(57)【要約】【課題】従来の高充填比の可動ミラーを持つマイクロミラーは、可動ミラーの可動方向が制限されており、これを回避するためには複雑な構造が必要となり、製造コストが上昇するという課題があった。そこで、本発明は、二軸回転の自由度が大きい可動ミラーを高充填比で有する簡易な構造のマイクロミラー、そのマイクロミラーを搭載するＭＥＭＳ及び低コストでそのＭＥＭＳを製造できる製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るマイクロミラーは、二つの支点間に並べられた３枚の平板をヒンジで連結した構造であり、中央の平板の両端には二軸回転が可能なヒンジを使用している。【選択図】図４
2008096620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一支点と第二支点との間に順に並べられた第一平板、一の面がミラー面である第二平板及び第三平板と、
前記第一支点と前記第一平板の縁との間を連結し、前記第一平板の表面と平行且つ前記第一支点から前記第二支点の方向と垂直な方向を回転軸とする第一ヒンジと、
前記第一ヒンジと反対側の前記第一平板の縁と前記第二平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第二ヒンジと、
前記第二ヒンジと反対側の前記第二平板の縁と前記第三平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第三ヒンジと、
前記第三ヒンジと反対側の第三平板の縁と前記第二支点との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を回転軸とする第四ヒンジと、
を有し、前記第二平板を二軸回転させる構造のマイクロミラー。
【請求項２】
前記第一ヒンジ及び前記第四ヒンジは、
前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向に蛇行するスプリングヒンジ構造を持ち、
前記第二ヒンジ及び前記第三ヒンジは、
前記第二ヒンジの一の回転軸と平行な方向に蛇行する部分と前記第二ヒンジの他の回転軸と平行な方向に蛇行する部分とが接続するスプリングヒンジ構造を持つことを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラー。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のマイクロミラーと、
前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で前記マイクロミラーが架け渡される基板と、
を備えるＭＥＭＳであって、
前記基板は、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、
をさらに搭載し、前記第一電極板から前記第四電極板までに印加される電圧により前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするＭＥＭＳ。
【請求項４】
前記第二平板の前記ミラー面が平面的に配列されるように並列して複数配置される請求項１又は２に記載のマイクロミラーと、
前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で複数の前記マイクロミラーが架け渡される基板と、
を備えるＭＥＭＳであって、
前記基板は前記マイクロミラー毎に、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、
をさらに搭載し、前記マイクロミラー毎の前記第一電極板から前記第四電極板までに印加する電圧により前記マイクロミラー毎に前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするＭＥＭＳ。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のマイクロミラーをシリコン板から形成するマイクロミラー形成工程と、
母体基板に、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を形成し、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板を前記マイクロミラーの前記第一平板と相対する位置に配置し、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板を前記マイクロミラーの前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置し、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生する第四電極板を前記マイクロミラーの前記第三平板と相対する位置に配置して、前記母体基板から基板を形成する基板形成工程と、
前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第一支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第一支持体とを及び前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第二支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第二支持体とを合わせ、前記マイクロミラーと前記基板と貼り合せる接合工程と、
