(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマイクロミラー装置を２次元的に複数配置したミラーアレイにおいて、
各マイクロミラー装置は、それぞれ板状のスライダと、このスライダを１次元方向に移動させる駆動手段と、前記スライダ上に前記１次元方向に沿って配設された複数のミラーとを備え、前記駆動手段は、前記スライダを移動させて、前記複数のミラーの中から選択したミラーを入射光の光軸上の所定位置に配置し、前記複数のミラーは、前記入射光の光軸に対する反射面の角度が互いに異なるものであり、
前記複数のマイクロミラー装置を前記１次元方向と直角の方向に沿って配置したことを特徴とするミラーアレイ。
【請求項２】
請求項１記載のミラーアレイにおいて、
各マイクロミラー装置の駆動手段は、静電駆動型のマイクロモータが発生する力によって前記スライダを移動させることを特徴とするミラーアレイ。
【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ング素子、計測機器、ディスプレイ、スキャナ、波長選択スイッチ等に使用されるミラーアレイ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マイクロミラー装置である。光スイッチは、光を電気信号に変換することなく、また多重化された光を波長ごとに分波することなく経路切り替えを可能にする。このような光スイッチは、使用している経路に障害が発生した際に別の経路に信号を振り分け、通信できる状態を維持する際に使用される。
【０００３】
これに対して、近年、多重化された光を波長毎に分波し、それぞれの波長の光の経路を個別に選択する波長選択スイッチが研究開発されている（例えば、特許文献２参照）。この波長選択スイッチにもマイクロミラー装置が使用される。図８は特許文献２に開示された波長選択スイッチの構成を示すブロック図である。波長選択スイッチの波長多重信号入力ポート５０には、異なる波長λ１〜λ５の光信号が多重化された波長多重信号が入力される。グレーティング等からなる光信号分波器５１は、この波長多重信号を波長毎に分波して各入力ポート５２〜５６に入力する。入力ポート５２〜５６に対応して設けられる１入力４出力光スイッチ５７〜６１は、それぞれ１入力２出力光スイッチ７０〜７２，７３〜７５，７６〜７８，７９〜８１，８２〜８４を多段に接続した構成である。１入力４出力光スイッチ５７の４本の出力線は、出力ポート６６〜６９に対応する５入力光信号合波器６２〜６５にそれぞれ接続される。同様に、１入力４出力光スイッチ５８〜６１の各４本の出力線は、５入力光信号合波器６２〜６５にそれぞれ接続される。５入力光信号合波器６２〜６５は、それぞれ入力された光信号を出力ポート６６〜６９へ結合する。
【０００４】
ここで、具体的なスイッチング例として、波長多重信号入力ポート５０に入力された波長多重信号のうち波長λ１の光信号を出力ポート６８へ出力する場合について説明する。波長λ１の光信号は、光信号分波器５１で分波され、１入力４出力光スイッチ５７に入力される。１入力４出力光スイッチ５７の１段目の１入力２出力光スイッチ７０を１入力２出力光スイッチ７２側の出力が選択されるように設定し、２段目の１入力２出力光スイッチ７２を５入力光信号合波器６４側の出力が選択されるように設定する。これにより、入力ポート５２から入力された光信号は、１入力２出力光スイッチ７０，７２を介して５入力光信号合波器６４へ送られる。５入力光信号合波器６４では、他の入力ポートからの光信号と合波して出力ポート６８へ出力する。こうして、各波長の光の経路を選択することができる。
【０００５】
以上のような波長選択スイッチでは、１入力２出力光スイッチ７０〜８４の構成部品としてマイクロミラー装置を使用することができる。特許文献１に記載された従来のマイクロミラー装置の１例を図９、図１０に示す。図９は従来のマイクロミラー装置の構成を示す分解斜視図、図１０は図９のマイクロミラー装置の断面図である。
マイクロミラー装置１００は、ミラーが形成されたミラー基板２００と、電極が形成された電極基板３００とが平行に配設された構造を有する。
【０００６】
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、一対の可動枠連結部２１１ａ，２１１ｂにより枠部２１０の開口内に配設された可動枠２２０と、一対のミラー連結部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、可動枠連結部２１１ａ，２１１ｂ、可動枠２２０、ミラー連結部２２１ａ，２２１ｂ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。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。
【０００７】
