(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、該固定部に対して移動し得るように設けられた可動部と、を備え、
前記固定部は第１の電極部を有し、
前記可動部は、前記第１の電極部との間の電圧により前記第１の電極部との間に静電力を生じ得る第２の電極部と、磁界内に配置されて通電によりローレンツ力を生ずる電流経路と、を有し、
前記電流経路は、前記静電力が増大する第１の位置に前記可動部を移動させるような方向にローレンツ力を生じ得るように、配置された、
ことを特徴とするマイクロアクチュエータ。
【請求項２】
前記可動部は、前記第１の位置と前記静電力が低下する第２の位置との間を移動し得るとともに、前記第２の位置に復帰しようとするバネ力が生ずるように、設けられたことを特徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項３】
前記第１の電極部と前記第２の電極部とが対向して配置され、
前記可動部は、前記可動部が前記第１の位置に位置するときには前記第１及び第２の電極部間の間隔が狭まるとともに前記可動部が前記第２の位置に位置するときには前記間隔が広がるように、バネ性を有するバネ性部を介して前記固定部に対して機械的に接続され、
前記バネ力が前記バネ性部により生ずることを特徴とする請求項２記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項４】
固定部と、該固定部に対して移動し得るように設けられた可動部と、を備え、
前記固定部は第１の電極部を有し、
前記可動部は、前記第１の電極部との間の電圧により前記第１の電極部との間に静電力を生じ得る第２の電極部と、磁界内に配置されて通電によりローレンツ力を生ずる電流経路と、を有し、
前記固定部は第３の電極部を有し、
前記可動部は、前記第３の電極部との間の電圧により前記第３の電極部との間に静電力を生じ得る第４の電極部を有し、
前記電流経路は、前記第１及び第２の電極部間に生ずる静電力が増大するとともに前記第３及び第４の電極部間に生ずる静電力が低下する第１の位置、並びに、前記第１及び第２の電極部間に生ずる静電力が低下するとともに前記第３及び第４の電極部間に生ずる静電力が増大する第２の位置に、それぞれ前記可動部を移動させるような各方向にローレンツ力を生じ得るように、配置された、
ことを特徴とするマイクロアクチュエータ。
【請求項５】
前記第２の電極部と前記第４の電極部とが兼用されたことを特徴とする請求項４記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項６】
前記可動部は、前記第１及び第２の位置間の所定位置に復帰しようとするバネ力が生ずるように、設けられたことを特徴とする請求項４又は５記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項７】
前記第１の電極部は、前記可動部に対する一方の側において、前記第２の電極部と対向して配置され、
前記第３の電極部は、前記可動部に対する他方の側において、前記第４の電極部と対向して配置され、
前記可動部は、前記可動部が前記第１の位置に位置するときには前記第１及び第２の電極部間の第１の間隔が狭まるとともに前記第３及び第４の電極部間の第２の間隔が広がり、前記可動部が前記第２の位置に位置するときには前記第１の間隔が広がるとともに前記第２の間隔が狭まるように、バネ性を有するバネ性部を介して前記固定部に対して機械的に接続され、
前記バネ力が前記バネ性部により生ずることを特徴とする請求項６記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項８】
請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロアクチュエータと、
前記磁界を発生させる磁界発生部と、
前記第１及び第２の電極部間の電圧並びに前記電流経路に流れる電流を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするマイクロアクチュエータ装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置へ移動させる際には、前記ローレンツ力によってあるいは前記ローレンツ力及び前記静電力によって前記可動部が前記第１の位置へ移動するように、前記電圧及び前記電流を制御し、
前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置に保持している少なくとも定常的な保持状態においては、前記静電力によって前記可動部が前記第１の位置に保持されるように前記電圧を制御するとともに、前記電流を流さないように制御する、
ことを特徴とする請求項８記載のマイクロアクチュエータ装置。
【請求項１０】
請求項４乃至７のいずれかに記載のマイクロアクチュエータと、
前記磁界を発生させる磁界発生部と、
前記第１及び第２の電極部間の電圧、前記第３及び第４の電極部間の電圧並びに前記電流経路に流れる電流を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするマイクロアクチュエータ装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置へ移動させる際には、前記ローレンツ力によって、あるいは、前記ローレンツ力及び前記第１及び第２の電極部間の前記静電力によって、前記可動部が前記第１の位置へ移動するように、前記第１及び第２の電極部間の電圧、前記第３及び第４の電極部間の電圧並びに前記電流経路に流れる電流を制御し、
前記制御部は、前記可動部を前記第２の位置へ移動させる際には、前記ローレンツ力によって、あるいは、前記ローレンツ力及び前記第３及び第４の電極部間の前記静電力によって、前記可動部が前記第２の位置へ移動するように、前記第１及び第２の電極部間の電圧、前記第３及び第４の電極部間の電圧並びに前記電流経路に流れる電流を制御し、
前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置に保持している少なくとも定常的な保持状態においては、前記第１及び第２の電極部間の前記静電力によって前記可動部が前記第１の位置に保持されるように、前記第１及び第２の電極部間の電圧並びに前記第３及び第４の電極部間の電圧を制御するとともに、前記電流を流さないように制御し、
前記制御部は、前記可動部を前記第２の位置に保持している少なくとも定常的な保持状態においては、前記第３及び第４の電極部間の前記静電力によって前記可動部が前記第２の位置に保持されるように、前記第１及び第２の電極部間の電圧並びに前記第３及び第４の電極部間の電圧を制御するとともに、前記電流を流さないように制御する、
ことを特徴とする請求項１０記載のマイクロアクチュエータ装置。
【請求項１２】
請求項１乃至７のいずれかに記載のマイクロアクチュエータと、前記可動部に設けられたミラーと、を備えたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項１３】
