(57)【要約】【課題】ミラーの制御を容易にし、プルイン現象の発生を抑制する。【解決手段】半導体基板１０１上の特定平面上に導電性を有する支柱１２０により支持されて開口領域を備えたミラー基板１３０と、ミラー基板１３０の開口領域に回動可能に設けられたミラー１３１と、ミラー１３１に回動動作を行わせるための制御電極部１４０，１４１と制御回路１５０と、ミラー１３１の回転角度を検出するためのセンサ電極部１５１と、センサ電極部１５１の信号に基づいてミラー１３１の回転角度を検出するセンサ回路１５２とを設ける。制御電極部をミラー半径方向について２つに分割し、制御電極部１４０，１４１の各々に印加する制御電圧を独立に制御する。【選択図】　　　　図２
2004138845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、
この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、
このミラー基板の開口領域の内側に配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなるミラーと、
絶縁膜を介してこのミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して選択的に形成された制御電極部と、
前記制御電極部と電気的に接続され、前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、
前記制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置されることを特徴とする光スイッチ装置。
【請求項２】
絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、
この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、複数の開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、
このミラー基板の前記複数の開口領域の内側に各々配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなる複数のミラーと、
絶縁膜を介して複数の前記ミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して各々選択的にミラー毎に形成された複数の制御電極部と、
前記制御電極部と電気的に接続され、前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、
前記ミラー毎に形成された制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置されることを特徴とする光スイッチ装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の光スイッチ装置において、
前記制御回路は、前記複数個に分割された制御電極部の各々に印加する制御電圧を独立に制御することを特徴とする光スイッチ装置。
【請求項４】
絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、
この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、
このミラー基板の開口領域の内側に配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなるミラーと、
絶縁膜を介してこのミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して選択的に形成された制御電極部と、
絶縁膜を介して前記ミラーの下部の前記半導体基板上に、前記ミラーと離間しかつ前記制御電極部と電気的に分離して選択的に形成されたセンサ電極部と、
前記半導体基板上に前記センサ電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ電極部の信号に基づいて前記ミラーの回動角度を検出するセンサ回路と、
前記半導体基板上に前記制御電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ回路で検出された前記ミラーの回動角度に基づいて前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、
前記制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置され、
前記センサ電極部は、前記中心から任意の端部を結ぶ方向の任意の位置に配置されることを特徴とする光スイッチ装置。
【請求項５】
絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、
この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、複数の開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、
このミラー基板の前記複数の開口領域の内側に各々配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなる複数のミラーと、
絶縁膜を介して複数の前記ミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して各々選択的にミラー毎に形成された複数の制御電極部と、
