WO2007004710A1 - マイクロアクチュエータ、光学装置及び光スイッチ - Google Patents

マイクロアクチュエータ、光学装置及び光スイッチ Download PDF

Info

Publication number
WO2007004710A1
WO2007004710A1 PCT/JP2006/313524 JP2006313524W WO2007004710A1 WO 2007004710 A1 WO2007004710 A1 WO 2007004710A1 JP 2006313524 W JP2006313524 W JP 2006313524W WO 2007004710 A1 WO2007004710 A1 WO 2007004710A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
movable
force
movable plate
microactuator
Prior art date
Application number
PCT/JP2006/313524
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Junji Suzuki
Original Assignee
Nikon Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corporation filed Critical Nikon Corporation
Priority to US11/994,835 priority Critical patent/US7911299B2/en
Publication of WO2007004710A1 publication Critical patent/WO2007004710A1/ja

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/351—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements
    • G02B6/3512—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror
    • G02B6/3518—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror the reflective optical element being an intrinsic part of a MEMS device, i.e. fabricated together with the MEMS device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/351—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements
    • G02B6/3512—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror
    • G02B6/3514—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror the reflective optical element moving along a line so as to translate into and out of the beam path, i.e. across the beam path
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type

Definitions

  • the present invention relates to a microactuator and an optical device and an optical switch using the same.
  • An example of a field where microactuators are used is, for example, an optical switch used for optical communication to switch an optical path.
  • an optical switch for example, there are optical switches disclosed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2 00 1-4 2 2 3 3 and International Publication No. 0 3/0 6 0 5 9 2. be able to.
  • a microactuator is equipped with a fixed part and a movable part that is movable with respect to the fixed part. By applying a driving force, the movable part can be moved or held at a predetermined position. It is configured to be able to.
  • a fixed electrode and a movable electrode are provided on the fixed portion and the movable portion, respectively.
  • an electrostatic force is generated between the two electrodes, so that there are advantages such as a simplified structure. For this reason, electrostatic force is often used as the driving force in conventional microactuators.
  • microactuator Ito disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 1-4 2 2 3 3 and International Publication No. 0 3/0 6 0 5 9 2 In Microactuary, the fixed electrode and the movable electrode were arranged so that most of them overlapped when viewed from the moving direction of the movable part.
  • the fixed electrode and the movable electrode are arranged so that most of them overlap each other when viewed from the moving direction of the moving part.
  • the movable part comes into contact with the fixed part (this state is referred to as the “pull-in state” in this specification), and the electrostatic part is generated while the movable part is in the fixed part.
  • the movable part could not be stably held at a position in front of the abutment.
  • the movable part is pressed against the fixed part by the pudding state, even if the movable part sticks to the fixed part and becomes inoperable or does not become inoperable, the movable part is peeled off from the fixed part. Takes a long time to cause an operation delay. Further, for example, the pull-in state occurs, so that the analog position control of the movable part is performed such that the stop position of the movable part is changed to a desired position depending on the magnitude of the applied voltage between the fixed electrode and the movable electrode. Therefore, the conventional microactuator using electrostatic force could only be used for applications where digital position control such as an optical switch is sufficient. T JP2006 / 313524
  • the present invention has been made in view of such circumstances.
  • a microactuator that can prevent the occurrence of a pull-in state while using an electrostatic force, and an optical switch and an optical device using the microactuator.
  • An object is to provide an apparatus.
  • the microactuator according to the first aspect of the present invention includes a fixing portion, a first position that contacts the predetermined portion of the fixing portion with respect to the fixing portion, and the predetermined portion.
  • a movable part provided so as to be able to move between a second position away from the first position from the location, and the fixed part has a first electrode part
  • the movable part Has a second electrode part capable of generating an electrostatic force with the first electrode part due to a voltage between the first electrode part and the voltage generated when the voltage is constant
  • a first force that urges the movable part in a direction toward the first position according to an electrostatic force is such that the movable part is positioned at a third position between the first position and the second position.
  • the first and second electrode portions are arranged so as to have a peak.
  • the microactuator according to the second aspect of the present invention is the first aspect, wherein the first and second electrode portions are moved between the first and second positions of the movable portion. When viewed from the direction, the first and second electrode portions are arranged so as not to substantially overlap each other.
  • the microactuator according to the third aspect of the present invention includes: a fixing portion; a position of the cord 1 contacting the predetermined portion of the fixing portion with respect to the fixing portion; and the first position from the predetermined position.
  • a movable portion provided so as to be movable between a second position away from the first position, the fixed portion includes a first electrode portion, and the movable portion includes the first electrode.
  • a second electrode part capable of generating an electrostatic force with the first electrode part due to a voltage between the first part and the first electrode part, wherein the first and second electrode parts are the first and second parts of the movable part.
  • the first and second electrode portions are arranged so as not to substantially overlap each other when viewed from the movement direction between the second positions.
  • the microactuator according to the fourth aspect of the present invention is the microactuator according to any one of the first to third aspects, wherein the first and second electrode portions are respectively the first and second movable portions. It has a shape that is substantially plane-symmetric with respect to at least one same plane including the moving direction between the second positions.
  • the movable portion is moved from the first position toward the second position. It is configured to generate a second force to be biased.
  • the movable part in the fifth aspect, generates a panel force that attempts to return to the second position as the second force. It is provided.
  • a third force different from the first and second forces is generated in the movable portion in the fifth or sixth aspect. Generating means.
  • the generating means includes a current path that is provided in the movable part and disposed in a magnetic field to generate a Lorentz force by energization. Is included.
  • An optical device includes the microactuator according to any one of the first to eighth aspects, and a driven body mounted on the movable portion, The body is an optical element.
  • An optical switch includes the microactuator according to any one of the first to eighth aspects, and a driven body mounted on the movable part, and the driven The body is Mira.
  • the movable part may be formed of a thin film. According to the present invention, it is possible to provide a microactuator that can prevent the occurrence of a pull-in state while using an electrostatic force, and an optical switch and an optical device using the microactuator.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing an example of an optical system including an optical switch array according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view schematically showing one optical switch as a unit element of the optical switch array in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line Y 3—Y 4 in FIG. 2, showing a state where the mirror is held at the upper position.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view taken along line X 1 -X 2 in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along line Y 3—Y 4 in FIG. 2, showing a state where the mirror is held at the lower position.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing one optical switch according to a comparative example.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view along the line Y 5—Y 6 in FIG. 6, showing a state in which the mirror is held at the upper position.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view taken along the line Y 5—Y 6 in FIG. 6, showing a state where the mirror is held at the lower position.
  • FIG. 9 is a diagram showing the model of the actual overnight used in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the position of the movable plate, the force Fe due to the electrostatic force, and the spring Fk, obtained for the model shown in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the model according to the comparative example shown in FIGS.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the position of the movable plate, the electrostatic force F e ′, and the spring force F k obtained for the model shown in FIG.
  • FIG. 13 is a schematic plan view showing a modification of the first embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic plan view showing another modification of the first embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic plan view showing still another modification of the first embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic plan view showing still another modification of the first embodiment.
  • FIG. 17 is a schematic configuration diagram schematically showing an example of an optical system including an optical switch array according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic plan view schematically showing the optical switch array in FIG.
  • FIG. 19 is a schematic plan view schematically showing one optical switch as a unit element of the optical switch array in FIG.
  • FIG. 20 is a schematic cross-sectional view along the line MM ′ in FIG. 'Fig. 21 is a diagram showing the pattern shape of the A 1 film when the movable plate in Fig. 19 is viewed from above.
  • Fig. 2 2 shows the state that the mirror is held in the upper position.
  • the cross-section along the line N-N 'in Fig. 19 and Fig. 21 is a schematic cross-sectional view from the + Y side in one Y direction. It is.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing a cross-section along the line KK ′ in FIG. 21 showing a state in which the mirror is held at the upper position. ⁇
  • Fig. 24 is a schematic cross-sectional view taken along the line NN 'in Fig. 19 and Fig. 21 as viewed from the + Y side in one Y direction, showing the state where the mirror is held at the lower position. is there.
  • FIG. 25 is a schematic cross-sectional view showing a cross section taken along line K-K ′ in FIG. 21, showing a state where the mirror is held at the lower position.
  • FIG. 1 schematically shows an example of an optical system (in this embodiment, an optical switch system) provided with an optical switch array 1 that is an optical switch device as an optical device according to a first embodiment of the present invention.
  • an optical switch array 1 that is an optical switch device as an optical device according to a first embodiment of the present invention.
  • the surface of the optical switch array 1 substrate 11 is parallel to the XY plane.
  • the direction of the arrow in the Z-axis direction is called the + Z direction or + Z side, and the opposite direction is called the -Z direction or one Z side, and the same applies to the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the + side in the Z-axis direction may be referred to as the upper side
  • one side in the Z-axis direction may be referred to as the lower side.
  • this optical switch system includes an optical switch array 1, m optical input optical fibers 2, m optical output optical fibers 3, and n optical output optical fibers 4. And an external control circuit 6 as a control unit for supplying a control signal for realizing the optical path switching state indicated by the optical path switching state command signal to the optical switch array 1 in response to the optical path switching state command signal.
  • an external control circuit 6 as a control unit for supplying a control signal for realizing the optical path switching state indicated by the optical path switching state command signal to the optical switch array 1 in response to the optical path switching state command signal.
  • the optical switch array 1 includes a substrate 11 and m ⁇ n mirrors 12 disposed on the substrate 11.
  • the m optical input optical fibers 2 are arranged in a plane parallel to the XY plane so as to guide incident light in the Y-axis direction from one side in the Y-axis direction with respect to the substrate 11.
  • the m optical output optical fibers 3 are arranged on the other side of the substrate 11 1 so as to face the m optical input optical fibers 2, respectively, and any of the mirrors 1 2 of the optical switch array 1 It is placed in a plane parallel to the XY plane so that light that travels in the Y-axis direction without being reflected is incident.
  • the n optical output optical fibers 4 are arranged in a plane parallel to the XY plane so that light reflected by one of the mirrors 1 and 2 in the optical switch array 1 and traveling in the X-axis direction is incident.
  • the m X n mirrors 12 are advanced and crossed by microactuator to be described later at the intersection of the exit optical path of the m optical input optical fibers 2 and the incident optical path of the optical output optical fiber 4, respectively.
  • It is arranged on the substrate 11 in a two-dimensional matrix so that it can move in the Z-axis direction so that it can be withdrawn.
  • the direction of the mirror 112 is set so that its normal is at 45 ° to the X axis in a plane parallel to the XY plane.
  • the optical path switching principle itself of this optical switch system This is the same as the optical path switching principle of the two-dimensional optical switch.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing this one optical switch.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view taken along line Y 3—Y 4 in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view along the line X 1—X 2 in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view corresponding to FIG. 3, showing a state in which the mirror 12 is held on the lower side. 3 and 4 show a state in which the mirror 12 is held at the upper position.
  • This optical switch includes a movable plate 21 as a movable portion provided so as to be movable with respect to the substrate 11 1 in addition to the mirror 1 12 and the substrate 11 described above.
  • the base plate 11 is formed with a recess 13 which is a region into which the movable plate 21 enters.
  • a semiconductor substrate such as a silicon substrate is used as the substrate 11.
  • Insulating films 14, 15, such as silicon oxide films, are laminated on the substrate 11 1, and two pieces constituting the fixed electrode part 16, which is the first electrode part, between the insulating films 14, 15. Electrodes 16a and 16b and wiring patterns 17a and 17b corresponding thereto are formed. The same potential is applied to the electrodes 16 a and 16 b through the wiring patterns 17 a and 17 b.
  • the electrodes 16a and 16b and the wiring patterns 1 ⁇ 7a and 17b can be composed of a metal film such as an A1 film, for example.
  • the substrate 11, the insulating films 14, 15, the fixed electrode portion 16, and the wiring patterns 17 a, 17 b constitute a fixed portion.
  • the movable plate 21 is made of a thin film, and is composed of a lower insulating film 2 2 and two electrodes 2 3 formed on the lower insulating film 2 2 and constituting the movable electrode portion 2 3 as the second electrode portion 2 3. a, 2 3 b, and a part of the wiring pattern 2 4 a, 2 4 b formed on the lower insulating film 2 2 for the electrodes 2 3 a, 2 3 b, and the upper insulating film 25 covering these upper sides And.
  • the movable electrode portion 23 can generate an electrostatic force with the fixed electrode portion 16 due to the voltage between the movable electrode portion 23 and the fixed electrode portion 16.
  • the insulating films 2 2 and 25 can be composed of a silicon oxide film or the like, and the electrodes 2 3 a and 2 3 b and the wiring patterns 2 4 a and 2 4 b are formed of the A 1 film. It can be composed of a large amount of metal.
  • the electrodes 23a and 23b and the wiring patterns 24a and 24b are covered with the upper insulating film 25, they should be originally shown as hidden lines in FIG. 2, but are hidden with the upper insulating film 25 for convenience of drawing. The part is also shown by a solid line. Note that the electrodes 16a and 16b and the wiring patterns 17a and 17b of the fixed part are shown by hidden lines.
  • both end portions of the movable plate 21 in the X-axis direction are flexure portions 27 a and 27 b as panel portions having spring properties, and anchor portions 28 a and 28 b, respectively.
  • the substrate 11 is mechanically connected to the periphery of the recess 1.3.
  • the flexure portions 27 a and 27 b and the anchor portions 28 a and 28 b are continuously extended from the movable plate 21 as they are, the lower insulating film 22, the remaining portions of the wiring patterns 24 a and 24 b, and the upper insulating portion. It consists of a membrane 25.
  • the wiring patterns 24 a and 24 b are formed between the insulating films 14 and 15 through holes (not shown) formed in the insulating films 22 and 15 in the anchor portions 28 a and 28 b.
  • the wiring patterns (not shown) are electrically connected to each other, through which they are electrically connected in common and a desired potential can be applied.
  • the flexure parts 27a and 27b have a quadrangular shape in plan view.
  • the movable plate 21 can move up and down (that is, in the Z-axis direction). That is, in the present embodiment, the movable plate 21 has an upper position (second position) (see FIGS.
  • the movable plate 21 and flexure parts 27a and 27b It has a shape and a structure that are symmetrical with respect to a plane that passes through the X2 line and is parallel to the XZ plane, and a plane that passes through the Y1-Y2 line and is parallel to the YZ plane.
  • the fixed electrode portion 16 and the movable electrode portion 2 3 are arranged so that the movable plate 2 1 is moved downward (in accordance with the electrostatic force between the electrode portions 1 6 2 3 when the voltage between the electrode portions 1 6 2 3 is constant (