を備えることを特徴とするＭＥＭＳ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二軸回転可能な可動ミラーを高密度で配列できるマイクロミラー、そのマイクロミラーを搭載したＭＥＭＳ及びそのＭＥＭＳの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光デバイスとして、可動ミラーを有するマイクロミラーを備え、前記可動ミラーの傾斜角度を制御できるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、微小電気機械システム）が開発されている。たとえば、前記ＭＥＭＳが光スイッチの場合、前記可動ミラーの裏側にある電極に電圧を印加するか否かで前記可動ミラーの鏡面の傾斜角度を変化させ「ＯＮ」と「ＯＦＦ」との二つの状態を持たせることができる。「ＯＮ」と「ＯＦＦ」との状態で入射する光の反射方向が異なるため、「ＯＮ」時の可動ミラーに入射する光の反射方向に光ファイバを配置すれば、可動ミラーに照射した光は「ＯＮ」時に前記光ファイバに結合され、「ＯＦＦ」時に前記光ファイバに結合しなくなる。
【０００３】
さらに、多数の可動ミラーを平面状に配列したマイクロミラーのＭＥＭＳも開発されている。このようなＭＥＭＳは波長選択スイッチとして利用できる。光ファイバを伝送してきた波長多重光をバルクグレーティングなどの分散素子で回折させると波長順列に従ったスポット列となる。このスポット列をマイクロミラーの表面に照射し、所望の波長の光が照射しているマイクロミラーの可動ミラーの電極に電圧を印加すれば、複数本の光ファイバの中の任意の１本のファイバに選択的に光結合させることができる。このような波長選択スイッチは、可動ミラーの間隔が大きいと選択できない波長領域が発生するため、可動ミラーを隙間無く配列させることが必要である。そのため、可動ミラー間隔が小さくなるようなマイクロミラーのＭＥＭＳも開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１の図４Ａには、可動ミラーの長手方向（縦方向）の一端を二軸回転ヒンジで支点に接続し、可動ミラーの長手方向の他端をカンチレバーに接続した構造のマイクロミラーを備えるＭＥＭＳが開示されている。二軸回転ヒンジとカンチレバーを備えることで可動ミラーの二軸回転が可能となったため、横方向の支点が不要でＭＥＭＳを並列して並べることができる。そのため、可動ミラーの間隔を小さくすることができる。なお、可動ミラーの間隔は、可動ミラーの面積の和を可動ミラー間の隙間の面積和で除算した値の充填比で表される。
【特許文献１】国際公開第０４／０９４３０１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の図４Ａに記載されるＭＥＭＳはカンチレバーの駆動方向が電極側（下方向）のみなので可動ミラーの回転の自由度が制限されるという課題がある。また、その制限を回避するためには、図４Ｂに開示されるＭＥＭＳのようにマイクロミラー上部にカンチレバーを上方向に駆動させる電極も配置することが必要となり、構造が複雑で製造コストが上昇するという課題があった。
【０００６】
そこで、係る課題を解決するため、本発明は、二軸回転の自由度が大きい可動ミラーを高充填比で有する簡易な構造のマイクロミラー、そのマイクロミラーを搭載するＭＥＭＳ及び低コストでそのＭＥＭＳを製造できる製造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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本願第一の発明に係るマイクロミラーは、二つの支点間に並べられた３枚の平板をヒンジで連結した構造であり、中央の平板の両端には二軸回転が可能なヒンジを使用している。
【０００８】
具体的には、本願第一の発明は、第一支点と第二支点との間に順に並べられた第一平板、一の面がミラー面である第二平板及び第三平板と、前記第一支点と前記第一平板の縁との間を連結し、前記第一平板の表面と平行且つ前記第一支点から前記第二支点の方向と垂直な方向を回転軸とする第一ヒンジと、前記第一ヒンジと反対側の前記第一平板の縁と前記第二平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第二ヒンジと、前記第二ヒンジと反対側の前記第二平板の縁と前記第三平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第三ヒンジと、前記第三ヒンジと反対側の第三平板の縁と前記第二支点との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を回転軸とする第四ヒンジと、を有し、前記第二平板を二軸回転させる構造のマイクロミラーである。
【０００９】
本願第一の発明に係るマイクロミラーは、第一支点と第二支点との間に並べられた第一平板、第二平板及び第三平板をそれぞれ第一ヒンジから第四ヒンジで連結したという簡易な構造で形成される。なお、以下の説明において、「第一支点から第二支点間を結ぶ直線」を「マイクロミラーの中心軸」として、「第一支点から第二支点の方向」を「縦方向」として、「第一平板の表面と平行且つ前記縦方向と垂直な方向」を「横方向」として説明する。
【００１０】
第一ヒンジは、横方向を回転軸としており、接続されている第一平板を第一平板の面の法線方向に容易に回転させることができる。以下、第一ヒンジ及び第一平板の回転方向をθｚ方向として説明する。同様に、第四ヒンジは第三平板をθｚ方向に回転させることができる。
【００１１】
第二ヒンジ及び第三ヒンジは、θｚ方向以外に縦方向を回転軸とする方向にも回転させることができる。以下、第二ヒンジ及び第三ヒンジが縦方向を回転軸とする回転方向をθｘ方向として説明する。第二平板は両端が第二ヒンジと第三ヒンジとで接続されているため、第二ヒンジとの接続点と第三ヒンジとの接続点とを結ぶ直線を軸としてθｘ方向に回転することができる。