一対の可動枠連結部２１１ａ，２１１ｂは、それぞれトーションバネから構成され、枠部２１０と可動枠２２０とを連結している。可動枠２２０は、一対の可動枠連結部２１１ａ，２１１ｂを通る図９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、一対のミラー連結部２２１ａ，２２１ｂは、それぞれトーションバネから構成され、可動枠２２０とミラー２３０とを連結している。ミラー２３０は、一対のミラー連結部２２１ａ，２２１ｂを通る図９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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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１０に示すようなマイクロミラー装置１００を構成する。マイクロミラー装置１００においては、ミラー２３０を接地し、電極３４０ａ〜３４０ｄに正又は負の電圧を与えて、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。
以上のようなマイクロミラー装置１００を用いて１入力２出力光スイッチ７０〜８４を構成する場合は、入力ポートからの光信号をミラー２３０に照射し、ミラー２３０の反射光が２つの出力ポートのうちいずれか一方に入射するように、ミラー２３０の傾斜角を制御すればよい。
図９、図１０に示したマイクロミラー装置は、ミラーを静電引力で駆動するが、ミラーを磁力で駆動するマイクロミラー装置とミラーアレイも提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−５７５７５号公報
【特許文献２】特許第３４４４５４８号公報
【非特許文献１】W.P.Taylor et al.，「Magnet Arrays for Use in a 3-D MEMS Mirror Array for Optical Switching」，IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS，VOL.39，NO.3，p.3286-3288，2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図９、図１０に示したマイクロミラー装置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１００Ｖ程度の高い電圧が必要である。
【００１３】
ところで、図８に示した波長選択スイッチの小型化を実現しようとすると、光スイッチ５７〜６１を構成する各マイクロミラー装置（１入力２出力光スイッチ７０〜８４）を近接して配置するミラーアレイの構成を採用する必要がある。特に、入力ポート５２〜５６の数や出力ポート６６〜６９の数が多い場合には、マイクロミラー装置もより多く必要となるので、各マイクロミラー装置の近接配置はより切実な要求となる。
しかし、前述のとおり各マイクロミラー装置の電極には高電圧を印加する必要があり、結果として各マイクロミラー装置からの電界の漏れが大きくなるため、特定のマイクロミラー装置のミラーの傾斜角を制御しようとして電極に駆動電圧を印加すると、このマイクロミラー装置からの電界の漏れにより、隣接するマイクロミラー装置のミラーの傾斜角も変化してしまうという問題点があった。同様に、非特許文献１に開示された磁力駆動型のマイクロミラー装置においても、磁界の漏れにより、隣接するマイクロミラー装置のミラーの傾斜角が変化してしまうという問題点があった。また、以上のような問題は波長選択スイッチに限らず、ミラーアレイを採用する構成であれば同様に発生する。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、複数のマイクロミラー装置を近接して配置した場合でもミラー装置間の相互干渉を少なくすることができるミラーアレイ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】
【００１５】
本発明のミラーアレイにおいて、各マイクロミラー装置は、それぞれ板状のスライダと、このスライダを１次元方向に移動させる駆動手段と、前記スライダ上に前記１次元方向に沿って配設された複数のミラーとを備え、前記駆動手段は、前記スライダを移動させて、前記複数のミラーの中から選択したミラーを入射光の光軸上の所定位置に配置し、前記複数のミラーは、前記入射光の光軸に対する反射面の角度が互いに異なるものであり、前記複数のマイクロミラー装置を前記１次元方向と直角の方向に沿って配置したものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来のようにミラー自体を電界あるいは磁界で直接駆動するのではなく、スライダを移動させて、入射光の照射位置にあるミラーを変えることで、ミラーの傾斜角を実質的に制御するので、複数のマイクロミラー装置を近接して配置した場合でも、隣接するマイクロミラー装置のミラーの傾斜角に影響を与えることがなく、ミラー装置間の相互干渉を少なくすることができる。