絶縁膜を介して複数の前記ミラーの下部の前記半導体基板上に、前記ミラーと離間しかつ前記制御電極部と電気的に分離して各々選択的に形成された複数のセンサ電極部と、
前記半導体基板上に前記センサ電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ電極部の信号に基づいて前記ミラーの回動角度を検出するセンサ回路と、
前記半導体基板上に前記制御電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ回路で検出された前記ミラーの回動角度に基づいて前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、
前記ミラー毎に形成された制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置され、
前記センサ電極部は、前記中心から任意の端部を結ぶ方向の任意の位置に配置されることを特徴とする光スイッチ装置。
【請求項６】
請求項４または５記載の光スイッチ装置において、
前記制御回路は、前記ミラーの回動角度に応じて、前記複数個に分割された制御電極部の各々に印加する制御電圧を独立に制御することを特徴とする光スイッチ装置。
【請求項７】
請求項４または５記載の光スイッチ装置において、
前記複数個に分割された制御電極部のうち少なくとも１つを前記センサ電極部よりも前記ミラーの中心寄りに配置することを特徴とする光スイッチ装置。
【請求項８】
請求項５記載の光スイッチ装置において、
前記制御回路及び前記センサ回路は、前記ミラーと前記制御電極部と前記センサ電極部とを少なくとも構成要素とするミラー素子毎に備えられたことを特徴とする光スイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測、またディスプレイなどに用いられる光スイッチ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜形成技術やフォトリソグラフィ技術を基本にしてエッチングすることなどで立体的に微細加工を行うマイクロマシン技術を利用して作製された、光スイッチ装置がある。このような光スイッチ装置は、例えば、固定構造体と可動する反射構造体とから構成されている。反射構造体は、ミラーが形成された可動部材とこの可動部材を支持する支持部材とを有し、可動部材が、トーションバネなどのバネ部材によって支持部材に接続されている。このように構成された光スイッチは、固定構造体と反射構造体との間に働く引力、あるいは反発力によって反射構造体の可動部がその姿勢を変えることで光路を切り替えるスイッチング動作を行う。
【０００３】
上述したような従来の光スイッチ装置をマイクロマシン技術で作製する場合には、大別して２つのタイプがある。一つは、いわゆる表面マイクロマシンによって作製されるタイプ（例えば、非特許文献１参照）であり、他方はバルクマイクロマシンによって作製されるタイプである（例えば、非特許文献２参照）。まず前者について説明する。表面マイクロマシンタイプは、図８に示すように、基板８０１に回動可能に支持部８０２が設けられている。また、枠体８０４がヒンジ８０３を介して支持部８０２に支持され、枠体８０４には、図示しないトーションバネを介してミラー８０５が連結支持されている。ミラー８０５の下部には、ミラー８０５を駆動するための静電力を発生する電極部８０６が、図示しない配線に接続して形成されている。
【０００４】
一方、バルクマイクロマシンタイプでは、一般的にミラーを構成する基板と電極を構成する基板とを個別に作製し、これらを連結させることによって光スイッチ装置を形成している。図９にバルクマイクロマシンタイプの光スイッチ装置の断面図を示す。このような光スイッチ装置を作製するには、ＳＯＩ基板９０１に支持された回動可能なミラー９０４を、ＳＯＩ基板９０１の埋め込み酸化膜９０２上の単結晶シリコン層９０３に形成すると共に、シリコン基板９１１をエッチングして凹部構造を形成し、この凹部構造上に電極部９１２を形成する。そして、ミラー９０４が形成されたＳＯＩ基板９０１と電極部９１２が形成されたシリコン基板９１１とを貼り合わせることで、電界印加によってミラー９０４が可動する光スイッチ装置が製造できる。
【０００５】
【非特許文献１】
パメラ・Ｒ・パターソン（Ｐａｍｅｌａ．Ｒ．Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ）、他４名，「ＭＯＥＭＳエレクトロスタティックスキャニングマイクロミラーズデザインアンドファブリケーション（ＭＯＥＭＳ　ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣ　ＳＣＡＮＮＩＮＧ　ＭＩＣＲＯＭＩＲＲＯＲＳ　ＤＥＳＩＧＮ　ＡＮＤ　ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ）」，エレクトロケミカルソサイエティプロシーディングス（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）　，ボリューム２００２−４（Ｖｏｌｕｍｅ　２００２−４）　，ＩＳＢＮ１−５６６７７−３７０−９，ｐ．３６９−３８０
【非特許文献２】