【００１２】
さらに、第二平板は、第二ヒンジで第一平板と連結し、第三ヒンジで第三平板と連結している。そのため、第一平板がθｚ方向に回転し、第三平板が回転していない場合、第二平板の第二ヒンジ側は第二ヒンジで第一平板の回転方向に引っ張られ、θｚ方向の回転を生ずる一方、第二平板の第三ヒンジ側は第三平板が回転しないために、θｚ方向への回転、およびこれによる屈曲が生じないため、第二平板は第一平板側に傾斜する。逆に、第一平板が回転しておらず、第三平板が回転した場合、第二平板は第三平板側に傾斜する。つまり、第一平板及び第二平板の回転の大きさを調整することで、第二平板はθｚ方向に回転することができ、その回転の自由度も大きい。
【００１３】
すなわち、一の面がミラー面である第二平板はθｘ方向及びθｚ方向の二軸回転が可能な可動ミラーとして機能する。また、本願第一の発明に係るマイクロミラーは縦方向にある第一支点と第二支点で支えられ、横方向には支点がないため、マイクロミラーを横方向に隙間無く並べることで、可動ミラーである第二平板の充填比を高めることができる。
【００１４】
従って、本願第一の発明は、二軸回転の自由度が大きい可動ミラーを高充填比で有する簡易な構造のマイクロミラーを提供することができる。
【００１５】
また、本願第一の発明に係るマイクロミラーの前記第一ヒンジ及び前記第四ヒンジは、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向に蛇行するスプリングヒンジ構造を持ち、前記第二ヒンジ及び前記第三ヒンジは、前記第二ヒンジの一の回転軸と平行な方向に蛇行する部分と前記第二ヒンジの他の回転軸と平行な方向に蛇行する部分とが接続するスプリングヒンジ構造を持つことが好ましい。
【００１６】
第一ヒンジから第四ヒンジまでスプリングヒンジ構造を持つことで、マイクロミラーを一枚のシリコン基板から製造することが可能となる。そのため、第一平板から第三平板まで及び第一ヒンジから第四ヒンジまで別々に製造することなく一体成形でき、製造が容易になる。従って、第一ヒンジから第四ヒンジまでスプリングヒンジ構造とすることで、前述の効果の他に製造コストを低減する効果もある。
【００１７】
本願第二の発明は、本願第一の発明のマイクロミラーと、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で前記マイクロミラーが架け渡される基板と、を備えるＭＥＭＳであって、前記基板は、前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、をさらに搭載し、前記第一電極板から前記第四電極板までに印加される電圧により前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするＭＥＭＳである。
【００１８】
前記ＭＥＭＳは、前記基板の第一支持体と第二支持体とに本願第一の発明に係るマイクロミラーを架け渡した構造である。前記マイクロミラーと前記基板との間には空間が存在し、前記マイクロミラーの第一平板、第二平板及び第三平板は前記基板に架け渡された状態で第一の発明で説明したように動作できる。なお、第一平板から第三平板の前記基板側の面を裏面、第一平板から第三平板の裏面と反対側の面を表面として説明する。
【００１９】
さらに、前記基板は、第一電極板から第四電極板を搭載する。第一電極板は第一平板の裏面と相対する位置に、第四電極板は第三平板の裏面と相対する位置に配置されている。第二電極板は、第二平板の裏面のうちマイクロミラーの中心軸で分けた一方の側と相対する位置に配置される。第三電極は、第二平板の裏面のうちマイクロミラーの中心軸で分けた他方の側と相対する位置に配置される。
【００２０】
第一電極に電圧を印加すれば、第一平板との間に静電引力が発生し、第一平板はθｚ方向に回転する。同様に第四電極に電圧を印加すれば、第三平板はθｚ方向に回転する。すなわち、第一電極と第四電極とに印加する電圧で第二平板をθｚ方向に回転させることができ、その回転角を制御することができる。
【００２１】
第二電極に電圧を印加すれば、第二平板のうちマイクロミラーの中心軸で分けた一方の側との間に静電引力が発生し、第二平板はθｘ方向に回転する。同様に第三電極に電圧を印加しても第二平板はθｘ方向に回転する。すなわち、第二電極と第三電極とに印加する電圧で第二平板をθｘ方向に回転させることができ、その回転角を制御することができる。
【００２２】
前記基板の横方向の幅と第二平板の横方向の幅とを略等しくし、前記ＭＥＭＳを横方向に隙間無く並べることで、可動ミラーである第二平板の充填比を高めることできる。
【００２３】
従って、本願第二の発明は、二軸回転の自由度が大きい可動ミラーを高充填比で有する簡易な構造のマイクロミラーを搭載する簡易な構造のＭＥＭＳを提供することができる。
【００２４】
また、前記基板をマイクロミラー毎に備えたＭＥＭＳを説明したが、一つの基板に複数のマイクロミラーを架け渡してもよい。
【００２５】
具体的には、本願第三の発明は、前記第二平板の前記ミラー面が平面的に配列されるように並列して複数配置される本願第一の発明のマイクロミラーと、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で複数の前記マイクロミラーが架け渡される基板と、を備えるＭＥＭＳであって、前記基板は前記マイクロミラー毎に、前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、をさらに搭載し、前記マイクロミラー毎の前記第一電極板から前記第四電極板までに印加する電圧により前記マイクロミラー毎に前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするＭＥＭＳであってもよい。
