(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極基板と、固定電極基板と平行に配置されてこの固定電極基板に対して垂直方向に変位せしめられる可動電極板と、可動電極板表面に位置決め固定されるマイクロミラーとを有し、固定電極基板と可動電極板の間に電圧を印加してマイクロミラーを変位させることにより入射光ビームの光路を変更する光スイッチにおいて、
可動電極板はマイクロミラーを搭載したミラー可動電極板とミラー可動電極板に結合ビームを介して電気機械的に結合した複数枚の補助可動電極板より成るものであることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載される光スイッチにおいて、
個々の補助可動電極板は細長片に形成すると共に環状に配列してミラー可動電極板に電気機械的に結合するものであることを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項１および請求項２の内の何れかに記載される光スイッチにおいて、
補助可動電極板をミラー可動電極板と比較して固定電極基板により近接配置したことを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の内の何れかに記載される光スイッチにおいて、
固定電極基板はその表面に環状段差が形成されるものであることを特徴とする光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光スイッチに関し、特に、マイクロミラーを搭載したミラー可動電極板とミラー可動電極板に結合ビームを介して電気機械的に結合した複数枚の補助可動電極板より成る可動電極板を具備する光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例を図１６を参照して説明する。図１６（ａ）は光スイッチを上から視た図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）における線ｂ−ｂ’に沿った断面を矢印の向きに視た図である。
光スイッチは、シリコン基板１を原材料基板とし、これに薄膜成膜技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を含むマイクロマシン技術を適用して形成する。可動電極板２はアンカー部１１に対して結合部２１１、フレクチュア部２１、結合部２１２を介して一体的に結合している。２１３は貫通孔であり、これによりフレクチュア部２１は図示される通りの枠形に構成されている。座ぐり孔１２はシリコン基板１を貫通して形成されている。そして、可動電極板２の上面にミラー３を形成する。シリコン基板１の座ぐり部１２の領域にこの基板１とは絶縁して固定電極基板８が取り付け固定されている。
【０００３】
この光スイッチを駆動するには、可動電極板２を含むシリコン基板１側と固定電極基板８側との間にスイッチング電源を接続して可動電極板２と固定電極基板８の間に電圧を印加する。この電圧印加により発生する静電力により可動電極板２を固定電極基板８側に静電駆動し、電圧開放により静電駆動を復帰することができる。
ここで、この光スイッチによる空間的な光路スイッチングを説明する。４は出射側光ファイバ或いは光導波路であり、５は入射側光ファイバ或いは光導波路である。図示される状態は、出射側光ファイバ４を介して伝送されてきた光がその端面から出射して空間を伝播し、ミラー３において反射し、入射側光ファイバ５に入射して伝送される状態を示す。この状態を定常状態とし、シリコン基板１側と固定電極基板８側との間に電圧を印加して両者間に吸引する向きの静電力が発生したものとすると、可動電極板２は下向きに駆動され、フレクチュア部２１が変形することにより下方に変位する。可動電極板２が下方に変位することにより上面に形成されるミラー３も可動電極板２と共に下方に変位し、ミラー３は出射側光ファイバ４端面から出射する光の光路から下方に変位して外れる。出射側光ファイバ４端面から出射する光の光路からミラー３が外れたことにより、これにより遮断されていた空間伝播光は、今度は、直進して直接光ＬＳ  として入射側光ファイバ５’に入射し、これを介して伝送される。入射側光ファイバ５に対する反射光ＬＲ  は消失する。以上の通りにして、入射側光ファイバ５と入射側光ファイバ５’に対して光路の切り替えを空間的に実施することができる。
