JP5844701B2 - マイクロミラー素子およびミラーアレイ - Google Patents

Description

本発明は、光スイッチに用いられるマイクロミラー素子およびミラーアレイに関するものである。

近年、光通信の分野では、１つの波長に１つの光信号を対応させ、波長多重して伝送するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）技術により、大容量の光伝送を行うことが実現されている。このような光通信技術の発展に伴って、光信号を電気信号等に変換することなく経路を切り替える光スイッチングデバイスが脚光を浴びている。なかでも、小型、軽量、低コストを実現する技術として、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた空間光学系光スイッチングデバイスが注目されている。例えば、数十もの波長から任意の波長を選択して複数の出力ファイバのうちの何れかへ出力可能な波長選択型光スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）が提案されている。この波長選択型光スイッチの構成部品として最も特徴的なものが、複数のマイクロミラー素子を高密度に配列したマイクロミラーアレイである。

マイクロミラーアレイは、ミラー素子（マイクロミラー素子）が、１次元的あるいは２次元的に配列されたものである。ミラー素子は、図１８に示すように、平面視略矩形のミラー３０１と、このミラー３０１の向かい合った辺に接続されミラー３０１を回動可能に支持する一対のばね部材３０２と、ミラー３０１のばね部材３０２が接続されていない一辺側に所定間隔離間して配置された電極３０３とを備えている。このようなミラー素子においては、ミラー３０１を接地し、電極３０３に正または負の電圧を与えることで、ミラー３０１を静電引力で吸引して、ミラー３０１を一対のばね部材３０２を結ぶ軸回りに回動させることができる。

このようなミラーアレイを備えた波長選択型光スイッチでは、ミラー３０１の回動角度を大きく変動させることにより出力ファイバの切り替えを行い、ミラー３０１の回動角度を微小に変動させることにより光パワーの調整を行っている。このため、マイクロミラー素子には、ミラーの回動角度について大きく変動させることと微小に変動させることが要求されている。

特開２０１０−１８５９３１号公報 特開２００５−０４３６７４号公報 米国特許第６３８４９５２号公報 米国特許第７９１１６７２号公報

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しかしながら、ミラーを大きく回動させるには、一般的に電極３０３に高電圧を印加する必要があるので特殊なＩＣドライバを用いていたが、このＩＣドライバが高価であるために光スイッチの低コスト化のためにも低電圧での駆動が望まれていた。そこで、図１９に示すように、ミラー３０１の回動軸に平行な一方の辺に可動電極を３０４を設け、固定電極３０３をその可動電極３０４と対向して配置して、回動軸と電極とを離間させることにより、電極３０３への印加電圧が低電圧でも高いトルクが得られるようにして大きな回動角を実現することが提案されている。ところが、この場合には、ミラーピッチに対するミラー幅の割合、すなわちフィルファクタが小さくなってしまうので、波長単位に光路を切り替えるために光信号の等価帯域を十分確保することが困難になってしまう。

また、ミラーを微小に回動させるときには、この微小な回動で光パワーの調整を行っているので、外乱により回動角が変動すると光パワーも揺らいでしまう。このため、外乱が生じても安定した回動の実現が望まれていた。

そこで、本発明は、低コストで安定した駆動を実現できるミラーアレイを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係るマイクロミラー素子は、基板上に設けられた第１の固定電極および第２の固定電極と、基板から離間して回動可能に配設された構造体と、構造体の回動軸に沿って配設され、対向する一端が構造体に接続され、構造体を回動軸回りに回動可能に支持する一対の支持部材とを備えたマイクロミラー素子であって、構造体は、第１の固定電極と対向する第１の可動電極と、この第１の可動電極に連結されるミラーとを備え、第１の可動電極の重心は、第１の可動電極と構造体の回動軸とを含む面内において回動軸と離間し、第１の可動電極とミラーは、面内において回動軸に沿った方向に離間し、構造体の重心は、回動軸上にあり、かつ一対の支持部材間の中点に位置し、支持部材の少なくとも１つは、第２の固定電極と対向する第２の可動電極を備えることを特徴とするものである。

上記マイクロミラー素子において、構造体は、ミラーまたは第１の可動電極に連結された第１のバランサをさらに備え、第１のバランサは、回動軸に沿って少なくとも第１の可動電極およびミラーと離間しているようにしてもよい。

また、上記マイクロミラー素子において、構造体は、ミラー、第１の可動電極および第１のバランサの何れかに連結された第２のバランサをさらに備え、第２のバランサは、連結されているミラー、第１の可動電極および第１のバランサの何れかよりも構造体の重心から離れた位置にあり、第２のバランサの重心は、連結されているミラー、第１の可動電極および第１のバランサの何れかの重心よりも回動軸から離れた位置にあるようにしてもよい。

また、上記マイクロミラー素子において、バランサの少なくとも一部は、ミラーまたは第１の可動電極より厚く形成されているようにしてもよい。

また、上記マイクロミラー素子において、バランサの少なくとも一部は、ミラーまたは第１の可動電極を構成する材料よりも密度の高い材料から形成されているようにしてもよい。

上記マイクロミラー素子において、構造体は、前記基板と平行で、前記重心を通り、かつ、前記回動軸に直交する軸に対して線対称に形成されているようにしてもよい。

また、本発明に係るミラーアレイは、複数のマイクロミラー素子を１次元的に配列したミラーアレイであって、マイクロミラー素子は、上記マイクロミラー素子からなることを特徴とするものである。ここで、上記マイクロミラー素子は、入れ子構造で配列されるようにしてもよい。

