(57)【要約】【課題】ミラーの駆動電圧の低電圧化を実現する。【解決手段】ミラー制御装置１００は、回動可能に支持されたミラー２３０と、ミラー２３０から離間して配置された複数の電極３４０ａ〜３４０ｄと、ミラー２３０に非零のバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段４００と、複数の電極３４０ａ〜３４０ｄのうち少なくとも１つにバイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加する駆動電圧印加手段４０１とを備える。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回動可能に支持されたミラーと、
このミラーから離間して配置された複数の電極と、
前記ミラーに非零のバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、
前記複数の電極のうち少なくとも１つに前記バイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加する駆動電圧印加手段とを備えることを特徴とするミラー制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のミラー制御装置において、
前記駆動電圧印加手段は、前記ミラーの駆動に関わる対となる前記電極のうち、一方の電極に前記バイアス電圧と同極性の駆動電圧を印加し、他方の電極に前記バイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加することを特徴とするミラー制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のミラー制御装置において、
前記バイアス電圧及び駆動電圧は、直流電圧であることを特徴とするミラー制御装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載のミラー制御装置において、
前記バイアス電圧及び駆動電圧は、交流電圧であることを特徴とするミラー制御装置。
【請求項５】
請求項４記載のミラー制御装置において、
前記交流電圧の直流成分が零であることを特徴とするミラー制御装置。
【請求項６】
請求項４又は５記載のミラー制御装置において、
前記バイアス電圧及び駆動電圧は、矩形波電圧であることを特徴とするミラー制御装置。
【請求項７】
回動可能に支持されたミラーとこのミラーから離間して配置された複数の電極とを備えたミラー制御装置に対して、前記電極に駆動電圧を印加することより前記ミラーの動きを制御するミラー制御方法であって、
前記ミラーに非零のバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加ステップと、
このバイアス電圧の印加と同時に、前記ミラーの駆動に関わる対となる前記電極のうち、一方の電極に前記バイアス電圧と同極性の駆動電圧を印加し、他方の電極に前記バイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加する駆動電圧印加ステップとを備えることを特徴とするミラー制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信用の光スイッチ等に使用されるミラー制御装置およびミラー制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インターネット通信網などにおける基盤となる光ネットワークの分野では、多チャンネル化、波長分割多重（ＷＤＭ）化および低コスト化を実現する技術として、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術が脚光を浴びており、この技術を用いて光スイッチが開発されている（例えば、特許文献１参照）。このＭＥＭＳ型の光スイッチの構成部品として最も特徴的なものがミラーアレイであり、ミラーアレイは複数のミラー制御装置を２次元的にマトリクス状に配設したものである。図１は本発明の第１の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図、図２は図１のミラー制御装置の断面図であるが、従来のミラー制御装置においても機械的な構成は同様であるので、図１、図２を用いて従来のミラー制御装置を説明する。
【０００３】
ミラー制御装置１００は、ミラーが形成されたミラー基板（上部基板）２００と、電極が形成された電極基板（下部基板）３００とが平行に配設された構造を有する。
ミラー基板２００は、平面視略円形の開口を有する板状の枠部２１０と、平面視略円形の開口を有し、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂにより枠部２１０の開口内に配設された可動枠２２０と、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂにより可動枠２２０の開口内に配設された平面視略円形のミラー２３０とを有する。枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は、例えば単結晶シリコンで一体形成されている。ミラー２３０の表面には例えば３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が形成されている。また、枠部２１０の上面には、可動枠２２０およびミラー２３０を取り囲むような枠状部材２４０が形成されている。
【０００４】
一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂは、枠部２１０と可動枠２２０とを連結している。可動枠２２０は、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂを通る図１の可動枠回動軸ｘを軸として回動することができる。