【０００４】
以下、光スイッチの製造工程を簡単に説明しておく。
原材料基板としてシリコン基板を使用し、これに対して薄膜成膜技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を含むマイクロマシン技術を適用して光スイッチを製造する。
（工程１）  原材料基板であるシリコン基板１を準備し、この上面全面に１μｍ厚の２酸化シリコン被膜を形成する。
【０００５】
（工程２）  可動電極板２がシリコン基板１に固定されるところであるアンカー部１１が形成されるべき領域に対応する２酸化シリコン被膜のみをフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を適用して１０μｍ角に除去する。ここで、原材料シリコン基板１上面の内の左右両辺の中間に１箇所づつ２酸化シリコン被膜が除去された露出領域が形成された。
（工程３）  シリコン基板１上面の２酸化シリコン被膜の上面に露出領域を含めて３μｍ厚のポリシリコン膜を成膜する。ここで、ポリシリコン膜はシリコン基板１上面の露出領域に一体化された状態でシリコン基板１上面の２酸化シリコン被膜の上面に成膜される。
【０００６】
（工程４）  工程３において成膜したポリシリコン膜にフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を適用し、これを図１６において陰を施した領域の形状に形成し、アンカー部１１、結合部２１２、フレクチュア部２１、結合部２１２、可動電極板２を形成する。
（工程５）  シリコン基板１全体を２酸化シリコン被膜で被覆する。
（工程６）  工程４に続いて、シリコン基板１上面全面に２０μｍ厚のレジストを塗布し、可動電極板２の上面に３により示されるミラー形状にパターンニングする。このミラー形状のパターンニングは、入射される光Ｌの方向に関して傾斜してなされる。図１６においては４５゜傾斜してパターンニングされる。
【０００７】
（工程７）  メタルをスパッタし、２０μｍの高さのミラー３を形成する。
（工程８）  工程８において、シリコン基板１の下面について、その２酸化シリコン被膜にフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を適用し、１２により示される座ぐり部を形成するに必要な形状の２酸化シリコン被膜を除去する。
（工程９）  ＫＯＨ溶液に浸し、工程８において２酸化シリコン被膜を除去されて露出したシリコン基板１の領域をエッチングして可動電極板２が上下移動することができる座ぐり部１２を貫通形成する。
【０００８】
（工程１０）  工程２および工程８において残存した２酸化シリコン被膜を除去する。
以上の通りにして、光スイッチの製造は終了する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上の光スイッチにおいて、マイクロミラー３を搭載した可動電極板２は１枚の板より成る。ここで、可動電極板２を吸引駆動するに必要とされる駆動電圧を低くしたいという要請を満足するには、可動電極板２をシリコン基板１に電気機械的に結合するフレクチュア部２１を単純に柔軟に構成しさえすればこの要請に応えることができる。しかし、フレクチュア部２１を柔軟構造のものとすると、それだけ加速度の影響を大きく受けることになり、駆動電圧の有無に無関係に可動電極板２が振動、変位して光スイッチとしての動作が不安定になる。即ち、フレクチュア部２１を柔軟に構成することにより駆動電圧を低くする要請に応えるには自ずと限度がある。
【００１０】
この種の光スイッチにおいては、可動電極板２に対して、これを固定電極基板８に結合支持するフレクチュア部２１の弾性力と、両電極間に電圧を印加した時に両電極間に働く静電引力とが互いに逆向きに同時に作用する。この２つの力が釣り合って可動電極板２を定位させるに必要な電圧は、可動電極板２の位置、即ち、その変位により変化する。この電圧と変位の関係は図１３に示される如く変化してピークを有している。このピークを示す電圧がこの光スイッチにおける「スイッチング電圧」であり、これよりも大きな電圧を両電極間に印加すれば、可動電極板２は固定電極基板８側に変位して吸着保持される。ここで、可動電極板２を互いに弾性的に結合された複数の電極板で構成することにより、この「スイッチング電圧」を低減することができることを見いだした。
