硝酸第二セリウムアンモニウム水溶液を使用することができる。

次に、図９（ｃ）に示すように、シリコン層１０１上に酸化膜パターン１１０およびレジストパターン１１１を形成し、シリコン層１０２上に酸化膜パターン１１２を形成する。酸化膜パターン１１０は、シリコン層１０１において成形されるべき可動部１０（ランド部１１、梁部１３、電極部１２、錘部１４を含む）およびフレーム２０の一部に対応する図１１に示すパターン形状を有する。レジストパターン１１１は、連結部３０に対応するパターン形状を有する。また、酸化膜パターン１１２は、シリコン層１０２において成形されるべきフレーム２０の一部および電極部４０に対応する図１２に示すパターン形状を有する。

次に、図９（ｄ）に示すように、酸化膜パターン１１０およびレジストパターン１１１をマスクとして利用して、ＤＲＩＥ（deep reactive ion etching）により、シリコン層１０１に対して所定の深さまでエッチング処理を行う。所定の深さとは、連結部Ｃ１，Ｃ２の厚さに相当する深さであり、例えば５μｍである。ＤＲＩＥでは、ＳＦ₆ガスを用いて行うエッチングとＣ₄Ｆ₈ガスを用いて行う側壁保護とを交互に繰り返すＢｏｓｃｈプロセスにおいて、良好な異方性エッチング加工を行うことができる。後出のＤＲＩＥについても、このようなＢｏｓｃｈプロセスを採用することができる。

次に、図１０（ａ）に示すようにレジストパターン１１１を除去する。例えば、剥離液を作用させることにより、レジストパターン１１１を剥離することができる。

次に、図１０（ｂ）に示すように、酸化膜パターン１１０をマスクとして、ＤＲＩＥにより、連結部Ｃ１，Ｃ２を残存形成しつつシリコン層１０１に対して絶縁層１０３に至るまでエッチング処理を行う。本エッチング処理により、可動部１０（ランド部Ｌ、梁部Ｂ、電極Ｅ１を含む）、フレーム２０（フレームＦ１，Ｆ２を含む）の一部（第１層部２１）、および各連結部３０（連結部Ｃ１，Ｃ２を含む）が、成形される。

次に、図１０（ｃ）に示すように、酸化膜パターン１１２をマスクとして、ＤＲＩＥによりシリコン層１０２に対して絶縁層１０３に至るまでエッチング処理を行う。本エッチング処理により、フレーム２０（フレームＦ１，Ｆ２を含む）の一部（第２層部２２）、および電極部４０（電極Ｅ２を含む）が、成形される。

次に、図１０（ｄ）に示すように、絶縁層１０３において露出している箇所、および酸化膜パターン１１０，１１２を、エッチング除去する。エッチング手法としては、ドライエッチングまたはウエットエッチングを採用することができる。ドライエッチングを採用する場合、エッチングガスとしては、例えば、ＣＦ₄やＣＨＦ₃などを採用することができる。ウエットエッチングを採用する場合、エッチング液としては、例えば、フッ酸とフッ化アンモニウムからなるバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を使用することができる。

以上の一連の工程を経ることにより、ランド部Ｌ、梁部Ｂ、フレームＦ１，Ｆ２、連結部Ｃ１，Ｃ２、および一組の電極Ｅ１，Ｅ２などを成形してマイクロ可動素子Ｘ１を製造することができる。

図１３は、第２の実施形態に係るマイクロ可動素子アレイＹ１を表す。マイクロ可動素子アレイＹ１は、複数のマイクロ可動素子Ｘ１（一部省略）を含んでなる。マイクロ可動素子アレイＹ１において、複数のマイクロ可動素子Ｘ１は、軸心Ａ１の方向に一列に配されている。したがって、マイクロ可動素子アレイＹ１では、複数のミラー面１１ａは、軸心Ａ１の方向に一列に配されている。

マイクロ可動素子アレイＹ１において、フレーム２０の第１層部２１および第２層部２２の部分２２ａは、全てのマイクロ可動素子Ｘ１にわたって連続しており、従って、全てのマイクロ可動素子Ｘ１におけるフレーム２０の第１層部２１と、第２層部２２の部分２２ａと、電極部１２とは、電気的に接続されている。

マイクロ可動素子アレイＹ１の駆動時には、全てのマイクロ可動素子Ｘ１における可動部１０の電極部１２に対して共通的に所定の基準電位が付与された状態で、選択されたマイクロ可動素子Ｘ１の電極部４０に対して所定の駆動電位が付与される。これにより、各マイクロ可動素子Ｘ１の可動部１０ないしランド部１１が個別に揺動駆動され、各マイクロ可動素子Ｘ１のランド部１１上に設けられたミラー面１１ａにて反射される光の反射方向を適宜切り換えることができる。各マイクロ可動素子Ｘ１の駆動手法については、具体的には、第１の実施形態に関して上述したとおりである。