レンシ・サワダ（Ｒｅｎｓｈｉ　Ｓａｗａｄａ）、他３名，「シングルクリスタラインミラーアクチュエーテッドエレクトロスタティカリーバイテラスドエレクトローデスウイズハイアクペクトレシオトーションスプリング（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｍｉｒｒｏｒ　Ａｃｔｕａｔｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ　ｂｙ　Ｔｅｒｒａｃｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　Ｗｉｔｈ　Ｈｉｇｈ−Ａｓｐｅｃｔ　Ｒａｔｉｏ　Ｔｏｒｓｉｏｎ　Ｓｐｒｉｎｇ）」，インターナショナルカンファレンスオンオプティカルＭＥＭＳ２００１（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　ＭＥＭＳ　２００１），２００１年９月２６日
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図８、図９に示した光スイッチ装置では、電極部８０６，９１２に制御電圧を与え、電極部８０６，９１２とミラーとの静電引力でミラーを電極部８０６，９１２に引きつけて回動させていた。ここで、電極部８０６，９１２とミラーとの間に印加される電圧（電位差）をＶ、ミラー上の任意の点と電極部８０６，９１２との距離をｄとすると、ミラー上の前記任意の点と、この任意の点と対向する電極部８０６，９１２との間に働く単位面積当たりの静電引力Ｆは次式で表される。
Ｆ＝εＶ２／（２ｄ２）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
式（１）において、εは空間の誘電率である。
【０００７】
式（１）より、電位差Ｖの２乗に比例し、距離ｄの２乗に反比例する大きさの静電引力Ｆが発生することが分かる。ミラーを電極部８０６，９１２の方に傾かせる場合、電極部８０６，９１２に印加する制御電圧を大きくして、電位差Ｖを大きくする。しかし、ミラーの傾きが大きくなり、ミラーと電極部８０６，９１２との距離ｄが小さくなると、静電引力Ｆが急激に増大して、電位差Ｖの増大に対する静電引力Ｆの増大の度合いが大きくなるため、電位差Ｖの変化に対してミラーの動きが大きくなる。その結果、ミラーの制御が困難になるという問題が生じる。
【０００８】
また、通常は、静電引力Ｆによる回動軸まわりのトルクと、ミラーを回動可能に支持する連結部に生じる、ミラーの回動による逆向きのトルクとが釣り合ってミラーが静止しているが、ミラーと電極部８０６，９１２との距離ｄが小さくなって、静電引力Ｆが急激に増大すると、連結部による力ではミラーの変位を抑えきれなくなり、ミラーが電極部８０６，９１２に接触する状態、すなわちプルインと呼ばれる現象が発生する。
【０００９】
以上のように、従来の光スイッチ装置では、ミラーの回動角度を大きくするために電極部に高電圧を印加すると、ミラーの制御が困難になり、プルイン現象が発生してしまう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、ミラーの制御を容易にし、プルイン現象の発生を抑制することができる光スイッチ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光スイッチ装置は、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、このミラー基板の開口領域の内側に配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなるミラーと、絶縁膜を介してこのミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して選択的に形成された制御電極部と、前記制御電極部と電気的に接続され、前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、前記制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置されるものである。このように、制御電極部を、ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割することにより、分割した制御電極部の各々に異なる制御電圧を与えてミラーの姿勢を制御することが可能になる。
【００１２】
また、本発明の光スイッチ装置は、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、複数の開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、このミラー基板の前記複数の開口領域の内側に各々配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなる複数のミラーと、絶縁膜を介して複数の前記ミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して各々選択的にミラー毎に形成された複数の制御電極部と、前記制御電極部と電気的に接続され、前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、前記ミラー毎に形成された制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置されるものである。このように、ミラー毎に形成された制御電極部を、ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割することにより、分割した制御電極部の各々に異なる制御電圧を与えてミラーの姿勢を制御することが可能になる。
また、本発明の光スイッチ装置の１構成例において、前記制御回路は、前記複数個に分割された制御電極部の各々に印加する制御電圧を独立に制御するものである。
【００１３】