【００１１】
この発明は、マイクロミラーを搭載したミラー可動電極板とミラー可動電極板に結合ビームを介して電気機械的に結合する複数枚の補助可動電極板により可動電極板を構成して上述の問題を解消した光スイッチを提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１：固定電極基板８と、固定電極基板８と平行に配置されてこの固定電極基板８に対して垂直方向に変位せしめられる可動電極板２０と、可動電極板２０表面に位置決め固定されるマイクロミラー３とを有し、固定電極基板８と可動電極板２０との間に電圧を印加してマイクロミラーを変位させることにより入射光ビームの光路を変更する光スイッチにおいて、可動電極板２０はマイクロミラー３を搭載したミラー可動電極板２とミラー可動電極板２に結合ビーム２１、２１’を介して電気機械的に結合した複数枚の補助可動電極板２’より成るものである光スイッチを構成した。
【００１３】
そして、請求項２：請求項１に記載される光スイッチにおいて、個々の補助可動電極板２１’は細長片に形成すると共に環状に配列してミラー可動電極板２に電気機械的に結合するものである光スイッチを構成した。
また、請求項３：請求項１および請求項２の内の何れかに記載される光スイッチにおいて、補助可動電極板２’をミラー可動電極板２と比較して固定電極基板８により近接配置した光スイッチを構成した。
【００１４】
更に、請求項４：請求項１ないし請求項３の内の何れかに記載される光スイッチにおいて、固定電極基板８はその表面に環状段差が形成されるものである光スイッチを構成した。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図の実施例を参照して説明する。
図１を参照するに、図１（ａ）は光スイッチの実施例を上から視た図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）における線Ｄ−Ｄ’に沿った断面を示す図である。    可動電極板を、マイクロミラーを搭載した可動電極板と、そこからビームにより繋がれた複数枚の可動電極板とにより構成している。
【００１６】
図１の実施例の可動電極板および固定電極基板の製造工程を図２ないし図４をも参照して説明する。
（工程１）  原材料基板であるシリコン基板１を準備し、この表裏全面に２酸化シリコン被膜６を成膜形成する。次いで、固定部１１をパターニングする。
（工程２）  固定部１１をパターニングしたシリコン基板１の表全面にポリシリコン薄膜７を成膜形成する。
【００１７】
（工程３）  固定部１１、結合ビーム２１および２１’、ミラー可動電極板２および複数枚の補助可動電極板２’より成る可動電極板２０の形状をポリシリコン薄膜７にパターニングする。
（工程４）  可動電極板２０の形状をパターニングしたポリシリコン薄膜７の表裏両面に２酸化シリコン被膜６’を成膜形成する。
（工程５）  工程４において成膜形成した２酸化シリコン被膜６’の表面に厚膜レジスト９を塗布する。
【００１８】
（工程６）  厚膜レジスト９にエッチング処理を施してマイクロミラー３の形状３０のみを残存形成する。
（工程７）  マイクロミラー３の形状３０が形成されたシリコン基板１の上面の全面およびマイクロミラー３の形状３０の表面にＣｒ／Ａｕメタル３１をスパッタする。
（工程８）  Ｃｒ／Ａｕメタル３１をエッチングしてマイクロミラー３にパターニングする。次いで、裏面に座ぐり孔１２のパターニングを行う。
【００１９】
（工程９）  シリコン基板１をエッチングする。
（工程１０）  ２酸化シリコン被膜６および６’を除去する。
ここで、図４を参照して図１の実施例の固定電極基板の製造工程を説明する。
（工程１’）  シリコン基板１’の表裏両面に２酸化シリコン被膜６０を成膜形成する。
（工程２’）  シリコン基板１’の表面の２酸化シリコン被膜６０をパターニングする。
【００２０】