  • the first force biased in the Z direction is the lower limit position (first position) where the movable plate 2 1 abuts the bottom of the recess 1 3 and the upper position (second position shown in FIGS. 3 and 4). It is arranged so that it is a peak when it is located at the third position.
  • such an arrangement has two electrodes 1 6 a and 16 b constituting the fixed electrode portion 1 ′ 6 and two electrodes 2 3 a and 2 constituting the movable electrode portion 2 3. This is realized by arranging 3 b so that they do not overlap as shown in Fig. 2 in a plan view seen from the Z-axis direction (moving direction of movable plate 21).
  • the electrodes 16 a, 16, 23 a and 23 b each have a strip shape extending in the X-axis direction.
  • the fixed electrode portion 16 has a plane parallel to the XZ plane passing through the X1 and X2 lines by arranging the electrodes 16a and 16b constituting the fixed electrode portion 16 as shown in FIG. It has a symmetrical shape with respect to a plane that passes through the Y1-Y2 line and is parallel to the YZ plane.
  • the movable electrode portion 2 3 has a plane parallel to the XZ plane passing through the XI-X2 line by arranging the electrodes 2 3 a, 2 3 b constituting the movable electrode portion 2 3 as shown in FIG.
  • Y 1 1 Has a shape that is plane-symmetric with respect to a plane passing through the Y2 line and parallel to the YZ plane.
  • the electrodes 2 3 a and 2 3 b are arranged on the + Y side and the Y side, respectively, with respect to a plane that passes through the XI—X2 line and is parallel to the XZ plane.
  • the electrode 16 a is viewed in a plan view from the Z-axis direction, and is parallel to the + Y side of the electrode 2 3 a with a young thousand interval from the electrode 2 3 a, and the two do not overlap.
  • the electrode 16 b is parallel to the Y side of the electrode 2 3 b with a slight gap from the electrode 23 b in a plan view as viewed from the Z-axis direction, and the two do not overlap.
  • the mirror 12 is fixed upright on the upper surface of the movable plate 21.
  • the direction of the reflecting surface of mirror 1 2 is the same as the X axis in the plane whose normal is parallel to the XY plane. It is set to make 45 °.
  • the mirror 12 is held at the upper position (on the opposite side to the substrate 11 1) by controlling the voltage between the fixed electrode portion 16 and the movable electrode portion 23.
  • the state (Figs. 3 and 4) and the state where the mirror 12 is held at the lower position (substrate 11 side) can be set (Fig. 5). In the present embodiment, such control is performed by the external control circuit 6 in FIG.
  • a component other than the mirror 12 constitutes a microactuator that drives the mirror 12.
  • the optical switch array 1 can be manufactured by using a semiconductor manufacturing technique such as film formation and patterning, etching, and sacrificial layer formation / removal.
  • a semiconductor manufacturing technique such as film formation and patterning, etching, and sacrificial layer formation / removal.
  • the outline of an example of the manufacturing method will be briefly described.
  • the recess 13 is formed on the silicon substrate 1 by photolithography etching.
  • the insulating film 14, the electrodes 16a and 16b, the wiring patterns 17a and 17b, the insulating film 15 and the like are formed by film formation and patterning.
  • a first resist as a sacrificial layer is formed so as to fill the recess 13, and the first resist is placed in the recess 13 by a flattening process such as CMP (Chica ica 1 Mechanica 1 Polysig ng).
  • the insulating film 22, the electrodes 23a and 23b, the wiring patterns 24a and 24b, the insulating film 25, and the like are formed by film formation and patterning. Subsequently, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-42233, after forming a recess corresponding to the mirror 12 with the second resist, A u, N which should become the mirror 12 by electrolytic plating iGrow other metals. Finally, 6 313524
  • the optical switch array 1 is completed by removing the first and second resists.
  • the wiring patterns 17 a and 17 b are formed so as to get over the stepped wall portion of the recess 13, the wiring patterns 17 a and 17 b are formed in manufacturing. May be difficult.
  • the region other than the concave portion 13 in the silicon base plate 1 is limited to the region near the flexible portions 2 7 a and 2 7 b, and the region of the concave portion 13 in the silicon substrate 1 is limited. It is only necessary to enlarge and form the wiring patterns 17a and 17b only in the region in the recess 13.
  • the light switch according to the form of the actual implementation of the light switch
  • the movable moving plate 22 11 is held and held in the upper and upper azimuth position.
  • the voltage voltage can be applied between the fixed constant electrode electrode part 11 66 and the movable electromotive electrode electrode part 22 33, both electrode electrode parts 11 Between 66 ,, 22 33
  • the electrostatic power will work.
  • the electrode electrode 11 66 aa and the electrode electrode 22 33 aa must be overlapped. Since the electrode electrode 11 66 bb and the electrode electrode 22 33 bb need not overlap each other, the electrode electrode 11 66 1155 aa,, 22 33 aa.
  • the direction of the electrostatic force between the electrostatic force and the electrode electrode 11 66 bb, 22 33 bb is in the direction of the ZZ axis. Each one tilts. .
  • the electrostatic force force "" is directed in the XX axial direction.
  • the component component and the YY axial direction component are phase-canceled, and only the ZZ axis direction component of the generated electrostatic force is affected.
  • the movable moving plate 22 22 As shown here, the lower and lower sides of the movable plate 22 11 are moved downward according to the electrostatic force generated between the electrode portions 11 66, 22 33. A force is applied to bias the direction ((--direction ZZ direction)). .
  • the movable moving plate 2211 is moved downward and downward. .
  • the movable moving plate 22 11 moves downward and downward, the flexible part according to the amount of movement of the movable plate 22 22 aa ,, 22 77
  • the Babanet force due to bb works as a return force for returning upward (upward in the ++ ZZ direction). .
  • the biasing force in the downward direction based on the static electrostatic power force is greater than the power of the panel panel here. Because it is large, the movable plate 22 22 will move downward and downward. .
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing one optical switch according to a comparative example.
  • 7 and 8 are schematic cross-sectional views taken along line Y 5—Y 6 in FIG. 6, respectively.
  • FIG. 7 shows a state where the mirror 12 is held at the upper position
  • FIG. 8 shows a state where the mirror 12 is held at the lower position.
  • Figures 6 to 8 correspond to Figures 2, 3 and 5, respectively.
  • the mirror 12 is omitted. 6 to 8, the same or corresponding elements as those in FIG. 2, FIG. 3 and FIG.
  • the optical switch according to this comparative example is different from the optical switch according to this embodiment in this comparative example.
  • the fixed electrode portion is composed of a rectangular electrode 2 16 in a plan view viewed from the Z-axis direction, and is movable.
  • the electrode part is composed of the electrode 2 2 3 that overlaps the electrode 2 1 6 in a plan view as viewed from the Z-axis direction.
  • the spring force due to the flexure parts-2 7 a and 2 7 b according to the amount of movement acts as a return force in the upward direction (+ Z direction). Since the electrostatic force is larger than the panel force, the movable plate 21 moves downward.
  • the electrodes 2 1 6 and 2 2 3 slightly overlap each other in a plan view as viewed from the Z-axis direction (the same is true if most of them overlap but does not overlap). Therefore, as the movable plate 2 1 moves downward and approaches the substrate 1 1, the electrostatic force in one Z direction only increases and has no peak.
  • the downward force acting on the movable plate 21 by the electrostatic force is not balanced with the upward panel force by the flexure portions 2 7 a and 2 7, and the movable plate 21 is shown in FIG.
  • the substrate 11 does not stop until it contacts the bottom of the recess 1 3.
  • the movable plate 21 comes into contact with the bottom of the concave portion 13 of the substrate 11 as shown in FIG. 8, it is held in that state.
  • the actuary used in the present embodiment is modeled in order to simplify the calculation. Based on the model, the relationship between the position of the movable plate 21 and the force that effectively acts on the movable plate 21 is obtained.
  • FIG. 9 is a diagram showing the model of the actual overnight used in the present embodiment.
  • each of the electrodes 23 a and 23 b that make up 3 actually have a flat plate shape, but in this model, each of the electrodes is a rod-like body (that is, a cylinder) that extends in the X-axis direction and has a circular cross section. Yes.
  • the electrodes 16a, 16b, 23a, 23b all have the same shape and dimensions, the length in the X-axis direction is L, and the top and bottom radii are R.
  • the distance between the centers of the electrodes 23 a and 23 b is 1, the distance in the Y-axis direction between the centers of the electrodes 16 a and 23 a and the center of the electrodes 16 b and 23 b Both the distances in the Y-axis direction are d, the distance in the Z-axis direction between the centers of the electrodes 1 6 a and 23 a and the distance in the Z-axis direction between the centers of the electrodes 16 b and 23 b are both z, and the electrodes 1 6 Let ⁇ be both the angle formed by the line connecting the centers of a and 23a with the Y-axis direction and the angle formed by the line connecting the centers of electrodes 16b and 23b with the Y-axis direction. Let the distance z be the position of the z
  • the distance 1 between the electrodes 23a and 23b is assumed to be sufficiently large, and when the voltage V is applied between the fixed electrode part 16 and the movable electrode part 23, the distance between the electrodes 16a and 23a and the electrode part Assume that electrostatic force is generated only between 1 6 b and 2 3 b.
  • the electrostatic force between electrodes 16a and 23a generated when voltage V is applied is F1
  • the electrostatic force between electrodes 16b and 23b generated when voltage V is applied is F2.
  • the electrode portions 16 a and 16 b are set to the same potential, and the electrodes 23 a and 23 b are set to the same potential.
  • Equation 1 the capacitance C 0 between the electrodes 23 a and 23 b is approximately expressed by the following equation 1 under the assumption of R ⁇ z, R ⁇ d, and z ⁇ L, d ⁇ L. .
  • Equation 1 ⁇ 0 is the vacuum dielectric constant. Note that the dielectric constant of the Si substrate and the insulator of the movable part is ⁇ ⁇ for easy calculation.
  • electrostatic force F1 is generated between the electrodes 16a and 23a.
  • the electrostatic force F between two electrodes is expressed by the following formula 2 in terms of capacitance C, voltage V between electrodes, and distance S between electrodes. Therefore, the electrostatic force F 1 between the electrodes 16 a and 23 a is expressed by the following formula 3.
  • the Y-axis direction component F 1 y and the Z-axis direction component F 1 z of the electrostatic force F 1 are expressed by the following equations 4 and 5, respectively. expressed.
  • the combined force F e of F 1 and electrostatic force F 2 is the Z-axis direction component F ez.
  • flexure parts 27 a and 27 b obey Hook's law, and its spring constant is k. Assume that the state when the electrostatic force is not acting on the movable plate 21 is the same as that of the natural length coil panel, and the position of the movable plate 21 at that time is z 0. Then, the spring force F k in the + Z direction by the flexure parts 27 a and 27 b is expressed by the following equation (10).
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the position ⁇ of the movable plate 21, the force Fe due to the electrostatic force, and the spring spring Fk, created according to the above-described equations 9 and 10 for the model shown in FIG.
  • R lm
  • d 10 ⁇ m
  • V 75V
  • k lmNZm
  • z 0 100 / xm.
  • the force F e in the Z direction applied to the movable plate 21 by the electrostatic force is given by points A to F. Speaks and peaks at point C.
  • the spring force Fk in the + Z direction applied to the movable plate 21 is a straight line that descends to the right. In the example shown in Fig. 10, the curve indicating the force F e and the line indicating the spring spring Fk intersect at points B, D, and E.
  • the movable plate 21 is moved from the z 0 position to the point B position to In order to maintain B, an example was given in which a relatively small applied voltage having a value as shown in FIG. This is because a smaller applied voltage is more preferable in terms of power consumption when the movable plate 21 is kept held. However, even when the movable plate 21 is continuously held, the above-described relatively large applied voltage may be continuously applied without switching to a relatively small applied voltage. In this case, the stable holding position of the movable plate 21 corresponding to the point B in FIG. 10 is slightly shifted from the point B in FIG. This can be understood from the fact that when the force F k is left as it is and the value of the force F e corresponding to each position is rewritten in proportion to the square of the applied voltage, the intersection of the two lines will deviate.
  • the stable holding position of the movable plate 21 corresponding to the point B in FIG. 10 is slightly shifted from the point B in FIG. 10, so it is used in this embodiment.
  • analog position control of the movable plate 21 is possible so that the stable holding position of the movable plate 21 is changed to a desired position depending on the magnitude of the applied voltage. Therefore, the action overnight according to the present invention can be used in various applications where analog position control of the movable part is required while using the electrostatic force.
  • analog position control of the movable plate 21 is performed. Therefore, it is not necessary to change the applied voltage.
  • FIG. 11 is a diagram showing an model of the model overnight according to the comparative example shown in FIGS. Also in this model, the flexure part 2 7 a, 2 7 b by + Z direction
  • the spring spring of F k is the same as in Fig. 9.
  • the electrode 216 constituting the fixed electrode portion and the electrode 223 constituting the movable electrode portion are assumed to be parallel plates.
  • the electrostatic force in one Z direction between electrodes 216 and 223 when voltage V is applied is F e ′.
  • Fig. 12 shows the position of the movable plate 21 (in this example, the distance between the electrodes 216 and 223) that was created in accordance with the well-known equation representing the electrostatic force between parallel plates and the aforementioned equation 10 for the model shown in Fig. 11 z 3 is a graph showing the relationship between the electrostatic force F e ′ in one Z direction and the panel force Fk.
  • the width of the electrodes 216 and 223 in the Y-axis direction is 10 rn
  • the length of the electrodes 216 and 223 in the X-axis direction is 100 m
  • the applied voltage V is 20 V.
  • the electrostatic force F e ′ in the Z direction applied to the movable plate 21 is the force F in FIG. Unlike e, it has no peak.
  • a line indicating electrostatic force F e ′ and a line indicating spring spring F k intersect at point G.
  • the force relationship Fk ⁇ F e ' is used to move the movable plate 21 downward, while when the movable plate 21 is located above the point G, The force relationship for moving the movable plate 21 upward is Fk> F e '.
  • the fixed electrode portion 16 and the movable electrode portion 23 are completely overlapped with each other in the plan view seen from the Z-axis direction as described above. However, as long as a peak such as point C in FIG. 10 is generated, they may be arranged so as to partially overlap each other.
  • both the fixed electrode portion 16 and the movable electrode portion 2 3 are connected to a plane passing through the X 1—X 2 line and parallel to the XZ plane, and the ⁇ 1— ⁇ 2 line.
  • the plane has a shape symmetrical with respect to a plane parallel to the plane.
  • such symmetry is not always necessary. For example, when the moving part is guided by the guide means and the moving direction of the moving part is determined regardless of the direction of the applied force, the symmetry as described above is not necessarily required.
  • FIGS. 13 to 16 show modifications of the first embodiment, respectively, and are schematic plan views corresponding to FIG.
  • FIGS. 13 to 16 the same or corresponding elements as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.
  • FIGS. 13 to 16 the illustration of the mirror 12 is omitted.
  • both the fixed electrode portion 1 6 and the movable electrode portion 2 3 are parallel to the XZ plane passing through the X 1—X 2 line and parallel to the YZ plane passing through the Y 1—Y 2 line. It has a symmetrical shape with respect to the plane.
  • the fixed electrode portion 16 is composed of a single strip-shaped electrode 16 c extending in the X-axis direction.
  • the movable electrode portion 23 is composed of two strip-shaped electrodes 23c and 23d that extend in the X-axis direction.
  • the electrode 16c is arranged so as to extend along the X1-X2 line in a plan view viewed from the Z-axis direction.
  • Electrodes 2 3 c and 2 3 d are parallel to each other on the + Y side and the ⁇ Y side of the electrode 16 c with a slight gap from the electrode 16 c in plan view as viewed from the Z-axis direction. 6 Does not overlap with c. In Fig.
  • the wiring pattern for the electrode 16c is not shown, but this wiring pattern overlaps the electrode 23c (or 23d) in a plan view as seen from the Z-axis direction. ing. However, the overlapping area is very small, and there is no problem in generating a peak as shown by point C in FIG. -In the modification shown in Fig. 14, the fixed electrode section 16 is composed of two strip-shaped electrodes 16 e and 16 f extending in the X-axis direction.
  • the movable electrode portion 23 is composed of a single strip-shaped electrode 23 e extending in the X-axis direction.
  • the electrode 2 3 e is disposed so as to extend along the line X 1—X 2 in a plan view as viewed from the Z-axis direction.
  • Electrodes 1 6 e and 1 6 f are viewed in a plan view from the Z-axis direction, and are arranged in parallel at a slight distance from the electrode 2 3 e on the + Y side and one Y side of the electrode 2 3 e. 3 Does not overlap with e.
  • the wiring patterns for the electrodes 16 e and 16 f are not shown, but the wiring patterns do not overlap with the electrodes 23 e in a plan view as viewed from the Z-axis direction.
  • the fixed electrode portion 16 is composed of three strip-shaped electrodes 16 g, 16 h, and 16 i extending in the X-axis direction.
  • the movable electrode portion 23 is composed of two strip-shaped electrodes 2 3 g and 2 3 h extending in the X-axis direction.
  • the electrode 16 g is arranged so as to extend along the X 1 -X 2 line in a plan view as viewed from the Z-axis direction.
  • Electrodes 2 3 g and 2 3 h are in a plan view as viewed from the Z-axis direction. They are parallel to the Y side with a slight gap from the electrode 16 g, and do not overlap the electrode 16 g.