本発明によれば、第１の可動電極の重心が回動軸と離れているので、低電圧で大きな回動を実現でき、高電圧を印加するためのドライバなどが不用となり、結果として、低コストを実現できる。また、構造体の重心は、回動軸上にあり、かつ一対の支持部材間の中点に位置しているので、外乱を受けても構造体が回動軸回りに回動するのを防ぐことができ、結果として、安定した回動を実現することができる。また、支持部材の少なくとも１つは第２の固定電極と対向する第２の可動電極を備えているので、回動軸（Ｙ軸）の回りだけではなく、回動軸と直交する軸（Ｘ軸）の回りにも構造体を回動させることができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロミラーアレイの構成を模式的に示す平面図である。 図２は、図１のI-I線断面図である。 図３は、ミラー構造体の構成を模式的に示す平面図である。 図４は、第１の実施の形態に係るマイクロミラーアレイの駆動特性の測定結果を示す図である。 図５は、第１の実施の形態に係るマイクロミラーアレイの加速度に対する変化の測定結果を示す図である。 図６Ａは、第１の実施の形態における電極基板の製造方法を説明するための図である。 図６Ｂは、第１の実施の形態における電極基板の製造方法を説明するための図である。 図６Ｃは、第１の実施の形態における電極基板の製造方法を説明するための図である。 図６Ｄは、第１の実施の形態における電極基板の製造方法を説明するための図である。 図６Ｅは、第１の実施の形態における電極基板の製造方法を説明するための図である。 図７Ａは、第１の実施の形態におけるミラー基板の製造方法を説明するための図である。 図７Ｂは、第１の実施の形態におけるミラー基板の製造方法を説明するための図である。 図７Ｃは、第１の実施の形態におけるミラー基板の製造方法を説明するための図である。 図７Ｄは、第１の実施の形態におけるミラー基板の製造方法を説明するための図である。 図７Ｅは、第１の実施の形態におけるミラー基板の製造方法を説明するための図である。 図７Ｆは、第１の実施の形態におけるミラー基板の製造方法を説明するための図である。 図８は、第１の実施の形態におけるマイクロミラーアレイの製造方法を説明するための図である。 図９は、可動電極の変形例を模式的に示す斜視図である。 図１０は、図９の要部拡大図である。 図１１は、本発明の第２の実施の形態におけるミラー構造体の構成を模式的に示す平面図である。 図１２は、本発明の第３の実施の形態におけるミラー構造体の構成を模式的に示す平面図である。 図１３は、本発明の第４の実施の形態におけるミラー構造体の構成を模式的に示す平面図である。 図１４は、本発明の第５の実施の形態におけるミラー構造体の構成を模式的に示す平面図である。 図１５は、本発明の第６の実施の形態におけるミラー構造体の構成を模式的に示す平面図である。 図１６は、本発明の第７の実施の形態におけるミラー構造体の構成を模式的に示す平面図である。 図１７は、図１６の変形例を示す平面図である。 図１８は、従来のミラーアレイの構成を説明するための図である。 図１９は、従来のミラーアレイの構成を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明の権利範囲に含まれないものも実施の形態として記載されているが、ここでは全て実施の形態として説明する。
［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。

＜マイクロミラーアレイの構成＞
図１，図２に示すように、本実施の形態に係るマイクロミラーアレイは、例えばシリコン基板などから構成された電極基板１と、電極基板１から離間して電極基板１と略平行に対向して配置され、例えばＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板などから構成されるミラー基板２とを備えている。便宜上、以下においては、電極基板１とミラー基板２の平面に沿った方向を「Ｘ軸方向」、その平面に沿いかつＸ軸方向に直交する方向を「Ｙ軸方向」、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交する方向を「Ｚ軸方向」という。

電極基板１は、平面視略矩形の開口を有し、この開口の底面に固定電極３が配設されている。この固定電極３は、後述するミラー基板２の可動電極５３と対向する位置に配置されている。また、電極基板１上には配線が形成されており、この配線を介して接続された外部電源から供給される電圧が固定電極３に印加される。なお、配線は、電極基板１を貫通するように形成されていてもよい。

ミラー基板２は、Ｘ軸方向に延在し、かつ、互いに平行に配設された一対の基部４，４’と、この一対の基部４，４’の間にＸ軸方向に配列された複数のミラー構造体５（図３参照）と、ミラー構造体５毎に設けられ、Ｙ軸方向に延在し、基部４，４’とミラー構造体５とを連結する一対の支持部材６，６’とを備えている。

本実施の形態においては、固定電極３とミラー構造体５によりマイクロミラー素子が構成され、このマイクロミラー素子がＸ軸方向に配列されることにより、マイクロミラーアレイが構成されることとなる。

ここで、ミラー構造体５は、図３に示すように、支持部材６を介して一方の基部４に連結されたミラー５１と、支持部材６’を介して他方の基部４’に連結されたバランサ部材５２と、一対の連結部材５４，５４’を介してミラー５１およびバランサ部材５２に連結された可動電極５３とを備えている。このようにミラー構造体５は、支持部材６，６’により、これらを結ぶＹ軸に平行な軸（回動軸）α回りに回動可能に支持されている。また、ミラー５１，バランサ部材５２および可動電極５３は、Ｙ軸方向に離間している。

ミラー５１は、平面視略矩形に形成されており、各辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行に配置されている。このようなミラー５１の各辺のうち、基部４と対向する辺には、Ｘ軸方向における一方の側（以下、「負の側」とする。）の端部に、支持部材６が接続されている。また、基部４’と対向する辺には、Ｘ軸方向における負の側の端部に、連結部材５４の一端が接続されている。この連結部材５４の一端は、回動軸α上に位置しているので、回動軸αは、ミラー５１のＹ軸方向に平行な辺のうち、Ｘ軸方向における負の側の辺の近傍を通ることとなる。このため、ミラー５１は、全体として回動軸αに対してＸ軸方向の正の側に位置しているので、ミラー５１の重心も、回動軸αに対してＸ軸方向の正の側に位置することとなる。なお、ミラー５１上面には、反射膜が形成されている。