（工程３’）  シリコン基板１’をエッチングする。
（工程４’）  残存する２酸化シリコン被膜６０を除去し、中央隆起部８１および鍔部８２より成る固定電極基板８を構成する。
（工程１１）  可動電極板２０が形成されるシリコン基板１の座ぐり孔１２に固定電極基板８を絶縁して接合することにより光スイッチの製造は終了する。
以上の光スイッチの実施例において、可動電極板２０と固定電極基板８の間に電圧が印加されると、先ず、可動電極板２０の内のマイクロミラー３が搭載されていない補助可動電極板２’が静電力により固定電極基板８に吸引される。補助可動電極板２’が固定電極基板８に吸引されることにより、内側に位置するミラー可動電極板２は下向きに引きずられながら静電力により固定電極基板８に吸引されるに到る。その結果、光スイッチのスイッチング電圧を低減する効果を生ずる。以下の数値例は電子計算機によるシミュレーション結果を示す。
【００２１】
固定電極基板８および可動電極板２０の外形寸法が１ｍｍの正方形状、ミラー可動電極板２と補助可動電極板２’の面積比が１：４、可動電極板２０の厚みが１０μｍ、電圧非印加時の両電極間のギャップが１００μｍ、固定電極基板８とミラー可動電極板２とを結合する結合ビーム２１およびミラー可動電極板２と補助可動電極板２’とを結合する結合ビーム２１’の弾性定数を、同一の１０−２Ｎ／ｍとした場合、同面積の可動電極板を有する光スイッチの従来例はスイッチング電圧約１８Ｖを示すが、この実施例はスイッチング電圧を約１４Ｖに低減することができた。図１４はミラー可動電極板２の面積と補助可動電極板２’の合計面積の比を１：４とした場合の印加電圧と可動電極板の変位の関係を示す図である。図１５は、ミラー可動電極板２の面積と補助可動電極板２’の総合計面積の比を４：１とした場合の印加電圧と可動電極板の変位の関係を示す図である。図１４および図１５において、ｘ１  は固定電極基板とミラー可動電極板とを繋ぐバネの伸び量を示し、ｘ２  はミラー可動電極板と補助可動電極板とを繋ぐバネの伸び量を示す。図１４は実施例に対応する印加電圧と可動電極板の変位の関係を示す図であり、スイッチング電圧は約１４Ｖを示している。同面積の可動電極板のスイッチング電圧は約１８Ｖであったが、これと比較して大きく低減している。これに対して、図１５はミラー可動電極板２が可動電極板の大部分の面積を占めるこの発明の実施例の印加電圧と可動電極板の変位の関係を示す図であり、スイッチング電圧は約１８Ｖを示している。図１５の場合、この発明の効果を殆ど奏していない。
【００２２】
ところで、ミラー可動電極板２および複数枚の補助可動電極板２’より成る可動電極板２０、および可動電極板相互間を結合する結合ビーム２１および２１’の弾性は、これを余り大きく設定すると可動電極板が１枚である従来の光スイッチの構成に近づいて、この発明による効果が小さくなる。一方、この弾性を極端に小さく設定すると、両電極板間に電圧を印加した時にマイクロミラーを搭載したミラー可動電極板２をとり残してそれ以外の補助可動電極板２’のみが固定電極基板８側に吸引吸着されることとなり、等価的にマイクロミラーを搭載したミラー可動電極板２のみが可動電極板として動作したことになり、面積を大幅に縮小したに等しい結果を招来する。実施例の場合についてみると、およそ１／５程度に縮小したことになる。ここで、一般に、可動電極板２０の面積の縮小はスイッチング電圧の増大をもたらすので、この実施例において可動電極板２０の結合ビーム２１および２１’の弾性を極端に小さく、即ち柔らかくし過ぎると逆効果を生ずることになる。
【００２３】
以上の通り、可動電極板２０の結合ビーム２１および２１’の弾性には上限および下限が存在するが、この発明の効果を奏するに、この弾性を一般的に解析的に規定するのは困難である。従って、この弾性は、実施に際して試作し、数値計算をして適宜に設計する。実際は、シリコン基板を原材料としてミラー可動電極板２と複数枚の補助可動電極板２’より成る可動電極板２０、および可動電極板相互間を結合する結合ビーム２１および２１’を形成することにより、充分満足な効果の得られる光スイッチを製造することができる。
【００２４】
次に、図５ないし図８を参照して第２の実施例を説明する。