【００１７】
また、静電駆動型のマイクロモータが発生する力によってスライダを移動させることにより、複数のマイクロミラー装置を近接して配置した場合でも、隣接するマイクロミラー装置のマイクロモータの動作に影響を与える可能性を低くすることができる。
【００１８】
また、複数のマイクロミラー装置をスライダの移動方向と直角の方向に沿って配置することにより、少ない面積内に多数のミラーを配置することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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は本発明の実施の形態に係るマイクロミラー装置を複数配置したミラーアレイの構成を示す平面図である。
本実施の形態のマイクロミラー装置１は、静電力駆動型のマイクロモータ２と、マイクロモータ２の回転軸に取り付けられたギヤ３と、両側面にギヤ３と噛み合う歯が等間隔に形成された板状のスライダ４と、スライダ４の上面に固定された３つのミラー５，６，７と、マイクロモータ２に駆動電圧を供給する電源（不図示）とから構成される。マイクロモータ２とギヤ３とスライダ４の側面に形成された歯は、マイクロモータ２の回転運動を直線運動に変換して、スライダ４を１次元方向（図１のｙ軸方向）に移動させる駆動手段を構成している。
【００２０】
図２はマイクロモータ２の概略構造を示す平面図、図３はマイクロモータ２の概略構造を示す断面図である。マイクロモータ２は、一般的な電磁モータと同様に、回転軸２０と一体になったロータ２１（回転子）と、ロータ２１の周りに配設されたステータ２２（固定子）とを有する。マイクロモータ２が通常の電磁モータと異なる点は、ロータ２１とステータ２２との間に駆動電圧を印加して、静電引力による回転トルクを発生させ、ロータ２１を回転させることである。図３に示すように、ロータ２１とステータ２２は、それぞれのくし歯状電極が交互に並ぶように配置されている。これにより、ロータ２１のくし歯状電極とステータ２２のくし歯状電極間の距離を小さくし、またロータ２１のくし歯状電極とステータ２２のくし歯状電極が対向する面積を大きくして、低い駆動電圧で大きな回転トルクを得ることができる。以上のようなマイクロモータ２については、例えば文献「Design Wave Magazine編集部編，“MEMS開発＆活用スタートアップ”，Design Wave １２月増刊号，ＣＱ出版社，２００４年，ｐ．７５−７８」に開示されている。
【００２１】
図４はマイクロミラー装置１をｙ軸方向に沿って切断したときの断面図である。ミラー５〜７は、入射光の光軸（図４の例ではｚ軸に平行な方向）に対する反射面の角度が互いに異なる。ミラー５の反射面はｚ軸に対して垂直であり、ミラー６の反射面はｚ軸に対して＋ｙ方向に傾いており、ミラー７の反射面はｚ軸に対して−ｙ方向に傾いている。
次に、本実施の形態のマイクロミラー装置１の動作を説明する。図５（Ａ）、図６（Ａ）、図７（Ａ）はマイクロミラー装置１の動作を説明するための平面図、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）はそれぞれ図５（Ａ）、図６（Ａ）、図７（Ａ）をｙ軸方向に沿って切断したときの断面図である。
【００２２】
まず、図５（Ａ）、図５（Ｂ）の状態において、図示しない入力ポートからｘｚ平面に平行な入射光Ｌ１をミラー５に照射する。ミラー５の反射面はｚ軸に対して垂直なので、入射光Ｌ１はｘｚ平面内で−ｘ方向に反射される。このときの反射光Ｌ２の方向に出力ポート又は別のミラーを配置しておけば、反射光Ｌ２を取り出すことができる。
【００２３】
次に、図示しない電源からマイクロモータ２に駆動電圧を印加してモータ２を回転させると、この回転運動はギア３とスライダ４のかみ合いにより直線運動に変換され、スライダ４が例えば−ｙ方向に移動する。これにより、ミラー６を図５（Ａ）、図５（Ｂ）のミラー５の位置に移動させ、図６（Ａ）、図６（Ｂ）の状態に移行させる。図６（Ａ）、図６（Ｂ）の状態において、入力ポートからｘｚ平面に平行な入射光Ｌ１をミラー６に照射する。ミラー６の反射面はｚ軸に対して＋ｙ方向に傾いているので、入射光Ｌ１はｘｚ平面から＋ｙ側に逸れた方向に反射される。このときの反射光Ｌ３の方向に出力ポート又は別のミラーを配置しておけば、反射光Ｌ３を取り出すことができる。
【００２４】
次に、電源からマイクロモータ２に駆動電圧を印加して図６（Ａ）、図６（Ｂ）の場合と逆方向にモータ２を回転させると、スライダ４が＋ｙ方向に移動する。これにより、ミラー７を図５（Ａ）、図５（Ｂ）のミラー５の位置に移動させ、図７（Ａ）、図７（Ｂ）の状態に移行させる。図７（Ａ）、図７（Ｂ）の状態において、入力ポートからｘｚ平面に平行な入射光Ｌ１をミラー７に照射する。ミラー７の反射面はｚ軸に対して−ｙ方向に傾いているので、入射光Ｌ１はｘｚ平面から−ｙ側に逸れた方向に反射される。このときの反射光Ｌ４の方向に出力ポート又は別のミラーを配置しておけば、反射光Ｌ４を取り出すことができる。