  • the electrode 16 h is viewed in a plan view from the Z-axis direction, and is juxtaposed to the + Y side of the electrode 23 g with a slight gap from the electrode 23 g, and does not overlap with the electrode 23 g.
  • the electrode 16 i is arranged in parallel to the Y side of the electrode 2 3 h at a slight distance from the electrode 23 h in a plan view as viewed from the Z-axis direction, and does not overlap the electrode 23 h.
  • illustration of wiring patterns for the electrodes 16 g, 16 h, and 16 i is omitted.
  • the wiring pattern for the electrode 16 g overlaps with the electrode 23 g (or 23 h) in a plan view seen from the Z-axis direction.
  • the overlapping area is very small, and there is no problem in generating a peak like point C in Fig. 10.
  • the fixed electrode portion 16 includes an annular portion and strip-like portions extending in the + X direction and the X direction from the + X side and the X side in the X axis direction, respectively. It consists of electrodes 16j.
  • the movable electrode portion 23 is arranged in parallel along the shape of the electrode 16 j at a slight distance from the electrode 16 j on the + X side and one X side of the electrode 16 j in a plan view seen from the Z-axis direction. It consists of two strip electrodes 2 3 j and 2 3 k. The electrodes 2 3 j and 23 k do not overlap with the electrode 16 j. In FIG. 16, the wiring pattern for the electrode 16 j is omitted, but this wiring pattern overlaps with the electrode 2 3 j ′ (or 2 3 k) in a plan view as viewed from the Z-axis direction. Yes. However, the overlapping area is very small, and there is no problem in generating a peak like point C in Fig. 10.
  • FIG. 17 shows an example of an optical system (in this embodiment, an optical switch system) provided with an optical switch array 10 1 which is an optical switch device as an optical device according to a second embodiment of the present invention. It is a schematic structure figure showing typically.
  • elements that are the same as or correspond to those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
  • FIG. 17 The optical system shown in Figure 7 differs from the optical system shown in Figure 1 in that The optical switch array 10 0 1 is used in place of the cheerley 1, the difference in the operation of the external control circuit 6 and the magnetic field that generates a magnetic field for the optical switch array 1 0 1 as described later.
  • the only difference is the addition of a magnet 5 as a generator.
  • the magnet 5 is disposed below the optical switch array 10 1, and generates a magnetic field indicated by a magnetic force line 5 a with respect to the optical switch array 1 0 1. ing. That is, the magnet 5 generates a substantially uniform magnetic field toward the + side along the X-axis direction with respect to the optical switch array 101.
  • FIG. 18 is a schematic plan view schematically showing the optical switch array 10 0 1 in FIG.
  • the optical switch array 1 0 1 includes a substrate 1 1 1 (not shown in FIG. 18), m ⁇ n movable plates 1 1 2 arranged in a two-dimensional manner on the substrate 1 1 1, and And a mirror 1 2 mounted on the movable plate 1 1 2.
  • the portions other than the mirror 12 in the optical switch array 101 constitute a microactuator array that is a microactuator device.
  • FIG. 17 the structure of one optical switch as a unit element of the optical switch 110 in FIG. 17 will be described with reference to FIGS. 19 to 25.
  • FIG. 19 the structure of one optical switch as a unit element of the optical switch 110 in FIG. 17 will be described with reference to FIGS. 19 to 25.
  • FIG. 19 is a schematic plan view schematically showing one optical switch as a unit element of the optical switch array 10 1 in FIG.
  • FIG. 20 is a schematic cross-sectional view along the line MM ′ in FIG. However, FIG. 20 shows only a cross section of the movable plate 1 1 2.
  • FIG. 21 is a diagram showing a pattern shape of the A 1 film 1 2 2 when the movable plate 1 1 2 in FIG. 1 9 is viewed from above. In order to facilitate understanding, the part of A 1 film 1 2 2 is hatched in FIG. FIG. 21 also shows the fixed electrode portion 3 2 3 and the wiring pattern 3 2 4 corresponding thereto.
  • FIGS. 22 and 24 are schematic cross-sectional views taken along the line NN ′ in FIGS.
  • FIGS. 23 and 25 are schematic cross-sectional views showing a cross section taken along line K-1K ′ in FIG. Figure 2 2 and Figure 2 3 show mirror 1 2 in the upper position Fig. 24 and Fig. 25 show the state in which the mirror 12 is held at the lower position and exits from the optical path.
  • FIG. 22 to FIG. 25 for convenience of drawing, the illustration of a convex portion 124, which will be described later, is omitted and shown as having no step.
  • one optical switch as a unit element of the optical switch array 1 0 1 is provided on a substrate 1 1 1 such as a silicon substrate. It has one movable plate 1 1 2 as a movable portion constituting the microactuator and a mirror 1 2 as an optical element which is a driven body mounted on the movable plate 1 1 2.
  • the movable plate 1 1 2 has a plane-symmetric shape and structure with respect to a plane that passes through the X 1 0 1-X 1 0 2 line and is parallel to the XZ plane, as shown in FIGS. 19 and 21. is doing.
  • the movable plate 1 1 2 is composed of a thin film, and as shown in FIGS. 19 to 25, the lower silicon nitride film (S i N film) 1 over the entire planar shape of the movable plate 1 1 2. 2 1 and the upper Si N film 1 2 3, and an intermediate AU ⁇ 1 2 2 formed partially between these films 1 2 1 and 1 2 3. That is, the movable plate 1 1 2 is composed of a two-layer film in which Si N films 1 2 1 and 1 2 3 are laminated in order from the bottom, and a Si N film 1 2 1 and an A 1 film 1 2 in order from the bottom. 2 and Si N film 1 2 3 and a portion composed of a three-layer film.
  • the pattern shape of the AI film 1 2 2 is as shown in FIG.
  • the movable plate 1 1 2 has the internal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the Si N films 1 2 1, 1 2 3 and the 8 1 film 1 2 2, and the internal stress generated during film formation. As shown in FIG. 2, the film is formed with a predetermined film thickness and film formation conditions so as to bend upward (+ Z direction) with respect to the substrate 11 1 1.
  • the movable plate 1 1 2 is a rectangular mirror mounting plate 1 1 2 as a mounting portion for mounting the mirror 1 2 (that is, a supporting base for the mirror 1 2). a and two belt-like support plates 1 1 2 b connected to the end of the mirror mounting plate 1 1 2 a. In this embodiment, these two support plates 1 1 2 b are mechanically parallel to each other. There are two connected beams.
  • the support plate 1 1 2 b has a leg 1 1 2 c and a leg 1 1 2 d at each end.
  • the legs 1 1 2 c and 1 1 2 d are both fixed to the board 1 1 1, and the movable plate 1 1 2 has the legs 1 1 2 c and 1 1 2 d as fixed ends.
  • the movable plate 1 1 2 is a movable portion having a cantilever structure with the leg portions 1 1 2 c and 1 1 2 d as fixed ends.
  • the substrate 11 1 1, the insulating films 1 1 3, 1 1 4, and the fixed electrode portion 3 2 3, which will be described later, laminated on the substrate 1 1 1 constitute a fixed portion.
  • the movable plate 1 1 2 is provided with a convex portion 1 2 4 so as to surround an area including a portion on which the mirror 1 2 of the movable plate 1 1 2 is mounted. As shown in FIG.
  • the convex portion 1 24 is formed by making the multilayer film constituting the movable plate 1 1 2 into a convex shape.
  • the convex portion 1 2 4 By providing the convex portion 1 2 4 in this way, a step is generated. Therefore, in the movable plate 1 1 2, the region surrounded by the convex portion 1 2 4 and the region provided with the convex portion 1 2 4 are: Curvature due to internal stress is suppressed and flatness can be maintained. For this reason, even if the movable plate 1 1 2 is in a state where the mirror 1 2 is lifted to the upper position by bending due to internal stress as shown in FIG. 2 2, the portion where the mirror 1 1 2 is mounted is flat. Therefore, the shape of the mounted mirror can be kept constant.
  • the movable plate 1 1 2 is restrained from bending in the region surrounded by the convex portion 1 2 4 and the region provided with the convex portion 1 2 4, but the leg portion of the support plate 1 1 2 b In the region near 1 1 2 d, the convex portion 1 2 4 is not provided.
  • the movable plate 1 1 2 has the legs 1 1 2 c and 1 1 2 d as fixed ends due to the curvature of the region of the support plate 1 1 2 b where the convex portion 1 2 4 is not provided.
  • the mirror mounting plate 1 1 2 a side is lifted.
  • the region close to the leg portion 1 1 2 d of the support plate 1 1 2 b is a leaf spring portion as an elastic portion because the convex portion 1 2 4 is not provided.
  • the shape of the A 1 film 1 2 2 of the movable plate 1 1 2 will be described with reference to FIG. To do.
  • the A 1 film 1 2 2 in order to drive the movable plate 1 1 2 using both the Lorentz force and electrostatic force as the driving force, the A 1 film 1 2 2 is shaped into a shape as shown in FIG. Ning.
  • the pattern 1 2 2 a of the A 1 film 1 2 2 extends from each of the two legs 1 1 2 d along the outer peripheral edge of the movable plate 1 1 2, and is on the tip side of the movable plate 1 1 2 ( + X side) and connected to a linear pattern 1 2 2 c extending in the Y-axis direction along one side 1 1 2 e of the tip of the movable plate 1 1 2.
  • Pattern 1 2 2 c is a current path (current path for mouth-to-lentz force) that is placed in a magnetic field and generates a mouth-to-mouth force as a driving force when energized.
  • the pattern 1 2 2 c may be referred to as a Lorentz force current path 1 2 2 c.
  • Pattern 1 2 2 a is a wiring pattern for supplying current to Lorentz force current path 1 2 2 c. As shown in Fig. 2 2 and Fig. 24, the pattern 1 2 2 a is formed through the contact holes of the insulating film 1 1 4 and Si N. film 1 2 1 at the + Y side leg 1 1 2 d.
  • a current as a Lorentz force drive signal is supplied from the Lorentz force wiring pattern via the part 1 1 2 d.
  • the current path for Lorentz force 1 2 2 c is placed in the magnetic field in the X-axis direction by the magnet 5 shown in FIG. Therefore, when current is supplied to the mouth-lentz force current path 1 2 2 c via the pattern 1 2 2 a, the current path to the Lorentz force current path 1 2 2 c depends on the direction of the current. Lorentz force in the Z direction is generated.
  • insulating films 1 1 3 and 1 1 4 such as silicon oxide films are stacked on the substrate 1 1 1 in order from the substrate 1 1 1 side.
  • the force wiring pattern 1 4 2 is formed between the insulating films 1 1 3 and 1 1 4.
  • the pattern 1 2 2 b of the A 1 film 1 2 2 is the inner side of the two strip-shaped support plates 1 1 2 b of the movable plate 1 1 2 c from each of the two legs 1 1 2 c
  • the movable electrode portion 322 can generate an electrostatic force between the movable electrode portion 322 and the fixed electrode portion 323 due to a voltage between the movable electrode portion 323 and a fixed electrode portion 323 described later.
  • the movable electrode section 322 has four strip-shaped electrodes 12,2f, 122g, 122 extending in the X-axis direction when viewed from the Z-axis direction. h, 122 i.
  • the + X side ends of the electrodes 122 f, 122 g, 122 h, 122 i are connected to each other by a wiring pattern 122 j.
  • the two wiring patterns 122b are respectively connected to the ⁇ X side end of the electrode 122f and the 1X side end of the electrode 122i.
  • the electrodes 122 f, 122 g, 122 h, 12 2 i and the wiring pattern 122 j are also patterns in the A 1 film 122.
  • the movable electrode section 322 includes the electrodes 122 f, 122 g, 122 h, 1
  • the pattern 122 b is connected to the movable electrode wiring pattern (not shown) via the contact hole of the insulating rod 114 and the Si N film 121 at the leg portion 112 c, and the voltage between the fixed electrode portion 323 is connected to the pattern 122 b. (Voltage for electrostatic force, drive signal for electrostatic force) is applied.
  • the fixed electrode portion 323 is composed of three strip-shaped electrodes 323 a, 323 b, and 323 c extending in the X-axis direction.
  • a wiring pattern 324 for 323 is formed between the insulating films 113 and 114 on the substrate 11 1.
  • the fixed electrode portion 323 and the wiring pattern 324 are composed of an A 1 film formed continuously and integrally.
  • the fixed electrode portion 323 is arranged in a plane parallel to the XZ plane through the line XI 01-XI 02 by arranging the electrodes 323 a, 323 b, 323 c constituting the fixed electrode section 323 as shown in FIG. On the other hand, it has a symmetrical shape.
  • the electrode 3 2 3 b is disposed so as to extend along the X 1 0 1 -X 1 0 2 line in a plan view viewed from the Z-axis direction.
  • Electrodes 1 2 2 g and 1 2 2 h are parallel to each other on the + Y side and one Y side of the electrode 3 2 3 b with a slight gap from the electrode 3 2 3 b in a plan view from the Z-axis direction.
  • the electrodes 3 2 3 b do not overlap.
  • Electrode 3 2 3 a is parallel to the Y side of electrode 1 2 2 h with a slight gap from electrode 1 2 2 h in the plan view seen from the Z-axis direction, and overlaps electrode 1 2 2 h Absent.
  • Electrode 3 2 3 c is parallel to the electrode 1 2 2 g at the + Y side of the electrode 1 2 2 g with a slight gap from the electrode 1 2 2 g in a plan view as viewed from the Z-axis direction, and overlaps the electrode 1 2 2 g Absent.
  • Electrode 1 2 2 f is parallel to the + Y side of electrode 3 2 3 c with a slight gap from electrode 3 2 3 c in plan view as seen from the Z-axis direction, and overlaps electrode 3 2 3 c Absent.
  • Electrode 1 2 2 i is parallel to the Y side of electrode 3 2 3 a with a slight gap from electrode 3 2 3 a in plan view as seen from the Z-axis direction, and overlaps electrode 3 2 3 a Absent.
  • the electrodes constituting the fixed electrode part 3 2 3 and the movable electrode part 3 2 2 are arranged as described above, so that the voltage between the electrode parts 3 2 3 and 3 2 2 is constant.
  • the first force that urges the movable plate 1 1 2 downward (one Z direction) according to the electrostatic force between the electrode portions 3 2 3 and 3 2 2 generated in the case where the movable plate 1 1 2 is the substrate 1 1 1 Insulating film 1 1 When located at the third position between the lower limit position (first position) contacting the 4 and the upper orientation (second position) shown in FIGS. 2 2 and 23 It has reached a peak.
  • the voltage between the fixed electrode portion 3 2 3 and the movable electrode portion 3 2 2 and the current flowing through the current path for the mouth-to-lentz force 1 2 2 c are controlled.
  • Mirror 1 2 is held in the upper position (opposite side of substrate 1 1 1) (Fig. 2 2 and Fig. 2 3) and Mirror 1 2 is held in the lower position (substrate 1 1 1 side) ( Fig. 24 and Fig. 25).
  • such control is performed by the external control circuit 6 in FIG.
  • T indicates the cross section of the optical path of the incident light with respect to the advance position of the mirror 1.
  • a component other than the mirror 12 constitutes a microactuator that drives the mirror 12.
  • the optical switch array 101 can be manufactured using semiconductor manufacturing techniques such as film formation and patterning, etching, and sacrificial layer formation and removal.
  • the mirror 112 can be manufactured, for example, by the same method as in the first embodiment.
  • the fixed electrode portion 3 2 3 and the movable electrode portion 3 2 2 are configured as described above, when a constant voltage is applied between the electrode portions 3 2 3 and 3 2 2 In FIG. 10, the relationship between the position of the movable plate 1 1 2 and the force that effectively acts on the movable plate 1 1 2 due to the electrostatic force generated between the electrode portions 3 2 3 and 3 2 2 is shown in FIG. Same as relationship.
  • the mirror 1 2 in the state where the electrostatic force and the Lorentz force are not applied, it is close to the legs 1 1 2 d of the support plate 1 1 2 b. It is restored to the + Z direction by the stress (panel force) of the leaf spring part formed by the large area (the area where the convex part 1 2 4 is not provided), and the mirror 1 2 is held in the upper position. As a result, the mirror 1 2 enters the optical path T and reflects the light incident on the optical path T.
  • the mouth-to-lentz force is applied so that the support plate 1 1 2 b
  • the movable plate 1 12 is moved downward against the panel force of the leaf spring portion, and the movable plate 1 1 2 corresponds to the range from point A to point D in FIG. 10 by the Lorentz force. Move to any position.
  • the application of the mouth-lens force is stopped, and a voltage corresponding to the state shown in FIG. 10 is applied between the fixed electrode portion 3 23 and the movable electrode portion 3 2.
  • the position of the movable electrode portion 3 2 2 corresponding to the point B in FIG. 10 (the movable plate 1 1 2 is completely connected to the substrate 1 1 1).
  • the mirror 1 1 2 leaves the optical path T, so that the incident light is reflected by the mirror 1 2. Instead, it passes through as it is and becomes emitted light.
  • the electrode 3 2 When switching from the state in which the movable plate 1 1 2 is held at the lower position as shown in FIGS. 24 and 25 to the state shown in FIGS. 22 and 23, for example, the electrode 3 2 The generation of electrostatic force may be stopped by setting the voltage between 3 and 3 2 2 to zero. As a result, the movable plate 1 1 2 returns to the upper position shown in FIGS. 2 2 and 23 by the upward spring force of the plate spring portion of the support plate 1 1 2 b.
  • the Lorentz force once applied is stopped and the voltage is applied to the electrodes 3 2 3 and 3 2 2.
  • the timing of applying may be before or after the movable plate 1 12 is brought into contact with the fixed portion due to the one-lens force. Even if the movable plate 1 1 2 comes into contact with the fixed part due to Lorentz force, the Lorentz force can be made much smaller than the electrostatic force in the state shown in Fig. 8 of the comparative example described above. There is almost no possibility that the plate 1 1 2 will stick to the fixed part and become inoperable.
  • the actuate used in the present embodiment also determines the stable holding position of the movable plate 1 12 according to the magnitude of the applied voltage. Analog position of movable plate 1 1 2 to change to desired position Control is possible.
  • the first embodiment and the modified examples shown in FIGS. A pattern similar to the pattern of the fixed electrode part 16 and the movable electrode part 23 may be adopted.
  • the force used in addition to the electrostatic force is replaced with another force (a force utilizing the stress change of the thin film due to thermal expansion, the piezoelectric effect). You may comprise so that the force used etc. can be used.
  • a spring force is used as a force for returning the movable plate to the upper position.
  • another force for example, a panel force
  • a magnetic force for example, a magnetospin force
  • the microactuator according to the present invention can be used for other optical devices other than optical switches and various other applications.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)