また、本発明の光スイッチ装置は、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、このミラー基板の開口領域の内側に配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなるミラーと、絶縁膜を介してこのミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して選択的に形成された制御電極部と、絶縁膜を介して前記ミラーの下部の前記半導体基板上に、前記ミラーと離間しかつ前記制御電極部と電気的に分離して選択的に形成されたセンサ電極部と、前記半導体基板上に前記センサ電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ電極部の信号に基づいて前記ミラーの回動角度を検出するセンサ回路と、前記半導体基板上に前記制御電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ回路で検出された前記ミラーの回動角度に基づいて前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、前記制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置され、前記センサ電極部は、前記中心から任意の端部を結ぶ方向の任意の位置に配置されるものである。このように、制御電極部を、ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割することにより、分割した制御電極部の各々に異なる制御電圧を与えてミラーの姿勢を制御することが可能になる。また、センサ電極部の位置は、分割された複数個の制御電極部よりもミラーの外周寄りの位置でもよいし、制御電極部よりもミラーの中心寄りの位置でもよいし、分割された制御電極部間の位置でもよい。
【００１４】
また、本発明の光スイッチ装置は、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、複数の開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、このミラー基板の前記複数の開口領域の内側に各々配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなる複数のミラーと、絶縁膜を介して複数の前記ミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して各々選択的にミラー毎に形成された複数の制御電極部と、絶縁膜を介して複数の前記ミラーの下部の前記半導体基板上に、前記ミラーと離間しかつ前記制御電極部と電気的に分離して各々選択的に形成された複数のセンサ電極部と、前記半導体基板上に前記センサ電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ電極部の信号に基づいて前記ミラーの回動角度を検出するセンサ回路と、前記半導体基板上に前記制御電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ回路で検出された前記ミラーの回動角度に基づいて前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、前記ミラー毎に形成された制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置され、前記センサ電極部は、前記中心から任意の端部を結ぶ方向の任意の位置に配置されるものである。このように、ミラーごとに形成された制御電極部を、ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割することにより、分割した制御電極部の各々に異なる制御電圧を与えてミラーの姿勢を制御することが可能になる。
【００１５】
また、本発明の光スイッチ装置の１構成例において、前記制御回路は、前記ミラーの回動角度に応じて、前記複数個に分割された制御電極部の各々に印加する制御電圧を独立に制御するものである。
また、本発明の光スイッチ装置の１構成例は、前記複数個に分割された制御電極部のうち少なくとも１つを前記センサ電極部よりも前記ミラーの中心寄りに配置するものである。
また、本発明の光スイッチ装置の１構成例において、前記制御回路及び前記センサ回路は、前記ミラーと前記制御電極部と前記センサ電極部とを少なくとも構成要素とするミラー素子毎に備えられるものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［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詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の平面図、図２は図１の光スイッチ装置の断面図である。図１、図２では、主に光スイッチ装置の１構成単位である一つのミラーからなる部分（ミラー素子）を示している。例えばシリコンからなる半導体基板１０１上には、シリコン酸化物等からなる層間絶縁膜１０２と、Ａｕ／Ｔｉ等からなる配線層１０４と、ポリイミド等からなる層間絶縁膜１０５とが形成されている。
【００１７】
例えばＣｕ等の金属からなる支柱１２０は、層間絶縁膜１０５を介して半導体基板１０１上に選択的に形成されている。この支柱１２０は、導電性を有し、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールを通じて配線層１０４と電気的に接続され、さらに層間絶縁膜１０２に形成された接続電極１０３を介して所定の電位（例えば接地電位）が印加される。