請求項１２記載の光スイッチを複数備え、該複数の光スイッチが２次元状に配置されたことを特徴とする光スイッチアレー。
【請求項１４】
複数のスイッチング素子を含む回路であって、前記複数の光スイッチの各行ごとの行選択信号及び前記複数の光スイッチの各列ごとの列選択信号に応答して、選択された行及び列の光スイッチに対して前記電流及び前記電圧の制御を行う回路を、備えたことを特徴とする請求項１３記載の光スイッチアレー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロアクチュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ装置、光スイッチ及び光スイッチアレーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシニング技術の進展に伴い、種々の分野においてアクチュエータの重要性が高まっている。マイクロアクチュエータが用いられている分野の一例として、例えば、光通信などに利用され光路を切り替える光スイッチを挙げることができる。このような光スイッチの一例として、例えば、特開平２００１−４２２３３号公報に開示された光スイッチを挙げることができる。
【０００３】
マイクロアクチュエータは、一般的に、固定部と、所定の力にて移動可能とされた可動部とを有し、前記所定の力にて所定の位置に保持されるようになっている。従来のマイクロアクチュエータでは、前記所定の力として静電力が用いられることが多かった。例えば、特開平２００１−４２２３３号公報に開示された光スイッチにおいて採用されているマイクロミラーを移動させるマイクロアクチュエータでは、静電力により、可動部を上方位置（マイクロミラーが入射光を反射させる位置）と下方位置（マイクロミラーが入射光をそのまま通過させる位置）に移動させてその位置に保持している。
【０００４】
このような静電力を利用するマイクロアクチュエータでは、固定部に第１の電極部を配置し、可動部に第２の電極部を配置し、第１及び第２の電極部間に電圧を印加して両者の間に静電力を発生させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような静電力を用いる従来のマイクロアクチュエータでは、静電力で可動部を移動させて静電力で所定の位置に保持していたので、可動部の可動範囲を広くすることが困難であった。
【０００６】
平行平板の電極間に働く静電力Ｆ１は、誘電率ε、電位差Ｖ、電極間距離ｄ、電極面積Ｓを用いると、下記の数１に示す通りとなる。
【０００７】
【数１】
Ｆ１＝ε×Ｖ２×Ｓ／２ｄ２
【０００８】
数１からわかるように、電極間距離ｄが大きくなると、その２乗に反比例して静電力Ｆ１が急激に小さくなる。したがって、前記従来のマイクロアクチュエータでは、電極間距離ｄがある距離以上になると可動部を移動させることが困難となり、可動部の可動範囲を広くすることが困難であった。また、大きな電極間距離ｄに対して十分な静電力Ｆ１を得ようとして電位差（電極間の電圧）Ｖを大きくすると、絶縁耐力の点で問題が生じたり、高電圧発生部が必要になったりする。また、大きな電極間距離ｄに対して十分な静電力Ｆ１を得ようとして電極面積Ｓを大きくすると、寸法が大きくなり、小型化というマイクロアクチュエータの本来的な趣旨を損なうことになる。
【０００９】
そこで、本発明者は、研究の結果、マイクロアクチュエータにおいて、静電力の代わりにローレンツ力を用いることを着想するに至った。
【００１０】
ローレンツ力Ｆ２（Ｎ）は、磁束密度をＢ（Ｔ）、電線の長さをＬ（ｍ）、電流をＩ（Ａ）とすると、下記の数２で示す通りとなることが知られている。
【００１１】
【数２】
Ｆ２＝Ｉ×Ｂ×Ｌ
【００１２】
数２には電線の位置を規定する項目がないので、一定の磁束密度の中では、電線の位置が変わっても、発生するローレンツ力Ｆ２は変化しない。
【００１３】
マイクロアクチュエータにおいて、可動部に前記電線に相当する電流経路を設け、この電流経路に対して磁場をかけ、前記電流経路に電流を流せば、可動部にローレンツ力を作用させることができる。可動部の可動範囲が従来に比べて広くても、その範囲において略一様の磁場をかけておくことは、例えば磁石を用いるなどにより、容易である。したがって、可動部の可動範囲が広くても、可動部の位置に拘わらず可動部に一定の力を作用させることができる。すなわち、マイクロアクチュエータにおいて、静電力の代わりにローレンツ力を用いれば、可動部の位置によって駆動力が変化する静電力を用いる場合とは異なり、可動部の位置に無関係に一定の駆動力を得ることが、原理的にできるのである。
【００１４】
例えば、電極間隔が５０μｍ、電極形状が５０μｍ角、電圧が５Ｖ、誘電率が１であれば、前記数１の静電力Ｆ１は０．１ｎＮとなる。一方、５０μｍ角の電極に５０μｍの長さの電流経路を作成し、磁束密度０．１Ｔの磁場をかければ、電流を１ｍＡ流したときに５ｎＮのローレンツ力が発生する。５ｎＮ以上の力を静電力で得るためには、電極間隔を７μｍ以下するかあるいは電極形状を３５０μｍ角以上にしなければならず、同じ駆動力を得るにはローレンツ力の方が有利であることがわかる。
【００１５】
なお、例えば、２０ｍｍ角のネオジミウム鉄ボロン系磁石をマイクロアクチュエータから２ｍｍ離れた位置に配置すれば、０．１Ｔの磁束密度は容易に得られる。
【００１６】
このように、マイクロアクチュエータにおいて、静電力の代わりにローレンツ力を用いれば、高い電圧をかけたり小型化を損なったりすることなく、可動部の可動範囲を広げることができる。
【００１７】
ところが、マイクロアクチュエータにおいて静電力の代わりにローレンツ力を用いると、新たな問題が生ずることが判明した。すなわち、静電力の代わりにローレンツ力を用いる場合には、ローレンツ力により可動部を所定位置まで移動させ、ローレンツ力により可動部をその位置に保持し続けることになる。したがって、ローレンツ力を発生させるための電流を常に流し続けることになるため、消費電力が著しく増大してしまう。
【００１８】
例えば、大規模光スイッチの応用では、数万個のアクチュエータを一つの光スイッチ装置の中に持つため、各アクチュエータの低消費電力化が強く要求される。例えば、１００×１００チャネルの光スイッチでは、チャネルを選択するための例えばＭＯＳスイッチを半導体基板上に製作することが必須である。ＭＯＳスイッチの抵抗を１０ｋΩとすると、そこに１ｍＡの電流を流し続けた場合、１つのＭＯＳスイッチの消費電力は１０ｍＷとなる。これが１万個あるので合計では１００Ｗもの消費電力となり、発熱が大き過ぎるため実用上問題がある。
【００１９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高い電圧をかけたり小型化を損なったりすることなく、可動部の可動範囲を広げることができ、しかも、消費電力を低減することができる、マイクロアクチュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ装置、光スイッチ及び光スイッチアレーを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、更なる研究の結果、マイクロアクチュエータにおいて、静電力の利用とローレンツ力の利用とを結合し得るように構成することにより、前述した目的を達成し得ることを見出した。すなわち、固定部と該固定部に対して移動し得るように設けられた可動部とを備えたマイクロアクチュエータにおいて、可動部に静電力を作用させ得るようにするための電極部を固定部及び可動部にそれぞれ設け、可動部にローレンツ力を作用させるための電流経路を可動部に設けておくことによって、前述した目的を達成し得ることを、見出した。