第１の実施形態に関して上述したように、各マイクロ可動素子Ｘ１においては、錘部１４を具備することによって可動部１０の重量バランスがとられているため、各可動部１０の回転変位動作における回転変位量について、高精度に制御しやすい。

第１の実施形態に関して上述したように、各マイクロ可動素子Ｘ１においては、フレーム２０に対して可動部１０を支持する一対の連結部３０の各々は、フレーム２０側から可動部１０側にかけて離隔距離が漸増するように延びるトーションバー３１，３２からなる。そのため、各マイクロ可動素子Ｘ１は、駆動時に回転変位動作する可動部１０について非動作方向変位を抑制するのに適する。

第１の実施形態に関して上述したように、各マイクロ可動素子Ｘ１は、駆動時に回転変位動作する可動部１０について、非動作方向変位を抑制するのに適し且つ高い共振周波数を得るのに適する。

第１の実施形態に関して上述したように、各マイクロ可動素子Ｘ１において、フレーム２０に対して可動部１０を支持するための一対の連結部３０は、軸心Ａ１の延び方向においてランド部１１および電極部１２よりも短い梁部１３に接続する。このような構成は、マイクロ可動素子アレイＹ１においては、素子配列方向において充分に高いランド部１１ないしミラー面１１ａの占有比率を実現するうえで好ましい。素子配列方向におけるミラー面１１ａの占有比率が高いほど、マイクロ可動素子アレイＹ１が全体として受けて各ミラー面１１ａにて反射する光信号について、損失を低減することができる。

図１４から図２０は、本発明の第３の実施形態に係るマイクロ可動素子Ｘ２を表す。図１４は、マイクロ可動素子Ｘ２の平面図である。図１５は、マイクロ可動素子Ｘ２の一部省略平面図である。図１６から図２０は、各々、図１４の線XVI−XVI、線XVII−XVII、線XVIII−XVIII、線XIX−XIX、および線XX−XXに沿った拡大断面図である。

マイクロ可動素子Ｘ２は、可動部１０と、フレーム２０’と、一対の連結部３０と、電極部４０と、フレーム５０と、一対の連結部６０Ａ，６０Ｂと、電極部７０Ａ，７０Ｂとを備え、本実施形態では二軸型のマイクロミラー素子として構成されている。また、マイクロ可動素子Ｘ２は、ＭＥＭＳ技術などのバルクマイクロマシニング技術により、ＳＯＩウエハである材料基板に対して加工を施すことによって製造されたものである。当該材料基板は、第１および第２シリコン層ならびに当該シリコン層間の絶縁層よりなる積層構造を有し、各シリコン層は、不純物のドープにより所定の導電性が付与されている。マイクロ可動素子Ｘ２における上述の各部位は主に第１シリコン層および／または第２シリコン層に由来して形成されるところ、図の明確化の観点より、図１４においては、第１シリコン層に由来して絶縁層より紙面手前方向に突き出る部位について、斜線ハッチングを付して表す。また、図１５に示される構造は、マイクロ可動素子Ｘ２において第２シリコン層に由来するものである。

マイクロ可動素子Ｘ２は、フレーム２０に代えてフレーム２０’を備える点、および、フレーム５０と、一対の連結部６０Ａ，６０Ｂと、電極部７０Ａ，７０Ｂとを追加的に備える点において、第１の実施形態たるマイクロ可動素子Ｘ１と異なる。マイクロ可動素子Ｘ２における可動部１０、一対の連結部３０、および電極部４０の構成は、マイクロ可動素子Ｘ１における可動部１０、一対の連結部３０、および電極部４０の構成と、同様である。

フレーム２０’は、第１層部２１が空隙を介して分離する部分２１ａ，２１ｂ，２１ｃを有する点において、第１の実施形態に係るフレーム２０と異なる。部分２１ａは、図１４に示すように、可動部１０を部分的に囲む形状を有する。部分２１ａは、図１６に示すように、絶縁層２３を貫通する導電ビア２４を介して、第２層部２２の部分２２ａと電気的に接続されている。部分２１ｂは、絶縁層２３を貫通する導電ビア２５を介して、第２層部２２の部分２２ｂと電気的に接続されている。部分２１ｃは、図１４に示すようにフレーム２０の端部に位置し、図１７に示すように、絶縁層２３を貫通する導電ビア２６を介して第２層部２２の部分２２ａと電気的に接続されている。

フレーム５０は、図１６から図２０に示すように、第１シリコン層に由来する第１層部５１と、第２シリコン層に由来する第２層部５２と、これらの間の絶縁層５３とからなる積層構造を有する。図１４に示すように、第１層部５１は、空隙を介して分離する部分５１ａ，５１ｂを含む。図１５に示すように、第２層部５２は、空隙を介して分離する部分５２ａ，５２ｂ，５２ｃを含む。部分５１ａ，５２ａは、図２０に示すように、絶縁層５３を貫通する導電ビア５４を介して電気的に接続されている。部分５１ｂ，５２ｂは、図１９に示すように、絶縁層５３を貫通する導電ビア５５を介して電気的に接続されている。