Abstract

　マイクロアクチュエータは、固定部と、固定部に対して、固定部の所定箇所に当接する第１位置と所定箇所から第１の位置より遠ざかった第２の位置との間を移動し得るように設けられた可動部と、を備えている。固定部は、第１の電極部を有し、可動部は、第１の電極部との間の電圧により第１の電極部との間に静電力を生じ得る第２の電極部を有しており、電圧が一定である場合において生ずる静電力に従って可動部を第１の位置へ向かう方向へ付勢する第１の力が、可動部が第１の位置と第２の位置との間の第３の位置に位置するときにピークとなるように、第１及び第２の電極部が配置されている。

Description

明 細 書 マイクロアクチユエ一夕、 光学装置及び光スィッチ 技術分野
本発明は、 マイクロアクチユエ一夕、 並びに、 これを用いた光学装置及び光ス イッチに関するものである。 背景技術
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ァクチユエ一夕の 重要性が高まっている。 マイクロアクチユエ一夕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ィッチを挙げること ができる。 このような光スィッチの一例として、 例えば、 日本特開 2 0 0 1—4 2 2 3 3号公報、 及び国際公開第 0 3 / 0 6 0 5 9 2号パンフレツトに開示され た光スイッチを挙げることができる。
マイクロアクチユエ一夕は、 一般的に、 固定部と、 固定部に対して移動可能と された可動部とを備え、 駆動力を与えることで、 可動部を移動させたり所定位置 に保持したりできるように構成されている。
駆動力として静電力を用いるマイクロアクチユエ一夕では、 固定部及び可動部 にそれぞれ固定電極及び可動電極が設けられる。 このマイクロアクチユエ一夕で は、 両電極間に電圧を印加すれば、 両電極間に静電力が生ずるので、 構造が簡単 になるなどの利点が得られる。 このため、 従来のマイクロアクチユエ一夕では、 駆動力として静電力が用いられることが多かった。
日本特開 2 0 0 1— 4 2 2 3 3号公報に開示された光スィツチにおいて採 用されているマイクロミラ一を移動させるマイクロアクチユエ一夕では、 可動部 に作用するパネ力に抗して可動部を所定の位置まで移動させてその位置に保持 するために、 諍電力を用いている。 また、 国際公開第 0 3 / 0 6 0 5 9 2号パン フレツトに開示された光スィツチにおいて採用されているマイクロアクチユエ 一夕では、 駆動力として静電力の他にローレンツ力を用い得るように構成され、 例えば、 口一レンツ力によって可動部に作用するバネ力に杭して可動部を所定の 位置まで移動させ、 静電力によって可動部をその位置に保持する。
特開 2 0 0 1—4 2 2 3 3号公報及び国際公開第 0 3 / 0 6 0 5 9 2号パン フレツトに開示されたマイクロアクチユエ一夕を含めて、 静電力を用いた従来の マイクロアクチユエ一夕では、 固定電極と可動電極とは、 可動部の移動方向から 見たときに互いに大部分が重なり合うように配置されていた。
静電力を用いた従来のマイクロアクチユエ一夕では、 固定電極と可動電極とが、 可動部の移動方向から見たときにそれらの大部分が互いに重なり合うように配 置されていたので、 静電力を発生させると、 可動部が固定部に当接した状態 （本 明細書中、 この状態を 「プルイン状態」 と言う） となってしまい、 静電力を発生 させた状態で、 可動部が固定部に当接する手前の位置で可動部を安定して保持す ることができなかった。
静電力を用いた従来のマイクロアクチユエ一夕では、 前記プルイン状態が生ず ることに伴って、 不都合が生じたり、 用途が限られていたりしていた。
例えば、 前記プルィン状態により可動部が固定部に押し付けられることから、 可動部が固定部に貼り付いて動作不能となったり、 動作不能に至らなくても、 可 動部が固定部から引き剥がれるのに時間がかかって動作遅延が生じてしまう。 また、 例えば、 前記プルイン状態が生じてしまうので、 固定電極と可動電極と の間の印加電圧の大きさによって可動部の停止位置を所望の位置に変えるよう な、 可動部のアナログ的な位置制御が不可能であるため、 静電力を用いた従来の マイクロアクチユエ一夕は、 光スィツチのようなデジタル的な位置制御で足りる 用途にしか用いることができなかった。 T JP2006/313524
3 発明の開示
本発明は、 このような事情に鑑みてなされたもので、 静電力を用いながらもプ ルイン状態の発生を防止することができるマイクロアクチユエ一夕、 並びに、 こ れを用いた光スィッチ及び光学装置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ユエ一夕 は、 固定部と、 前記固定部に対して、 前記固定部の所定箇所に当接する第 1の位 置と前記所定箇所から前記第 1の位置より遠ざかった第 2の位置との間を移動 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の電極部を有し、 前記電圧が一定である場合において生ず る前記静電力に従って前記可動部を前記第 1の位置へ向かう方向へ付勢する第 1の力が、 前記可動部が前記第 1の位置と前記第 2の位置との間の第 3の位置に 位置するときにピークとなるように、 前記第 1及び第 2の電極部が配置されたも のである。
本発明の第 2の態様によるマイクロアクチユエ一夕は、 前記第 1の態様におい て、 前記第 1及び第 2の電極部は、 前記可動部の前記第 1及び第 2の位置間の移 動方向から見たときに前記第 1及び第 2の電極部が互いに実質的に重ならない ように、 配置されたものである。
本発明の第 3の態様によるマイクロアクチユエ一夕は、 固定部と、 前記固定部 に対して、 前記固定部の所定箇所に当接する索 1の位置と前記所定箇所から前記 第 1の位置より遠ざかつた第 2の位置との間を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 の電極部を有し、 前記第 1及び第 2の電極部は、 前記可動部の前記第 1及び第 2 の位置間の移動方向から見たときに前記第 1及び第 2の電極部が互いに実質的 に重ならないように、 配置されたものである。 本発明の第 4の態様によるマイクロアクチユエ一夕は、 前記第 1乃至第 3のい ずれかの態様において、 前記第 1及び第 2の電極部はそれぞれ、 前記可動部の前 記第 1及び第 2の位置間の移動方向を含む少なくとも 1つの同じ平面に対して 略面対称な形状を有するものである。
本発明の第 5の態様によるマイクロアクチユエ一夕は、 前記第 1乃至第 4のい ずれかの態様において、 前記可動部を前記第 1の位置から前記第 2の位置へ向か う方向へ付勢する第 2の力が生じ得るように構成されたものである。
本発明の第 6の態様によるマイクロアクチユエ一夕は、 前記第 5の態様におい て、 前記可動部は、 前記第 2の力として前記第 2の位置に復帰しょうとするパネ 力を生ずるように設けられたものである。
本発明の第 7の態様によるマイクロアクチユエ一夕は、 前記第 5又は第 6の態 様において、 前記第 1及び第 2の力とは別の第 3の力を、 前記可動部に生じさせ る発生手段を備えたものである。
本発明の第 8の態様によるマイクロアクチユエ一夕は、 前記第 7の態様におい て、 前記発生手段は、 前記可動部に設けられ磁界内に配置されて通電によりロー レンツ力を生ずる電流路を含むものである。
本発明の第 9の態様による光学装置は、 前記第 1乃至第 8のいずれかの態様に よるマイクロアクチユエ一夕と、 前記可動部に搭載された被駆動体とを備え、 前 記被駆動体が光学素子であるものである。
本発明の第 1 0の態様による光スィッチは、 前記第 1乃至第 8のいずれかの態 様によるマイクロアクチユエ一夕と、 前記可動部に搭載された被駆動体とを備え、 前記被駆動体がミラ一であるものである。
前記第 1乃至第 1 0の態様において、 前記可動部は薄膜で構成されてもよい。 本発明によれば、 静電力を用いながらもプルイン状態の発生を防止することが できるマイクロアクチユエ一夕、 並びに、 これを用いた光'スィッチ及び光学装置 を提供することができる。 4
5
図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1の実施の形態による光スィツチアレーを備えた光学シス テムの一例を模式的に示す概略構成図である。
図 2は、 図 1中の光スィッチアレーの単位素子としての 1つの光スィッチを模 式的に示す概略平面図である。
図 3は、 ミラーが上方位置に保持された状態を示す、 図 2中の Y 3— Y 4線に 沿った概略断面図である。
図 4は、 図 2中の X 1—X 2線に沿った概略断面図である。
図 5は、 ミラーが下方位置に保持された状態を示す、 図 2中の Y 3— Y 4線に 沿った概略断面図である。
図 6は、 比較例による 1つの光スィッチを示す概略平面図である。
図 7は、 ミラーが上方位置に保持された状態を示す、 図 6中の Y 5— Y 6線に 沿った概略断面図である。
図 8は、 ミラーが下方位置に保持された状態を示す、 図 6中の Y 5— Y 6線に 沿った概略断面図である。
図 9は、 本発明の第 1の実施の形態で用いられているァクチユエ一夕のモデル を示す図である。
図 1 0は、 図 9に示すモデルについて得た、 可動板の位置と静電力による力 F e及びバネカ F kとの関係を示すグラフである。
図 1 1は、 図 6乃至図 8に示す比較例によるァクチユエ一夕をモデルを示す図 である。
図 1 2は、 図 1 1に示すモデルについて得た、 可動板の位置と静電力 F e ' 及 びバネカ F kとの関係を示すグラフである。
図 1 3は、 第 1の実施の形態の一変形例を示す概略平面図である。
図 1 4は、 第 1の実施の形態の他の変形例を示す概略平面図である。 4
6 図 1 5は、 第 1の実施の形態の更に他の変形例を示す概略平面図である。 図 1 6は、 第 1の実施の形態の更に他の変形例を示す概略平面図である。 図 1 7は、 本発明の第 2の実施の形態による光スィッチアレーを備えた光学シ ステムの一例を模式的に示す概略構成図である。
図 1 8は、 図 1 7中の光スィッチアレーを模式的に示す概略平面図である。 図 1 9は、 図 1 7中の光スィッチアレーの単位素子としての 1つの光スィッチ を模式的に示す概略平面図である。
図 2 0は、 図 1 9中の M— M ' 線に沿った概略断面図である。 ' 図 2 1は、 図 1 9中の可動板を上から見たときの A 1膜のパターン形状を示す 図である。
• 図 2 2は、 ミラーが上方位置に保持された状態を示す、 図 1 9及び図 2 1中の N - N ' 線に沿った断面を + Y側から一 Y方向に見た概略断面図である。
図 2 3は、 ミラーが上方位置に保持された状態を示す、 図 2 1中の K— K ' 線 に沿った断面を示す概略断面図である。 ·
図 2 4は、 ミラーが下方位置に保持された状態を示す、 図 1 9及び図 2 1中の N - N ' 線に沿った断面を + Y側から一 Y方向に見た概略断面図である。
図 2 5は、 ミラーが下方位置に保持された状態を示す、 図 2 1中の K一 K ' 線 に沿った断面を示す概略断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明によるマイクロアクチユエ一夕、 光学装置及び光スィッチについ 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学装置としての光スィッチ装置で ある光スィツチアレー 1を備えた光学システム (本実施の形態では、 光スィツチ システム） の一例を模式的に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）。 光スィッチアレー 1の基板 1 1の面が X Y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方向又は一 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軸方向の一側を下側という場合がある。
この光スィッチシステムは、 図 1に示すように、 光スィッチアレー 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 示す光路切換状態を実現するための制御信号を光スィツチアレー 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。
光スィッチアレー 1は、 図 1に示すように、 基板 1 1と、 基板 1 1上に配置さ れた m X n個のミラー 1 2とを備えている。 m本の光入力用光ファイバ 2は、 基 板 1 1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、 X Y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 1 1に対する他方の側に配置 され、 光スィッチアレー 1のいずれのミラー 1 2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、 光スィッチアレー 1のいずれかのミラ一 1 2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、 X Y平面と平行な面内に 配置されている。 m X n個のミラー 1 2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 マイクロアクチユエ一夕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 1 1上に配置されている。 なお、 本例では、 ミラ 一 1 2の向きは、 その法線が X Y平面と平行な面内において X軸と 4 5 ° をなす ように設定されている。 この光スィッチシステムの光路切替原理自体は、 従来の 2次元光スィッチの光路切替原理と同様である。
次に、 図 1中の光スィツチアレー 1の単位素子としての 1つの光スィツチの構 造について、 図 2乃至図 5を参照して説明する。 図 2は、 この 1つの光スィッチ を示す概略平面図である。 図 3は、 図 2中の Y 3—Y 4線に沿った概略断面図で ある。 図 4は、 図 2中の X 1— X 2線に沿った概略断面図である。 図 5は、 図 3 に対応する概略断面図であり、 ミラー 1 2が下側に保持された状態を示している。 なお、 図 3及び図 4は、 ミラー 1 2が上方位置に保持された状態を示している。 この光スィッチは、 前述したミラ一 1 2及び前記基板 1 1の他に、 基板 1 1に 対して移動し得るように設けられた可動部としての可動板 2 1を備えている。 基 板 1 1には、 可動板 2 1が進入する領域となる凹部 1 3が形成されている。 本実 施の形態では、 基板 1 1としてシリコン基板等の半導体基板が用いられている。 基板 1 1上には、シリコン酸化膜等の絶縁膜 1 4 , 1 5が積層され、絶縁膜 1 4 , 1 5間に、 第 1の電極部である固定電極部 1 6を構成する 2本の電極 1 6 a , 1 6 b及びこれらに対する配線パターン 1 7 a， 1 7 bが形成されている。 配線パ 夕一ン 1 7 a， 1 7 bを介して、 電極 1 6 a , 1 6 bに同一電位が印加されるよ うになつている。 電極 1 6 a , 1 6 b及び配線パターン 1 ·7 a， 1 7 bは、 例え ば、 A 1膜などの金属膜で構成することができる。本実施の形態では、基板 1 1、 絶縁膜 1 4， 1 5、 固定電極部 1 6及び配線パターン 1 7 a , 1· 7 bが、 固定部 を構成している。
可動板 2 1は、 薄膜で構成され、 下側絶縁膜 2 2と、 下側絶縁膜 2 2上に形成 され第 2の電極部である可動電極部 2 3を構成する 2本の電極 2 3 a， 2 3 bと、 下側絶縁膜 2 2上に形成され電極 2 3 a , 2 3 bに対する配線パターン 2 4 a , 2 4 bの一部と、 これらの上側を覆う上側絶縁膜 2 5と、 を有している。 可動電 極部 2 3は、 固定電極部 1 6との間の電圧により固定電極部 1 6との間に静電力 を生じ得るものである。 例えば、 絶縁膜 2 2 , 2 5はシリコン酸化膜等で構成す ることができ、 電極 2 3 a , 2 3 b及び配線パターン 2 4 a， 2 4 bは、 A 1膜 などの金属莫で構成することができる。
電極 23 a， 23 b及び配線パターン 24 a, 24 bは、 上側絶縁膜 25で覆 われているため、 図 2では本来隠れ線で示すべきであるが、 図面表記の便宜上、 上側絶縁膜 25で隠れた部分も実線で示している。 なお、 固定部の電極 16 a, 16 b及び配線パターン 17 a， 17 bは、 隠れ線で示している。
本実施の形態では、 可動板 21の X軸方向の両端部が、 バネ性を有するパネ部 としてのフレクチユア部 27 a, 27 bと、 アンカ一部 28 a, 28 bとを、 そ れぞれこの順に介して、 基板 1 1における凹部 1.3の周辺部に機械的に接続され ている。 フレクチユア部 27 a, 27 b及びアンカー部 28 a， 28 bは、 可動 板 21からそのまま連続して延びた、下側絶縁膜 22、前記配線パターン 24 a, 24 bの残りの部分、 及び上側絶縁膜 25で構成されている。 図面には示してい ないが、 配線パターン 24 a, 24 bは、 アンカ一部 28 a, 28 bにおいて、 絶縁膜 22, 15に形成した穴 （図示せず） を介して絶縁膜 14, 15間に形成 された配線パターン （図示せず） にそれぞれ電気的に接続され、 これを介して、 電気的に共通に接続されるとともに所望の電位を印加し得るようになっている。' フレクチユア部 27 a， 27 bは、 図 2に示すように、 平面視で四角形状を有 している。 これにより、 可動板 21は、 上下に （即ち Z軸方向に） 移動し得るよ うになつている。 すなわち、 本実施の形態では、 可動板 21は、 フレクチユア部 27 a, 27 bのパネ力 （復帰力） により復帰しょうとする上方位置 （第 2の位 置） （図 3及び図 4参照） と、 可動板 21が基板 11の凹部 13に進入してその 底部 （厳密に言えば、 基板 11の凹部 13上の絶縁膜 15) に当接する下限位置
(第 1の位置） （図示せず） との間を、 移動し得るようになつている。 ただし、 本実施の形態では、 後述するように、 可動板 21は、 凹部 13の底部に当接する ことはなく、 可動板 21が下方側に保持される際には、 前記上方位置と前記下限 位置との間の図 5に示す下方位置に保持される。
可動板 21及びフレクチユア部 27 a， 27 bは、 図 2に示すように、 XI— X 2線を通り XZ平面と平行な平面、 及び、 Y1— Y 2線を通り YZ平面と平行 な平面に対して、 それぞれ面対称な形状及び構造を有している。
固定電極部 1 6及び可動電極部 2 3は、 電極部 1 6, 2 3間の電圧が一定であ る場合において生ずる電極部 1 6, 2 3間の静電力に従って可動板 2 1を下方 (一 Z方向） へ付勢する第 1の力が、 可動板 2 1が凹部 1 3の底部に当接する下 限位置 （第 1の位置） と図 3及び図 4に示す上方位置 （第 2の位置） との間の第 3の位置に位置するときにピークとなるように、 配置されている。