【００２５】
マイクロミラー装置１の大きさは、例えば長さ（図１のｙ軸方向の大きさ）が４００μｍ、幅（ｘ軸方向の大きさ）が８０〜１６０μｍで、各マイクロミラー装置間のピッチが１００〜２００μｍ程度である。スライダ４とギア３は、シリコン酸化膜を犠牲膜として使用する表面マイクロマシーニング技術で形成することができる。配線構造の形成に関しては、メッキ法やリフトオフ法を用いてもよいし、エッチングを使用してもよい。反射面の角度が異なるミラー５〜７は、露光量を場所によって変化させる方法を使用して製造する。電子線露光法では、照射量を場所によって変えることで対応できる。光露光法ではグレーマスクを使用すると、１枚のマスクで場所毎に露光量を変えることができる。
【００２６】
以上のように、本実施の形態では、入射光の光軸に対する反射面の角度が互いに異なる複数のミラー５〜７をスライダ４上に固定し、スライダ４を１次元方向に移動させて、複数のミラー５〜７の中から選択したミラーを入射光の光軸上の所定位置に配置することにより、入射光を所望の方向に反射することができるので、図９、図１０に示した従来のマイクロミラー装置と同等の機能を実現することができる。こうして、本実施の形態のマイクロミラー装置１によれば、１入力Ｎ出力（本実施の形態ではＮ＝３）の光スイッチを実現することができる。
【００２７】
本実施の形態では、従来のようにミラー自体を電界あるいは磁界で直接駆動するのではなく、スライダ４を移動させて、入射光の照射位置にあるミラーを変えることで、ミラーの傾斜角を実質的に制御するので、複数のマイクロミラー装置１を近接して配置した場合でも、隣接するマイクロミラー装置１のミラーの傾斜角に影響を与えることがなく、ミラー装置間の相互干渉を少なくすることができる。前述のとおり、マイクロモータ２は低い駆動電圧で大きな回転トルクを得ることができ、このマイクロモータ２からの電界あるいは磁界の漏れは小さいため、隣接するマイクロモータ２の動作に影響を与える可能性を低くすることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態のマイクロミラー装置１を用いてミラーアレイを構成する場合には、それぞれのスライダ４の移動方向が平行になるように各マイクロミラー装置１をスライダ４の移動方向と直角の方向（図１のｘ軸方向）に沿って配置すればよい。これにより、少ない面積内に多数のミラーを配置することができる。
また、本実施の形態では、１個のマイクロミラー装置１あたりのミラーの枚数を３枚にしているが、これに限るものではないことは言うまでもない
また、本実施の形態では、マイクロミラー装置１に対してｘｚ平面に平行な入射光を照射しているが、入射方向はこれに限るものではないことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、例えば波長選択スイッチ等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態に係るマイクロミラー装置を複数配置したミラーアレイの構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるマイクロモータの内部の概略構造を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるマイクロモータの内部の概略構造を示す断面図である。
【図４】図１のマイクロミラー装置の断面図である。
【図５】図１のマイクロミラー装置の動作を説明するための平面図および断面図である。
【図６】図１のマイクロミラー装置の動作を説明するための平面図および断面図である。
【図７】図１のマイクロミラー装置の動作を説明するための平面図および断面図である。
【図８】波長選択スイッチの構成を示すブロック図である。
【図９】従来のマイクロミラー装置の構成を示す分解斜視図である。
【図１０】図９のマイクロミラー装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…マイクロミラー装置、２…マイクロモータ、３…ギヤ、４…スライダ、５，６，７…ミラー。
【図１】
0004398433.tif 000002
【図２】
0004398433.tif 000003
【図３】
0004398433.tif 000004
【図４】
0004398433.tif 000005
【図５】
0004398433.tif 000006
【図６】
0004398433.tif 000007
【図７】
0004398433.tif 000008
【図８】
0004398433.tif 000009
【図９】
0004398433.tif 000010
【図１０】
0004398433.tif 000011