同様に、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂは、可動枠２２０とミラー２３０とを連結している。ミラー２３０は、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂを通る図１のミラー回動軸ｙを軸として回動することができる。可動枠回動軸ｘとミラー回動軸ｙとは、互いに直交している。結果として、ミラー２３０は、直交する２軸で回動する。
【０００５】
電極基板３００は、板状の基部３１０と、基部３１０の表面（上面）から突出し、対向するミラー基板２００のミラー２３０と対向する位置に形成された段丘状の突出部３２０を有する。基部３１０と突出部３２０は例えば単結晶シリコンからなる。突出部３２０は、基部３１０の上面に形成された角錐台の形状を有する第２テラス３２２と、この第２テラス３２２の上面に形成された角錐台の形状を有する第１テラス３２１と、この第１テラス３２１の上面に形成された柱状の形状を有するピボット３３０とから構成される。このピボット３３０は、第１テラス３２１のほぼ中央に位置するように形成される。これにより、ピボット３３０は、ミラー２３０の中心に対向する位置に配設される。
【０００６】
突出部３２０の四隅とこの四隅に続く基部３１０の上面には、対向するミラー基板２００のミラー２３０と同心の円内に４つの電極３４０ａ〜３４０ｄが形成されている。また、基部３１０の上面には、突出部３２０を挟むように並設された一対の凸部３６０ａ，３６０ｂが形成されている。さらに、基部３１０の上面の突出部３２０と凸部３６０ａおよび凸部３６０ｂとの間の箇所には、それぞれ配線３７０が形成されており、この配線３７０には、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して電極３４０ａ〜３４０ｄが接続されている。
【０００７】
以上のようなミラー基板２００と電極基板３００とは、ミラー２３０とこのミラー２３０に対応する電極３４０ａ〜３４０ｄとが対向配置されるように、枠部２１０の下面と凸部３６０ａ，３６０ｂの上面とを接合することにより、図２に示すようなミラー制御装置１００を構成する。
このようなミラー制御装置１００においては、ミラー２３０を接地し、電極３４０ａ〜３４０ｄに正の電圧を与えて、しかも電極３４０ａ〜３４０ｄ間に非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー２３０を静電引力で吸引し、ミラー２３０を任意の方向へ回動させることができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−５７５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図１、図２に示したミラー制御装置１００では、駆動時にミラー２３０の傾斜角に応じた大きな駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する必要がある。ミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄ間の距離、ミラー２３０を支持するトーションバネの復元力、電極３４０ａ〜３４０ｄの面積などによって、駆動電圧と静電引力との関係あるいは駆動電圧とミラー２３０の傾斜角との関係が決定されるが、電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する駆動電圧としては例えば数十Ｖから数百Ｖ程度の高い電圧が必要である。したがって、高電圧を発生できる電源が必要になるという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ミラーの駆動電圧の低電圧化を実現することができるミラー制御装置およびミラー制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のミラー制御装置は、回動可能に支持されたミラーと、このミラーから離間して配置された複数の電極と、前記ミラーに非零のバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、前記複数の電極のうち少なくとも１つに前記バイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加する駆動電圧印加手段とを備えるものである。
また、本発明のミラー制御装置の１構成例において、前記駆動電圧印加手段は、前記ミラーの駆動に関わる対となる前記電極のうち、一方の電極に前記バイアス電圧と同極性の駆動電圧を印加し、他方の電極に前記バイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加するものである。
前記バイアス電圧及び駆動電圧は、直流電圧であり、また交流電圧でもよい。交流電圧の直流成分は零であることが好ましい。交流電圧の例としては矩形波電圧がある。
また、本発明は、回動可能に支持されたミラーとこのミラーから離間して配置された複数の電極とを備えたミラー制御装置に対して、前記電極に駆動電圧を印加することより前記ミラーの動きを制御するミラー制御方法であって、前記ミラーに非零のバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加ステップと、このバイアス電圧の印加と同時に、前記ミラーの駆動に関わる対となる前記電極のうち、一方の電極に前記バイアス電圧と同極性の駆動電圧を印加し、他方の電極に前記バイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加する駆動電圧印加ステップとを備えるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ミラーに非零のバイアス電圧を印加することにより、駆動電圧の低電圧化を実現することができるので、バイアス電圧印加手段と駆動電圧印加手段に従来よりも低電圧出力の電源を使用することができる。また、複数の電極のうち少なくとも１つにバイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加することにより、ミラーを駆動する力を高めることができる。