連結部６０Ａは、図１４に示すように二本のトーションバー６１からなる。各トーションバー６１は、第１シリコン層に由来する部位であり、フレーム２０’の第１層部２１の部分２１ｂとフレーム５０の第１層部５１の部分５１ｂとに接続して、フレーム２０’，５０を連結する。トーションバー６１により、部分２１ｂ，５１ｂは電気的に接続される。二本のトーションバー６１の間隔は、フレーム５０の側からフレーム２０’の側にかけて漸増する。また、トーションバー６１は、第１の実施形態における連結部３０のトーションバー３１，３２と同様に薄肉である。

連結部６０Ｂは、図１４に示すように二本のトーションバー６２からなる。各トーションバー６２は、第１シリコン層に由来する部位であり、フレーム２０’の第１層部２１の部分２１ｃとフレーム５０の第１層部５１の部分５１ａとに接続して、フレーム２０’，５０を連結する。トーションバー６２により、部分２１ｃ，５１ａは電気的に接続される。二本のトーションバー６２の間隔は、フレーム５０の側からフレーム２０’の側にかけて漸増する。また、トーションバー６２は、第１の実施形態における連結部３０のトーションバー３１，３２と同様に薄肉である。

これら一対の連結部６０Ａ，６０Ｂは、フレーム２０’の回転変位動作の軸心Ａ２を規定する。フレーム５０の側からフレーム２０’の側にかけて間隔が漸増する二本のトーションバー６１を含む連結部６０Ａ、および、フレーム５０からフレーム２０’の側にかけて間隔が漸増する二本のトーションバー６２を含む連結部６０Ｂは、フレーム２０’が図１４に示す矢印Ｄ₂の方向（非動作方向）に変位するのを抑制する機能を有する。

電極部７０Ａは、第１シリコン層に由来する部位であり、図１４および図１８に示すようにフレーム２０’の第１層部２１の部分２１ｃから電極部７０Ｂの側へ延出する複数の電極歯７１を有する。このように、電極部７０Ａは櫛歯電極構造を有する。

電極部７０Ｂは、第２シリコン層に由来する部位であり、図１５および図１８に示すようにアーム７２と、当該アーム７２から電極部７０Ａの側へ延出する複数の電極歯７３を有する。アーム７２は、フレーム５０の第２層部５２の部分５２ｃから延出する。このように、電極部７０Ｂは櫛歯電極構造を有する。

マイクロ可動素子Ｘ２において、一対の電極部１２，４０は、軸心Ａ１まわりの可動部１０の回転変位動作に係る駆動力を発生させるための駆動機構ないしアクチュエータを構成し得る。一対の電極部７０Ａ，７０Ｂは、フレーム２０’およびこれに伴う可動部１０の軸心Ａ２まわりの回転変位動作に係る駆動力を発生させるための駆動機構ないしアクチュエータを構成し得る。

以上のような構造を有するマイクロ可動素子Ｘ２は、第１の実施形態に係るスイッチング素子Ｘ１の製造方法と同様の手法によって製造することができる。

マイクロ可動素子Ｘ２の駆動時には、電極部１２，７０Ａに所定の基準電位が付与される。電極部１２に対する基準電位の付与は、フレーム５０の第２層部５２の部分５２ａと、導電ビア５４（図２０に示す）と、第１層部５１の部分５１ａと、連結部６０Ｂないしトーションバー６２と、フレーム２０’の第１層部２１の部分２１ｃと、導電ビア２６（図１７に示す）と、フレーム２０’の第２層部２２の部分２２ａと、導電ビア２４（図１６に示す）と、フレーム２０’の第１層部２１の部分２１ａと、連結部３０ないしトーションバー３１，３２と、可動部１０の梁部１３とを介して、実現することができる。電極部７０Ａに対する基準電位の付与は、フレーム５０の第２層部５２の部分５２ａと、導電ビア５４（図２０に示す）と、第１層部５１の部分５１ａと、連結部６０Ｂないしトーションバー６２と、フレーム２０’の第１層部２１の部分２１ｃとを介して、実現することができる。基準電位は、例えばグラウンド電位であり、好ましくは一定に維持される。