本実施の形態では、 このような配置は、 固定電極部 1 '6を構成する 2本の電極 1 6 a, 1 6 b及び可動電極部 2 3を構成する 2本の電極 2 3 a, 2 3 bが、 Z 軸方向 （可動板 2 1の移動方向） から見た平面視で、 図 2に示すように重ならな いように配置されることによって、 実現されている。
本実施の形態では、 電極 1 6 a, 1 6 , 2 3 a, 2 3 bは、 それぞれ X軸方 向に延びた短冊状をなしている。固定電極部 1 6は、これを構成する電極 1 6 a, 1 6 bが図 2に示すように配置されることによって、 X 1一 X 2線を通り XZ平 面と平行な平面、 及び、 Y 1— Y2線を通り YZ平面と平行な平面に対して、 面 対称な形状を有している。 同様に、 可動電極部 2 3は、 これを構成する電極 2 3 a, 2 3 bが図 2に示すように配置されることによって、 X I— X2線を通り X Z平面と平行な平面、及び、 Y 1一 Y2線を通り YZ平面と平行な平面に対して、 面対称な形状を有している。 電極 2 3 a， 2 3 bは、 X I— X2線を通り XZ平 面と平行な平面に対して、 +Y側と一 Y側にそれぞれ配置されている。 電極 1 6 aは、 Z軸方向から見た平面視で、 電極 2 3 aの + Y側に電極 2 3 aから若千間 隔をあけて並列し、 両者は重なっていない。 電極 1 6 bは、 Z軸方向から見た平 面視で、 電極 2 3 bの一 Y側に電極 2 3 bから若干間隔をあけて並列し、 両者は 重なっていない。
ミラー 1 2は、可動板 2 1の上面に直立して固定されている。前述したように、 ミラー 1 2の反射面の向きは、 その法線が XY平面と平行な面内において X軸と 45° をなすように設定されている。
本実施の形態では、 後に詳述するが、 固定電極部 16と可動電極部 23との間 の電圧を制御することで、 ミラー 12が上方位置 （基板 1 1と反対側） に保持さ れた状態 （図 3及び図 4) 及びミラ一 12が下方位置 （基板 1 1側） に保持され た状態 （図 5) にすることができる。 本実施の形態では、 図 1中の外部制御回路 6によってこのような制御が行われるようになつている。
ミラ一 1.2が上方位置に保持されている状態では、 図 3に示すように、 Y軸方 向に進行して来た入射光は、 ミラ一 12にて反射され、 図 3中の紙面手前側に進 行する。 ミラー 12が下方位置に保持されている状態では、 図 5に示すように、 Y軸方向に進行して来た入射光は、 ミラー 12で反射されることなく、 そのまま 通過して出射光となる。 .
前述した光スィッチの構造のうちミラー 12以外の構成要素によって、 ミラ一 12を駆動するマイクロアクチユエ一夕が構成されている。
本実施の形態による光スィッチアレー 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。 その製造方法の一例の概要について簡単に説明すると、 まず、 シリコン基板 1にフォトリソエッチング法により凹部 13を形成する。 次いで、 絶縁膜 14、 電極 16 a , 16 b、 配線パターン 17 a， 17 b、 及び絶縁膜 1 5等を、 成膜及びパターエングにより形成する。 次に、 凹部 13を埋めるべく犠 牲層としての第 1のレジストを形成し、 CMP (Ch em i c a 1 Me c h a n i c a 1 Po l i s h i ng) 等による平坦化工程によって前記第 1のレジ ストを凹部 13内にのみに残す。 その後、 絶縁膜 22、 電極 23 a， 23 b, 配 線パターン 24 a, 24 b及び絶縁膜 25等を、 成膜及びパターニングにより形 成する。 引き続いて、 前記特開 2001—42233号公報に開示されているよ うに、 ミラ一 12に対応する凹所を第 2のレジストによって形成した後、 電解メ ツキによりミラー 12となるべき A u、 N iその他の金属を成長させる。最後に、 6 313524
前記第 1及び第 2のレジストを除去することで、 光スィッチアレー 1が完成する。 なお、 本実施の形態では、 配線パターン 1 7 a， 1 7 bが凹部 1 3の段差壁部を 乗り越えるように形成されているため、 製造上、 配線パターン 1 7 a , 1 7 bを 形成するのが困難である場合がある。 このような場合には、 例えば、 シリコン基 5 板 1における凹部 1 3以外の領域をフレクチユア部 2 7 a , 2 7 bの付近の領域 に限定して、 シリコン基板 1における凹部 1 3の領域を拡大し、 配線パターン 1 7 a , 1 7 bを凹部 1 3内の領域のみに形成すればよい。
ここここでで、、 本本実実施施のの形形態態にによよるる光光ススィィッッチチアアレレーー 11のの
Figure imgf000014_0001
ロロアアククチチユユエエ一一夕夕のの駆駆動動原原理理ににつついいてて、、 説説明明すするる。。
1100 図図 33及及びび図図 44にに示示すすよよううにに可可動動板板 22 11がが上上方方位位置置にに保保持持さされれてていいるる状状態態でで、、 固固 定定電電極極部部 11 66とと可可動動電電極極部部 22 33ととのの間間にに電電圧圧をを加加ええるるとと、、 両両電電極極部部 11 66 ,, 22 33間間
((本本実実施施のの形形態態でではは、、 特特にに、、 電電極極 11 66 aa ,, 22 33 aa間間及及びび電電極極 11 66 bb ,, 22 33 bb間間）） にに静静電電力力がが働働くく。。 ZZ軸軸方方向向かからら見見たた平平面面視視でで、、 電電極極 11 66 aaとと電電極極 22 33 aaととがが重重なな つつてていいなないいととととももにに電電極極 11 66 bbとと電電極極 22 33 bbととがが重重ななっってていいなないいののでで、、 電電極極 11 66 1155 aa ,, 22 33 aa間間のの静静電電力力及及びび電電極極 11 66 bb，， 22 33 bb間間のの静静電電力力のの方方向向はは ZZ軸軸方方向向にに対対 ししててそそれれぞぞれれ傾傾くく。。 ししかかしし、、 電電極極部部 11 66 ,, 22 33のの前前述述ししたた対対称称性性ののたためめ、、 静静電電力力 "" のの XX軸軸方方向向成成分分及及びび YY軸軸方方向向成成分分はは相相殺殺さされれてて、、 生生じじたた静静電電力力のの ZZ軸軸方方向向成成分分のの みみがが可可動動板板 22 11にに有有効効にに働働くく。。 ここののよよううにに、、 電電極極部部 11 66 ,, 22 33間間にに生生ずずるる静静電電力力 にに従従っってて可可動動板板 22 11にに下下方方向向 （（―― ZZ方方向向）） へへ付付勢勢すするる力力がが付付与与さされれるる。。 ここれれにによよ 2200 りり、、 可可動動板板 22 11はは下下方方向向へへ移移動動ししてていいくく。。
可可動動板板 22 11がが下下方方向向へへ移移動動すするるとと、、 そそのの移移動動量量にに応応じじたたフフレレククチチユユアア部部 22 77 aa ,, 22 77 bbにによよるるババネネ力力がが、、 上上方方向向 （（++ ZZ方方向向）） へへのの復復帰帰力力ととししてて働働くく。。 当当初初はは、、 ここ ののパパネネ力力にに比比べべてて前前記記静静電電力力にに基基づづくく下下方方向向のの付付勢勢力力のの方方がが大大ききいいののでで、、 可可動動板板 22 11はは下下方方向向へへ移移動動ししてていいくく。。
2255 ——方方、、 可可動動板板 22 11がが下下方方向向へへ移移動動ししてていいきき基基板板 11 11にに近近づづいいてていいくくとと、、 電電極極 11 66 aa ,, 22 33 aa間間及及びび電電極極 11 66 bb，， 22 33 bb間間のの距距離離がが短短くくななつつてていいくくたためめ、、当当初初はは、、 06 313524
13 電極部 1 6 , 2 3間の静電力に基づく下方向の付勢力は増大していく。ところが、 可動板 2 1が下方向へ移動していくと、 Z軸方向から見た平面視で、 電極 1 6 a と電極 2 3 aとが重なっていないとともに電極 1 6 bと電極 2 3 bとが重なつ ていないので、 発生する静電力のうちの Z方向方向成分の割合が低下していきし かもその低下の度合いは可動板 2 1が基板 1 1に近づくほど大きくなる。 このた め、 やがて、 電極部 1 6， 2 3間の静電力に基づく下方向の付勢力は、 可動板 2 1がある位置に到達するときにピークとなり、 可動板 2 1がその位置より更に基 板 1 1へ近づいていくと、 電極部 1 6， 2 3間の静電力に基づく下方向の付勢力 は低下していく。 その結果、 やがて、 電極部 1 6， 2 3間の静電力に基づく下方 向の付勢力が、 可動板 2 1が基板 1 1の凹部 1 3の底部に当接する手前の位置で、 フレクチユア部 2 7 a， 2 7 bによる上方向のバネ力と釣り合い、 その位置で可 動板 2 1が停止する。 その停止位置から可動板 2 1が下方向へ移動すると、 上方 向のバネ力の方が大きくなつて可動板 2 1が逆に上方向へ移動する一方、 その停 止位置から可動板 2 1が上方向へ移動すると、 静電力に基づく下方向の付勢力の 方が大きくなつて可動板 2 1が逆に下方向へ移動する。このため、可動板 2 1は、 前記停止位置に安定して保持される。 図 5はこの状態を示している。
図 5に示すように可動板 2 1が下側に保持されている状態から、 図 3及び図 4 に示す状態に切り替える場合には、 電極部 1 6， 2 3間の電圧をゼロにして静電 力の発生を停止させればよい。 その結果、 フレクチユア部 2 7 a , 2 7 bによる 上方向のパネ力によって、 可動板 2 1が図 3及び図 4に示す上方位置に復帰する。 本実施の形態によれば、 前述したように、 電極部 1 6 , 2 3間に電圧を与えて 静電力を発生させたときに、 図 5に示すように、 可動板 2 1が固定部に当接する 手前の位置で安定して保持されるので、 従来生じていたプルィン状態が防止され る。 可動板 2 1が固定部に当接しないので、 可動板 2 1が固定部に貼り付いて動 作不能となったり動作遅延を招いたりするおそれがなくなる。
ここで、 本実施の形態と比較される比較例について、 図 6乃至図 8を参照して P T/JP2006/313524
14 説明する。 図 6は、 比較例による 1つの光スィッチを示す概略平面図である。 図 7及び図 8は、 それぞれ図 6中の Y 5— Y 6線に沿った概略断面図である。 図 7 はミラー 1 2が上方位置に保持された状態を示し、 図 8はミラー 1 2が下方位置 に保持された状態を示している。 図 6乃至図 8は、 図 2、 図 3及び図 5にそれぞ れ対応している。 ただし、 図 6において、 ミラー 1 2は省略して示している。 図 6乃至図 8において、 図 2、 図 3及び図 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。
この比較例による光スィツチが本実施の形態の光スィツチと異なる所は、 この 比較例では、 固定電極部が Z軸方向から見た平面視で矩形形状の電極 2 1 6で構 成され、 可動電極部が Z軸方向から見た平面視で電極 2 1 6とちょうど重なる電 極 2 2 3で構成されている点のみである。
この比較例では、 図 7に示すように可動板 2 1が上方位置に保持されている状 態で、 電極 2 1 6， 2 2 3間に電圧を加えると、 両電極 2 1 6 , 2 2 3間に— Z 方向に静電力が働く。 これにより、 可動板 2 1は下方向 （一 Z方向） へ移動して いぐ。
可動板 2 1が下方向へ移動すると、 その移動量に応じたフレクチユア部- 2 7 a , 2 7 bによる.バネ力が、 上方向 （+ Z方向） への復帰力として働く。 このパネ力 に比べて前記静電力の方が大きいので、 可動板 2 1は下方向へ移動していく。 . この比較例では、 Z軸方向から見た平面視で電極 2 1 6 , 2 2 3が互いにちよ うど重なっている （大部分が重なっていれば一部分が重なっていなくても同様で ある。） ので、 可動板 2 1が下方向へ移動していき基板 1 1に近づくほど、 一 Z 方向の静電力が増大していくのみであり、 ピークを持たない。 よって、 前記静電 力によって可動板 2 1へ作用する下方向の力がフレクチユア部 2 7 a , 2 7 に よる上方向のパネ力と釣り合うようなことがなく、 可動板 2 1は図 8に示すよう に基板 1 1の凹部 1 3の底部に当接するまで静止しない。 可動板 2 1は、 図 8に 示すように基板 1 1の凹部 1 3の底部に当接すると、 その状態で保持される。 こ 4
15 のようにして、 プルイン状態となる。
なお、 可動板 2 1が基板 1 1に近づいたときに、 電極 2 1 6 , 2 2 3間の電圧 を低下させれば、 下向きの静電力とフレクチユア部 2 7 a , 2 7 bによる上向き のパネ力とが釣り合う位置が存在する。 しかし、 この釣り合いの位置に可動板 2 1が一旦位置しても、 その位置から可動板 2 1が下方へ移動すると下向きの静電 力の方が上向きのパネ力より大きくなるので、 可動板 2 1が前記釣り合いの位置 で安定して静止し得ず、 可動板 2 1に微小な位置変動が生ずると、 フレクチユア 部 2 7 a , 2 7 bによる上向きのバネカだけでは、 可動板 2 1の下方向への移動 は抑えきれず、 結局、 可動板 2 1は基板 1 1の凹部 1 3の底部に当接するまで静 止しない。
図 8に示すように可動板 2 1が下方位置に保持されている状態から、 図 7に示 す状態に切り替える場合には、 本実施の形態の場合と同様に、 電極 2 1 6， 2 2 3間の電圧をゼロにして静電力の発生を停止させる。 その結果、 フレクチユア部 2 7 a , 2 7 bによる上向きのバネ力によって、 可動板 2 1が図 3及び図 4に示 す上方位置に復帰するはずである。 しかし、 この比較例によれば、 前述したよう に、 図 8に示すようにプルイン状態が生じてしまうため、 可動板 2 1が基板 1 1 の凹部 1 3の底部に貼り付いてしまい、 図 7に示ザ状態への切り替えが不能にな つてしまう場合があった。 このような動作不能に至らなくても、 可動板 2 1が固 定部から引き剥がれるのに時間がかかって動作遅延が生じてしまう。
ところで、 実素子の駆動解析には、 有限要素法などの高度な数学的手法が必要 となる。 ここでは、 本実施の形態で用いられているァクチユエ一夕の前述した駆 動原理の理解を深めるため、 計算を簡略化するべく本実施の形態で用いられてい るァクチユエ一夕をモデル化し、 そのモデルに基づいて可動板 2 1の位置と可動 板 2 1に有効に作用する力との関係を求める。
図 9は、 本実施の形態で用いられているァクチユエ一夕のモデルを示す図であ る。 固定電極部 1 6を構成している 2本の電極 1 6 a， 1 6 b及び可動電極部 2 3524
16
3を構成している 2本の電極 23 a， 23 bは、 実際には平板形状をなしている が、 このモデルでは、 それぞれ断面円形の X軸方向に延びた棒状体 （すなわち、 円柱） としている。
電極 1 6 a， 1 6 b, 23 a, 23 bは全て同一形状 ·寸法を有し、 その X軸 方向の長さは L、 上面及び底面の半径は Rとする。 YZ平面と平行な平面内にお いて、 電極 23 a, 23 bの中心間距離を 1、 電極 16 a， 23 aの中心間の Y 軸方向の距離及び電極 16 b, 23 bの中心間の Y軸方向の距離を両方とも d、 電極 1 6 a, 23 aの中心間の Z軸方向の距離及び電極 16 b， 23 bの中心間 の Z軸方向の距離を両方とも z、 電極 1 6 a, 23 aの中心間を結ぶ線が Y軸方 向となす角度及び電極 1 6 b， 23 bの中心間を結ぶ線が Y軸方向となす角度を 両方とも Θ とする。 距離 zを可動板 2 1の位置とする。 R《z、 R《d、 およ び z《L、 d《Lの関係が成立するものとする。
電極 23 a, 23 b間の距離 1は十分大きいものとし、 固定電極部 16と可動 電極部 23との間に電圧 Vを印加したときに、 電極 16 a, 23 a間、 及び、 電 極部 1 6 b, 2 3 b間のみで静電力が生じるものとする。 電圧 Vを印加したとき に生ずる電極 1 6 a, 23 a間の静電力を F 1、 電圧 Vを印加したときに生ずる 電極 1 6 b， 2 3 b間の静電力を F 2とする。 なお、 電極部 1 6 a, 16 bは互 いに同電位とされ、 電極 23 a， 23 bは互いに同電位にされる。
【0061】
また、 図 9に示すモデルでは、 フレクチユア部 27 a, 27 bによる + Z方向 のバネカを F kとしている。
このモデルでは、 電極 23 a， 23 b間の電気容量 C 0は、 R《z、 R《d、 および z《L、 d《Lの仮定の下では、 近似的に下記式 1で表される。 式 1にお いて、 ε 0は真空誘電率である。 なお、 S i基板や可動部の絶縁体などの誘電率 は、 計算を簡単にするため、 ε θとする。
【式 1】 13524
17
Figure imgf000019_0001
ここで、 電極 16 a, 23 a間に電圧 Vを印加すると、 電極 16 a, 23 a間 に静電力 F 1が発生する。 2電極間の静電力 Fは、 電気容量 C、 電極間電圧 V、 電極間距離 Sでは、 下記式 2で表される。 したがって、 電極 16 a, 23 a間の 静電力 F 1は、 下記式 3で表される。
【式 2】
2 dS
【式 3】
Figure imgf000019_0002
静電力 F 1の方向は Y軸方向から前記角度 Θ だけ傾いているので、 静電力 F 1の Y軸方向成分 F 1 y及び Z軸方向成分 F 1 zは、 それぞれ下記式 4, 式 5で 表される。
【式 4】 '
Fy - F · cos0
Figure imgf000019_0003
【式 5】
F = - •sin^
Figure imgf000019_0004
電圧 Vを印加したときに電極 16 b， 23 b間に働く静電力 F 2は、 静電力 F 1と大きさが同じで方向のみが違うため、 静電力 F 2の Y軸方向成分 F 2 y及び Z軸方向成分 F2 zは、 それぞれ下記式 6, 式 7で表される。 【式 6】
F2y = -F\y
【式 7】
F2z = F
よって、 静電力 F 1と静電力 F 2との合成力 F eの Y軸方向成分 F e y及び Z 軸方向成分 F e zは、 それぞれ下記式 8， 式 9で示される。
【式 8】
=0
【式 9】
Fe2 =F +F2z
Figure imgf000020_0001
=Fe
結局、 静電力 F 1の Y軸方向成分 F 1 yと静電力 F 2の Y軸方向成分 F 2 yと が相殺され、 発生する静電力によって可動板 21に有効に働く力 Feは、 静電力 F 1と静電力 F 2との合成力 F eの Z軸方向成分 F e zとなる。
一方、 フレクチユア部 27 a, 27 bは、 フックの法則に従うものとし、 その バネ定数を kとする。 可動板 21に静電力が働いていないときの状態が自然長の コイルパネと同じ状態であるとし、 そのときの可動板 21の位置を z 0とする。 すると、 フレクチユア部 27 a, 27 bによる +Z方向のバネカ F kは、 下記の 式 10で表される。
【式 10】
Fk = k(z(l— z) ,