【００１３】
また、ミラーの駆動に関わる対となる電極のうち、一方の電極にバイアス電圧と同極性の駆動電圧を印加し、他方の電極にバイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加することにより、ミラーを駆動する力を高めることができる。
【００１４】
また、バイアス電圧及び駆動電圧として交流電圧を印加する際に、直流成分が零の交流電圧とすることで、ミラーに振動が生じることを低減できる。また、本発明では、バイアス電圧及び駆動電圧を直流成分が零の交流電圧とすることで、電極とミラーとの間に存在する例えば絶縁層等の浮遊容量に溜まる電荷を零に近づけることができるので、この浮遊容量に溜まる電荷を要因とするミラーのドリフトの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図、図２は図１のミラー制御装置の断面図である。前述のとおり、枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は導電性の材料（本実施の形態では単結晶シリコン）で一体形成されており、ミラー２３０はミラー基板２００に対して回動可能に支持されている。一方、単結晶シリコン等からなる基部３１０の表面には酸化シリコン等からなる絶縁層３１１が形成されており、この絶縁層３１１の上に電極３４０ａ〜３４０ｄ、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄ、配線３７０が形成されている。
【００１６】
本実施の形態と従来のミラー制御装置との大きな相違点は、従来のミラー制御装置ではミラー２３０を接地しているのに対して、本実施の形態ではミラー２３０に非零の電圧を印加する点である。このミラー２３０に印加する電圧は、ミラー２３０の傾斜角に依存しない電圧（バイアス電圧）である。以下、本実施の形態と従来のミラー制御装置との相違点についてより詳細に説明する。
【００１７】
図３は本実施の形態のミラー制御装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。本実施の形態では、バイアス電圧印加手段４００からミラー２３０に対してバイアス電圧を印加し、電極３４０ａ〜３４０ｄのうち少なくとも１つに対して駆動電圧印加手段４０１から駆動電圧を印加する。駆動電圧印加手段４０１は、予めミラー２３０の傾斜角と駆動電圧値との関係が設定されたテーブルを内部に備えており、ミラー２３０の所望の傾斜角に対応する駆動電圧値をテーブルから取得して、電極３４０ａ〜３４０ｄに駆動電圧を印加する。ミラー２３０には、枠部２１０とトーションバネ２１１ａ，２１１ｂと可動枠２２０とトーションバネ２２１ａ，２２１ｂとを介してバイアス電圧が印加される。また、電極３４０ａ〜３４０ｄには、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して駆動電圧が印加される。
【００１８】
例えばミラー２３０にバイアス電圧として−Ｖｍを印加し、電極３４０ｂに駆動電圧として−Ｖｘを印加し、電極３４０ｄに駆動電圧として＋Ｖｘを印加したとする。これにより、ミラー２３０は図４に示すように電極３４０ｄ側に引き寄せられるように回動する。このときの電圧印加は、従来のミラー制御装置においてミラー２３０に０Ｖ、電極３４０ｂに駆動電圧（Ｖｍ−Ｖｘ）、電極３４０ｄに駆動電圧（Ｖｍ＋Ｖｘ）を印加したのと同等である。したがって、電圧値に着目すると、従来のミラー制御装置では最大でＶｍ＋Ｖｘの電圧が必要なのに対して、本実施の形態ではＶｍあるいはＶｘのどちらかの電圧が最大電圧となるので、従来のミラー制御装置に比べて駆動電圧の低電圧化が可能になる。
【００１９】
以上のように、本実施の形態では、駆動電圧の低電圧化を実現することができるので、バイアス電圧印加手段４００と駆動電圧印加手段４０１に従来よりも低電圧出力の電源を使用することができる。
【００２０】
なお、本実施の形態のように、ミラー２３０に非零のバイアス電圧を印加する場合には、電極３４０ａ〜３４０ｄのうち少なくとも１つにバイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加することが望ましい。その理由は、電極３４０ａ〜３４０ｄのうち少なくとも１つにバイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加すれば、電極３４０ａ〜３４０ｄにバイアス電圧と同極性の駆動電圧を印加する場合に比べて電極３４０ａ〜３４０ｄ間の電位差を大きくすることができ、ミラー２３０を駆動する力を高めることができるからである。
【００２１】
また、同様の理由により、ミラー２３０の駆動に関わる対の電極（本実施の形態の例では電極３４０ｂと３４０ｄ）に駆動電圧を印加する場合には、対の電極のうち一方の電極にバイアス電圧と同極性の駆動電圧を印加して、他方の電極にバイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加すればよい。これにより、ミラー２３０は、バイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加した方の電極に引き寄せられるように回動するが、このときの駆動力を高めることができる。