【００１８】
ミラー基板１３０は、支柱１２０によって半導体基板１０１と離間して支持されている。また、ミラー基板１３０は、導電性を有し、支柱１２０と電気的に接続され、ミラー１３１が設けられる複数の開口領域を備えている。複数のミラー素子を備えた光スイッチ装置の斜視図を図３に示す。
【００１９】
図３に示すように、ミラー基板１３０の複数の開口領域の各々にミラー１３１が設けられ、一つのミラー１３１の部分で一つのミラー素子が形成されている。各ミラー素子は、図１に示すように、ミラー１３１と制御電極部１４０（１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ），１４１（１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄ）とを備えている。
【００２０】
ミラー基板１３０の開口領域内に設けられたミラー１３１は、平面視略円形に形成され、連結部によってミラー基板１３０と連結され、連結部によって回動可能に支持されている。連結部は、トーションバネ１３２，１３４と、ミラー枠体１３３とから構成される。トーションバネ１３２，１３４は、ミラー１３１の中心を挟んでその両側にそれぞれ１対設けられる。
【００２１】
ミラー枠体１３３は、トーションバネ１３２によってミラー基板１３０と連結され、トーションバネ１３２によって回動可能に支持される。これにより、ミラー枠体１３３は、一対のトーションバネ１３２を通る、ミラー基板１３０と平行な軸（図１のＹ）を回動軸として回動することが可能である。一方、ミラー１３１は、トーションバネ１３４によってミラー枠体１３３と連結され、トーションバネ１３４によって回動可能に支持される。
【００２２】
これにより、ミラー１３１は、一対のトーションバネ１３４を通る、ミラー枠体１３３と平行な軸（図１のＸ）を回動軸として回動することが可能である。結果として、ミラー１３１は、一対のトーションバネ１３２を通る軸Ｙと一対のトーションバネ１３４を通る軸Ｘの２軸を回動軸として回動することができる。これら２つの回動軸Ｘ，Ｙは、ミラー１３１の重心かつ幾何学的中心である点を通っている。
【００２３】
ミラー１３１は、導電性を有し、導電性を有する連結部（トーションバネ１３２，１３４およびミラー枠体１３３）を介してミラー基板１３０と電気的に接続されている。ミラー１３１には、配線層１０４と支柱１２０とミラー基板１３０と連結部とを介して所定の電位（例えば接地電位）が印加される。
【００２４】
光スイッチ装置は、図３のようにマトリクス状に配置（集積）された複数のミラー素子を備え、各ミラー素子の制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄは、配線２０２を介してパッド端子２０１に接続される。パッド端子２０１と外部システムを接続することで、光スイッチ装置の機能が達成される。
【００２５】
例えばＣｕ等の金属からなる制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄは、ミラー１３１の下にあってミラー１３１の姿勢を制御するためのものであり、層間絶縁膜１０５を介して半導体基板１０１上に選択的に形成され、ミラー１３１の下（回動軸Ｘ，Ｙの真下を除く）にミラー１３１と所定距離離間して配置されている。本実施の形態では、制御電極部１４０，１４１は、ミラー１３１の中心から端部を結ぶ方向、すなわち円形に形成されたミラー１３１の半径方向について複数個に分割された配置されている。
【００２６】
第１の制御電極部１４０は、１つのミラー１３１について１本の回動軸の片側または両側に少なくとも１つずつ配置される。本実施の形態では、回動軸の両側に制御電極部１４０を配置し、かつ回動軸がＸ，Ｙの２軸のため、合計４つの制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄが配置されている。
【００２７】
第２の制御電極部１４１は、第１の制御電極部１４０よりもミラー１３１の外周寄りに配置され、１つのミラー１３１について１本の回動軸の片側または両側に少なくとも１つずつ配置される。本実施の形態では、回動軸の両側に制御電極部１４１を配置し、かつ回動軸がＸ，Ｙの２軸のため、合計４つの制御電極部１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄが配置されている。
【００２８】
そして、制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄは、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールと配線層１０４と層間絶縁膜１０２に形成された接続電極１０３と配線２０２とパッド端子２０１とを介して、外部の制御回路（不図示）と接続されている。
【００２９】
この外部の制御回路は、ミラー１３１の回動角度が所望の値になるように、ミラー１３１の回動状態（回動量）を制御する制御電圧を制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄに与える。例えば、ミラー１３１をＹ軸を回動軸として制御電極部１４０ａ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｄの方に傾かせる場合には、制御電極部１４０ａ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｄに制御電圧を印加する。また、ミラー１３１をＹ軸を回動軸として制御電極部１４０ｂ，１４０ｃ，１４１ｂ，１４１ｃの方に傾かせる場合には、制御電極部１４０ｂ，１４０ｃ，１４１ｂ，１４１ｃに制御電圧を印加する。