【００２６】
前記基板には、各マイクロミラーの第一平板から第三平板の裏面と相対する位置に第一電極板から第四電極板を配置されている。そのため、第三の発明に係るＭＥＭＳは、各マイクロミラーの第二平板を第二の発明で説明したように二軸回転させることができる。また、マイクロミラーを横方向に隙間無く前記基板に架け渡すことで、可動ミラーである第二平板の充填比を高めることができる。
【００２７】
従って、本願第三の発明は、第二の発明に係るＭＥＭＳと同様に、二軸回転の自由度が大きい可動ミラーを高充填比で有する簡易な構造のマイクロミラーを搭載する簡易な構造のＭＥＭＳを提供することができる。
【００２８】
本願第四の発明は、本願第一の発明のマイクロミラーをシリコン板から形成するマイクロミラー形成工程と、母体基板に、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を形成し、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板を前記マイクロミラーの前記第一平板と相対する位置に配置し、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板を前記マイクロミラーの前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置し、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生する第四電極板を前記マイクロミラーの前記第三平板と相対する位置に配置して、前記母体基板から基板を形成する基板形成工程と、前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第一支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第一支持体とを及び前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第二支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第二支持体とを合わせ、前記マイクロミラーと前記基板と貼り合せる接合工程と、を備えることを特徴とするＭＥＭＳ製造方法である。
【００２９】
本願第四の発明に係るＭＥＭＳ製造方法は、前記マイクロミラーと前記基板を別々に作成しておき、それらを張り合わせることとした。従来のＭＥＭＳ製造方法では何らかの可動部分を構造体に加工した後に、その下の犠牲層を等方的にエッチングすることにより構造体をリリースする方法が用いられている。例えば、シリコン表面に付加的な層を加えて支持層以外を犠牲層として除去する表面マイクロマシーニングの工程、あるいはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて、ディープＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）工程で構造体を加工した後、シリコン酸化膜犠牲層ドライエッチング装置などで酸化膜層を犠牲層としてエッチングする方法が知られている。このような複雑な工程がないために、本願第四の発明に係るＭＥＭＳ製造方法は容易に第二の発明又は第三の発明に係るＭＥＭＳを製造することができる。
【００３０】
従って、本願第四の発明は、第二の発明又は第三の発明に係るＭＥＭＳを低コストで製造できるＭＥＭＳ製造方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、本発明は、二軸回転の自由度が大きい可動ミラーを高充填比で有する簡易な構造のマイクロミラー、そのマイクロミラーを搭載するＭＥＭＳ及び低コストでそのＭＥＭＳを製造できる製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。
【００３３】
（実施の形態１）
本実施形態は、第一支点と第二支点との間に順に並べられた第一平板、一の面がミラー面である第二平板及び第三平板と、前記第一支点と前記第一平板の縁との間を連結し、前記第一平板の表面と平行且つ前記第一支点から前記第二支点の方向と垂直な方向を回転軸とする第一ヒンジと、前記第一ヒンジと反対側の前記第一平板の縁と前記第二平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第二ヒンジと、前記第二ヒンジと反対側の前記第二平板の縁と前記第三平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第三ヒンジと、前記第三ヒンジと反対側の第三平板の縁と前記第二支点との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を回転軸とする第四ヒンジと、を有し、前記第二平板を二軸回転させる構造のマイクロミラーである。
【００３４】
図１は、本願第一の発明の実施形態のひとつであるマイクロミラー１０１の構成を示す図である。マイクロミラー１０１は第一平板２１、第二平板２２、第三平板２３、第一ヒンジ３１、第二ヒンジ３２、第三ヒンジ３３及び第四ヒンジ３４から構成される。
【００３５】
第一平板２１、第二平板２２及び第三平板２３はシリコンやＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）で形成される。後述のように充填率を高めるため、上面からの形状は長方形であることが望ましく、横方向の幅は等しいことが望ましい。また、第二平板は、可動ミラーとして機能するため、表面に金、アルミなどの高反射率の金属コーティングが施されている。
【００３６】