そして、基準電位よりも高い駆動電位を電極部４０，７０Ｂの各々に対して必要に応じて付与することにより、電極部１２，４０間に静電引力を発生させて可動部１０を軸心Ａ１まわりに回転変位動作させることができ、また、電極部７０Ａ，７０Ｂ間に静電引力を発生させてフレーム２０’およびこれに伴う可動部１０を軸心Ａ２まわりに回転変位動作させることができる。マイクロ可動素子Ｘ２は、いわゆる二軸型の揺動素子である。電極部４０に対する駆動電位の付与は、フレーム５０の第２層部５２の部分５２ｂと、導電ビア５５（図１９に示す）と、フレーム５０の第１層部５１の部分５１ｂと、連結部６０Ａないしトーションバー６１と、フレーム２０’の第１層部２１の部分２１ｂと、導電ビア２５（図１６に示す）と、フレーム２０’の第２層部２２の部分２２ｂとを介して、実現することができる。このような二軸型の揺動駆動により、マイクロ可動素子Ｘ２のランド部１１上に設けられたミラー面１１ａにて反射される光の反射方向を適宜切り換えることができる。

マイクロ可動素子Ｘ２は、第１の実施形態たるマイクロ可動素子Ｘ１と同様に、可動部１０において錘部１４を具備する。したがって、マイクロ可動素子Ｘ２においては、マイクロ可動素子Ｘ１に関して上述したのと同様に、可動部１０の回転変位動作における回転変位量について高精度に制御しやすい。

マイクロ可動素子Ｘ２は、第１の実施形態たるマイクロ可動素子Ｘ１と同様に一対の連結部３０を有する。具体的には、マイクロ可動素子Ｘ２は、フレーム２０’に対して可動部１０を支持する一対の連結部３０を有し、各連結部３０は、フレーム２０’側から可動部１０側にかけて離隔距離が漸増するように延びるトーションバー３１，３２からなる。したがって、マイクロ可動素子Ｘ２においては、マイクロ可動素子Ｘ１に関して上述したのと同様に、駆動時に回転変位動作する可動部１０について非動作方向変位（図１４にて矢印Ｄ₁で示す方向の変位）を抑制するのに適する。

マイクロ可動素子Ｘ２は、フレーム５０に対してフレーム２０’およびこれに伴う可動部１０を支持する一対の連結部６０Ａ，６０Ｂを具備するところ、連結部６０Ａは、フレーム５０側からフレーム２０’側にかけて離隔距離が漸増するように延びるトーションバー６１からなり、連結部６０Ｂは、フレーム５０側からフレーム２０’側にかけて離隔距離が漸増するように延びるトーションバー６２からなる。したがって、マイクロ可動素子Ｘ２においては、駆動時に回転変位動作するフレーム２０’およびこれに伴う可動部１０について非動作方向変位（図１４にて矢印Ｄ₂で示す方向の変位）を抑制するのに適する。

マイクロ可動素子Ｘ２における連結部３０のトーションバー３１，３２は、第１の実施形態に係るマイクロ可動素子Ｘ１の連結部３０に関して上述したのと同様に、図６に示すように可動部１０の梁部１３に接続する。具体的には、トーションバー３１，３２の離隔方向Ｓにおいて、トーションバー３１が可動部１０に接続する第１箇所Ｃ１の方が、トーションバー３２が可動部１０に接続する第２箇所Ｃ２よりも、軸心Ａ１に近い。より具体的には、離隔方向Ｓにおいて、トーションバー３１が軸心Ａ１に対してなす開き角度α₁は、トーションバー３２が軸心Ａ１に対してなす開き角度α₂よりも小さい。したがって、マイクロ可動素子Ｘ２は、マイクロ可動素子Ｘ１と同様に、駆動時に回転変位動作する可動部１０について、非動作方向変位を抑制するのに適するうえに高い共振周波数を得るのに適する。

マイクロ可動素子Ｘ２においては、フレーム２０’に対して可動部１０を支持するための一対の連結部３０は、軸心Ａ１の延び方向においてランド部１１および電極部１２よりも短い梁部１３に接続する。このような構成は、マイクロ可動素子Ｘ２について、軸心Ａ１の延び方向に小型化を図るうえで好ましい。

マイクロ可動素子Ｘ２においては、第１の実施形態に係るマイクロ可動素子Ｘ１に関して上述したのと同様に、連結部３０を構成する要素として、図８（ａ）に示す一組のトーションバー３１，３２を採用してもよいし、図８（ｂ）に示す一組のトーションバー３１，３２を採用してもよい。

マイクロ可動素子Ｘ２は、角速度センサや加速度センサなどのセンシングデバイスとしても構成することができる。センシングデバイスとしてのマイクロ可動素子Ｘ２では、可動部１０のランド部１１上のミラー面１１ａは必ずしも設ける必要はない。