図 10は、 図 9に示すモデルについて、 前述した式 9及び式 10に従って作成 した、 可動板 21の位置 ζと静電力による力 Fe及びバネカ Fkとの関係を示す グラフである。 図 10に示す例では、 R=l m、 d = 10 ^m, = l 0 0 m、 V=75V、 k=lmNZm、 z 0 = 100 /xmとした。
ここで、 この図 10を用いて、 本実施の形態で用いられているァクチユエ一夕 の前述した駆動原理を説明する。
図 10に示すように、 可動板 21の位置 zが z==0から z = z 0まで変わる間 に、 静電力によって可動板 21に加わる一 Z方向の力 F eは、 点 A〜Fを迪り、 点 Cでピークとなる。 一方、 可動板 21に加わる + Z方向のバネカ Fkは、 右肩 下がりの直線となっている。 図 10に示す例では、 力 F eを示すカーブとバネカ Fkを示すラインとが、 点 B, D, Eで交わっている。
図 10に示す例では、 点 Dから点 Eまでに相当する可動板 21の位置 zの区間 で F k>F eとなっているので、 可動板 21の位置 zが z 0である状態において、 図 10に示すグラフを得た V= 75 Vを印加して力 F eを発生させても、 そのま までは、可動板 21を点 Eの位置より下方へ移動させることはできない。そこで、 本実施の形態では、 印加電圧をこの場合より大きくして、 図 10中の点 Cから点 Fまでの可動板 21の位置 zの区間の全体に渡って F k<F eとすることで、 可 動板 21を図 10中の点 Aから点 Dまでの間の位置に移動させ、 その後、 V=7. 5 Vを印加する。 すると、 可動板 21が点 Aから点 Bまでの間に位置していると すれば、 Fk>F eであるため可動板 21が上方向 （+Z方向） へ移動して点 B へ向かい、 可動板 21が点 Bに達すると Fk = Feであるので両者の力が釣り合 つて点 Bで静止する。 逆に、 可動板 21が点 Bから点 Dまでの間に位置している とすれば、 Fkく F eであるため可動板 21が下方向 （一 Z方向） へ移動して点 Bへ向かい、 可動板 21が点 Bに達すると Fk = F eであるので両者の力が釣り 合って点； Bで静止する。 点 Bの付近において、 点 Bより下側位置で可動板 21を 上方向へ移動させる力関係 Fk>Feとなるとともに、 点 Bより上側位置で可動 板 21を下方向へ移動させる力関係 Fkく F eとなるので、 可動板 21は点 Bで 安定して保持される。
なお、 以上の説明では、 可動板 21を z 0位置から点 Bの位置に移動させて点 Bに保持するために、 比較的大きい印加電圧を加えた後に図 1 0に示すような値 となる比較的小さい印加電圧を加える例を挙げた。 これは、 可動板 2 1を保持し 続ける際に印加電圧がより小さい方が、 消費電力等の関係でより好ましいためで ある。 しかしながら、 可動板 2 1を保持し続ける場合にも、 比較的小さい印加電 圧に切り替えることなく、 前述した比較的大きい印加電圧を加え続けてもよい。 この場合の、 図 1 0中の点 Bに相当する可動板 2 1の安定保持位置は、 図 1 0の 点 Bより若干ずれる。 これは、 力 F kをそのままにして、 各位置に応じた力 F e の値を印加電圧の 2乗に比例させて書き変えると、 両者のラインの交点がずれる ことから理解できる。
また、 印加電圧を大きくして点 Dに移動させたなら、 その後 V = 7 5 Vにして も点 Dの位置のままであり点 Bに向かわない。 点 Bに向かうのは、 正確には、 点 Dの位置より下側位置の場合である。
なお、 前述したように、 印加電圧を変えることで、 図 1 0中の点 Bに相当する 可動板 2 1の安定保持位置が図 1 0の点 Bより若干ずれるので、 本実施の形態で 用いられているァクチユエ一夕は、 可動板 2 1の安定保持位置を印加電圧の大き さによって所望の位置に変えるような、 可動板 2 1のアナログ的な位置制御も可 能である。したがって、本発明によるァクチユエ一夕は、静電力を用いながらも、 可動部のアナログ的な位置制御が要求される種々の用途においても、 用いること ができる。 もっとも、 本実施の形態では、 図 3及び図 5に示されるようなデジ夕 ル的な位置制御で足りる光スィッチに用いられているので、 可動板 2 1のアナ口 グ的な位置制御を行うために印加電圧を変える必要はない。
次に、 図 9の場合と同様に、 図 6乃至図 8に示す比較例によるァクチユエ一夕 をモデル化し、 そのモデルに基づいて可動板 2 1の位置と可動板 2 1に有効に作 用する力との関係を求める。 .
図 1 1は、 図 6乃至図 8に示す比較例によるァクチユエ一夕のモデルを示す図 である。 このモデルにおいても、 フレクチユア部 2 7 a , 2 7 bによる + Z方向 のバネカを F kについては、 図 9と同じである。 図 11に示すモデルでは、 図 9 に示すモデルと異なり、 固定電極部を構成する電極 216及び可動電極部を構成 する電極 223を、 平行平板であるとした。 図 11に示すモデルでは、 電圧 Vを 印加したときの電極 216, 223間の一 Z方向の静電力を F e ' とする。
図 12は、 図 11に示すモデルについて、 平行平板間の静電力を表す周知の式 及び前述した式 10に従って作成した、 可動板 21の位置 （本例では、 電極 21 6, 223間距離） zと一 Z方向の静電力 F e' 及びパネ力 Fkとの関係を示す グラフである。 図 12に示す例では、 電極 216， 223の Y軸方向の幅を 10 rn, 電極 216, 223の X軸方向の長さを 100 m、 印加電圧 Vを 20 V とした。
図 12に示すように、 可動板 21の位置 zが z = 0から z == z 0まで変わる間 に、可動板 21に加わる一 Z方向の静電力 F e ' は、図 10中の力 F eと異なり、 ピークを持たない。 そして、 静電力 F e' を示すラインとバネカ F kを示すライ ンとが、 点 Gで交わっている。 可動板 21が点 Gより下側に位置する場合は、 可 動板 21を下方向へ移動させる力関係 Fk<F e' となる一方、 可動板 21が点 Gより上側に位置する場合は、 可動板 21を上方向へ移動させる力関係 Fk>F e ' となっている。
可動板 21の位置 zが z 0である状態において、 図 12に示す状態の印加電圧 より大きい印加電圧を加えて Fkぐ F e' とし、 可動板 21を下方向へ移動させ ていく場合を考える。 このとき、 その比較的大きい印加電圧を印加し続ければ、 可動板 21が図 12中の点 Gに達してもまた点 Gより下側に位置しても、 Fk< F e' の関係が保たれるので、 可動板 21は、 固定部に当接してしまい、 その当 接した状態で保持され、 プルイン状態となる。 可動板 21が図 12中の点 Gに達 したときに印加電圧を図 12に示す状態の比較的低い電圧に切り替えると、 点 G では、 Fk = Fe' であるので両者の力が釣り合う。 ところが、 点 Gの位置から 可動板 21が上方向へ微小な位置変動が生ずると、 Fk>F e' となるので、 可 動板 2 1は上方向へ移動して位置 z 0に戻ってしまう。 一方、 点 Gの位置から可 動板 2 1が下方向へ微小な位置変動が生ずると、 F k < F e ' となるので、 可動 板 2 1は下方向へ移動していき、 固定部に当接してしまい、 その当接した状態で 保持され、 プルイン状態となる。
このように、 この比較例では、可動板 2 1を下側の位置で保持しょうとすると、 プルイン状態となってしまい、 z 0の位置と固定部に当接する位置との中間の位 置で可動板 2 1を安定して保持することは、 不可能である。
なお、 この比較例では、 プルイン状態となってしまうため、 印加電圧を変えて も可動板 2 1のアナログ的な位置制御は、 全く不可能である。
なお、 本実施の形態では、 固定電極部 1 6及び可動電極部 2 3は、 前述したよ うに Z軸方向から見た平面視で固定電極部 1 6と可動電極部 2 3とが全く重な らないように配置されているが、 図 1 0中の点 Cのようなピークが生ずる程度で あれば、 両者が部分的に重なるように配置してもよい。
また、 本実施の形態では、 前述したように、 固定電極部 1 6も可動電極部 2 3 も、 X 1— X 2線を通り X Z平面と平行な平面、 及び、 ¥ 1—丫2線を通り¥∑ 平面と平行な平面に対して、 面対称な形状を有している。 しかしながら、 本発明 では、 必ずしもこのような対称性は必要ではない。 例えば、 可動部がガイド手段 により案内されるため加えられる力の方向に拘わらずに可動部の移動方向が定 まるような場合には、 必ずしも前述したような対称性は必要ではない。
[第 1の実施の形態の各変形例]
本発明では、 前述した第 1の実施の形態における固定電極部 1 6及び可動電極 部 2 3は、 例えば、 図 1 3乃至図 1 6にそれぞれ示すように変形してもよい。 図 1 3乃至図 1 6は、 それぞれ前記第 1の実施の形態の変形例を示すもので、 それぞれ図 2に対応する概略平面図である。 図 1 3乃至図 1 6において、 図 2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。 なお、 図 1 3乃至図 1 6において、 ミラー 1 2の図示は省略している。 いずれの変形例においても、 固定電極部 1 6も可動電極部 2 3も、 X 1— X 2 線を通り X Z平面と平行な平面、 及び、 Y 1— Y 2線を通り Y Z平面と平行な平 面に対して、 面対称な形状を有している。
図 1 3に示す変形例では、 固定電極部 1 6は、 X軸方向に延びた短冊状の 1本 の電極 1 6 cで構成されている。 可動電極部 2 3は、 X軸方向に,延びた短冊状の 2本の電極 2 3 c， 2 3 dで構成されている。 電極 1 6 cは、 Z軸方向から見た 平面視で X 1— X 2線に沿って延びるように配置されている。 電極 2 3 c , 2 3 dは、 Z軸方向から見た平面視で、 電極 1 6 cの + Y側及び— Y側にそれぞれ電 極 1 6 cから若干間隔をあけて並列し、 電極 1 6 cとは重なっていない。 なお、 図 1 3では、 電極 1 6 cに対する配線パターンの図示を省略して.いるが、 この配 線パターンは Z軸方向から見た平面視で電極 2 3 c (又は 2 3 d ) と重なってい る。 しかしながら、 その重なり面積はわずかであり、 図 1 0中の点 Cのようなピ —クが生ずるのに何ら支障はない。 - 図 1 4に示す変形例では、 固定電極部 1 6は、 X軸方向に延びた短冊状の 2本 の電極 1 6 e， 1 6 fで構成されている。 可動電極部 2 3は、 X軸方向に延びた 短冊状の 1本の電極 2 3 eで構成されている。 電極 2 3 eは、 Z軸方向から見た 平面視で X 1— X 2線に沿って延びるように配置されている。 電極 1 6 e， 1 6 f は、 Z軸方向から見た平面視で、 電極 2 3 eの + Y側及び一 Y側にそれぞれ電 極 2 3 eから若干間隔をあけて並列し、 電極 2 3 eとは重なっていない。 なお、 図 1 4では、電極 1 6 e， 1 6 f に対する配線パターンの図示を省略しているが、 この配線パターンは Z軸方向から見た平面視で電極 2 3 eとは重なっていない。 図 1 5に示す変形例では、 固定電極部 1 6は、 X軸方向に延びた短冊状の 3本 の電極 1 6 g， 1 6 h , 1 6 iで構成されている。 可動電極部 2 3は、 X軸方向 に延びた短冊状の 2本の電極 2 3 g , 2 3 hで構成されている。 電極 1 6 gは、 Z軸方向から見た平面視で X 1一 X 2線に沿って延びるように配置されている。 電極 2 3 g， 2 3 hは、 Z軸方向から見た平面視で、 電極 1 6 gの + Y側及び一 Y側にそれぞれ電極 1 6 gから若干間隔をあけて並列し、 電極 1 6 gとは重なつ ていない。 電極 1 6 hは、 Z軸方向から見た平面視で、 電極 2 3 gの + Y側に電 極 2 3 gから若干間隔をあけて並列し、 電極 2 3 gとは重なっていない。 電極 1 6 iは、 Z軸方向から見た平面視で、 電極 2 3 hの一 Y側に電極 2 3 hから若干 間隔をあけて並列し、 電極 2 3 hとは重なっていない。 なお、 図 1 5では、 電極 1 6 g , 1 6 h , 1 6 iに対する配線パターンの図示を省略している。 図面には 示していないが、 電極 1 6 gに対する配線パターンは、 Z軸方向から見た平面視 で電極 2 3 g (又は 2 3 h ) と重なっている。 しかしながら、 その重なり面積は わずかであり、 図 1 0中の点 Cのようなピークが生ずるのに何ら支障はない。 図 1 6に示す変形例では、 固定電極部 1 6は、 円環状部分とその X軸方向の + X側及び一 X側から + X方向及び一 X方向にそれぞれ延びた短冊状部分とから なる電極 1 6 jで構成されている。 可動電極部 2 3は、 Z軸方向から見た平面視 で電極 1 6 jの + X側及び一 X側において電極 1 6 jから若干間隔をあけて電 極 1 6 jの形状に沿う並列した 2本の帯状の電極 2 3 j , 2 3 kで構成されてい る。電極 2 3 j , 2 3 kは、電極 1 6 jとは重なっていない。なお、図 1 6では、 電極 1 6 jに対する配線パターンの図示を省略しているが、 この配線パターンは Z軸方向から見た平面視で電極 2 3 j ' (又は 2 3 k ) と重なっている。 しかしな がら、 その重なり面積はわずかであり、 図 1 0中の点 Cのようなピークが生ずる のに何ら支障はない。
[第 2の実施の形態]
図 1 7は、 本発明の第 2の実施の形態による光学装置としての光スィッチ装置 である光スィッチアレー 1 0 1を備えた光学システム （本実施の形態では、 光ス イッチシステム） の一例を模式的に示す概略構成図である。 図 1 7において、 図 1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 1 7に示す光学システムが図 1に示す光学システムと異なる所は、 光スイツ チアレー 1に代えて光スィッチアレー 1 0 1が用いられている点と、 これに伴う 外部制御回路 6の動作の相違と、 光スィッチアレー 1 0 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が追加されている点のみである。 本実施の形態では、 磁石 5は、 図 1 7に示すように、 光スィッチアレー 1 0 1 の下側に配置され、 光スィッチアレー 1 0 1に対して磁力線 5 aで示す磁界を発 生している。 すなわち、 磁石 5は、 光スィッチアレー 1 0 1に対して、 X軸方向 に沿つてその +側へ向かう略均一な磁界を発生している。
図 1 8は、 図 1 7中の光スィッチアレー 1 0 1を模式的に示す概略平面図であ る。 光スィッチアレー 1 0 1は、 基板 1 1 1 (図 1 8では図示せず） と、 該基板 1 1 1上に 2次元状に配置された m X n個の可動板 1 1 2と、 各可動板 1 1 2に 搭載されたミラー 1 2とを備えている。 光スィッチアレー 1 0 1のうちのミラー 1 2以外の部分が、 マイクロアクチユエ一夕装置であるマイクロアクチユエ一夕 ァレ一を構成している。
次に、 図 1 7中の光スィッチァレ一 1 0 1の単位素子としての 1つの光スイツ チの構造について、 図 1 9乃至図 2 5を参照して説明する。
図 1 9は、 図 1 7中の光スィツチアレー 1 0 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 2 0は、 図 1 9中の M— M ' 線に沿 つた概略断面図である。ただし、図 2 0は可動板 1 1 2の断面のみを示している。 図 2 1は、 図 1 9中の可動板 1 1 2を上から見たときの A 1膜 1 2 2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 2 1において、 A 1膜 1 2 2の 部分にハッチングで示している。 また、 図 2 1には、 固定電極部 3 2 3及びこれ に対する配線パターン 3 2 4も、 併せて示している。 図 2 2及び図 2 4はそれぞ れ、 図 1 9及び図 2 1中の N— N ' 線に沿った断面を + Y側から一 Y方向に見た 概略断面図である。 ただし、 図 2 2及び図 2 4には、 一 Y方向に見たミラー 1 2 も併せて示している。 図 2 3及び図 2 5はそれぞれ、 図 2 1中の K一 K ' 線に沿 つた断面を示す概略断面図である。 図 2 2及び図 2 3はミラー 1 2が上方位置に 保持されて光路に進出した状態、 図 2 4及び図 2 5はミラー 1 2が下方位置に保 持されて光路から退出した状態を示している。 なお、 図 2 2乃至図 2 5では、 図 面表記の便宜上、 後述する凸部 1 2 4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。
光スィッチアレー 1 0 1の単位素子としての 1つの光スィッチは、 図 1 8及び 図 1 9に示すように、 シリコン基板等の基板 1 1 1上に設けられ基板 1 1 1と共 に 1つのマイクロアクチユエ一夕を構成する可動部としての 1つの可動板 1 1 2と、 可動板 1 1 2に搭載された被駆動体である光学素子としてのミラー 1 2と を有している。
可動板 1 1 2は、 図 1 9及び図 2 1に示すように、 X 1 0 1 - X 1 0 2線を通 り X Z平面と平行な平面に対して、 面対称な形状及び構造を有している。