【００２１】
この手段を採用することによって、例えば、可動部の電極部と固定部の電極部との距離が大きい場合にはローレンツ力のみによって可動部を移動させ、可動部の電極部と固定部の電極部との距離が小さくなった場合には静電力のみによって可動部を保持することが、可能となる。これにより、高い電圧をかけたり小型化を損なったりすることなく、可動部の可動範囲を広げることができ、しかも、消費電力を低減することができる。
【００２２】
静電力駆動では、電気的にはコンデンサの充放電を行っているので、消費電力は、充放電時すなわち電圧の変化時点でのみ発生する。よって、光スイッチ等に用いるマイクロアクチュエータのように、可動部が頻繁に移動せず可動部が所定位置（固定部の電極部と可動部の電極部との間の距離が小さい位置）で保持されている期間が比較的長い場合には、可動部を所定位置に保持するための力を静電力のみで発生させれば、大幅に消費電力を低減させることができるのである。例えば、電極間の容量が１０ｐＦで、電圧が５Ｖで、可動部の移動が１分毎に１回起こる場合、静電駆動分の消費電力は４．２ｐＷとなる。このマイクロアクチュエータが１万個ある場合、合計の静電駆動分の消費電力は４２ｎＷとなる。また、固定部の電極部と可動部の電極との間の距離が小さい位置では、両者の間の電圧が比較的低くかつ電極面積が比較的狭くても、十分な大きさの静電力が得られる。
【００２３】
ローレンツ力駆動では、可動部の位置に無関係に一定の駆動力を得ることができるので、ローレンツ力で可動部を移動させれば、可動範囲を広げることができる。ローレンツ力の消費電力は、例えば、前述した例と同様にチャネルを選択するためのオンチップのＭＯＳスイッチの抵抗を１０ｋΩとすると、このＭＯＳスイッチに１ｍＡの電流を１分ごとに１０ｍｓｅｃ（可動部の移動期間に相当）流した場合、ローレンツ力駆動分の消費電力は１．７μＷとなる。マイクロアクチュエータが１万個ある場合、合計のローレンツ力駆動分の消費電力は、１７ｍＷとなり、前述した常時ローレンツ力駆動する場合の消費電力１００Ｗに比べて、大幅に低減される。全体としての消費電力のうちのほとんどはローレンツ力で占めるが、実用上大きな問題となるほどではない。
【００２４】
このように、マイクロアクチュエータの中に、静電力を発生させる仕組みとローレンツ力を発生させる仕組みの、両方を搭載することにより、例えば、可動部を所定位置で保持するための力は静電力で発生させて消費電力を低減する一方、可動電極と固定電極の間隔が広いときにはローレンツ力でアクチュエータを駆動して、高電圧の印加や電極面積の拡大を抑制しつつ可動範囲を拡大することが、可能となる。
【００２５】
本発明は、以上説明した本発明者の研究結果による新たな知見に基づいてなされたものである。
【００２６】
すなわち、前記課題を解決するため、本発明の第１の態様によるマイクロアクチュエータは、（ａ）固定部と、該固定部に対して移動し得るように設けられた可動部と、を備え、（ｂ）前記固定部は第１の電極部を有し、（ｃ）前記可動部は、前記第１の電極部との間の電圧により前記第１の電極部との間に静電力を生じ得る第２の電極部と、磁界内に配置されて通電によりローレンツ力を生ずる電流経路と、を有するものである。
【００２７】
本発明の第２の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第１の態様において、前記可動部が薄膜で構成されたものである。
【００２８】
本発明の第３の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第１又は第２の態様において、前記電流経路は、前記静電力が増大する第１の位置に前記可動部を移動させるような方向にローレンツ力を生じ得るように、配置されたものである。
【００２９】
本発明の第４の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第３の態様において、前記可動部は、前記第１の位置と前記静電力が低下又は消失する第２の位置との間を移動し得るとともに、前記第２の位置に復帰しようとする復帰力が生ずるように、設けられたものである。
【００３０】
本発明の第５の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第４の態様において、（ａ）前記第１の電極部と前記第２の電極部とが対向して配置され、（ｂ）前記可動部は、前記可動部が前記第１の位置に位置するときには前記第１及び第２の電極部間の間隔が狭まるとともに前記可動部が前記第２の位置に位置するときには前記間隔が広がるように、バネ性を有するバネ性部を介して前記固定部に対して機械的に接続され、（ｃ）前記復帰力が前記バネ性部により生ずるものである。
【００３１】
本発明の第６の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第１又は第２の態様において、前記固定部は第３の電極部を有し、前記可動部は、前記第３の電極部との間の電圧により前記第３の電極部との間に静電力を生じ得る第４の電極部を有するものである。
【００３２】
本発明の第７の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第６の態様において、前記第２の電極部と前記第４の電極部とが兼用されたものである。
【００３３】
本発明の第８の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第６又は第７の態様において、前記電流経路は、前記第１及び第２の電極部間に生ずる静電力が増大するとともに前記第３及び第４の電極部間に生ずる静電力が低下又は消失する第１の位置、並びに、前記第１及び第２の電極部間に生ずる静電力が低下又は消失するとともに前記第３及び第４の電極部間に生ずる静電力が増大する第２の位置に、それぞれ前記可動部を移動させるような各方向にローレンツ力を生じ得るように、配置されたものである。
【００３４】
本発明の第９の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第８の態様において、前記可動部は、前記第１及び第２の位置間の所定位置に復帰しようとする復帰力が生ずるように、設けられたものである。
【００３５】
本発明の第１０の態様によるマイクロアクチュエータは、前記第９のマイクロアクチュエータにおいて、（ａ）前記第１の電極部は、前記可動部に対する一方の側において、前記第２の電極部と対向して配置され、（ｂ）前記第３の電極部は、前記可動部に対する他方の側において、前記第４の電極部と対向して配置され、（ｃ）前記可動部は、前記可動部が前記第１の位置に位置するときには前記第１及び第２の電極部間の第１の間隔が狭まるとともに前記第３及び第４の電極部間の第２の間隔が広がり、前記可動部が前記第２の位置に位置するときには前記第１の間隔が広がるとともに前記第２の間隔が狭まるように、バネ性を有するバネ性部を介して前記固定部に対して機械的に接続され、（ｄ）前記復帰力が前記バネ性部により生ずるものである。