第一ヒンジ３１及び第四ヒンジ３４は、一つの軸をもつ蝶番であり、両端の接続物を前記軸のまわりに回転させることができる。第一ヒンジ３１として具体的構造を図２に示す。図２に示すように、第一ヒンジ３１は両端の接続点１Ａと接続点２Ａとを結ぶ方向と垂直な方向（横方向）に蛇行するスプリングヒンジ構造である。この横方向のスプリングヒンジがθｚ方向に曲がるため、第一ヒンジ３１はθｚ方向の回転が可能になる。図２のようなスプリングヒンジ構造とすることで、第一ヒンジ３１の材質をシリコンやＳＯＩで形成することができ、第一平板２１、第二平板２２及び第三平板２３と一体化することができる。
【００３７】
第四ヒンジ３４も第一ヒンジ３１と同じ構造であり、同様に機能する。第一ヒンジ３１及び第四ヒンジ３４のスプリングヒンジの寸法として、例えば、幅が１．５μｍ、ギャップが１．５μｍ、厚さが７．５μｍであることが例示できる。
【００３８】
第二ヒンジ３２及び第三ヒンジ３３は、二つの直交する軸を持つ蝶番であり、両端の接続物を前記二つの軸のまわりに二軸回転させることができる。第二ヒンジ３２として具体的構造を図３に示す。図３に示すように、第二ヒンジ３２は接続点３Ａと接続点４Ａとの間を横方向に蛇行する部分３２ａと両端の接続点を結ぶ方向と平行な方向（縦方向）に蛇行する部分３２ｂとが接続されたスプリングヒンジ構造である。部分３２ａがθｚ方向に曲がるため及び部分３２ｂがθｘ方向に曲がるため、第二ヒンジ３２はθｚ方向とθｘ方向との二軸回転が可能になる。図３のようなスプリングヒンジ構造とすることで、図２の第一ヒンジ３１の説明と同様に第一平板２１、第二平板２２及び第三平板２３と一体化することができる。
【００３９】
第三ヒンジ３３も第二ヒンジ３２と同じ構造であり、同様に機能する。第二ヒンジ３２及び第三ヒンジ３３のスプリングヒンジの寸法として、図２の第一ヒンジ３１で説明した寸法が例示できる。
【００４０】
マイクロミラー１０１は第一ヒンジ３１、第一平板２１、第二ヒンジ３２、第二平板２２、第三ヒンジ３３、第三平板２３及び第四ヒンジ３４の順に次に説明するように連結して構成される。第一ヒンジ３１の接続点２Ａと第一平板２１の一端とを接続する。第一平板２１の他端と第二ヒンジ３２の接続点３Ａとを接続する。第二ヒンジ３２の接続点４Ａと第二平板２２の一端とを接続する。第二平板２２の他端と第三ヒンジ３３の接続点４Ａとを接続する。第三ヒンジ３３の接続点３Ａと第三平板２３の一端とを接続する。第三平板２３の他端と第四ヒンジ３４の接続点１Ａとを接続する。上記説明では、第三平板２３の他端と第四ヒンジ３４の接続点１Ａとを接続したものを示したが、第三平板２３の他端と第四ヒンジ３４の接続点２Ａとを接続しても同じ効果を得られる。
【００４１】
また、第一ヒンジ３１の接続点１Ａは第一支点となり、第四ヒンジ３４の接続点２Ａは第二支点となる。それぞれの平板とヒンジとの接続点はマイクロミラー１０１の中心軸上にあることが望ましい。第二平板２２をマイクロミラー１０１の中心軸として回転させるためである。第一ヒンジ３１と第四ヒンジ３４および第二ヒンジ３２と第三ヒンジ３３は第二平板２２の中心に対して回転対称であることが好ましい。この結果、バランスの良い２軸回転動作が可能になる。
【００４２】
なお、第二ヒンジ３２及び第三ヒンジ３３は向きを逆に配置してもよい。具体的には、第一平板２１の他端と第二ヒンジ３２の接続点４Ａとを接続する。第二ヒンジ３２の接続点３Ａと第二平板２２の一端とを接続する。第二平板２２の他端と第三ヒンジ３３の接続点３Ａとを接続する。第三ヒンジ３３の接続点４Ａと第三平板２３の一端とを接続する。第二ヒンジ３２と第三ヒンジ３３は第二平板２２の中心に対して回転対称であることが好ましい。このように接続してもマイクロミラー１０１は同様の機能をもつ。
【００４３】
マイクロミラー１０１は縦方向にある第一支点及び第二支点のみで支えることができ、マイクロミラー１０１の横方向には支点がない。そのため、複数のマイクロミラー１０１を密着させ、並列して並べることができ、可動ミラーである第二平板２２の充填率を高めることができる。
【００４４】
マイクロミラー１０１を光スイッチ等とするためには、第二平板２２を駆動する機構をさらに備え、ＭＥＭＳとする必要がある。
【００４５】
具体的には、本願第一の発明のマイクロミラーと、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で前記マイクロミラーが架け渡される基板と、を備えるＭＥＭＳであって、前記基板は、前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、をさらに搭載し、前記第一電極板から前記第四電極板までに印加される電圧により前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするＭＥＭＳとすることができる。
【００４６】
図４は、本願第二の発明の実施形態のひとつであるＭＥＭＳ９０１の構成を示す図である。ＭＥＭＳ９０１はマイクロミラー１０１と基板４０１とから構成される。図４において、図１から図３で使用した符号と同じ符号は同じ箇所、同じ部品を示す。
【００４７】
基板４０１の長手方向の端には第一支持体４１又は第二支持体４２が搭載されている。さらに、基板４０１の第一支持体４１及び第二支持体４２が搭載される側の表面には第一電極板５１、第二電極板５２、第三電極板５３及び第四電極板５４が搭載される。第一支持体４１及び第二支持体４２を搭載した基板４０１はシリコンやセラミックで形成される。
【００４８】