バランサ部材５２は、ミラー５１と同等の大きさの平面視略矩形に形成されており、各辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行に配置されている。このようなバランサ部材５２の各辺のうち、基部４’と対向する辺には、Ｘ軸方向における負の側の端部に、支持部材６’が接続されている。また、基部４と対向する辺には、Ｘ軸方向における負の側の端部に、連結部材５４’の一端が接続されている。この連結部材５４’の一端は、回動軸α上に位置しているので、回動軸αは、バランサ部材５２のＹ軸方向に平行な辺のうち、Ｘ軸方向における負の側の辺近傍を通ることとなる。このため、バランサ部材５２は、全体として回動軸αに対してＸ軸方向の正の側に位置しているので、バランス部材５２の重心も、回動軸αに対してＸ軸方向の正の側に位置することとなる。なお、バランサ部材５２の上面には、ミラー５１に形成された反射膜と同等の材料が配設されている。

可動電極５３は、ミラー５１とバランサ部材５２を連結した程度の面積を有する平面視略矩形に形成されており、各辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行に配置されている。このような可動電極５３の各辺のうち、基部４と対向する辺には、ミラー５１に接続された一端からＸ軸方向の負の側に延在する連結部材５４の他端が接続されている。また、基部４’と対向する辺には、バランサ部材５２に接続された一端からＸ軸方向の負の側に延在する連結部材５４’の他端が接続されている。したがって、可動電極５３は、回動軸αに対してＸ軸方向の負の側に位置しているので、可動電極５３の重心も、可動電極５３と回動軸αとを含む面内において回動軸αからＸ軸方向の負の側に離間した箇所に位置している。

このように、ミラー構造体５は、回動軸αに対して、ミラー５１およびバランサ部材５２をＸ軸方向の正の側、ミラー５１とバランサ部材５２を合計した面積を有する可動電極５３をＸ軸方向における負の側に位置させて、回動軸αを挟んで各部材の重量のバランスをとることにより、重心Ｇが回動軸α上に位置するように設定されている。また、重心Ｇが、両支持部材６，６’のミラー５１またはバランサ部材５２との接続端間の中心に位置するように設定されている。このようにミラー構造体５の重心Ｇが回動軸αの中点上にあるので、外乱を受けてもミラー構造体５が回動軸α、β（重心を通るＺ軸に平行な回動軸）、γ（重心を通るＸ軸に平行な回動軸）回りに回動するのを防ぐことができるので、結果として、光パワーの揺らぎを防ぐことができる。

また、ミラー構造体５は、ミラー５１、バランサ部材５２および可動電極５３がＹ軸方向に離間している。これにより、ミラー構造体５をＸ軸方向に並べてミラーアレイを形成するとき、いわゆる入れ子構造に並べることが可能となるので、隣り合うミラー構造体５の構成要素と干渉せずに近接して高密度に並べることができる。したがって、ミラー５１のフィルファクタを向上させることができる。

なお、本実施の形態においてミラー構造体５の重心Ｇは、ミラー５１と支持部材６との接続端と、バランサ部材５２と支持部材６’との接続端とを結ぶ直線（回動軸α）の中点に位置している。さらに、ミラー構造体５は、その中点を通るＸ軸方向に平行な直線に対して線対称に形成されている。

＜マイクロミラーアレイの動作＞
次に、本実施の形態に係るマイクロミラーアレイの動作について説明する。

まず、固定電極３に電圧を印加していない場合、ミラー構造体５は、支持部材６，６’により支持されて、ミラー５１、バランサ部材５２および可動電極５３が、電極基板１やミラー基板２と平行な同一平面内に位置した状態となっている。

この状態から固定電極３に電圧を印加すると、ミラー構造体５は、発生する静電引力により固定電極３と対向して配置された可動電極５３が固定電極３の方に、Ｚ軸方向の負の側に変位するので、回動軸α回りに回動することとなる。このとき、可動電極５３は、回動軸αから離れた位置に配設されている。したがって、静電引力が小さくても大きなトルクを得ることができるので、ミラー構造体５を低電圧で大きく回動させることができる。このように、低電圧で大きな回動を実現できるので、特殊なドライバなどが不用となり、結果として、低コスト化を実現できる。

固定電極３が下方に変位した状態から固定電極３への電圧の印加を停止すると、ミラー構造体５は、固定電極３により発生していた静電引力が無くなるので、支持部材６，６’から受ける回動軸α回りのねじりの力により、ミラー５１、バランサ部材５２および可動電極５３が、電極基板１やミラー基板２と平行な同一平面内に位置した状態に戻ることとなる。

本実施の形態に係るマイクロミラーアレイにおける駆動特性と加速度に対する変化について測定を行った。この測定結果を図４，図５に示す。なお、図４，図５に示す測定結果は、図３に示すミラー構造体５に関するものである。このときのミラー構造体５の各部の寸法は次の通りである。ミラー５１およびバランサ部材５２は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の長さがそれぞれ１００［μｍ］である。可動電極５３は、Ｘ軸方向の長さが１００［μｍ］、Ｙ軸方向の長さが２００［μｍ］である。連結部材５４，５４’は、Ｙ軸方向の長さが４３［μｍ］である。

図４に示すように、本実施の形態では、４［deg］の回動角を実現するのに固定電極３に印加した電圧が２０［Ｖ］であった。このように本実施の形態では、可動電極５３を回動軸αから離れた位置に配設することにより、ミラー構造体５を低電圧で大きく回動できることが確認された。

また、図５に示すように、本実施の形態では、２０［ｇ］の加速度を与えても、回動角の変動が見られなかった。このように本実施の形態では、ミラー構造体５の重心Ｇを回動軸α上に位置させることにより、外乱を受けてもミラー構造体５が回動軸α回りに回動するのを防ぐことができることが確認された。