【００３６】
本発明の第１１の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第１乃至第５のいずれかの態様によるマイクロアクチュエータと、前記磁界を発生させる磁界発生部と、前記第１及び第２の電極部間の電圧並びに前記電流経路に流れる電流を制御する制御部と、を備えたものである。
【００３７】
本発明の第１２の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第１１の態様において、（ａ）前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置へ移動させる際には、前記ローレンツ力によってあるいは前記ローレンツ力及び前記静電力によって前記可動部が前記第１の位置へ移動するように、前記電圧及び前記電流を制御し、（ｂ）前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置に保持している少なくとも定常的な保持状態においては、前記静電力によって前記可動部が前記第１の位置に保持されるように前記電圧を制御するとともに、前記電流を流さないように制御するものである。
【００３８】
本発明の第１３の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第６乃至第１０のいずれかの態様によるマイクロアクチュエータと、前記磁界を発生させる磁界発生部と、前記第１及び第２の電極部間の電圧、前記第３及び第４の電極部間の電圧並びに前記電流経路に流れる電流を制御する制御部と、を備えたものである。
【００３９】
本発明の第１４の態様によるマイクロアクチュエータ装置は、前記第１３の態様において、（ａ）前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置へ移動させる際には、前記ローレンツ力によって、あるいは、前記ローレンツ力及び前記第１及び第２の電極部間の前記静電力によって、前記可動部が前記第１の位置へ移動するように、前記第１及び第２の電極部間の電圧、前記第３及び第４の電極部間の電圧並びに前記電流経路に流れる電流を制御し、（ｂ）前記制御部は、前記可動部を前記第２の位置へ移動させる際には、前記ローレンツ力によって、あるいは、前記ローレンツ力及び前記第３及び第４の電極部間の前記静電力によって、前記可動部が前記第２の位置へ移動するように、前記第１及び第２の電極部間の電圧、前記第３及び第４の電極部間の電圧並びに前記電流経路に流れる電流を制御し、（ｃ）前記制御部は、前記可動部を前記第１の位置に保持している少なくとも定常的な保持状態においては、前記第１及び第２の電極部間の前記静電力によって前記可動部が前記第１の位置に保持されるように、前記第１及び第２の電極部間の電圧並びに前記第３及び第４の電極部間の電圧を制御するとともに、前記電流を流さないように制御し、（ｄ）前記制御部は、前記可動部を前記第２の位置に保持している少なくとも定常的な保持状態においては、前記第３及び第４の電極部間の前記静電力によって前記可動部が前記第２の位置に保持されるように、前記第１及び第２の電極部間の電圧並びに前記第３及び第４の電極部間の電圧を制御するとともに、前記電流を流さないように制御するものである。
【００４０】
本発明の第１５の態様による光スイッチは、前記第１乃至第１０のいずれかの態様によるマイクロアクチュエータと、前記可動部に設けられたミラーと、を備えたものである。
【００４１】
本発明の第１６の態様による光スイッチアレーは、前記第１５の態様による光スイッチを複数備え、該複数の光スイッチが２次元状に配置されたものである。
【００４２】
本発明の第１７の態様による光スイッチアレーは、前記第１６の態様において、複数のスイッチング素子を含む回路であって、前記複数の光スイッチの各行ごとの行選択信号及び前記複数の光スイッチの各列ごとの列選択信号に応答して、選択された行及び列の光スイッチに対して前記電流及び前記電圧の制御を行う回路を、備えたものである。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるマイクロアクチュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ装置、光スイッチ及び光スイッチアレーについて、図面を参照して説明する。
【００４４】
［第１の実施の形態］
【００４５】
図１は、本発明の第１の実施の形態による光スイッチアレー１を備えた光スイッチシステムの一例を示す概略構成図である。説明の便宜上、図１に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する（後述する図についても同様である。）。光スイッチアレー１の基板１１の面がＸＹ平面と平行となっている。なお、説明の便宜上、Ｚ軸方向の＋側を上側、Ｚ軸方向の−側を下側という。
【００４６】
この光スイッチシステムは、図１に示すように、光スイッチアレー１と、Ｍ本の光入力用光ファイバ２と、Ｍ本の光出力用光ファイバ３と、Ｎ本の光出力用光ファイバ４と、光スイッチアレー１に対して後述するように磁界を発生する磁界発生部としての磁石５と、光路切替状態指令信号に応答して、当該光路切替状態指令信号が示す光路切換状態を実現するための制御信号を光スイッチアレー１に供給する外部制御回路６と、を備えている。図１に示す例では、Ｍ＝３、Ｎ＝３となっているが、Ｍ及びＮはそれぞれ任意の数でよい。
【００４７】
本実施の形態では、磁石５は、図１に示すように、Ｙ軸方向の＋側がＮ極に−側がＳ極に着磁された板状の永久磁石であり、光スイッチアレー１の下側に配置され、光スイッチアレー１に対して磁力線５ａで示す磁界を発生している。すなわち、磁石５は、光スイッチアレー１に対して、Ｙ軸方向に沿ってその−側へ向かう略均一な磁界を発生している。もっとも、磁界発生部として、磁石５に代えて、例えば、他の形状を有する永久磁石や、電磁石などを用いてもよい。
【００４８】
光スイッチアレー１は、図１に示すように、基板１１と、基板１１上に配置されたＭ×Ｎ個のミラー１２とを備えている。Ｍ本の光入力用光ファイバ２は、基板１１に対するＸ軸方向の一方の側からＸ軸方向に入射光を導くように、ＸＹ平面と平行な面内に配置されている。Ｍ本の光出力用光ファイバ３は、Ｍ本の光入力用光ファイバ２とそれぞれ対向するように基板１１に対する他方の側に配置され、光スイッチアレー１のいずれのミラー１２によっても反射されずにＸ軸方向に進行する光が入射するように、ＸＹ平面と平行な面内に配置されている。Ｎ本の光出力用光ファイバ４は、光スイッチアレー１のいずれかのミラー１２により反射されてＹ軸方向に進行する光が入射するように、ＸＹ平面と平行な面内に配置されている。Ｍ×Ｎ個のミラー１２は、Ｍ本の光入力用光ファイバ２の出射光路と光出力用光ファイバ４の入射光路との交差点に対してそれぞれ、後述するマイクロアクチュエータにより進出及び退出可能にＺ軸方向に直線移動し得るように、２次元マトリクス状に基板１１上に配置されている。なお、本例では、ミラー１２の向きは、その法線がＸＹ平面と平行な面内においてＸ軸と４５゜をなすように設定されている。もっとも、その角度は適宜変更することも可能であり、ミラー１２の角度を変更する場合には、その角度に応じて光出力用光ファイバ４の向きを設定すればよい。