図５を参照するに、図５（ａ）は光スイッチの第２の実施例を上から視た図、図５（ｂ）は図５（ａ）における線Ｆ−Ｆ’に沿った断面を示す図である。
可動電極板２０を、マイクロミラー３を搭載したミラー可動電極板２およびミラー可動電極板２に結合ビーム２１および２１’を介して結合する電気機械的に結合する複数枚の補助可動電極板２’とにより構成している。この点は先の実施例と同様であるが、第２の実施例は先の実施例と比較して補助可動電極板２１’の数を多くしている。特に、個々の補助可動電極板２１’は細長片に形成して環状に配列してミラー可動電極板２に結合している。
【００２５】
図５の第２の実施例の可動電極板および固定電極基板の製造工程を図６ないし図８をも参照して説明するに、この製造工程は、固定部１１、結合ビーム２１および２１’、ミラー可動電極板２および複数枚の補助可動電極板２’より成る可動電極板２０の形状をポリシリコン薄膜７にパターニングする（工程３）を除いて、先の実施例の製造工程と同様であるので、詳細な説明は省略する。即ち、第２の実施例における（工程３）は、補助可動電極板２’の数をより多くするパターニングをしている。固定電極基板８の製造工程も先の実施例の製造工程と同様である。第２の実施例も、先の実施例と同様に、可動電極板２０と固定電極基板８の間に電圧が印加されると、先ず、可動電極板２０の内のマイクロミラー３が搭載されていない補助可動電極板２’が静電力により固定電極基板８に吸引される。補助可動電極板２’が固定電極基板８に吸引されることにより、内側に位置するミラー可動電極板２は下向きに引きずられながら静電力により固定電極基板８に吸引されるに到る。これにより、その結果、光スイッチのスイッチング電圧を低減する効果を生ずる。
【００２６】
ここで、図９ないし図１２を参照して第３の実施例を説明する。
図９を参照するに、図９（ａ）は光スイッチの第３の実施例を上から視た図、図９（ｂ）は図９（ａ）における線Ｈ−Ｈ’に沿った断面を示す図である。
この第３の実施例は、可動電極板２０として第２の実施例の可動電極板２０と同一のものを採用している。従って、図１０および図１１に示される第３の実施例の可動電極板の製造工程は、実際は、第２の実施例の可動電極板の製造工程と（工程１０）迄は共通している。ところで、第３の実施例は固定電極基板８として表面に環状段差を形成した固定電極基板が採用される。図１１において、（工程１０）が終了したところで、図１２を参照して表面に環状段差を形成した固定電極基板８の製造工程を説明する。
【００２７】
（工程１’）  シリコン基板１’の表裏両面に２酸化シリコン被膜６０を成膜形成して、最外周の最も高い１段目環状段差のパターニングをする。
（工程２’）  １段目環状段差をパターニングしたシリコン基板１’の表面をエッチングし、ここで１段目環状段差が形成される。
（工程３’）  表面の２酸化シリコンの被膜６０を除去する。シリコン基板１’の表面に新たに２酸化シリコン被膜６０を成膜形成して２番目に高い２段目環状段差をパターニングし、表面をエッチングして２段目の環状段差が形成される。
【００２８】
（工程４’）  表面の２酸化シリコン被膜６０を除去する。次いで、シリコン基板１’の表面に新たに２酸化シリコン被膜６０を成膜形成し、３番目に高い３段目環状段差のパターニングをし、表面をエッチングして３段目環状段差が形成される。
以上の工程を繰り返して、必要な環状段差を形成する。（工程４’）までにより３段の環状段差が形成された。
【００２９】
（工程５’）  表面の２酸化シリコン被膜６０を除去する。次いで、シリコン基板１’の表面に新たに２酸化シリコン被膜６０を成膜形成し、表面に環状段差が形成された中央隆起部８１および鍔部８２をパターニングする。
（工程６’）  シリコン基板１’の表面をエッチングし、中央隆起部８１および鍔部８２を形成する。
（工程７’）  シリコン基板１’の表裏面に残存する２酸化シリコン被膜６０を除去し、固定電極基板が構成される。
【００３０】
（工程１１）  可動電極板２０が形成されるシリコン基板１の座ぐり孔１２に表面に環状段差が形成された固定電極基板８を絶縁して接合することにより光スイッチの第３の実施例の製造は終了する。