可動板 1 1 2は、 薄膜で構成され、 図 1 9乃至図 2 5に示すように、 可動板 1 1 2の平面形状の全体に渡る下側の窒化ケィ素膜 （S i N膜） 1 2 1及び上側の S i N膜 1 2 3と、 これらの膜 1 2 1， 1 2 3の間において部分的に形成された 中間の A U奠 1 2 2とから構成されている。 すなわち、 可動板 1 1 2は、 下から 順に S i N膜 1 2 1 , 1 2 3を積層した 2層膜からなる部分と、 下から順に S i N膜 1 2 1、 A 1膜 1 2 2及び S i N膜 1 2 3を積層した 3層膜からなる部分と を、 併有している。 A I膜 1 2 2のパターン形状は図 2 1に示す通りであるが、 これについては後述する。 可動板 1 1 2は、 S i N膜 1 2 1， 1 2 3と八 1膜1 2 2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 2 2に示すように基板 1 1 1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 1 1 2は、図 1 9に示すように、ミラー 1 2を搭載するための搭載部（す なわち、 ミラー 1 2用の支持基体）としての長方形状のミラ一搭載板 1 1 2 aと、 ミラー搭載板 1 1 2 aの端部に接続された 2本の帯状の支持板 1 1 2 bとを含 む。 本実施の形態では、 これらの 2本の支持板 1 1 2 b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 1 1 2 bは、 ·それぞれの端部に脚部 1 1 2 c及び脚部 1 1 2 dを有している。 脚部 1 1 2 c及び 1 1 2 dはいずれも 基板 1 1 1に固定されており、 可動板 1 1 2は、 脚部 1 1 2 c及び 1 1 2 dを固 定端として、 図 2 2に示すように、 ミラ一搭載板 1 1 2 a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 1 1 2は、 脚部 1 1 2 c及 び 1 1 2 d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 1 1 1及びこれに積層された後述する絶緣膜 1 1 3 , 1 1 4及び固 定電極部 3 2 3等が、 固定部を構成している。 可動板 1 1 2には、 図 1 9に示すように、 可動板 1 1 2のミラー 1 2を搭載し ている部分を含む領域を取り囲むように、 凸部 1 2 4が設けられている。 凸部 1 2 4は、 図 2 0に示すように、 可動板 1 1 2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 1 2 4を設けることにより、 段差が生じ るため、 可動板 1 1 2のうち、 凸部 1 2 4で囲まれた領域及び凸部 1 2 4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 1 1 2は、 図 2 2のように内部応力による湾曲によりミラー 1 2を上方位置に持ち上げた状態であっても、 ミラ一 1 2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一 1 2の形状を一定に保つことができる。 このように、 可動板 1 1 2は、 凸部 1 2 4で囲まれた領域及び凸部 1 2 4が設 けられた領域は湾曲が抑制されるが、 支持板 1 1 2 bの脚部 1 1 2 dに近い領域 は、 凸部 1 2 4が設けられていない。 これにより、 凸部 1 2 4が設けられていな い支持板 1 1 2 bの領域の湾曲によって、 可動板 1 1 2は、 脚部 1 1 2 c , 1 1 2 dを固定端として、 図 2 2のように、 ミラー搭載板 1 1 2 a側が持ち上がるよ うになつている。 また、 支持板 1 1 2 bの脚部 1 1 2 dに近い領域は、 凸部 1 2 4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 1 1 2の A 1膜 1 2 2の形状について、 図 2 1を参照して説明 する。 本実施の形態では、 駆動力としてローレンツ力と静電力の両方を用いて可 動板 1 1 2を駆動するために、 図 2 1に示すような形状に、 A 1膜 1 2 2をバタ —ニングしている。 A 1膜 1 2 2のうちパターン 1 2 2 aは、 2つの脚部 1 1 2 dのそれぞれから、 可動板 1 1 2の外周の縁に沿って延びて可動板 1 1 2の先端 側 （+ X側） まで延び、 可動板 1 1 2の先端の一辺 1 1 2 eに沿って Y軸方向に 延びた直線状のパターン 1 2 2 cに接続されている。 パターン 1 2 2 cは、 磁界 内に配置されて通電により駆動力としての口一レンツ力を生じる電流経路 （口一 レンツ力用電流経路） である。 以下、 パターン 1 2 2 cをローレンツ力電流経路 1 2 2 cと呼ぶ場合がある。 パターン 1 2 2 c fc A 1膜 1 2 2のうちのパターン である。 パターン 1 2 2 aは、 ローレンツ力電流経路 1 2 2 cに電流を供給する ための配線パターンである。 パターン 1 2 2 aは、 図 2 2及び図 2 4に示すよう に、 + Y側の脚部 1 1 2 dにおいて絶縁膜 1 1 4及び S i N.膜 1 2 1のコンタク トホールを介して A 1膜等からなるローレンツ力用配線パターン 1 4 2に接続 されるとともに、 一 Y側の脚部 1 1 2 dにおいて同様に別の口一レンツ力用配線 パターン 1 4 2と接続され、 脚部 1 1 2 dを介してローレンツ力用配線パターン から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 7に示す磁石 5に よって、 ローレンツ力用電流経路 1 2 2 c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 1 2 2 aを介して口一レンツ力電流経路 1 2 2 cに電流を 供給すると、 ローレンツ力用電流経路 1 2 2 cに、 その電流の向きに応じて、 + Z方向又は一 Z方向のローレンツ力が生ずる。
なお、 図 2 2乃至図 2 4に示すように、 基板 1 1 1上には、 基板 1 1 1側から 順にシリコン酸化膜等の絶縁膜 1 1 3 , 1 1 4が積層され、 口一レンツ力用配線 パターン 1 4 2は、 絶縁膜 1 1 3 , 1 1 4間に形成されている。
また、 A 1膜 1 2 2のうちパターン 1 2 2 bは、 2つの脚部 1 1 2 cのそれぞ れから、 可動板 1 1 2の 2本の帯状の支持板 1 1 2 bの内側の縁に沿って可動板 1 1 2のミラー搭載板 1 1 2 aの根元側 （一 X側） 付近まで延び、 ミラ一搭載板 P T/JP2006/313524
29
1 12 aの根元付近に配置された可動電極部 322に接続されており、 可動電極 部 322に対する配線パターンとなっている。 可動電極部 322は、 後述する固 定電極部 323との間の電圧により固定電極部 323との間に静電力を生じ得 るものである。
可動電極部 322は、 図 21、 図 23及び図 25に示すように、 Z軸方向から 見た平面視で X軸方向に延びた短冊状の 4本の電極 12,2 f， 122 g, 122 h, 122 iで構成されている。 電極 122 f， 122 g, 122 h, 122 i の + X側端部は、 配線パターン 122 jによって互いに接続されている。 2本の 配線パターン 122 bは、 電極 122 f の— X側の端部及び電極 122 iの一 X 側の端部にそれぞれ接続されている。 電極 122 f， 122 g , 122 h, 12 2 i及び配線パターン 122 jも、 A 1膜 122のうちパターンである。
可動電極部 322は、 これを構成する電極 122 f , 122 g, 122 h, 1
22 iが図 21に示すように配置されることによって、 X 101—X 102線を 通り X Z平面と平行な平面に対して、 面対称な形状を有している。
パターン 122 bは、 脚部 112 cにおいて、 絶縁奠 114及び S i N膜 12 1のコンタクトホールを介して可動電極用配線パターン（図示せず）に接続され、 固定電極部 323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。
固定電極部 323は、 図 21、 図 23及び図 25に示すように、 X軸方向に延 びた短冊状の 3本の電極 323 a, 323 b, 323 cで構成され、 固定電極部
323に対する配線パターン 324と共に、 基板 11 1上の絶縁膜 113, 11 4間に形成されている。 固定電極部 323及び配線パターン 324は、 連続して 一体に形成された A 1膜で構成されている。 固定電極部 323は、 これを構成す る電極 323 a, 323 b, 323 cが図 21に示すように配置されることによ つて、 XI 01— XI 02線を通り XZ平面と平行な平面に対して、 面対称な形 状を有している。 本実施の形態では、 電極 3 2 3 bは、 Z軸方向から見た平面視で X 1 0 1— X 1 0 2線に沿って延びるように配置されている。 電極 1 2 2 g， 1 2 2 hは、 Z 軸方向から見た平面視で、 電極 3 2 3 bの + Y側及び一 Y側にそれぞれ電極 3 2 3 bから若干間隔をあけて並列し、 電極 3 2 3 bとは重なっていない。 電極 3 2 3 aは、 Z軸方向から見た平面視で、 電極 1 2 2 hの一 Y側に電極 1 2 2 hから 若干間隔をあけて並列し、 電極 1 2 2 hとは重なっていない。 電極 3 2 3 cは、 Z軸方向から見た平面視で、 電極 1 2 2 gの + Y側に電極 1 2 2 gから若干間隔 をあけて並列し、 電極 1 2 2 gとは重なっていない。 電極 1 2 2 f は、 Z軸方向 から見た平面視で、 電極 3 2 3 cの + Y側に電極 3 2 3 cから若干間隔をあけて 並列し、 電極 3 2 3 cとは重なっていない。 電極 1 2 2 iは、 Z軸方向から見た 平面視で、 電極 3 2 3 aの一 Y側に電極 3 2 3 aから若干間隔をあけて並列し、 電極 3 2 3 aとは重なっていない。
本実施の形態では、 固定電極部 3 2 3及び可動電極部 3 2 2を構成する各電極 が前述したように配置されることによって、 電極部 3 2 3， 3 2 2間の電圧が一 定である場合において生ずる電極部 3 2 3 , 3 2 2間の静電力に従って可動板 1 1 2を下方 （一 Z方向） へ付勢する第 1の力が、 可動板 1 1 2が基板 1 1 1の絶 縁膜 1 1 4に当接する下限位置 （第 1の位置） と図 2 2及び図 2 3に示す上方位 置 （第 2の位置） との間の第 3の位置に位置するときにピークとなるようになつ ている。
本実施の形態では、 後に詳述するが、 固定電極部 3 2 3と可動電極部 3 2 2と の間の電圧及び口一レンツ力用電流経路 1 2 2 cに流す電流を制御することで、 ミラー 1 2が上方位置 （基板 1 1 1と反対側） に保持された状態 （図 2 2及び図 2 3 ) 及びミラー 1 2が下方位置 （基板 1 1 1側） に保持された状態 （図 2 4及 び図 2 5 ) にすることができる。 本実施の形態では、 図 1 7中の外部制御回路 6 によってこのような制御が行われるようになつている。 図 2 2及び図 2 4におい て、 Tは、 ミラ一 1 2の進出位置に対する入射光の光路の断面を示している。 2006/313524
31
前述した光スィッチの構造のうちミラー 1 2以外の構成要素によって、 ミラ一 1 2を駆動するマイクロアクチユエ一夕が構成されている。
本実施の形態による光スィッチアレー 1 0 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、 ミラ一 1 2については、 例えば、 前記第 1の実施の 形態の場合と同様の方法で製造することができる。
本実施の形態によれば、 固定電極部 3 2 3及び可動電極部 3 2 2が前述したよ うに構成されているので、 電極部 3 2 3， 3 2 2間に一定の電圧を印加した場合 において、 可動板 1 1 2の位置と電極部 3 2 3 , 3 2 2間に発生する静電力によ り可動板 1 1 2に有効に働く力との関係は、 前述した図 1 0に示す関係と同様と なる。
本実施の形態によれば、 図 2 2及び図 2 3に示すように、 前記静電力及び前記 ローレンツ力が印加されていない状態では、 支持板 1 1 2 bの脚部 1 1 2 dに近 い領域 （凸部 1 2 4が設けられていない領域） が構成する板ばね部の応力 （パネ 力） によって + Z方向に湾曲した状態に復帰し、 ミラー 1 2が上方位置に保持さ れる。 これにより、 ミラ一 1 2が光路 Tに進出して、 当該光路 Tに入射した光を 反射させる。
この状態から、 光路 Tに入射した光をミラー 1 2で反射させずにそのまま通過 させる状態に切り替える場合には、例えば、まず、前記口一レンツ力を印加して、 支持板 1 1 2 bの前記板ばね部のパネ力に抗して可動板 1 1 2を下方へ移動さ せ、 前記ローレンツ力によって可動板 1 1 2を図 1 0中の点 Aから点 Dまでの範 囲に相当する任意の位置まで移動させる。 この状態で、 前記口一レンツ力の印加 を停止させ、 固定電極部 3 2 3及び可動電極部 3 2 2との間に図 1 0に示す状態 に相当する電圧を印加する。 その結果、 前記第 1の実施の形態と同様に、 可動電 極部 3 2 2が図 1 0中の点 Bに相当する位置 （可動板 1 1 2が基板 1 1 1上の絶 13524
32 縁膜 1 1 4に当接する手前の位置） で安定して保持される。 図 2 4及び図 2 5は この状態を示している。
ミラ一 1 2が下方位置に保持されている状態では、 図 2 4及び図 2 5に示すよ うに、 ミラ一 1 2が光路 Tから退出するので、 入射光はミラー 1 2で反射される ことなく、 そのまま通過して出射光となる。
図 2 4及び図 2 5に示すように可動板 1 1 2が下方位置に保持されている状 態から、 図 2 2及び図 2 3に示す状態に切り替える場合には、 例えば、 電極部 3 2 3 , 3 2 2間の電圧をゼロにして静電力の発生を停止させればよい。その結果、 支持板 1 1 2 bの前記板ばね部による上向きのバネ力によって、 可動板 1 1 2が 図 2 2及び図 2 3に示す上方位置に復帰する。
本実施の形態によれば、 前述したように、 電極部 3 2 3 , 3 2 2間に電圧を与 えて静電力を発生させたときに、 図 2 4及び図 2 5に示すように、 可動板 1 1 2 が固定部に当接する手前の位置で安定して保持されるので、 従来生じていたプル イン状態が防止される。 可動板 1 1 2が固定部に当接しないので、 可動板 1 1 2 が固定部に貼り付いて動作不能となったり動作遅延を招いたりするおそれがな ぐなる。
なお、 図 2 2及び図 2 3に示す状態から図 2 4及び図 2 5に示す状態に切り替 えるときに、 一旦印加したローレンツ力を停止させて電極部 3 2 3 , 3 2 2に電 圧を印加するタイミングは、 口一レンツ力によって可動板 1 1 2が固定部に当接 する前でも一旦当接した後でもよい。 ローレンツ力によって可動板 1 1 2が固定 部に当接しても、 そのローレンツ力は、 前述した比較例の図 8に示す状態におけ る静電力に比べるとはるかに小さくすることができるので、 可動板 1 1 2が固定 部に貼り付いて動作不能となったりする可能性はほとんどなくなる。
本実施の形態で用いられているァクチユエ一夕も、 前記第 1の実施の形態で用 いられているァクチユエ一夕と同様に、 可動板 1 1 2の安定保持位置を印加電圧 の大きさによって所望の位置に変えるような、 可動板 1 1 2のアナログ的な位置 制御が可能である。
以上、 本発明の各実施の形態及び変形例について説明したが、 本発明はこれら の実施の形態や変形例に限定されるものではない。
例えば、 前記第 2の実施の形態において、 固定電極部 3 2 3及び可動電極部 3 2 2のパターンとして、 前記第 1の実施の形態及び図 1 3乃至図 1 6に示す各変 形例のうちのいずれの、 固定電極部 1 6及び可動電極部 2 3のパターンと同様の、 パターンを採用してもよい。
また、 本発明では、 前記第 2の実施の形態において、 静電力以外に用いる力と して、 ローレンツ力に代えて、 他の力 （熱膨張による薄膜の応力変化を利用した 力、圧電効果を利用した力など）を用いることができるように、構成してもよい。 さらに、 前記第 1及び第 2の実施の形態においては、 可動板を上方位置へ復帰 させるための力としてバネ力が用いられていたが、 本発明では、 パネ力の代わり に他の力 （例えば、 磁気力など） を用いることができるように構成してもよい。 さらにまた、 本発明によるマイクロアクチユエ一夕は、 光スィッチ以外の他の 光学装置やその他の種々の用途に用いることができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 固定部と、 前記固定部に対して、 前記固定部の所定箇所に当接する第 1位 置と前記所定箇所から前記第 1の位置より遠ざかった第 2の位置との間を移動 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の電極部を有し、
前記電圧が一定である場合において生ずる前記静電力に従って前記可動部を 前記第 1の位置へ向かう方向へ付勢する第 1の力が、 前記可動部が前記第 1の位 置と前記第 2の位置との間の第 3の位置に位置するときにピークとなるように、 前記第 1及び第 2の電極部が配置されたことを特徴とするマイクロァクヂユエ
―夕。
2 . 前記第 1及び第 2の電極部は、 前記可動部の前記第 1及び第 2の位置間の 移動方向から見たときに前記第 1及び第 2の電極部が互いに実質的に重ならな いように、 配置されたことを特徴とする請求項 1記載のマイクロアクチユエ一夕。
3 . 固定部と、 前記固定部に対して、 前記固定部の所定箇所に当接する第 1の 位置と前記所定箇所から前記第 1の位置より遠ざかった第 2の位置との間を移 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の電極部との間の電圧により前記第 1の電極部との間 に諍電力を生じ得る第 2の電極部を有し、
前記第 1及び第 2の電極部は、 前記可動部の前記第 1及び第 2の位置間の移動 方向から見たときに前記第 1及び第 2の電極部が互いに実質的に重ならないよ うに、 配置されたことを特徴とするマイクロアクチユエ一夕。
4. 前記第 1及び第 2の電極部はそれぞれ、 前記可動部の前記第 1及び第 2の 位置間の移動方向を含む少なくとも 1つの同じ平面に対して略面対称な形状を 有することを特徴とする請求項 1乃至 3のいずれか一項に記載のマイクロァク チユエ一夕。
5 . 前記可動部を前記第 1の位置から前記第 2の位置へ向かう方向へ付勢する 第 2の力が生じ得るように構成されたことを特徴とする請求項 1乃至 3のいず れか一項に記載のマイクロアクチユエ一タ。
6 . 前記可動部は、 前記第 2の力として前記第 2の位置に復帰しょうとするバ ネカを生ずるように設けられたことを特徴とする請求項 5記載のマイクロァク チユエ一夕。
7 . 前記第 1及び第 2の力とは別の第 3の力を、 前記可動部に生じさせる発生 手段を備えたことを特徴とする請求項 5記載のマイクロアクチユエ一夕。
8 . 前記第 1及び第 2の力とは別の第 3の力を、 前記可動部に生じさせる発生 手段を備えたことを特徴とする請求項 6記載のマイクロアクチユエ一夕。
9 . 前記発生手段は、 前記可動部に設けられ磁界内に配置されて通電により口 一レンツ力を生ずる電流路を含むことを特徴とする請求項 8記載のマイクロア クチユエ一夕。
1 0 . 前記発生手段は、 前記可動部に設けられ磁界内に配置されて通電により ローレンツ力を生ずる電流路を含むことを特徴とする請求項 9記載のマイク口 ァクチユエ一夕。
1 1 . 請求項 1乃至 3のいずれか一項に記載のマイクロアクチユエ一夕と、 前 記可動部に搭載された被駆動体とを備え、 前記被駆動体が光学素子であることを 特徴とする光学装置。
1 2 . 請求項 1乃至 3のいずれか一項に記載のマイクロアクチユエ一夕と、 前 記可動部に搭載された被駆動体とを備え、 前記被駆動体がミラーであることを特 徴とする光スィツチ。
PCT/JP2006/313524 2005-07-06 2006-06-30 マイクロアクチュエータ、光学装置及び光スイッチ WO2007004710A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/994,835 US7911299B2 (en) 2005-07-06 2006-06-30 Microactuator, optical apparatus, and optical switch