【００４９】
この光スイッチシステムの光路切替原理自体は、従来の２次元光スイッチの光路切替原理と同様である。
【００５０】
次に、図１中の光スイッチアレー１の単位素子としての１つの光スイッチの構造について、図２乃至図５を参照して説明する。図２は、１つの光スイッチを示す概略平面図である。図３は、図２中のＸ１−Ｘ２線に沿った概略断面図である。図４は、図２中のＹ１−Ｙ２線に沿った概略断面図である。図５は、図３に対応する概略断面図であり、ミラー１２が下側に保持された状態を示している。なお、図３は、ミラー１２が上側に保持された状態を示している。
【００５１】
この光スイッチは、前述したミラー１２及び固定部としての前記基板１１の他に、基板１１に対して移動し得るように設けられた可動部としての可動板２１を備えている。基板１１には、可動板２１が進入する領域となる凹部１３が形成されている。本実施の形態では、基板１１としてシリコン基板等の半導体基板が用いられ、基板１１における可動板２１との対向部分が第１の電極部を構成している。もっとも、基板１１とは別に、基板１１上に金属膜等により第１の電極部を形成してもよい。
【００５２】
可動板２１は、薄膜で構成され、下側絶縁膜２２と、下側絶縁膜２２上に形成された２つの第２の電極部２３ａ，２３ｂと、下側絶縁膜２２上に形成され電極部２３ａ，２３ｂをそれぞれ基板１１の所定箇所に電気的に接続するための配線パターン２４ａ，２４ｂの一部と、下側絶縁膜２２上に形成され図１中の磁石５により生じた磁界内に配置されて通電によりローレンツ力を生ずる電流経路としてのコイル層２５と、これらの上側を覆う上側絶縁膜２６と、を有している。第２の電極部２３ａ，２３ｂは、前記第１の電極部を構成している基板１１との間の電圧により基板１１との間に静電力を生じ得るものである。
【００５３】
絶縁膜２２，２６としては、例えば、ＳｉＮ膜又はＳｉＯ２膜などを用いることができる。電極部２３ａ，２３ｂ、配線パターン２４ａ，２４ｂ及びコイル層２５としては、例えば、Ａｌ膜等の金属膜などを用いることができる。なお、電極部２３ａ，２３ｂ、配線パターン２４ａ，２４ｂの一部、及びコイル層２５は、上側絶縁膜２６で覆われているため、図２では本来隠れ線で示すべきであるが、図面表記の便宜上、上側絶縁膜２６で隠れた部分も実線で示している。ただし、コイル層２５におけるミラー１２で隠れた部分は隠れ線で示している。
【００５４】
本実施の形態では、可動板２１のＸ軸方向の両端部が、バネ性を有するバネ性部としてのフレクチュア部２７ａ，２７ｂと、アンカー部２８ａ，２８ｂとを、それぞれこの順に介して、基板１１における凹部１３の周辺部に機械的に接続されている。フレクチュア部２７ａ，２７ｂ及びアンカー部２８ａ，２８ｂは、可動板２１からそのまま連続して延びた、下側絶縁膜２２、前記配線パターン２４ａ，２４ｂの残りの部分、コイル層２５をそれぞれ基板１１の所定箇所に電気的に接続するための配線パターン２９ａ，２９ｂ、及び上側絶縁膜２６で構成されている。なお、配線パターン２９ａ，２９ｂは、コイル層２５を構成する金属膜等がそのまま連続して延びたものとなっている。配線パターン２４ａ，２４ｂ，２９ａ，２９ｂは、アンカー部２８ａ，２８ｂにおいて、下側絶縁膜２２に形成した穴（図示せず）を介して基板１１の所定箇所にそれぞれ電気的に接続されている。配線パターン２４ａ，２４ｂは、基板１１に形成された配線（図示せず）により、電気的に共通に接続されている。
【００５５】
フレクチュア部２７ａ，２７ｂは図２に示すように平面視で曲がりくねった形状を有している。これにより、可動板２１は、上下に（Ｚ軸方向に）移動し得るようになっている。すなわち、本実施の形態では、可動板２１は、可動板２１に静電力及びローレンツ力が作用してないときにフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力（復帰力）により復帰する上側位置（第２の位置）（図３及び図４参照）と、可動板２１が基板１１の凹部１３に進入してその底部に当接する下側位置（第１の位置）（図５参照）との間を、移動し得るようになっている。図３及び図４に示す上側位置では、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと第１の電極部としての基板１１との間隔が広がって、両者の間に生じ得る静電力は低下又は消失する。図５に示す下側位置では、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと第１の電極部としての基板１１との間隔が狭まって、両者の間に生じ得る静電力は増大する。
【００５６】
コイル層２５は、前記静電力が増大する図５に示す下側位置に可動板２１を移動させるような方向（下方向）にローレンツ力を生じ得るように、配置されている。具体的には、本実施の形態では、前述したように図１中の磁石５によりＹ軸方向に沿ってその−側へ向かう磁界が発生されているので、コイル層２５は、図１に示すように、Ｘ軸方向に延びるように配置されている。
【００５７】
ミラー１２は、可動板２１の上面に直立して固定されている。前述したように、ミラー１２の反射面の向きは、その法線がＸＹ平面と平行な面内においてＸ軸と４５゜をなすように設定されている。
【００５８】
前述した光スイッチの構造のうちミラー１２以外の構成要素によって、ミラー１２を駆動するマイクロアクチュエータが構成されている。
【００５９】
次に、１つの光スイッチに着目して、その制御方法の一例とこれによる光スイッチの動作について、図６を参照して説明する。図６は、１つの光スイッチのコイル層２５に流れてローレンツ力を起こす電流（以下、「ローレンツ力用電流」という）と、当該光スイッチの第１の電極部（基板１１）と可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂとの間に静電力を起こす両者間の電圧（以下、「静電力用電圧」という。）と、当該光スイッチのミラー１２の位置（したがって、可動板２１の位置）との、時間変化による関係を示す、タイミングチャートである。
【００６０】
最初に、ローレンツ力用電流がゼロであるとともに静電力用電圧がゼロであり、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力により、ミラー１２が図３及び図４に示すように上側位置に保持されていたとする。この状態では、図３に示すように、入射光はミラー１２にて反射され紙面手前側に進行する。
【００６１】
その後、時刻Ｔ１において、ミラー１２の位置を図５に示す下側位置に切り替えるべく制御を開始する。すなわち、時刻Ｔ１において、ローレンツ力用電流を＋Ｉとする。ここで、＋Ｉは、コイル層２５に、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より強くかつ下向きのローレンツ力を発生させる電流である。