第３の実施例において、可動電極板２０と固定電極基板８の間に電圧が印加されると、可動電極板２０の内の補助可動電極板２’の内でも最外側に位置する補助可動電極板２’がより強い静電力で固定電極基板８に吸引される。最外側に位置する補助可動電極板２’が強い静電力で固定電極基板８に吸引されることにより、これより内側の補助可動電極板２’およびミラー可動電極板２が順次に引きずられながら固定電極基板８に容易に吸引されるに到る。その結果、スイッチング電圧を低減する効果は先の実施例と比較して更に向上する。
【００３１】
この第３の実施例において、スイッチング動作するには、外側に位置する補助可動電極板が対向する固定電極基板に吸着された後に、更にミラー可動電極板のみが結合ビームの弾性に抗してより深く固定電極基板側に変位しなければならない。従って、この結合ビームの弾性係数が大き過ぎ、或いは硬過ぎると逆効果を生ずる。即ち、結合ビームの弾性係数には上限および下限が存在するが、数値計算および試作により適正な弾性係数の結合ビームを容易に設計製作することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明によれば、マイクロマシン技術を用いてシリコン基板に形成した可動電極板および可動電極板表面に直立したマイクロミラーを可動電極板と固定電極基板との間に電圧を印加することにより基板面垂直方向に静電駆動して水平方向から入射される光ビームの方向を変更する光スイッチにおいて、可動電極板をマイクロミラーを搭載したミラー可動電極板とこれに結合ビームを介して電気機械的に結合される複数枚の補助可動電極板により構成することにより、固定電極基板と可動電極板との間に電圧を印加した時に、マイクロミラーを搭載していない補助可動電極板がミラー可動電極基板より先に固定電極基板に吸引され、ミラー可動電極基板は補助可動電極板により下向きに引きずられながら固定電極基板に静電駆動されるに到る。これにより、加速度の影響を蒙らずに駆動電圧を低減することができた。
【００３３】
そして、個々の補助可動電極板を細長片に形成すると共に環状に配列してミラー可動電極板に電気機械的に結合する構成を採用することにより、可動電極板全体として静電引力の影響をより強く受けることとなり、駆動電圧をより低減することができる。
また、補助可動電極板をミラー可動電極板と比較して固定電極基板により近接配置すること、特に、固定電極基板の表面に環状段差を形成することにより、可動電極板の内の補助可動電極板の内でも最外側に位置する補助可動電極板がより強い静電力で固定電極基板に吸引される。最外側に位置する補助可動電極板が強い静電力で固定電極基板に吸引されることにより、これより内側の補助可動電極板およびミラー可動電極板が順次に引きずられながら固定電極基板に容易に吸引されるに到る。その結果、スイッチング電圧を低減する効果は先の実施例と比較して向上する。表面に環状段差を形成した固定電極基板に対して個々の補助可動電極板は細長片に形成すると共に環状に配列してミラー可動電極板に電気機械的に結合する可動電極板を組み合わせると、この発明による効果は更に増大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を説明する図。
【図２】製造工程を説明する図。
【図３】図２の続き。
【図４】図３の続き。
【図５】第２の実施例を説明する図。
【図６】製造工程を説明する図。
【図７】図６の続き。
【図８】図７の続き。
【図９】第３の実施例を説明する図。
【図１０】製造工程を説明する図。
【図１１】図１０の続き。
【図１２】図１１の続き。
【図１３】可動電極板を定位させる電圧と可動電極板の変位の関係を示す図。
【図１４】ミラー可動電極板の面積と補助可動電極板の合計面積の比を１：４とした場合の印加電圧と可動電極板の変位の関係を示す図。
【図１５】ミラー可動電極板の面積と補助可動電極板の合計面積の比を４：１とした場合の印加電圧と可動電極板の変位の関係を示す図。
【図１６】従来例を説明する図。
【符号の説明】
２  ミラー可動電極板
２’補助可動電極板
２０  可動電極板
２１、２１’結合ビーム
３  マイクロミラー
８  固定電極基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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