【００３０】
外部の制御回路から制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄに制御電圧を与えてミラー１３１との間に電位差を生じさせると、電界によってミラー１３１の制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄと対向する部分に電荷が誘導される。ミラー１３１は、この電荷に作用する静電力（クーロン力）によって回動し、この静電力による回動軸まわりのトルクと回動によりトーションバネ（連結部）に生じた逆向きのトルクとが釣り合う位置で静止する。
【００３１】
前述のように、ミラー１３１上の任意の点と、この任意の点と対向する制御電極部１４０との間に働く静電引力Ｆは、式（１）で表される。ここで、ミラー１３１を大きく回動させるために、制御電極部１４０に印加する制御電圧を増大させる場合を考える。この場合、印加した制御電圧に従ってミラー１３１は徐々に回動する。しかし、ミラー１３１の傾きが大きくなり、ミラー１３１と制御電極部１４０との距離ｄが小さくなると、静電引力Ｆが急激に増大して、電位差Ｖの増大に対する静電引力Ｆの増大の度合いが大きくなるため、電位差Ｖの変化に対してミラー１３１の動きが大きくなる。その結果、ミラー１３１の制御が困難になる。
【００３２】
そこで、本実施の形態では、第１の制御電極部１４０の外側に第２の制御電極部１４１を追加した。ミラー１３１の回動を考慮して各制御電極部の高さを設定すると、第２の制御電極部１４１は第１の制御電極部１４０よりも低くなるため、ミラー１３１と第１の制御電極部１４０との距離ｄが小さくなった場合でも、ミラー１３１と第２の制御電極部１４１との間にはより大きな距離が保たれている。
【００３３】
制御回路は、第１、第２の制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧を上昇させた結果、制御電圧が所定値（プルイン現象が発生する制御電圧値よりも小さい値）に達した場合、第１の制御電極部１４０に印加する制御電圧の上昇を停止して、第２の制御電極部１４１に印加する制御電圧の大きさを調整することで、ミラー１３１の回動動作を制御する。
【００３４】
以上のように、本実施の形態では、制御電極部をミラー１３１の中心から任意の端部を結ぶ方向について２つに分割し、第１、第２の制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧を独立に制御することにより、第１の制御電極部１４０とミラー１３１との間の静電引力Ｆが急激に増大することを防ぎつつ、第２の制御電極部１４１とミラー１３１との間の静電引力Ｆを増加させることでミラー１３１の回動を継続させることができる。こうして、従来の光スイッチ装置に比べてミラー１３１の制御をしやすくすることができ、ミラー１３１が制御電極部に接触してしまうプルイン現象の発生を抑制しつつ所望の回動角度を実現することができる。
【００３５】
［第２の実施の形態］
図４は本発明の第２の実施の形態となる光スイッチ装置の断面図であり、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。第１の実施の形態では、第１の制御電極部１４０を第２の制御電極部１４１よりも高くしていたが、第１の制御電極部１４０を低くして、図４のように第１の制御電極部１４０と第２の制御電極部１４１とを同じ高さにしてもよい。外部の制御回路から制御電極部１４０，１４１に印加する電圧の制御方法は、第１の実施の形態と同様でもよいし、別の制御方法でもよい。
【００３６】
［第３の実施の形態］
図５は本発明の第３の実施の形態となる光スイッチ装置の平面図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、外側の第２の制御電極部１４１については第１の実施の形態と同様にミラー１３１の駆動方向に応じて４個に分割し、内側の第１の制御電極部１４０についてはミラー１３１の駆動方向と無関係に１個とし、ミラー１３１と中心を一致させて平面視略円形に形成したものである。
【００３７】
以下、本実施の形態によるミラー１３１の制御の１例について説明する。本実施の形態において、ミラー１３１を回動させるには、まず、外側の第２の制御電極部１４１に制御電圧を印加して所望の向きにミラー１３１を回動させながら、または回動させた後、第１の制御電極部１４０に制御電圧を印加する。すると、既に回動したミラー１３１と第１の制御電極部１４０との間の距離は、回動軸を挟んで異なるため、これらの間に生じるクーロン力の違いによって回動軸まわりにトルクを生じることとなる。したがって、第１の制御電極部１４０に印加する制御電圧に応じてミラー１３１の回動角度を制御することができる。
【００３８】
［第４の実施の形態］
図６は本発明の第４の実施の形態となる光スイッチ装置の平面図、図７は図６の光スイッチ装置の断面図であり、図１、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。第１の実施の形態との違いは、制御電極部１４０，１４１に制御電圧を印加する制御回路１５０と、ミラー１３１の回動角度を検出するためのセンサ電極部１５１（１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄ）とセンサ回路１５２とを、半導体基板１０１上に形成した点である。
【００３９】