【００６２】
ミラー１２は、このローレンツ力により徐々に下降し、可動板２１が基板１１に当接した時刻Ｔ２で停止し、図５に示す下側位置に保持される。
【００６３】
このままローレンツ力によってミラー１２を下側位置に保持し続けるのではなく、時刻Ｔ３で静電力用電圧をＶとした後に、時刻Ｔ４でローレンツ力用電流をゼロにする。ここで、Ｖは、少なくとも、ミラー１２が下側位置に位置しているときにフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より強い静電力を発生させる電圧である。期間Ｔ２−Ｔ３ではローレンツ力のみによりミラー１２が下側位置に保持され、期間Ｔ３−Ｔ４ではローレンツ力及び静電力によりミラー１２が下側位置に保持され、時刻Ｔ４以降では静電力のみによりミラー１２が下側位置に保持される。期間Ｔ２−Ｔ４は、ミラー１２の下側位置への保持をローレンツ力から静電力に切り替えるいわば下側保持の過渡期間であり、期間Ｔ４以降がいわば下側保持の定常期間である。
【００６４】
ミラー１２が下側位置に保持された期間では、図５に示すように、入射光はミラー１２で反射されることなく、そのまま通過して出射光となる。
【００６５】
その後、時刻Ｔ５において、ミラー１２の位置を図３及び図４に示す上側位置に切り替えるべく制御を開始する。すなわち、時刻Ｔ５において、静電力用電圧をゼロにする。その結果、ミラー１２は、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力により比較的急激に図３及び図４に示す上側位置に戻り、当該バネ力により上側位置に保持され続ける。
【００６６】
このように、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと基板１１（第１の電極部）との間の間隔が大きいときに、ミラー１２の位置（可動板２１の位置）に大きさが依存しないローレンツ力により、ミラー１２をフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力に抗して下側位置に移動させている。したがって、静電力を高めるべく高い電圧をかけたり小型化を損なったりすることなく、可動板２１の可動範囲を広げることができる。また、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと基板１１（第１の電極部）との間の間隔が小さくなった下側位置の保持の定常状態では、静電力のみによってミラー１２を下側位置に保持しているので、消費電力を低減することができる。
【００６７】
なお、前述した例では、時刻Ｔ２と時刻Ｔ４との間の時刻Ｔ３で静電力用電圧をＶにしているが、期間Ｔ１−Ｔ４のいずれの時点で静電力用電圧をＶにしてもよいし、時刻Ｔ１の前に静電力用電圧をＶにしてもよい。また、可動板２１が上側位置に位置しているときに静電力用電圧をＶにした際に生ずる静電力がフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より小さいものであれば、時刻Ｔ５の後に可動板２１が上側位置に移動した後には、上側保持期間においても静電力用電圧をＶにしておいてもよい。後述する図８の例における右側の電圧リフレッシュ期間は、このような場合に相当する。
【００６８】
図１に示す光スイッチアレー１は、前述した単位素子としての図２乃至図５に示す光スイッチを複数有し、これらの光スイッチが２次元マトリクスに配置されている。また、図１に示す光スイッチアレー１には、これらの光スイッチの各々に対して前述したような制御を、少ない本数の制御線で実現するべく、複数のスイッチング素子を含む図７に示す回路が搭載されている。図７は、光スイッチアレー１を示す電気回路図である。
【００６９】
図７では、説明を簡単にするため、９個の光スイッチを３行３列に配置している。もっとも、その数は何ら限定されるものではなく、例えば１００行１００列の光スイッチを有する場合も、原理は同一である。
【００７０】
図２乃至図５に示す単一の光スイッチは、電気回路的には、１個のコンデンサ（第２の電極２３ａと第１の電極（基板１１）とがなすコンデンサと、第２の電極２３ｂと第１の電極（基板１１）とがなすコンデンサとが、並列接続された合成コンデンサに相当）と、１個のコイル（コイル層２５に相当）と見なせる。図７では、ｍ行ｎ列の光スイッチのコンデンサ及びコイルをそれぞれＣｍｎ及びＬｍｎと表記している。例えば、図７中の左上の（１行１列の）光スイッチのコンデンサ及びコイルをそれぞれＣ１１及びＬ１１と表記している。
【００７１】
制御線の本数を減らすために、図７に示す回路では、コンデンサＣｍｎ及びコイルＬｍｎに対してそれぞれ、列選択スイッチＭｍｎｂ，Ｍｍｎｄと行選択スイッチＭｍｎａ，Ｍｍｎｃが設けられている。コンデンサＣｍｎの一端が行選択スイッチＭｍｎａの一端に接続され、行選択スイッチＭｍｎａの他端が列選択スイッチＭｍｎｂの一端に接続され、列選択スイッチＭｍｎｂの他端は電圧制御スイッチＭＣ１の一端及びＭＣ２の一端に接続されている。コンデンサＣｍｎの他端はグランドに接続されている。電圧制御スイッチＭＣ１の他端はクランプ電圧ＶＣに接続され、電圧制御スイッチＭＣ２の他端はグランドに接続されている。
【００７２】
また、コイルＬｍｎの一端が行選択スイッチＭｍｎｃの一端に接続され、行選択スイッチＭｍｎｃの他端が列選択スイッチＭｍｎｄの一端に接続され、列選択スイッチＭｍｎｄの他端は電流制御スイッチＭＣ３の一端に接続されている。コイルＬｍｎの他端はグランドに接続されている。電流制御スイッチＭＣ３の他端は前記電流＋Ｉを供給する電流源Ｉ１の一端に接続され、電流源Ｉ１の他端はグランドに接続されている。
【００７３】
スイッチング素子としての列選択スイッチＭｍｎｂ，Ｍｍｎｄ、行選択スイッチＭｍｎａ，Ｍｍｎｃ、電圧制御スイッチＭＣ１，ＭＣ２及び電流制御スイッチＭＣ３は、例えば、基板１１としてシリコン基板を用いた場合、基板１１に形成したＮ型ＭＯＳトランジスタで構成することができる。
【００７４】
１行目の行選択スイッチＭ１１ａ，Ｍ１１ｃ，Ｍ１２ａ，Ｍ１２ｃ，Ｍ１３ａ，Ｍ１３ｃ、のゲートは、端子Ｖ１に接続されている。同様に、２行目の行選択スイッチのゲートは端子Ｖ２に、３行目の行選択スイッチのゲートは端子Ｖ３にそれぞれ接続されている。
【００７５】
１列目の列選択スイッチＭ１１ｂ，Ｍ１１ｄ，Ｍ２１ｂ，Ｍ２１ｄ，Ｍ３１ｂ，Ｍ３１ｄのゲートは、端子Ｈ１に接続されている。同様に、２列目の列選択スイッチのゲートは端子Ｈ２に、３行目の列選択スイッチのゲートは端子Ｈ３にそれぞれ接続されている。
【００７６】