＜マイクロミラーアレイの製造方法＞
次に、図６Ａ〜図８を参照して、本実施の形態に係るマイクロミラーアレイの製造方法について説明する。

まず、図６Ａに示すように、例えばシリコン単結晶からなるシリコン基板１０１を用意する。次に、図６Ｂに示すように、シリコン基板１０１上にレジストパターン１０２を形成する。このレジストパターン１０２は、公知のフォトリソグラフィー技術により形成すればよい。

次に、図６Ｃに示すように、レジストパターン１０２をマスクとした公知のドライエッチングなどにより、シリコン基板１０１を選択的にエッチングし、平面視略矩形の開口を形成する。次に、図６Ｄに示すように、レジストパターン１０２を除去した後、図６Ｅに示すように、シリコン基板１０１に形成した開口の底面に固定電極３を形成する。例えばスパッタ法などにより金属を堆積することで、固定電極３を形成できる。また、メッキ法などにより金属を堆積して固定電極３を形成してもよい。以上の工程により、電極基板１が生成される。

次に、図７Ａに示すように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１１１を用意する。このＳＯＩ基板１１１は、シリコン基部１１２の上に、埋め込み絶縁層１１３を介して表面シリコン層１１４が形成された基板である。

次に、図７Ｂに示すように、表面シリコン層１１４上に、基部４，４’、ミラー構造体５および支持部材６，６’の平面形状に対応したレジストパターン１１５を形成する。このレジストパターン１１５は、公知のフォトリソグラフィー技術により形成すればよい。

次に、図７Ｃに示すように、レジストパターン１１５をマスクとした公知のドライエッチングなどにより表面シリコン層１１４を選択的にエッチングした後、図７Ｄに示すように、レジストパターン１１５を除去する。

次に、図７Ｅに示すように、シリコン基部１１２および埋め込み絶縁層１１３を選択的にエッチングして除去することにより、基部４，４’、ミラー構造体５および支持部材６，６’を形成する。

次に、図７Ｆに示すように、ミラー構造体５のミラー５１およびバランサ部材５２の表面に反射膜１１６を形成する。例えばスパッタ法などにより金などの金属を堆積することで、反射膜１１６を形成できる。また、メッキ法、抵抗加熱蒸着法などにより金などの金属を堆積して反射膜１１６を形成してもよい。以上の工程により、ミラー基板２が生成される。

次に、図８に示すように、上述した工程により生成した電極基板１とミラー基板２とを、電極基板１の開口が形成された側の面にミラー基板２の表面シリコン層１１４側の面を対向させるようにして、貼り合わせる。これにより、本実施の形態に係るマイクロミラーアレイが生成されることとなる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、可動電極５３の重心が回動軸αと離れているので、低電圧で大きな回動を実現できるため、高電圧を印加するためのドライバなどが不用となり、結果として、低コストを実現できる。また、ミラー構造体５の重心Ｇは、回動軸α上にあるので、外乱を受けてもミラー構造体５が回動軸α回りに回動するのを防ぐことができ、結果として、安定した回動を実現することができる。

なお、本実施の形態では、可動電極５３として平板状の電極を用いる場合を例に説明したが、可動電極５３は、図９に示すように、棒状の第１の梁部材５３１から同じ方向に突出した棒状の複数の第２の梁部材５３２を備えた、いわゆる櫛歯状の可動電極５３’から構成されるようにしてもよい。このとき、固定電極３は、板状の電極部材３’が所定間隔離間して互いに平行に配置された構成を有する。このような構成を採ることによっても、上述した本実施の形態による作用効果と同等の作用効果を実現することができる。
なお、固定電極３および可動電極５３’の第２の梁部材５３２の形状を、図１０に示すように、Ｙ軸方向の幅を４［μｍ］、Ｘ軸方向の長さ８０［μｍ］とし、かつ、第２の梁部材５３２を１５個設けることにより、図４，図５に示した特性を得ることができた。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態と固定電極３およびミラー構造体５の構成が異なるものである。したがって、本実施の形態において、上述した第１の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図１１に示すように、本実施の形態におけるミラー構造体５ａは、一対の連結部材５４ａ，５４ａ’の一端により支持されたミラー５１ａと、連結部材５４ａの他端と連結部材５５ａの一端により支持された第１の可動電極５３ａと、連結部材５４ａ’の他端と連結部材５５ａ’の一端により支持された第２の可動電極５３ａ’とを備えている。ここで、連結部材５５ａの他端は、支持部材６が連結されている。同様に、連結部材５５ａ’の他端は、支持部材６’が連結されている。したがって、ミラー構造体５ａは、支持部材６，６’により、これらを結ぶＹ軸に平行な軸（回動軸α）回りに回動可能に支持されている。また、ミラー５１ａ，第１の可動電極５３ａおよび第２の可動電極５３ａ’は、Ｙ軸方向に離間している。さらに、電極基板上には、第１の可動電極５３ａと対向する位置に固定電極３ａが配置され、第２の可動電極５３ａと対向する位置に固定電極３ａ’が配置されている。

ここで、ミラー５１ａは、平面視略矩形に形成されており、各辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行に配置されている。このようなミラー５１ａのＸ軸に平行な辺のうち、Ｙ軸方向における正の側の辺には、Ｘ軸方向における負の側の端部に連結部材５４ａの一端が接続され、Ｙ軸方向における負の側の辺には、Ｘ軸方向における負の側の端部に連結部材５４ａ’の一端が接続されている。連結部材５４ａ，５４ａ’は、ミラー５１ａに接続された一端から、回動軸αを通過した位置までＸ軸方向における負の側に延在している。したがって、回動軸αは、ミラー５１ａよりもＸ軸方向における負の側に位置することとなる。このように、ミラー５１ａは、全体として回動軸αに対してＸ軸方向の正の側に位置しているので、ミラー５１の重心も、回動軸αに対してＸ軸方向の正の側に位置することとなる。