第１の実施の形態と同様に、光スイッチ装置は、マトリクス状に配置された複数のミラー素子を備え、各ミラー素子の制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄは、制御回路１５０に接続され、センサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄは、センサ回路１５２に接続されている。そして、センサ回路１５２は、制御回路１５０に接続され、制御回路１５０は、通常の半導体集積回路と同様に、配線２０２を介してパッド端子２０１に接続される。パッド端子２０１と外部システムを接続することで、光スイッチ装置の機能が達成される。
【００４０】
例えばＣｕ等の金属からなるセンサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄは、ミラー１３１の下にあって回動するミラー１３１の姿勢を検出するためのものであり、層間絶縁膜１０５を介して半導体基板１０１上に選択的に形成され、ミラー１３１の下（回動軸Ｘ，Ｙの真下を除く）にミラー１３１と所定距離離間して配置されている。
【００４１】
センサ電極部１５１は、１つのミラー１３１について１本の回動軸の片側または両側に少なくとも１つずつ配置される。本実施の形態では、回動軸の両側にセンサ電極部１５１を配置し、かつ回動軸がＸ，Ｙの２軸のため、合計４つのセンサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄが配置されている。
【００４２】
そして、センサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄは、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールと配線層１０４と層間絶縁膜１０２に形成された接続電極１０３とを介して、半導体基板１０１上に形成されたセンサ回路１５２と接続されている。
【００４３】
センサ回路１５２は、半導体基板１０１上に形成された素子および配線によって構成された集積回路である。センサ回路１５２は、ミラー１３１の姿勢に応じて変化するミラー１３１とセンサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄとのそれぞれの距離に応じた４つの静電容量を検出することにより、ミラー１３１の姿勢、すなわち軸Ｘを回動軸とする回動角度と軸Ｙを回動軸とする回動角度を検出する。
【００４４】
ミラー１３１上の任意の点と、この任意の点と対向するセンサ電極部１５１との間に誘起される単位面積当たりの静電容量Ｃは次式で表される。
Ｃ＝ε／ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２）
式（２）において、εは空間の誘電率、ｄはミラー１３１上の前記任意の点とセンサ電極部１５１との距離である。センサ回路１５２は、静電容量Ｃを検出することにより、ミラー１３１とセンサ電極部１５１との距離ｄを検出し、この距離ｄと予め定められたミラー１３１の回動軸の位置とから、ミラー１３１の回動角度を検出する。センサ回路１５２によって検出されたミラー１３１の回動角度を表す信号は、制御回路１５０にフィードバックされる。
【００４５】
制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄは、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールと配線層１０４と層間絶縁膜１０２に形成された接続電極１０３とを介して、半導体基板１０１上に形成された制御回路１５０と接続されている。
【００４６】
制御回路１５０は、半導体基板１０１上に形成された素子および配線によって構成された集積回路である。制御回路１５０は、センサ回路１５２からフィードバックされる信号によりミラー１３１の回動角度を認識して、このセンサ回路１５２で検出されるミラー１３１の回動角度が所望の値（例えば、光スイッチ装置の外部システムから設定される値）になるように、制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄに制御電圧を与える。
【００４７】
例えば、ミラー１３１をＹ軸を回動軸として制御電極部１４０ａ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｄの方に傾かせる場合には、制御電極部１４０ａ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｄに制御電圧を印加する。また、ミラー１３１をＹ軸を回動軸として制御電極部１４０ｂ，１４０ｃ，１４１ｂ，１４１ｃの方に傾かせる場合には、制御電極部１４０ｂ，１４０ｃ，１４１ｂ，１４１ｃに制御電圧を印加する。
【００４８】
このとき、制御回路１５０は、第１、第２の制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧を上昇させた結果、ミラー１３１と第１の制御電極部１４０との距離があらかじめ定められた値まで小さくなった場合（すなわち、センサ回路１５２で検出されるミラー１３１の回動角度が所定値まで大きくなった場合）、第１の制御電極部１４０に印加する制御電圧の上昇を停止して、第２の制御電極部１４１に印加する制御電圧の大きさを調整することで、ミラー１３１の回動動作を制御する。
【００４９】
こうして、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、センサ電極部１５１の信号に基づいてセンサ回路１５２がミラー１３１の回動角度を検出し、この検出された回動角度に基づいて制御回路１５０がミラー１３１の回動動作を制御するようにしたので、第１の実施の形態に比べてより高精度にミラー１３１を制御することができ、光スイッチ装置の動作速度を向上させることができる。