次に、各端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に印加する電圧のタイミングチャートの一例を、図８に示す。図８において、時刻ｔ１以前は、全ての光スイッチのコンデンサＣｍｎをクランプ電圧ＶＣにバイアスする電圧リフレッシュ期間である。したがって、この期間では、端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３は全てハイレベルとされて、全ての列選択スイッチＭｍｎｂ，Ｍｍｎｄ及び行選択スイッチＭｍｎａ，Ｍｍｎｃが導通状態になっている。また、この期間では、端子Ｃ１がハイレベルで端子Ｃ２がローレベルとされ、電圧制御スイッチＭＣ１が導通状態で電圧制御スイッチＭＣ２が不導通状態になっている。さらに、端子Ｃ３はローレベルとされ、電流制御スイッチＭＣ３が不導通状態となっている。電圧リフレッシュ期間では、ミラー１２は上側位置及び下側位置のいずれかに保持されている。図８の例では、時刻ｔ１以前の電圧リフレッシュ期間では、ミラー１２が下側位置に保持されている。
【００７７】
ところで、本実施の形態では、端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に印加する信号（電圧）は、図１中の外部制御回路６から制御信号として供給される。外部制御回路６は、例えば、光路切換状態指令信号に基づいて、現在の位置状態から変更すべき光スイッチを調べて、当該変更すべき光スイッチの１つずつについて、状態変更期間を１つずつ順次設定していく。現在の位置状態から変更すべき光スイッチがない場合には、前記電圧リフレッシュ期間を設定する。また、状態変更期間を複数設定する場合（つまり、現在の位置状態から変更すべき光スイッチの数が２つ以上の場合）には、各状態変更期間の間に電圧リフレッシュ期間を設定してもよいし、設定しなくてもよい。例えば、現在の位置状態から変更すべき光スイッチの数が３つある場合には、状態変更期間→電圧リフレッシュ期間→状態変更期間→電圧リフレッシュ期間→状態変更期間を設定してもよいし、連続して状態変更期間を設定してもよい。そして、設定した各状態変更期間においては、対応する光スイッチについて、指令された光路切換状態に応じて前述した図６に示すような制御が実現されるように、端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に印加する信号を供給する。なお、外部制御回路６を光スイッチアレー１に搭載してもよいことは、言うまでもない。
【００７８】
図８は、外部制御回路６により、電圧リフレッシュ期間→１行１列の光スイッチについての状態変更期間→電圧リフレッシュ期間が、設定された例である。図８の例では、時刻ｔ１以前の電圧リフレッシュ期間では、ミラー１２が下側位置に保持されている。時刻ｔ１で、１行１列の光スイッチについての状態変更期間が開始され、端子Ｖ２，Ｖ３，Ｈ２，Ｈ３がローレベルにされてコンデンサＣ１１以外のコンデンサが切り離される。次に、時刻ｔ３で端子Ｃ２がハイレベルにされ、Ｃ１１に充電されていた電荷が放電され、静電力用電圧がゼロにされる。この時刻ｔ３は図６中の時刻Ｔ５に対応している。これによって、静電力が無くなり、ミラー１２は、図３及び図５に示す上側位置に移動して保持される。次に、時刻ｔ４で端子Ｃ２がローレベルにされ、更に時刻ｔ５で端子Ｃ１がハイレベルにされる。その後、時刻ｔ６で、当該状態変更期間を終了し、電圧リフレッシュ期間とされる。
【００７９】
時刻ｔ１から時刻ｔ６までの期間では、１行１列以外の光スイッチのミラー１２の下側位置の保持は、各コンデンサに残っている電荷によって発生する電圧によっている。よって各コンデンサはＭＯＳスイッチが非導通状態で電荷のリークが小さくなるように作製することが、好ましい。
【００８０】
次に、本実施の形態による光スイッチアレー１の製造方法の一例について、図９及び図１０を参照して説明する。図９及び図１０の各図は、この製造工程を模式的に示す概略断面図であり、図４に対応している。
【００８１】
まず、前記基板１１となるべきシリコン基板３１に、図７中のスイッチＭｍｎａ，Ｍｍｎｂ，Ｍｍｎｃ，Ｍｍｎｄ，ＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ３となるＭＯＳトランジスタ（図示せず）を、通常のＭＯＳプロセスで形成する。また、シリコン基板１１に図７に示す回路を実現するのに必要な配線（図示せず）を形成する。この状態の基板３１の表面にＳｉＯ２膜３２を成膜する。次に、ＳｉＯ２膜３２上に下側絶縁膜２２となるべきＳｉＮ膜３３を成膜する。なお、ＳｉＯ２膜３２及びＳｉＮ膜３３には、基板３１に形成したＭＯＳトランジスタに配線パターン２４ａ，２４ｂ，２９ａ，２９ｂを接続すべき箇所に、接続用の穴をフォトエッチ法により形成しておく。この状態の基板３１上に、電極部２３ａ，２３ｂ、配線パターン２４ａ，２４ｂ，２９ａ，２９ｂ及びコイル層２５となるべきＡｌ膜３４を蒸着法等により形成した後、フォトエッチ法によりパターニングし、これらの形状とする。その後、上側絶縁膜２６となるべきＳｉＮ膜３５を成膜し、フォトエッチ法によりＳｉＮ膜３３，３５を、可動板２１、フレクチュア部２７ａ，２７ｂ及びアンカー部２８ａ，２８ｂの形状にパターニングする（図９（ａ））。
【００８２】
次に、図９（ａ）に示す状態の基板３１上にＳｉＯ２膜３６を成膜する。そして、ＳｉＯ２膜３６におけるミラー１２を形成すべき箇所、及び、ＳｉＯ２膜３２，３６におけるエッチングホールを形成すべき箇所を、除去する（図９（ｂ））。
【００８３】
次いで、図９（ｂ）に示す状態の基板にレジスト３７を厚塗りする。ここで、レジスト３７を露光、現像して、ミラー１２が成長される領域をレジスト３７に形成する（図９（ｃ））。その後、電解メッキによりミラー１２となるべきＡｕ、Ｎｉその他の金属３８を成長させる（図１０（ａ））。
【００８４】
次に、レジスト３７を除去した後、ＫＯＨ溶液をエッチングホールを介して注入し、基板３１の一部を除去する（図１０（ｂ））。最後に、残存しているＳｉＯ２膜３２，３６を除去する。これにより、本実施の形態による光スイッチアレー１が完成する。
【００８５】
［第２の実施の形態］
【００８６】
図１１は、本発明の第２の実施の形態による光スイッチアレーの単位素子としての１つの光スイッチを示す概略平面図である。図１１において、上側電極部４１は、本来実線で示すべきであるが、理解を容易にするため、想像線で示している。図１２は、図１１中のＸ３−Ｘ４線に沿った概略断面図である。図１３は、図１１中のＹ３−Ｙ４線に沿った概略断面図である。図１４は、図１２に対応する概略断面図であり、ミラー１２が上側に保持された状態を示している。図１５は、図１２に対応する概略断面図であり、ミラー１２が下側に保持された状態を示している。なお、図１２及び図１３は、前述した図３及び図４と同様に、可動板２１に静電力及びローレンツ力が作用してないときにフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力（復帰力）により復帰する位置に位置する状態を示しているが、本実施の形態では、この位置を中立位置と呼ぶ。
【００８７】
図１１乃至図１５において、図１乃至図５中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００８８】
本実施の形態による光スイッチアレーは、図１に示す光スイッチシステムにおいて、光スイッチアレー１に代えて用いることができるものである。本実施の形態による光スイッチアレーが図１中の光スイッチアレー１と異なる所は、その単位素子としての１つの光スイッチにおいて、可動板２１の上方に配置された上側電極部（第３の電極部）４１が追加されている点である。