第１の可動電極５３ａは、ミラー５１ａと同等の大きさの平面視略矩形に形成されており、各辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行に配置されている。このような第１の可動電極５３ａのＸ軸に平行な辺のうち、Ｙ軸方向における負の側の辺には、Ｘ軸方向における正の側の端部に、一端がミラー５１ａに接続された連結部材５４ａの他端が接続されている。また、Ｙ軸方向における正の側の辺には、Ｘ軸方向における正の側の端部に連結部材５５ａの一端が接続されている。この連結部材５５ａは、その一端からＸ軸方向における正の側に延在しており、他端が支持部材６に接続されている。したがって、回動軸αは、第１の可動電極５３ａよりもＸ軸方向における正の側に位置することとなる。このように、第１の可動電極５３ａは、全体として回動軸αに対してＸ軸方向の負の側に位置しているので、第１の可動電極５３ａの重心も、回動軸αに対してＸ軸方向の負の側に位置することとなる。このような第１の可動電極５３ａは、第１の実施の形態におけるバランサ部材５２および可動電極５３として機能する。

第２の可動電極５３ａ’は、ミラー５１ａと同等の大きさの平面視略矩形に形成されており、各辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行に配置されている。このような第２の可動電極５３ａ’のＸ軸に平行な辺のうち、Ｙ軸方向における正の側の辺には、Ｘ軸方向における正の側の端部に、一端がミラー５１ａに接続された連結部材５４ａ’の他端が接続されている。また、Ｙ軸方向における負の側の辺には、Ｘ軸方向における正の側の端部に連結部材５５ａ’の一端が接続されている。この連結部材５５ａ’は、その一端からＸ軸方向における正の側に延在しており、他端が支持部材６’に接続されている。したがって、回動軸αは、第２の可動電極５３ａ’よりもＸ軸方向における正の側に位置することとなる。このように、第２の可動電極５３ａ’は、全体として回動軸αに対してＸ軸方向の負の側に位置しているので、第２の可動電極５３ａ’重心も、回動軸αに対してＸ軸方向の負の側に位置することとなる。このような第２の可動電極５３ａ’は、第１の実施の形態におけるバランサ部材５２および可動電極５３として機能する。

このように、ミラー構造体５ａは、回動軸αに対して、ミラー５１ａをＸ軸方向の正の側、第１の可動電極５３ａおよび第２の可動電極５３ａ’をＸ軸方向における負の側に位置させて、回動軸αを挟んで各部材の重量のバランスをとることにより、重心Ｇが回動軸α上に位置するように設定されている。このようにミラー構造体５ａの重心Ｇが回動軸α上にあるので、外乱を受けてもミラー構造体５ａが回動軸α回りに回動するのを防ぐことができるので、結果として、光パワーの揺らぎを防ぐことができる。

また、ミラー構造体５ａは、ミラー５１ａ、第１の可動電極５３ａおよび第２の可動電極５３ａ’がＹ軸方向に離間している。これにより、ミラー構造体５ａをＸ軸方向に並べてミラーアレイを形成するとき、いわゆる入れ子構造に並べることが可能となるので、隣り合うミラー構造体５ａの構成要素と干渉せずに近接して高密度に並べることができる。したがって、ミラー５１ａのフィルファクタを向上させることができる。

さらに、第１の可動電極５３ａおよび第２の可動電極５３ａ’は、回動軸αから離れた位置に配設されている。したがって、静電引力が小さくても大きなトルクを得ることができるので、ミラー構造体５ａを低電圧で大きく回動させることができる。このように、低電圧で大きな回動を実現できるので、特殊なドライバなどが不用となり、結果として、低コスト化を実現できる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態と固定電極３およびミラー構造体５の構成が異なるものである。したがって、本実施の形態において、上述した第１の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図１２に示すように、本実施の形態におけるミラー構造体５ｂは、一対の連結部材５４ｂ，５４ｂ’の一端により支持されたミラー５１ｂと、連結部材５４ｂの他端により支持された第１の可動電極５３ｂと、連結部材５４ｂ’の他端により支持された第２の可動電極５３ｂ’とを備えている。ここで、連結部材５４ｂの一端側には、支持部材６が連結されている。同様に、連結部材５４ｂ’の一端側には、支持部材６’が連結されている。したがって、ミラー構造体５ｂは、支持部材６，６’により、これらを結ぶＹ軸に平行な軸（回動軸α）回りに回動可能に支持されている。また、ミラー５１ｂ，第１の可動電極５３ｂおよび第２の可動電極５３ｂ’は、Ｙ軸方向に離間している。さらに、電極基板上には、第１の可動電極５３ｂと対向する位置に固定電極３ｂが配置され、第２の可動電極５３ｂ’と対向する位置に固定電極３ｂ’が配置されている。

ここで、ミラー５１ｂは、平面視略矩形に形成されており、各辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行に配置されている。このようなミラー５１ｂのＸ軸に平行な辺のうち、Ｙ軸方向における正の側の辺には、Ｘ軸方向における負の側の端部に連結部材５４ｂの一端が接続され、Ｙ軸方向における負の側の辺には、Ｘ軸方向における負の側の端部に連結部材５４ｂ’の一端が接続されている。連結部材５４ｂ，５４ｂ’のミラー５１ｂに接続された端部には、支持部材６または支持部材６’が接続されている。したがって、回動軸αは、ミラー５１ｂのＹ軸方向に平行な辺のうち、Ｘ軸方向における負の側の辺の近傍を通ることとなる。このため、ミラー５１ｂは、全体として回動軸αに対してＸ軸方向の正の側に位置しているので、ミラー５１ｂの重心も、回動軸αに対してＸ軸方向の正の側に位置することとなる。