角速度センサとして構成されたマイクロ可動素子Ｘ２の駆動時には、例えば、フレーム５０に対して変位可能な全部位（可動部１０，フレーム２０’，連結部３０，電極部４０，電極部７０Ａ）は、所定の振動数ないし周期で軸心Ａ２まわりに回転変位される。この回転変位は、電極部７０Ａ，７０Ｂ間に対して所定の周期で電圧印加を行うことによって実現される。本実施形態では、例えば、電極部７０Ａをグラウンド接続したうえで、電極部７０Ｂへの所定電位の付与を所定周期で行う。例えばこのようにして可動部１０を振動させている状態において、マイクロ可動素子Ｘ２ないし可動部１０に所定の角速度が作用すると、可動部１０が軸心Ａ１まわりに所定程度に回転変位して、電極部１２，４０の相対的配置が変化して当該電極部１２，４０間の静電容量が変化する。これら静電容量変化に基づいて、可動部１０の回転変位量を検出することができる。その検出結果に基づき、マイクロ可動素子Ｘ２ないし可動部１０に作用する角速度を導出することが可能である。

加速度センサとして構成されたマイクロ可動素子Ｘ２の駆動時には、例えば、電極部１２，４０間に所定の直流電圧印加を行うことによって、フレーム２０’や電極部４０に対して可動部１０を静止状態にさせる。この状態で、マイクロ可動素子Ｘ２ないし可動部１０に法線方向（図１４の平面図において紙面に垂直な方向）の加速度が作用すると、加速度と平行なベクトル成分の慣性力が働いて、可動部１０に対し、一対の連結部３０によって規定される軸心Ａ１まわりに回転トルクが作用し、加速度に比例した回転変位（軸心Ａ１まわりの回転変位）が可動部１０に生じる（当該慣性力は、図１４に現れる平面視において可動部１０の重心位置が軸心Ａ１と重ならないように設計しておくことで、発生させ得る）。回転変位量は、電極部１２，４０間の静電容量の変化として電気的に検出することができる。その検出結果に基づき、マイクロ可動素子Ｘ２ないし可動部１０に作用する加速度を導出することが可能である。

図２１は、第４の実施形態に係るマイクロ可動素子アレイＹ２を表す。マイクロ可動素子アレイＹ２は、複数のマイクロ可動素子Ｘ２（一部省略）を含んでなる。マイクロ可動素子アレイＹ２において、複数のマイクロ可動素子Ｘ２は、軸心Ａ１の方向に一列に配されている。したがって、マイクロ可動素子アレイＹ２では、複数のミラー面１１ａは、軸心Ａ１の方向に一列に配されている。

マイクロ可動素子アレイＹ２において、各マイクロ可動素子Ｘ２のフレーム５０は共通化されている。具体的には、フレーム５０における第１層部５１の部分５１ａおよび第２層部５２の部分５２ａは、全てのマイクロ可動素子Ｘ２にわたって連続している。したがって、マイクロ可動素子アレイＹ２では、全てのマイクロ可動素子Ｘ２における可動部１０の電極部１２と電極部７０Ａとは、電気的に接続されている（上述のように、電極部１２，７０Ａはフレーム５０における部分５１ａ，５２ａと電気的に接続されている）。

マイクロ可動素子アレイＹ２の駆動時には、全てのマイクロ可動素子Ｘ２における可動部１０の電極部１２，７０Ａに対して共通的に所定の基準電位が付与された状態で、選択されたマイクロ可動素子Ｘ２の電極部４０，７０Ｂの各々に対して所定の駆動電位が付与される。これにより、各マイクロ可動素子Ｘ２の可動部１０およびフレーム２０’が個別に回転変位動作され、各マイクロ可動素子Ｘ２のランド部１１上のミラー面１１ａにて反射される光の反射方向を適宜切り換えることができる。各マイクロ可動素子Ｘ２の駆動手法については、具体的には、第３の実施形態に関して上述したとおりである。

第３の実施形態に関して上述したように、各マイクロ可動素子Ｘ２においては、錘部１４を具備することによって可動部１０の重量バランスがとられているため、各可動部１０の回転変位動作における回転変位量について、高精度に制御しやすい。

第３の実施形態に関して上述したように、各マイクロ可動素子Ｘ２においては、フレーム２０’に対して可動部１０を支持する一対の連結部３０の各々は、フレーム２０’側から可動部１０側にかけて離隔距離が漸増するように延びるトーションバー３１，３２からなる。そのため、各マイクロ可動素子Ｘ２は、駆動時に回転変位動作する可動部１０について非動作方向変位を抑制するのに適する。

第３の実施形態に関して上述したように、各マイクロ可動素子Ｘ２は、フレーム５０に対してフレーム２０’およびこれに伴う可動部１０を支持する一対の連結部６０Ａ，６０Ｂを具備するところ、連結部６０Ａは、フレーム５０側からフレーム２０’側にかけて離隔距離が漸増するように延びるトーションバー６１からなり、連結部６０Ｂは、フレーム５０側からフレーム２０’側にかけて離隔距離が漸増するように延びるトーションバー６２からなる。したがって、各マイクロ可動素子Ｘ２においては、駆動時に回転変位動作するフレーム２０’およびこれに伴う可動部１０について非動作方向変位を抑制するのに適する。