ＭＥＭＳ９０１は、マイクロミラー１０１の第一支点を基板４０１の第一支持体４１に接続し、第二支点を基板４０１の第二支持体４２に接続した構造である。具体的には、第一ヒンジ３１の接続点１Ａと第一支持体４１とを接続し、第四ヒンジ３４の接続点２Ａと第二支持体４２とを接続している。第一支持体４１及び第二支持体４２は所定の高さがあるため、第一支持体４１と第二支持体４２との間でマイクロミラー１０１が架け渡された状態となり、第一平板２１、第二平板２２及び第三平板２３と基板４０１との間にはギャップが生ずる。
【００４９】
さらに、基板４０１の表面の第一電極板５１、第二電極板５２、第三電極板５３及び第四電極板５４は図５のように搭載される。図５はマイクロミラー１０１が架け渡される前の基板４０１を第一支持体４１が搭載される側からみたものである。図５において、図４で使用した符号と同じ符号は同じ部品を示す。
【００５０】
第一電極板５１は、マイクロミラー１０１を架け渡した場合に第一平板２１の裏面と相対する位置に配置される。また、第一電極板５１は図示されない配線により電圧が印加され、印加電圧により第一平板２１との間に静電引力が発生する。
【００５１】
第四電極板５４は、マイクロミラー１０１を架け渡した場合に第三平板２３の裏面と相対する位置に配置される。また、第四電極板５４は図示されない配線により電圧が印加され、印加電圧により第三平板２３との間に静電引力が発生する。
【００５２】
第二電極板５２及び第三電極板５３は、マイクロミラー１０１を架け渡した場合に第二平板２２の裏面と相対する位置でマイクロミラー１０１の中心軸と平行な方向に並列して配置される。具体的には、第二電極板５２及び第三電極板５３は基板４０１の長手方向への中央線を挟んだ両側に配置される。第二電極板５２及び第三電極板５３は図示されない配線により電圧が印加され、印加電圧により第二平板２２との間に静電引力が発生する。
【００５３】
図６から図１０にＭＥＭＳ９０１の第二平板２２の回転状態を示した。図６から図１０のいずれの図も（ａ）がＭＥＭＳ９０１の斜視図であり、（ｂ）がＭＥＭＳ９０１を横方向からみた側面図である。いずれの図も図１から図５で使用した符号と同じ符号は同じ部品を示している。第一電極板５１から第四電極板５４に電圧を印加することで図６から図１０のような第二平板２２の回転が可能となる。いずれも駆動力は電極と第一平板２１から第三平板２３との間に発生する静電引力として説明する。なお、いずれの図も第一電極板５１から第四電極板５４を省略している。また図６から図１０において、図面の変形の度合いはわかりやすいように実際の変形度合いより数倍程度誇張して図示している。
【００５４】
図６は第一電極板５１に電圧を印加した場合である。第一平板２１には第一電極板５１との間に生じた静電力により基板４０１方向に静電引力Ｆ１４が加わる。一般に静電引力は印加電圧の２乗に比例し、電極間隔の２乗に反比例する。静電引力Ｆ１４と第一ヒンジ３１から第四ヒンジ３４のヒンジスプリングのばねの力が釣り合うところまで第一平板２１から第三平板２３が回転して平衡状態となる。具体的には、静電引力Ｆ１４により、第一平板２１は図６のように傾斜し、第二平板２２は第二ヒンジ３２に引っ張られて図６のようにθｚ方向に回転力Ｒ１５が生じる。第一電極板５１に印加する電圧を一定に保つことで、第二平板２２の傾斜方向を維持できる。また、印加電圧により回転力Ｒ１５の大きさを変えることができる。なお、回転力Ｒ１５の方向をθｚ方向の負方向とする。
【００５５】
図７は第四電極板５４に電圧を印加した場合である。図６の説明と同様に第三平板２３に静電引力Ｆ１６が加わり、第二平板２２は図７のようにθｚ方向の正方向に回転力Ｒ１７が生ずる。図６の説明同様に一定の電圧を印加し続けることでこのままの状態を維持できる。
【００５６】
図８は第二電極板５２に電圧を印加した場合である。第二平板２２の片側に静電引力Ｆ１８が加わるため、第二平板２２は図８のようにθｘ方向に回転力Ｒ１９が生じている。回転力Ｒ１９の方向をθｘ方向の負方向とする。このまま第二電極板５２に印加する電圧を一定にすることで、第二平板２２の傾斜方向を維持できる。また、印加電圧により回転力Ｒ１９の大きさを変えることができる。
【００５７】
なお、第二平板２２がθｘ方向に回転する場合、第一平板２１及び第三平板２３には第二平板２２の回転モーメントを抑制する機能もある。
【００５８】
図９は第三電極板５３に電圧を印加した場合である。図８の説明と同様に第二平板２２の片側に静電引力Ｆ２０が加わり、第二平板２２は図９のようにθｘ方向の正方向に回転力Ｒ２１が生ずる。図８の説明同様に一定の電圧を印加し続けることでこのままの状態を維持できる。
【００５９】
図１０は第一電極板５１と第二電極板５２に電圧を印加した場合である。第二平板２２はθｘ負方向回転とθｚ負方向回転の２軸回転が生じている。両方の電圧を一定にすることでこの状態を維持できる。以上の説明のように第一電極板５１から第四電極板５４に印加する電圧を変えることで任意の方向に第二平板２２の傾斜角度を変化させ、かつ固定することができる。
【００６０】
以上の説明のようにＭＥＭＳ９０１は簡易な構造でありながら、可動ミラーを二軸回転させることができ、その自由度は従来のマイクロミラーのＭＥＭＳより高い。
【００６１】
所定の方向から第二平板２２に照射された光は自由にその反射方向を変えることができる。例えば、その反射方向に光ファイバがあれば反射光はこの光ファイバに結合されるため、ＭＥＭＳ９０１を光スイッチとして利用できる。また、光ファイバを複数本配置して、所望の光ファイバへ反射光を結合させることで、ＭＥＭＳ９０１を１×Ｎ光スイッチとして利用できる。また、第二平板２２の傾斜角度をわずかにかえれば反射方向が変化し、光ファイバへの光結合効率を変化させることができる。このことで、光ファイバへ結合する光の強度を変化させることができるため、ＭＥＭＳ９０１を光減衰器として利用できる。
【００６２】
一方、マイクロミラー１０１は第一支持体４１と第二支持体４２で支えられ、横方向にマイクロミラー１０１を支える支点はないため、ＭＥＭＳ９０１を横方向に並列に隙間無く並べることができ、第二平板２２の充填比を高めることが可能である。