第１の可動電極５３ｂは、ミラー５１ｂと同等の大きさの平面視略矩形に形成されており、各辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行に配置されている。このような第１の可動電極５３ｂのＸ軸に平行な辺のうち、Ｙ軸方向における負の側の辺には、Ｘ軸方向における正の側の端部に、一端がミラー５１ｂに接続されてＸ軸方向の負の側に延在する連結部材５４ｂの他端が接続されている。したがって、回動軸αは、第１の可動電極５３ｂよりもＸ軸方向における正の側に位置することとなる。このように、第１の可動電極５３ｂは、全体として回動軸αに対してＸ軸方向の負の側に位置しているので、第１の可動電極５３ｂの重心も、回動軸αに対してＸ軸方向の負の側に位置することとなる。このような第１の可動電極５３ｂは、第１の実施の形態におけるバランサ部材５２および可動電極５３として機能する。

第２の可動電極５３ｂ’は、ミラー５１ｂと同等の大きさの平面視略矩形に形成されており、各辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行に配置されている。このような第２の可動電極５３ｂのＸ軸に平行な辺のうち、Ｙ軸方向における正の側の辺には、Ｘ軸方向における正の側の端部に、一端がミラー５１ｂに接続されてＸ軸方向の負の側に延在する連結部材５４ｂ’の他端が接続されている。したがって、回動軸αは、第２の可動電極５３ｂ’よりもＸ軸方向における正の側に位置することとなる。このように、第２可動電極５３ｂ’は、全体として回動軸αに対してＸ軸方向の負の側に位置しているので、第２の可動電極５３ｂ’の重心も、回動軸αに対してＸ軸方向の負の側に位置することとなる。このような第２の可動電極５３ｂ’は、第１の実施の形態におけるバランサ部材５２および可動電極５３として機能する。

このように、ミラー構造体５ｂは、回動軸αに対して、ミラー５１ｂをＸ軸方向の正の側、第１の可動電極５３ｂおよび第２の可動電極５３ｂ’をＸ軸方向における負の側に位置させて、回動軸αを挟んで各部材の重量のバランスをとることにより、重心Ｇが回動軸α上に位置するように設定されている。また、重心Ｇが、支持部材６，６’の連結部材５４ｂ，５４ｂ’との接続端間の中心に位置するように設定されている。このようにミラー構造体５ｂの重心Ｇが回動軸αの中点上にあるので、外乱を受けてもミラー構造体５ｂが回動軸α、β（重心を通るＺ軸に平行な回動軸）、γ（重心を通るＸ軸に平行な回動軸）回りに回動するのを防ぐことができるので、結果として、光パワーの揺らぎを防ぐことができる。

また、ミラー構造体５ｂは、ミラー５１ｂ、第１の可動電極５３ｂおよび第２の可動電極５３ｂ’がＹ軸方向に離間している。これにより、ミラー構造体５ｂをＸ軸方向に並べてミラーアレイを形成するとき、いわゆる入れ子構造に並べることが可能となるので、隣り合うミラー構造体５ｂの構成要素と干渉せずに近接して高密度に並べることができる。したがって、ミラー５１ｂのフィルファクタを向上させることができる。

さらに、第１の可動電極５３ｂおよび第２の可動電極５３ｂ’は、回動軸αから離れた位置に配設されている。したがって、静電引力が小さくても大きなトルクを得ることができるので、ミラー構造体５ｂを低電圧で大きく回動させることができる。このように、低電圧で大きな回動を実現できるので、特殊なドライバなどが不用となり、結果として、低コスト化を実現できる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態における支持部材６，６’に可動電極をさらに設けたものである。したがって、本実施の形態において、上述した第１の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図１３に示すように、ミラー構造体５ｃ、支持部材６ｃを介して一方の基部４に連結されたミラー５１と、支持部材６ｃ’を介して他方の基部４’に連結されたバランサ部材５２と、一対の連結部材５４，５４’を介してミラー５１およびバランサ部材５２に連結された可動電極５３とを備えている。このようにミラー構造体５ｃは、支持部材６ｃ，６ｃ’により、これらを結ぶＹ軸に平行な軸（回動軸α）回りに回動可能に支持されている。また、ミラー５１，バランサ部材５２および可動電極５３は、Ｙ軸方向に離間している。このようなミラー構造体５ｃは、重心Ｇが回動軸α上にあるように形成されている。

ここで、支持部材６ｃは、一端がミラー５１に接続された第１の梁部材６１と、この第１の梁部材６１の他端が接続された第３の可動電極６２と、一端が第３の可動電極６２に接続され、他端が基部４に接続された第２の梁部材６３とから構成されている。ここで、電極基板１上面には、第３の可動電極６２と対向する位置に固定電極３ｃが配置されている。

同様に、支持部材６ｃ’は、一端がバランサ部材５２に接続された第１の梁部材６１’と、この第１の梁部材６１’の他端が接続された第３の可動電極６２’と、一端が第３の可動電極６２’に接続され、他端が基部４’に接続された第２の梁部材６３’とから構成されている。ここで、電極基板１上面には、第３の可動電極６２’と対向する位置に固定電極３ｃ’が配置されている。なお、この第４の実施の形態において、可動電極５３が本発明でいう第１の可動電極に相当し、固定電極３が第１の固定電極に相当し、可動電極６２，６２’が第２の可動電極に相当し、固定電極３ｃ，３ｃ’が第２の固定電極に相当する。

本実施の形態において、固定電極３ｃ，３ｃ’に電圧を印加すると、発生する静電引力により、固定電極３ｃ，３ｃ’と対向して配置された第３の可動電極６２,６２’が固定電極３ｃ，３ｃ’に引き寄せられる。したがって、例えば、固定電極３ｃ，３ｃ’の一方に電圧を印加したり、固定電極３ｃ，３ｃ’に互い違いに電圧を印加することにより、ミラー構造体３ｃをＸ軸回りに回動させることができる。