第３の実施形態に関して上述したように、各マイクロ可動素子Ｘ２は、駆動時に回転変位動作する可動部１０について、非動作方向変位を抑制するのに適するうえに高い共振周波数を得るのに適する。

第３の実施形態に関して上述したように、各マイクロ可動素子Ｘ２において、フレーム２０’に対して可動部１０を支持するための一対の連結部３０は、軸心Ａ１の延び方向においてランド部１１および電極部１２よりも短い梁部１３に接続する。このような構成は、マイクロ可動素子アレイＹ２においては、素子配列方向において充分に高いランド部１１ないしミラー面１１ａの占有比率を実現するうえで好ましい。素子配列方向におけるミラー面１１ａの占有比率が高いほど、マイクロ可動素子アレイＹ１が全体として受けて各ミラー面１１ａにて反射する光信号について、損失を低減することができる。

上述のマイクロ可動素子Ｘ１，Ｘ２およびマイクロ可動素子アレイＹ１，Ｙ２は、光スイッチング装置の一構成要素として用いることができる。

図２２は、第５の実施形態に係る空間光結合型の光スイッチング装置５００の概略構成を表す。光スイッチング装置５００は、一対のマイクロミラーアレイ５０１，５０２と、入力ファイバアレイ５０３と、出力ファイバアレイ５０４と、複数のマイクロレンズ５０５，５０６とを備える。入力ファイバアレイ５０３は所定数の入力ファイバ５０３ａからなり、マイクロミラーアレイ５０１には、各入力ファイバ５０３ａに対応するマイクロミラー５０１ａが複数配設されている。出力ファイバアレイ５０４は所定数の出力ファイバ５０４ａからなり、マイクロミラーアレイ５０２には、各出力ファイバ５０４ａに対応するマイクロミラー５０２ａが複数配設されている。マイクロミラー５０１ａ，５０２ａは、各々、光を反射するための一のミラー面を有して当該ミラー面の向きを制御できるように設けられている。各マイクロミラー５０１ａ，５０２ａは上述のマイクロ可動素子Ｘ１，Ｘ２によって構成される。或は、マイクロミラーアレイ５０１，５０２を、複数の上述のマイクロ可動素子アレイＹ１，Ｙ２によって構成してもよい。複数のマイクロレンズ５０５は、各々、入力ファイバ５０３ａの端部に対向するように配置されている。また、複数のマイクロレンズ５０６は、各々、出力ファイバ５０４ａの端部に対向するように配置されている。

光スイッチング装置５００において、入力ファイバ５０３ａから出射される光Ｌ₁は、対応するマイクロレンズ５０５を通過することによって、相互に平行光とされ、マイクロミラーアレイ５０１へ向かう。光Ｌ₁は、対応するマイクロミラー５０１ａで反射し、マイクロミラーアレイ５０２へと偏向される。このとき、マイクロミラー５０１ａのミラー面は、光Ｌ₁を所望のマイクロミラー５０２ａに入射させるように、予め所定の方向を向いている。次に、光Ｌ₁は、マイクロミラー５０２ａで反射し、出力ファイバアレイ５０４へと偏向される。このとき、マイクロミラー５０２ａのミラー面は、所望の出力ファイバ５０４ａにマイクロレンズ５０６を介して光Ｌ₁を入射させるように、予め所定の方向を向いている。

このように、光スイッチング装置５００によると、各入力ファイバ５０３ａから出射した光Ｌ₁は、マイクロミラーアレイ５０１，５０２における偏向によって、所望の出力ファイバ５０４ａに到達する。すなわち、入力ファイバ５０３ａと出力ファイバ５０４ａは一対一で接続される。そして、マイクロミラー５０１ａ，５０２ａにおける偏向角度を適宜変更することによって、光Ｌ₁が到達する出力ファイバ５０４ａが切換えられる。

光ファイバを媒体として伝送された光信号の伝送経路を或るファイバから他のファイバへと切換えるための光スイッチング装置に求められる特性としては、切換え動作における、大容量性、高速性、高信頼性などが挙げられる。これらの観点より、光スイッチング装置に組み込まれるスイッチング素子としては、マイクロマシニング技術によって作製されるマイクロミラー素子が好ましい。マイクロミラー素子によると、光スイッチング装置における入力側の光伝送路と出力側の光伝送路との間で、光信号を電気信号に変換せずに光信号のままでスイッチング処理を行うことができ、上述の特性を得るうえで好適だからである。