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005197092A JP5066795B2 (ja) 2005-07-06 2005-07-06 マイクロアクチュエータ、光学装置及び光スイッチ
JP2005-197092 2005-07-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007004710A1 true WO2007004710A1 (ja) 2007-01-11

Family

ID=37604567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2006/313524 WO2007004710A1 (ja) 2005-07-06 2006-06-30 マイクロアクチュエータ、光学装置及び光スイッチ

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7911299B2 (ja)
JP (1) JP5066795B2 (ja)
WO (1) WO2007004710A1 (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8023172B2 (en) * 2006-08-30 2011-09-20 Silicon Quest Kabushiki-Kaisha Mirror device
JP5081038B2 (ja) * 2008-03-31 2012-11-21 パナソニック株式会社 Ｍｅｍｓスイッチおよびその製造方法
JP5444746B2 (ja) 2009-02-13 2014-03-19 富士通株式会社 マイクロ可動素子および光干渉計
US9096419B2 (en) * 2012-10-01 2015-08-04 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Electromechanical systems device with protrusions to provide additional stable states
WO2016023104A1 (en) 2014-08-15 2016-02-18 Tenova Goodfellow Inc. System and method for analyzing dusty industrial off-gas chemistry
JP6669509B2 (ja) * 2016-01-28 2020-03-18 パイオニア株式会社 駆動装置及び光フィルタ
JP2020101820A (ja) * 2020-02-27 2020-07-02 パイオニア株式会社 駆動装置及び光フィルタ

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1152278A (ja) * 1997-07-31 1999-02-26 Nec Corp 光スキャナとその駆動方法
JP2004130466A (ja) * 2002-10-11 2004-04-30 Ntt Electornics Corp マイクロアクチュエータ装置及びこれを用いた光スイッチシステム

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3500497B2 (ja) 1999-07-27 2004-02-23 日本航空電子工業株式会社 光スイッチ
US6198656B1 (en) * 1999-12-23 2001-03-06 Intel Corporation Asymmetric memory cell for single-ended sensing
US7079299B1 (en) * 2000-05-31 2006-07-18 The Regents Of The University Of California Staggered torsional electrostatic combdrive and method of forming same
JP2002082292A (ja) * 2000-09-06 2002-03-22 Japan Aviation Electronics Industry Ltd 光スイッチ
KR100349941B1 (ko) * 2000-09-29 2002-08-24 삼성전자 주식회사 광 스위칭을 위한 마이크로 액추에이터 및 그 제조방법
EP1473582B1 (en) 2002-01-09 2010-04-21 Nikon Corporation Optical element, thin-film structural body, optical switch, and optical element manufacturing method
JP2003266391A (ja) * 2002-03-19 2003-09-24 Japan Aviation Electronics Industry Ltd 静電駆動デバイス
JP4025990B2 (ja) * 2002-09-26 2007-12-26 セイコーエプソン株式会社 ミラーデバイス、光スイッチ、電子機器およびミラーデバイス駆動方法
JP4406549B2 (ja) * 2003-09-22 2010-01-27 富士フイルム株式会社 光変調素子及び光変調アレイ素子並びにそれを用いた露光装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1152278A (ja) * 1997-07-31 1999-02-26 Nec Corp 光スキャナとその駆動方法
JP2004130466A (ja) * 2002-10-11 2004-04-30 Ntt Electornics Corp マイクロアクチュエータ装置及びこれを用いた光スイッチシステム

Also Published As

Publication number Publication date
US20090122380A1 (en) 2009-05-14
JP5066795B2 (ja) 2012-11-07
US7911299B2 (en) 2011-03-22
JP2007017565A (ja) 2007-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2007004710A1 (ja) マイクロアクチュエータ、光学装置及び光スイッチ
US7242129B2 (en) Piezoelectric and electrostatic microelectromechanical system actuator
US8724200B1 (en) MEMS hierarchically-dimensioned optical mirrors and methods for manufacture thereof
US8274722B2 (en) Counter-balanced MEMS mirror with hidden hinge
WO2003062899A1 (fr) Commutateur optique et son procede de production, dispositif de transmission d&#39;informations faisant appel a ce dernier
JP3942619B2 (ja) 光偏向素子
US8472098B2 (en) Manufacturing method for stress compensated X-Y gimbaled MEMS mirror array
JP2004126503A (ja) マイクロアクチュエータ及びこれを用いた光スイッチ
Wu et al. Development of tracking and focusing micro actuators for dual-stage optical pick-up head
WO2002059942A2 (en) Actuator and micromirror for fast beam steering and method of fabricating the same
JP3715611B2 (ja) マイクロアクチュエータ装置及びこれを用いた光スイッチシステム
Iseki et al. Shrinking design of a MEMS optical scanner having four torsion beams and arms
JPH11119123A (ja) 光スイッチ及びその製造方法
JP2007075905A (ja) 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、光スイッチ、及び光スイッチアレー
JP2006187060A (ja) マイクロアクチュエータ及びその製造方法、並びに、光学装置及び光スイッチ
US20020094152A1 (en) Optical switch with low-inertia micromirror
JP3670635B2 (ja) マイクロアクチュエータ装置及びこれを用いた光スイッチシステム
JP4835145B2 (ja) 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
Zhang et al. Alscn-Based Quasi-Static Multi-Degree-Of-Freedom Piezoelectric Mems Micromirror with Large Mirror Plate and High Fill Factor
JP2001235702A (ja) アクチュエータ
JP2006030585A (ja) 薄膜部材、マイクロアクチュエータ、光学装置及び光スイッチ
JP4715407B2 (ja) マイクロアクチュエータ装置及び光スイッチシステム
JP2004058195A (ja) マイクロアクチュエータ、並びに、これを用いた光変調素子及び光変調素子アレー
JP3960186B2 (ja) 光学装置
JP2003334798A (ja) 液中作動マイクロアクチュエータ及び光スイッチ

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 11994835

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06780849

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1