なお、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態で説明した作用効果と同等の作用効果を得られることは言うまでもない。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第３の実施の形態における支持部材６，６’に第４の実施の形態における可動電極６ｃ，６ｃ’と同等の構成をさらに設けたものである。したがって、本実施の形態において、上述した第３の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図１４に示すように、本実施の形態におけるミラー構造体５ｄは、一対の連結部材５４ｂ，５４ｂ’の一端により支持されたミラー５１ｂと、連結部材５４ｂの他端により支持された第１の可動電極５３ｂと、連結部材５４ｂ’の他端により支持された第２の可動電極５３ｂ’とを備えている。ここで、連結部材５４ｂの一端側には、支持部材６ｄが連結されている。同様に、連結部材５４ｂ’の一端側には、支持部材６ｄ’が連結されている。したがって、ミラー構造体５ｄは、支持部材６ｄ，６ｄ’により、これらを結ぶＹ軸に平行な軸（回動軸α）回りに回動可能に支持されている。また、ミラー５１ｂ，第１の可動電極５３ｂおよび第２の可動電極５３ｂ’は、Ｙ軸方向に離間している。また、電極基板上には、第１の可動電極５３ｂと対向する位置に固定電極３ｂが配置され、第２の可動電極５３ｂ’と対向する位置に固定電極３ｂ’が配置されている。さらに、このようなミラー構造体５ｄは、重心Ｇが回動軸αの中点上にあるように形成されている。

ここで、支持部材６ｄは、一端が連結部材５４ｂに接続された第１の梁部材６１と、この第１の梁部材６１の他端が接続された第３の可動電極６２と、一端が第３の可動電極６２に接続され、他端が基部４に接続された第２の梁部材６３とから構成されている。ここで、電極基板１上面には、第３の可動電極６２と対向する位置に固定電極３ｄが配置されている。

同様に、支持部材６ｄ’は、一端が連結部材５４ｂ’に接続された第１の梁部材６１’と、この第１の梁部材６１’の他端が接続された第３の可動電極６２’と、一端が第３の可動電極６２’に接続され、他端が基部４’に接続された第２の梁部材６３’とから構成されている。ここで、電極基板１上面には、第３の可動電極６２’と対向する位置に固定電極３ｄ’が配置されている。なお、この第５の実施の形態において、可動電極５３ｂ，５３ｂ’が本発明でいう第１の可動電極に相当し、固定電極３ｂ，３ｂ’が第１の固定電極に相当し、可動電極６２，６２’が第２の可動電極に相当し、固定電極３ｄ，３ｄ’が第２の固定電極に相当する。

本実施の形態において、固定電極３ｄ，３ｄ’に電圧を印加すると、発生する静電引力により、固定電極３ｄ，３ｄ’と対向して配置された第３の可動電極６２,６２’が固定電極３ｄ，３ｄ’に引き寄せられる。したがって、例えば、固定電極３ｄ，３ｄ’の一方に電圧を印加したり、固定電極３ｄ，３ｄ’に互い違いに電圧を印加することにより、ミラー構造体３ｄをＸ軸回りに回動させることができる。

なお、本実施の形態においても、上述した第３の実施の形態で説明した作用効果と同等の作用効果を得られることは言うまでもない。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態にさらにバランサ部材（第２のバランサ部材）を設けたものである。したがって、本実施の形態において、上述した第１の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図１５に示すように、ミラー構造体５ｅは、支持部材６を介して一方の基部４に連結されたミラー５１と、支持部材６’を介して他方の基部４’に連結されたバランサ部材５２と、一対の連結部材５４，５４’を介してミラー５１およびバランサ部材５２に連結された可動電極５３と、連結部材５７を介してミラー５１に連結された第２のバランサ部材５６と、連結部材５７’を介してバランサ部材５２に連結された第２のバランサ部材５６’とを備えている。このようにミラー構造体５ｅは、支持部材６，６’により、これらを結ぶＹ軸に平行な軸（回動軸α）回りに回動可能に支持されている。また、ミラー５１，バランサ部材５２および可動電極５３は、Ｙ軸方向に離間している。さらに、このようなミラー構造体５ｅは、重心Ｇが回動軸αの中点上にあるように形成されている。

ここで、第２のバランサ部材５６は、平面視略矩形に形成されており、各辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行に配置されている。このような第２のバランサ部材５６のＸ軸に平行な辺のうち、Ｙ軸方向における負の側の辺には、Ｘ軸方向における負の側の端部に連結部材５７の一端が接続されている。この連結部材５７の他端は、ミラー５１の連結部材５４が接続された辺と反対側の辺の、Ｘ軸方向における正の側の端部に接続される。

また、第２のバランサ部材５６’は、平面視略矩形に形成されており、各辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行に配置されている。このような第２のバランサ部材５６’のＸ軸に平行な辺のうち、Ｙ軸方向における正の側の辺には、Ｘ軸方向における負の側の端部に連結部材５７’の一端が接続されている。この連結部材５７’の他端は、バランサ部材５２の連結部材５４’が接続された辺と反対側の辺の、Ｘ軸方向における正の側の端部に接続される。

このように、ミラー構造体５ｅは、ミラー５１、バランサ部材５２および可動電極５３に加えて第２のバランサ部材５６，５６’を設け、回動軸αを挟んで各部材の重量のバランスをとって重心Ｇが回動軸α上に位置することにより、可動電極５３を回動軸αからさらに離間させている。これにより、より大きなトルクを得ることができるので、ミラー構造体５ｅをより低電圧で大きく回動させることができる。

なお、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態で説明した作用効果と同等の作用効果を得られることは言うまでもない。