【００６３】
従って、マイクロミラー１０１及びＭＥＭＳ９０１は、簡易な構造でありながら可動ミラーの二軸回転の自由度が大きく、並列して並べた場合に高充填比で可動ミラーを配列することができる。
【００６４】
（実施の形態２）
本実施形態は、前記第二平板の前記ミラー面が平面的に配列されるように並列して複数配置される本願第一の発明のマイクロミラーと、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で複数の前記マイクロミラーが架け渡される基板と、を備えるＭＥＭＳであって、前記基板は前記マイクロミラー毎に、前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、をさらに搭載し、前記マイクロミラー毎の前記第一電極板から前記第四電極板までに印加する電圧により前記マイクロミラー毎に前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするＭＥＭＳである。
【００６５】
図１１は、本願第三の発明の実施形態のひとつであるＭＥＭＳ９０２の構成を示す図である。ＭＥＭＳ９０２は５枚のマイクロミラー１０１と基板４０２から構成される。図１１において、図１から図１０で使用された符号と同じ符号は同一部品を示す。なお、ＭＥＭＳ９０２において、マイクロミラー１０１は５枚に限らず多くても少なくてもよい。
【００６６】
基板４０２は、図４及び図５で説明した基板４０１と同様であるが、それぞれのマイクロミラー１０１が第一支持体４１及び第二支持体４２を共通の第一支点及び第二支点として利用している。具体的には、第一支持体４１には全てのマイクロミラー１０１の第一ヒンジ３１の接続点１Ａが接続し、第二支持体４２には全てのマイクロミラー１０１の第四ヒンジ３４の接続点２Ａが接続している。
【００６７】
マイクロミラー１０１の横方向には支点はないため、基板４０２にマイクロミラー１０１を横方向に並列に隙間無く架け渡すことができ、ＭＥＭＳ９０２は第二平板２２の充填比を高めることが可能である。
【００６８】
さらに、マイクロミラー１０１を５枚架け渡すため、基板４０２にはそれぞれのマイクロミラー１０１に対応する位置に第一電極板５１、第二電極板５２、第三電極板５３及び第四電極板５４が搭載される。そのため、図６から図１０のＭＥＭＳ９０１で説明したように、ＭＥＭＳ９０２もそれぞれの電極板に電圧を印加することでそれぞれの第二平板２２を二軸回転させることができる。
【００６９】
例えば、隣接する第二平板２２の幅を１００μｍとし、隙間を２μｍとした場合、９８％以上の高充填比を実現できる。入力ファイバからの波長多重光がバルクグレーティングで回折され、各波長の光は波長順に第二板２２の各ミラー表面に照射される。ミラーで反射される光ビームの方向を変える事で複数本の光ファイバの中の任意の光ファイバに反射ビームを結合させることができ、波長選択スイッチとして利用できる。一般に波長多重光の中の各波長の光は一定の波長幅を持ち、その中心波長はバンド帯域の中で変動する場合がある。このように各波長の光の中心波長が変動すると各ＭＥＭＳミラー上の光スポットは横方向を波長の変動方向により左右に移動することになる。ここで充填比の低いＭＥＭＳミラーアレイを用いるとスポット移動で十分に反射できない波長領域が発生する。高充填比のＭＥＭＳミラーアレイではバンド帯域の全体にわたって、反射させることができるために、ＭＥＭＳ９０２を広帯域なバンド幅で損失特性がフラットな光波長選択スイッチとして利用できる。
【００７０】
従って、ＭＥＭＳ９０２は、簡易な構造でありながら可動ミラーの二軸回転の自由度が大きく、高充填比で可動ミラーを配列することができる。
【００７１】
ＭＥＭＳ９０２は、本願第一の発明のマイクロミラーをシリコン板から形成するマイクロミラー形成工程と、母体基板に、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を形成し、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板を前記マイクロミラーの前記第一平板と相対する位置に配置し、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板を前記マイクロミラーの前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置し、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生する第四電極板を前記マイクロミラーの前記第三平板と相対する位置に配置して、前記母体基板から基板を形成する基板形成工程と、前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第一支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第一支持体とを及び前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第二支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第二支持体とを合わせ、前記マイクロミラーと前記基板と貼り合せる接合工程と、を備えることを特徴とするＭＥＭＳ製造方法で製造できる。
【００７２】
図１２に、本願第四の発明に係る製造方法でのＭＥＭＳ９０２の製造工程を示す。図１２（ａ）はマイクロミラー形成工程で形成した可動ミラーアレイ１２１である。可動ミラーアレイ１２１は複数個のマイクロミラー１０１を並列に配列しており、１枚のシリコン板からエッチング法などで作製される。