図２３は、第６の実施形態に係る波長選択型の光スイッチング装置６００の概略構成を表す。光スイッチング装置６００は、マイクロミラーアレイ６０１と、一本の入力ファイバ６０２と、三本の出力ファイバ６０３と、複数のマイクロレンズ６０４ａ，６０４ｂと、分光器６０５と、集光レンズ６０６とを備える。マイクロミラーアレイ６０１は、複数のマイクロミラー６０１ａを有し、当該複数のマイクロミラー６０１ａは、マイクロミラーアレイ６０１において例えば一列に配設されている。各マイクロミラー６０１ａは、光を反射するためのミラー面を有して当該ミラー面の向きを制御できるように設けられている。各マイクロミラー６０１ａは上述のマイクロ可動素子Ｘ１，Ｘ２によって構成される。或は、マイクロミラーアレイ６０１を上述のマイクロ可動素子アレイＹ１，Ｙ２によって構成してもよい。マイクロレンズ６０４ａは、入力ファイバ６０２の端部に対向するように配置されている。マイクロレンズ６０４ｂは、出力ファイバ６０３の端部に対向するように配置されている。分光器６０５は、波長によって反射光の回折の程度が異なる反射型回折格子である。

光スイッチング装置６００において、入力ファイバ６０２から出射される光Ｌ₂（複数の波長が混在している）は、マイクロレンズ６０４ａを通過することによって、平行光とされる。この光Ｌ₂は、分光器６０５にて反射する（このとき、波長ごとに異なる角度で反射する）。当該反射光は、集光レンズ６０６を通過する。その際、波長ごとに、マイクロミラーアレイ６０１において対応するマイクロミラー６０１ａへ集光される。各波長の光は、対応するマイクロミラー６０１ａで所定方向に反射される。このとき、マイクロミラー６０１ａのミラー面は、対応する波長の光を所望の出力ファイバ６０３に到達させるように、予め所定の方向を向いている。マイクロミラー６０１ａにて反射した光は、その後、集光レンズ６０６、分光器６０５、およびマイクロレンズ６０４ｂを経由して、選択された所定の出力ファイバ６０３に入射する。このようにして、光スイッチング装置６００によると、光Ｌ₂から所望の波長の光を選択することができる。

以上のまとめとして、本発明の構成およびそのバリエーションを以下に付記として列挙する。

（付記１）フレームと、
可動部と、
前記フレームおよび前記可動部を連結して当該可動部の回転変位動作の軸心を規定する一対の連結部と、を備え、
各連結部は、離隔し且つフレーム側から可動部側にかけて離隔距離が大きくなるように延びる第１連結バーおよび第２連結バーを含み、
前記第１連結バーは、前記可動部における、前記軸心に対して第１の側に接続し、
前記第２連結バーは、前記可動部における、前記軸心に対して前記第１の側とは反対の第２の側に接続し、
前記第１および第２連結バーの前記離隔の方向において、前記第２連結バーが前記可動部に接続する箇所よりも、前記第１連結バーが前記可動部に接続する箇所は、前記軸心に近い、マイクロ可動素子。
（付記２）前記可動部は、第１部位と、第２部位と、当該第１および第２部位を連結し且つ前記軸心の延び方向において当該第１および第２部位よりも短い梁部とを有し、前記第１および第２連結バーは、当該梁部に接続する、付記１に記載のマイクロ可動素子。
（付記３）前記第１部位は、前記第２部位よりも密な構造を有する、付記２に記載のマイクロ可動素子。
（付記４）前記第１部位はミラー面を有する、付記２または３に記載のマイクロ可動素子。
（付記５）前記第２部位は第１電極部であり、当該第１電極部と協働して前記可動部の前記回転変位動作の駆動力を発生させるための第２電極部を更に備える、付記２から４のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子。
（付記６）前記第１および第２電極部は櫛歯電極構造を有する、付記５に記載のマイクロ可動素子。
（付記７）前記第１および第２連結バーの前記離隔の方向において、前記軸心に対して前記第１連結バーがなす第１開き角度は、前記軸心に対して前記第２連結バーがなす第２開き角度よりも小さい、付記１から６のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子。
（付記８）前記第１連結バーが前記可動部に接続する箇所と前記第２連結バーが前記可動部に接続する箇所との間を前記軸心が通るように前記第１および第２連結バーは位置し、前記軸心に対して前記第１連結バーがなす第１開き角度は、前記軸心に対して前記第２連結バーがなす第２開き角度よりも小さい、付記１から７のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子。
（付記９）前記第１連結バーの曲げバネ定数は、前記第２連結バーの曲げバネ定数以上である、付記１から８のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子。
（付記１０）前記第２連結バーの横断面積は、前記第１連結バーの横断面積よりも大きい、付記１から９のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子。
（付記１１）前記第２連結バーにおける可動部側接続端部が前記可動部に接続している面積は、前記第２連結バーにおけるフレーム側接続端部が前記フレームに接続している面積よりも大きい、付記１から１０のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子。
（付記１２）前記第１連結バーおよび／または前記第２連結バーは、前記可動部および／または前記フレームよりも薄肉である、付記１から１１のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子。
（付記１３）追加フレームと、当該追加フレームおよび前記フレームを連結して当該フレームの回転変位動作の軸心を規定する追加連結部とを更に備える、付記１から１２のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子。
（付記１４）付記１から１３のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子を複数含む、マイクロ可動素子アレイ。
（付記１５）マイクロミラー素子として構成された付記１から１３のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子を備える、光スイッチング装置。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロ可動素子の平面図である。 図１に示すマイクロ可動素子の一部省略平面図である。 図１の線III−IIIに沿った断面図である。 図１の線IV−IVに沿った拡大断面図である。 図１の線V−Vに沿った拡大断面図である。 図１に示すマイクロ可動素子の部分拡大平面図である。 駆動時における図１の線III−IIIに沿った断面図である。 連結部のバリエーションを表す。 図１に示すマイクロ可動素子の製造方法における一部の工程を表す。 図９の後に続く工程を表す。 マスクパターンの平面図である。 他のマスクパターンの平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るマイクロ可動素子アレイの平面図である。 本発明の第３の実施形態に係るマイクロ可動素子の平面図である。 図１４に示すマイクロ可動素子の一部省略平面図である。 図１４の線XVI−XVIに沿った拡大断面図である。 図１４の線XVII−XVIIに沿った拡大断面図である。 図１４の線XVIII−XVIIIに沿った拡大断面図である。 図１４の線XIX−XIXに沿った拡大断面図である。 図１４の線XX−XXに沿った拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態に係るマイクロ可動素子アレイの平面図である。 第５の実施形態に係る光スイッチング装置の概略構成を表す。 第６の実施形態に係る光スイッチング装置の概略構成を表す。 従来のマイクロ可動素子の一例の平面図である。 図２４の線XXV−XXVに沿った断面図である。 図２４の線XXVI−XXVIに沿った拡大断面図である。 従来のマイクロ可動素子の一例の平面図である。 図２７の線XXVIII−XXVIIIに沿った断面図である。 図２７の線XXIX−XXIXに沿った拡大断面図である。 図２７に示すマイクロ可動素子の部分拡大平面図である。