［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態とバランサ部材５２の構成が異なるものである。したがって、本実施の形態において、上述した第１の実施の形態と同等の構成については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図１６に示すように、ミラー構造体５ｆは、支持部材６を介して一方の基部４に連結されたミラー５１と、支持部材６’を介して他方の基部４’に連結されたバランサ部材５２ｆと、一対の連結部材５４，５４’を介してミラー５１およびバランサ部材５２ｆに連結された可動電極５３とを備えている。このようにミラー構造体５ｆは、支持部材６，６’により、これらを結ぶＹ軸に平行な軸（回動軸α）回りに回動可能に支持されている。また、ミラー５１，バランサ部材５２ｆおよび可動電極５３は、Ｙ軸方向に離間している。さらに、このようなミラー構造体５ｆは、重心Ｇが回動軸α上にあるように形成されている。

ここで、バランサ部材５２ｆは、ミラー５１と比較して、面積が小さくされている一方、厚さ、すなわちＺ軸方向の長さが大きく形成されている。このように厚さを大きくして質量を増加させることにより、バランサ部材５２ｆの面積を小さくしても、ミラー構造体５ｆの重心Ｇを回動軸α上に位置させることができる。これにより、ミラー構造体５ｆを小型化できるので、ミラーアレイについても小型化を実現することができる。

なお、図１７に示すバランサ部材５２ｆ’のように、異なる材料を用いて厚さをミラー５１等と異ならせるようにしてもよい。このバランサ部材５２ｆ’では、シリコン５２１上に例えば金など密度の高い材料５２２が配設されている。これにより、より小型化したミラー構造体５ｅとすることができる。

本発明は、ＭＥＭＳミラー装置など、マイクロマシン技術により作製された各種アクチュエータに適用することができる。

１…電極基板、２…ミラー基板、３，３ａ，３ａ’，３ｂ，３ｂ’，３ｃ，３ｃ’…固定電極、４，４’…基部、５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ…ミラー構造体、６，６’，６ｃ，６ｃ’，６ｄ，６ｄ’…支持部材、５１，５１ａ，５１ｂ…ミラー、５２…バランサ部材、５３…可動電極、５３ａ…第１の可動電極、５３ａ’，５３ｂ，５３ｂ’…第２の可動電極、５４，５４’，５４ａ，５４ａ’，５４ｂ，５４ｂ’，５５ａ，５５ａ’，５７，５７’…連結部材、５６，５６’…第２のバランサ部材、６１…第１の梁部材、６２…第３の可動電極、６３…第２の梁部材、１０１…シリコン基板、１０２…レジストパターン、１１１…ＳＯＩ基板、１１２…シリコン基部、１１３…埋め込み絶縁層、１１４…表面シリコン層、１１５…レジストパターン、１１６…反射膜、５２１…シリコン、５２２…材料、Ｇ…重心、α…回動軸。

Claims (8)

1. 基板上に設けられた第１の固定電極および第２の固定電極と、前記基板から離間して回動可能に配設された構造体と、前記構造体の回動軸に沿って配設され、対向する一端が前記構造体に接続され、前記構造体を前記回動軸回りに回動可能に支持する一対の支持部材とを備えたマイクロミラー素子であって、
   前記構造体は、前記第１の固定電極と対向する第１の可動電極と、この第１の可動電極に連結されるミラーとを備え、
   前記第１の可動電極の重心は、前記第１の可動電極と前記構造体の回動軸とを含む面内において前記回動軸と離間し、
   前記第１の可動電極と前記ミラーは、前記面内において前記回動軸に沿った方向に離間し、
   前記構造体の重心は、前記回動軸上にあり、かつ前記一対の支持部材間の中点に位置し、
   前記支持部材の少なくとも１つは、前記第２の固定電極と対向する第２の可動電極を備える
   ことを特徴とするマイクロミラー素子。
2. 請求項１記載のマイクロミラー素子において、
   前記構造体は、前記ミラーまたは前記第１の可動電極に連結された第１のバランサをさらに備え、
   前記第１のバランサは、前記回動軸に沿って少なくとも前記第１の可動電極および前記ミラーと離間している
   ことを特徴とするマイクロミラー素子。
3. 請求項２記載のマイクロミラー素子において、
   前記構造体は、前記ミラー、前記第１の可動電極および前記第１のバランサの何れかに連結された第２のバランサをさらに備え、
   前記第２のバランサは、連結されている前記ミラー、前記第１の可動電極および前記第１のバランサの何れかよりも前記構造体の重心から離れた位置にあり、
   前記第２のバランサの重心は、連結されている前記ミラー、前記第１の可動電極および前記第１のバランサの何れかの重心よりも前記回動軸から離れた位置にある
   ことを特徴とするマイクロミラー素子。
4. 請求項２または３記載のマイクロミラー素子において、
   前記バランサの少なくとも一部は、前記ミラーまたは前記第１の可動電極より厚く形成されている
   ことを特徴とするマイクロミラー素子。
5. 請求項２または３記載のマイクロミラー素子において、
   前記バランサの少なくとも一部は、前記ミラーまたは前記第１の可動電極を構成する材料よりも密度の高い材料から形成されている
   ことを特徴とするマイクロミラー素子。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載のマイクロミラー素子において、
   前記構造体は、前記基板と平行で、前記重心を通り、かつ、前記回動軸に直交する軸に対して線対称に形成されている
   ことを特徴とするマイクロミラー素子。
7. 複数のマイクロミラー素子を１次元的に配列したミラーアレイであって、
   前記マイクロミラー素子は、請求項１乃至６の何れか１項に記載のマイクロミラー素子からなる
   ことを特徴とするミラーアレイ。
8. 請求項７記載のミラーアレイにおいて、
   前記マイクロミラー素子は、入れ子構造で配列されている
   ことを特徴とするミラーアレイ。

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