【００７３】
図１２（ｂ）は基板形成工程で形成した基板４０２である。シリコン板あるいはセラミックスを用いて、マイクロミラー１０１毎の第一電極板５１から第四電極板５４を持つ一体型の基板４０２を作製する。シリコン板ではエッチィング法、セラミックスでは多層構造のセラミックグリーンシートを焼き固める方法としても良い。
【００７４】
図１２（ｃ）は接合工程を示している。可動ミラーアレイ１２１と基板４０２とを上下で張り合わる。張り合わせは半田接合法や陽極接合法などが利用できる。図１２（ｄ）は接合工程後のＭＥＭＳ９０２である。図示はしないがさらに透明ガラス（ＡＲコートあり）がついた金属フレームを可動ミラーアレイ１２１の上に被せて、気密封止されたマイクロミラーモジュールとしてもよい。気密封止工程は接合工程と同様に半田接合法や陽極接合法などが利用できる。
【００７５】
以上の説明のように、ＭＥＭＳ９０２は、可動ミラーアレイ１２１及び基板４０２を別途作成しておき、後にそれらを接合するという簡易な方法で製造できる。従って、本願第四の発明により、低コストでＭＥＭＳ９０２を製造できる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明に係るマイクロミラーの構造、ＭＥＭＳの構造及びＭＥＭＳの製造方法は、バルクグレーティングなどの分散素子を利用した波長選択スイッチに応用できる。この波長選択スイッチを用いることで光波長多重メトロリング間を従来のＯＥＯ（ｏｐｔｉｃａｌ−ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ−ｏｐｔｉｃａｌ）変換無しで完全に光のみで任意の波長の光を自在に切り替えることができる。またこの波長選択スイッチを波長多重リングの任意の位置に挿入することで任意の波長を取り出したり、追加できるＲＯＤＡＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）としても用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本願第一の発明の一実施形態に係るマイクロミラー１０１の概念図である。
【図２】マイクロミラー１０１の第一ヒンジ３１に使用するスプリングヒンジの概念図である。
【図３】マイクロミラー１０１の第二ヒンジ３２に使用するスプリングヒンジの概念図である。
【図４】本願第二の発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ９０１の概念図である。
【図５】ＭＥＭＳ９０１に含まれる基板４０１の概念図である。
【図６】ＭＥＭＳ９０１の第二平板２２の回転状態を示した図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印の方向（横方向）からの側面図である。
【図７】ＭＥＭＳ９０１の第二平板２２の回転状態を示した図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印の方向（横方向）からの側面図である。
【図８】ＭＥＭＳ９０１の第二平板２２の回転状態を示した図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印の方向（横方向）からの側面図である。
【図９】ＭＥＭＳ９０１の第二平板２２の回転状態を示した図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印の方向（横方向）からの側面図である。
【図１０】ＭＥＭＳ９０１の第二平板２２の回転状態を示した図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印の方向（横方向）からの側面図である。
【図１１】本願第三の発明の実施形態に係るＭＥＭＳ９０２の概念図である。
【図１２】本願第四の発明に係るＭＥＭＳの製造方法の工程を示した図である。（ａ）はマイクロミラー形成工程後の可動ミラーアレイ１２１である。（ｂ）は基板形成工程後の基板４０２である。（ｃ）は可動ミラーアレイ１２１と基板４０２を接合する接合工程を示した図である。（ｄ）は接合工程後のＭＥＭＳ９０２である。
【符号の説明】
【００７８】
１０１  マイクロミラー
１２１  可動ミラーアレイ
４０１、４０２  基板
９０１、９０２  ＭＥＭＳ
２１  第一平板
２２  第二平板
２３  第三平板
３１  第一ヒンジ
３２  第二ヒンジ
３３  第三ヒンジ
３４  第四ヒンジ
１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ  接続点
θｘ、θｚ  回転方向
３２ａ  スプリングヒンジが横方向に蛇行する部分
３２ｂ  スプリングヒンジが縦方向に蛇行する部分
４１  第一支持体
４２  第二支持体
５１  第一電極板
５２  第二電極板
５３  第三電極板
５４  第四電極板
Ｆ１４、Ｆ１６、Ｆ１８、Ｆ２０  静電引力
Ｒ１５、Ｒ１７、Ｒ１９、Ｒ２１  回転力
【図１】
2008096620.tif 000003
【図２】
2008096620.tif 000004
【図３】
2008096620.tif 000005
【図４】
2008096620.tif 000006
【図５】
2008096620.tif 000007
【図６】
2008096620.tif 000008
【図７】
2008096620.tif 000009
【図８】
2008096620.tif 000010
【図９】
2008096620.tif 000011
【図１０】
2008096620.tif 000012
【図１１】
2008096620.tif 000013
【図１２】
2008096620.tif 000014