符号の説明

Ｘ１，Ｘ２，Ｚ１，Ｚ２ マイクロ可動素子
Ｙ１，Ｙ２ マイクロ可動素子アレイ
１０ 可動部
１１ ランド部
１１ａ ミラー面
１２，４０，７０Ａ，７０Ｂ 電極部
１３ 梁部
１４ 錘部
２０，２０’，５０ フレーム
３０，６０Ａ，６０Ｂ 連結部
３１，３２，６１，６２ トーションバー
Ａ１，Ａ２ 軸心

Claims (5)

1. フレームと、
   可動部と、
   前記フレームおよび前記可動部を連結して当該可動部の回転変位動作の軸心を規定する一対の連結部と、を備え、
   各連結部は、離隔し且つフレーム側から可動部側にかけて離隔距離が大きくなるように延びる第１連結バーおよび第２連結バーを含み、
   前記第１連結バーは、前記可動部における、前記軸心に対して第１の側に接続し、
   前記第２連結バーは、前記可動部における、前記軸心に対して前記第１の側とは反対の第２の側に接続し、
   前記第１および第２連結バーの前記離隔の方向において、前記第２連結バーが前記可動部に接続する箇所よりも、前記第１連結バーが前記可動部に接続する箇所は、前記軸心に近く、
   前記可動部は、第１部位と、第２部位と、当該第１および第２部位を連結し且つ前記軸心の延び方向において当該第１および第２部位よりも短い梁部とを有し、前記第１および第２連結バーは、当該梁部に接続する、マイクロ可動素子。
2. フレームと、
   可動部と、
   前記フレームおよび前記可動部を連結して当該可動部の回転変位動作の軸心を規定する一対の連結部と、を備え、
   各連結部は、離隔し且つフレーム側から可動部側にかけて離隔距離が大きくなるように延びる第１連結バーおよび第２連結バーを含み、
   前記第１連結バーは、前記可動部における、前記軸心に対して第１の側に接続し、
   前記第２連結バーは、前記可動部における、前記軸心に対して前記第１の側とは反対の第２の側に接続し、
   前記第１および第２連結バーの前記離隔の方向において、前記第２連結バーが前記可動部に接続する箇所よりも、前記第１連結バーが前記可動部に接続する箇所は、前記軸心に近く、
   前記第１部位は、前記第２部位よりも密な構造を有する、マイクロ可動素子。
3. 前記第１および第２連結バーの前記離隔の方向において、前記軸心に対して前記第１連結バーがなす第１開き角度は、前記軸心に対して前記第２連結バーがなす第２開き角度よりも小さい、請求項１または２に記載のマイクロ可動素子。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子を複数含む、マイクロ可動素子アレイ。
5. マイクロミラー素子として構成された請求項１から３のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子を備える、光スイッチング装置。

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