【００５０】
なお、制御電極部１４０，１４１およびセンサ電極部１５１とミラー１３１との距離は、ミラー１３１の回動によって変化し、その変化の度合いは、ミラー１３１の外周部の方が中心部よりも大きい。したがって、制御電極部１４０，１４１およびセンサ電極部１５１の高さは、ミラー１３１の回動を考慮して設定する必要がある。
【００５１】
本実施の形態では、センサ電極部１５１よりもミラー１３１の中心寄りに制御電極部１４０，１４１を配置しているが、制御電極部１４０，１４１よりもミラー１３１の中心寄りにセンサ電極部１５１を配置してもよい。この場合には、センサ電極部１５１を制御電極部１４０よりも高くすることができ、ミラー１３１とセンサ電極部１５１との距離を小さくすることができるので、センサ回路１５２が検出する静電容量を大きくすることができる。その結果、ミラー１３１とセンサ電極部１５１との距離の検出を容易にすることができ、ミラー１３１の回動角度の検出を容易にすることができる。
【００５２】
また、本実施の形態のように、センサ電極部１５１よりもミラー１３１の内周寄りに制御電極部１４０，１４１を配置すれば、制御電極部１４０，１４１を高くすることができ、ミラー１３１と制御電極部１４０，１４１との間に働く静電引力Ｆを増加させることができる。その結果、所望の静電引力Ｆを発生させる場合に、制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧を低電圧化することができる。
【００５３】
制御回路１５０およびセンサ回路１５２は、一つのミラー素子に各々設けるようにしてもよく、また、一つの制御回路１５０と一つのセンサ回路１５２で、複数のミラー素子の各々所望の制御を、同時に行うことも可能である。
【００５４】
なお、第１〜第４の実施の形態で述べた、制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧の制御方法は、これに限るものではない。例えば、制御回路は、制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧を上昇させた結果、制御電圧が所定値（プルイン現象が発生する制御電圧値よりも小さい値）に達した場合、第１の制御電極部１４０に印加する制御電圧を低下させると同時に、第２の制御電極部１４１に印加する制御電圧をさらに上昇させるといった種々の制御方法が考えられる。
【００５５】
また、第１〜第４の実施の形態では、制御電極部１４０，１４１をミラー１３１の駆動方向に応じてそれぞれ４個の制御電極部に分割しているが、制御電極部１４０，１４１のミラー円周方向の個数はこれに限るものではなく、制御電極部１４０，１４１をそれぞれ８個の制御電極部に分割してもよい。
【００５６】
また、第１〜第４の実施の形態では、ミラー１３１の中心から任意の端部を結ぶ方向について制御電極部を２つに分割しているが、３つ以上に分割してもよい。制御電極部を３つ以上に分割した場合でも、分割した制御電極部の各々に印加する制御電圧を独立に制御することで、第１〜第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、制御電極部を、ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割し、複数個に分割した制御電極部の各々に印加する制御電圧を独立に制御することにより、従来の光スイッチ装置に比べてミラーの制御をしやすくすることができ、ミラーの回動角度を大きくするために制御電極部に高電圧を印加する場合においても、ミラーが制御電極部に接触してしまうプルイン現象の発生を抑制しつつ、所望の回動角度を実現することができる。
【００５８】
また、ミラーの下部にセンサ電極部を形成して半導体基板上にセンサ回路を形成し、センサ電極部の信号に基づいてセンサ回路がミラーの回動角度を検出し、この検出された回動角度に基づいて制御回路がミラーの回動動作を制御するようにしたので、ミラーを高精度に制御することができ、光スイッチ装置の動作速度を向上させることができる。
【００５９】
また、複数個に分割された制御電極部のうち少なくとも１つをセンサ電極部よりもミラーの中心寄りに配置することにより、ミラーの中心寄りに配置した制御電極部に印加する制御電圧を低電圧化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す平面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す平面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図８】従来の光スイッチ装置の概略的な構成を示す側面図である。
【図９】従来の他の光スイッチ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１…半導体基板、１２０…支柱、１３０…ミラー基板、１３１…ミラー、１３２、１３４…トーションバネ、１３３…ミラー枠体、１４０、１４１…制御電極部、１５０…制御回路、１５１…センサ電極部、１５２…センサ回路。
【図１】
2004138845.tif 000003
【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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