【００２２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は本発明の第２の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図である。第１の実施の形態では、可動枠回動軸ｘ及びミラー回動軸ｙと電極３４０ａ〜３４０ｄの分割線とが４５度で交差するように配置されていた。これに対して、本実施の形態のミラー制御装置１００ａでは、トーションバネ２１１ｃ，２１１ｄを通る可動枠回動軸ｘ及びトーションバネ２２１ｃ，２２１ｄを通るミラー回動軸ｙと、電極３４０ａ〜３４０ｄの分割線とが平行になるように配置されている。
【００２３】
本実施の形態においても、ミラー制御装置の電気的な接続関係は図３に示したとおりであり、バイアス電圧印加手段４００はミラー２３０に対してバイアス電圧として−Ｖｍを印加する。ミラー２３０を可動枠回動軸ｘ周りに回動させるのに必要な駆動電圧をＶｘ、ミラー２３０をミラー回動軸ｙ周りに回動させるのに必要な駆動電圧をＶｙとすると（Ｖｘ，Ｖｙは任意の値）、駆動電圧印加手段４０１は、電極３４０ａに駆動電圧（Ｖｘ＋Ｖｙ）を印加し、電極３４０ｂに駆動電圧（Ｖｘ−Ｖｙ）を印加し、電極３４０ｃに駆動電圧（−Ｖｘ−Ｖｙ）を印加し、電極３４０ｄに駆動電圧（−Ｖｘ＋Ｖｙ）を印加する。これにより、ミラー２３０は、電極３４０ａ〜３４０ｄ間の電位差に応じた方向に回動する。
【００２４】
このときの電圧印加は、従来のミラー制御装置においてミラー２３０に０Ｖ、電極３４０ａに駆動電圧（Ｖｍ＋Ｖｘ＋Ｖｙ）、電極３４０ｂに駆動電圧（Ｖｍ＋Ｖｘ−Ｖｙ）、電極３４０ｃに駆動電圧（Ｖｍ−Ｖｘ−Ｖｙ）、電極３４０ｄに駆動電圧（Ｖｍ−Ｖｘ＋Ｖｙ）を印加したのと同等である。したがって、従来のミラー制御装置では最大でＶｍ＋Ｖｘ＋Ｖｙの電圧が必要なのに対して、本実施の形態ではＶｍあるいはＶｘ＋Ｖｙのどちらか大きい方の電圧が最大電圧となるので、従来のミラー制御装置に比べて駆動電圧の低電圧化が可能になる。こうして、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００２５】
［第３の実施の形態］
第１、第２の実施の形態では、バイアス電圧と駆動電圧を直流としているが、これらを周期電圧（交流電圧）としてもよい。例えば第１の実施の形態において、ミラー２３０に図６（Ａ）のような周期的なバイアス電圧を印加し、電極３４０ｂにバイアス電圧と同期した図６（Ｂ）のような周期的な駆動電圧を印加し、電極３４０ｄにバイアス電圧と同期した図６（Ｃ）のような周期的な駆動電圧を印加すれば、ミラー２３０は電極３４０ｂ側に引き寄せられるように回動する。
【００２６】
このとき、バイアス電圧及び駆動電圧は、直流成分が零の交流電圧とすることが好ましい。バイアス電圧及び駆動電圧の直流成分が零でない場合には、ミラー２３０がバイアス電圧及び駆動電圧の周波数に応じて振動する可能性がある。特に駆動電圧の周波数がミラー共振周波数より小さい場合には顕著である。しかし、駆動電圧の直流成分を零にすることにより、このようなミラー２３０の振動を低減することができる。矩形波電圧の場合では直流成分を零にすることにより、原理的にはミラー共振周波数に依らずどのような周波数でもミラー２３０の振動を抑えることができる。
【００２７】
また、第１の実施の形態と同様に、ミラー２３０の駆動に関わる対の電極に駆動電圧を印加する場合には、対の電極のうち一方の電極にバイアス電圧と同期した同極性の駆動電圧を印加して、他方の電極にバイアス電圧と同期した反対極性の駆動電圧を印加することで、第１の実施の形態と同様にミラー２３０を駆動する力を高めることができる。図６の例では、電極３４０ｂにバイアス電圧と反対極性の駆動電圧を印加し、電極３４０ｄにバイアス電圧と同極性の駆動電圧を印加している。
【００２８】
なお、ミラー２３０及び電極３４０ａ〜３４０ｄに与える交流電圧は、駆動力を大きくできるという点で矩形波が好ましいが、矩形波以外の例えば正弦波などでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、ミラー制御装置、および複数のミラー制御装置を２次元的に配置したミラーアレイに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図である。
【図２】図１のミラー制御装置の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態のミラー制御装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態においてミラーが回動する様子を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態においてミラーに印加するバイアス電圧及び電極に印加する駆動電圧の波形図である。
【符号の説明】
【００３１】
１００，１００ａ…ミラー制御装置、２００…ミラー基板、２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄ，２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄ…トーションバネ、２２０…可動枠、２３０…ミラー、３００…電極基板、３４０ａ〜３４０ｄ…電極、４００…バイアス電圧印加手段、４０１…駆動電圧印加手段。
【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】
2008046453.tif 000007
【図６】
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