【００８９】
上側電極部４１は、ポリシリコンを材料として形成されている。図１１乃至図１５において、４２ａ，４２ｂは上側電極アンカー部、４３ａ，４３ｂは立ち上がり部、４４は上側電極部４１の中央部に形成された貫通孔を示す。上側電極部４１は、立ち上がり部４３ａ，４３ｂ及び上側電極アンカー部４２ａ，４２ｂと一体に構成され、立ち上がり部４３ａ，４３ｂ及び上側電極アンカー部４２ａ，４２ｂをこの順に介して基板１１における凹部１３の周辺部に機械的に接続されている。このように、上側電極部４１は基板１に対して固定されているので、上側電極部４１は、基板１とともに固定部を構成している。
【００９０】
本実施の形態では、可動板２１の電極部２３ａ，２３ｂが、第１の電極部（基板１１）との間に静電力を生じ得る第２の電極部のみならず、上側電極部（第３の電極部）４１との間に静電力を生じ得る第４の電極部としても兼用されている。もっとも、このような兼用を行わずに、例えば、可動板２１において、絶縁膜２６上に当該第４の電極部となる金属膜等を形成し、更にその上に絶縁膜を形成してもよい。
【００９１】
また、本実施の形態では、可動板２１は、可動板２１が前記中立位置より上方に移動して上側電極部４１に当接する上側位置（第２の位置）（図１４参照）と、可動板２１が基板１１の凹部１３に進入してその底部に当接する下側位置（第１の位置）（図１５参照）との間を、移動し得るようになっている。図１４に示す上側位置では、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと第１の電極部としての基板１１との間隔が広がって、両者の間に生じ得る静電力は低下又は消失し、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと上側電極部（第３の電極部）４１との間の間隔が狭まって、両者の間に生じ得る静電力は増大する。一方、図１５に示す下側位置では、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと第１の電極部としての基板１１との間隔が狭まって、両者の間に生じ得る静電力は増大し、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと上側電極部（第３の電極部）４１との間の間隔が広がって、両者の間に生じ得る静電力は低下又は消失する。
【００９２】
本実施の形態では、第１の電極部（基板１１）と第３の電極部としての上側電極部４１とが、電気的に共通接続されている。これにより、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂを基準として、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと第１の電極部（基板１１）との間、及び、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと第３の電極部としての上側電極部４１との間に、同時にそれぞれ同じ電圧が印加されるようになっている。もっとも、第１の電極部（基板１１）と第３の電極部としての上側電極部４１と電気的に接続することなく、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと第１の電極部（基板１１）との間、及び、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと第３の電極部としての上側電極部４１との間に、それぞれ独立して電圧を印加し得るようにしてもよい。
【００９３】
なお、図１１乃至図１５に示す光スイッチの構造のうちミラー１２以外の構成要素によって、ミラー１２を駆動するマイクロアクチュエータが構成されている。
【００９４】
次に、本実施の形態において、１つの光スイッチに着目して、その制御方法の一例とこれによる光スイッチの動作について、図１６を参照して説明する。図１６は、１つの光スイッチのコイル層２５に流れてローレンツ力を起こす電流（以下、「ローレンツ力用電流」という）と、当該光スイッチの第１の電極部（基板１１）と可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂとの間及び当該光スイッチの可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと上部電極部（第３の電極部）との間にそれぞれ静電力を起こす各間の同じ電圧（以下、「静電力用電圧」という。）と、当該光スイッチのミラー１２の位置（したがって、可動板２１の位置）との、時間変化による関係を示す、タイミングチャートである。
【００９５】
最初に、ローレンツ力用電流がゼロであるとともに静電力用電圧がＶであり、可動板２１の電極部２３ａ，２３ｂと上側電極部４１との間の静電力により、ミラー１２が図１４に示すように上側位置に保持されていたとする。このとき、電圧Ｖは、電極部２３ａ，２３ｂと上側電極部４１との間の静電力がフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より強くなるように設定されている。この状態では、図１４に示すように、入射光はミラー１２にて反射され紙面手前側に進行する。
【００９６】
その後、時刻Ｔ１において、ミラー１２の位置を図１５に示す下側位置に切り替えるべく制御を開始する。すなわち、時刻Ｔ１において、静電力用電圧をゼロにする。その結果、ミラー１２は、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力により比較的急激に図１２及び図１３に示す中立位置に戻る。
【００９７】
その後、時刻Ｔ２において、ローレンツ力用電流を＋Ｉとする。ここで、＋Ｉは、コイル層２５に、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より強くかつ下向きのローレンツ力を発生させる電流である。
【００９８】
ミラー１２は、このローレンツ力により徐々に下降し、可動板２１が基板１１に当接した時刻Ｔ３で停止し、図１５に示す下側位置に保持される。
【００９９】
このままローレンツ力によってミラー１２を下側位置に保持し続けるのではなく、時刻Ｔ４で静電力用電圧をＶとした後に、時刻Ｔ５でローレンツ力用電流をゼロにする。ここで、電圧Ｖは、前述した値と同じであるが、ミラー１２が下側位置に位置しているときにフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より強い静電力を発生させる電圧に設定されている。期間Ｔ３−Ｔ４ではローレンツ力のみによりミラー１２が下側位置に保持され、期間Ｔ４−Ｔ５ではローレンツ力及び静電力によりミラー１２が下側位置に保持され、時刻Ｔ５以降では静電力のみによりミラー１２が下側位置に保持される。期間Ｔ３−Ｔ５は、ミラー１２の下側位置への保持をローレンツ力から静電力に切り替えるいわば下側保持の過渡期間であり、期間Ｔ５以降がいわば下側保持の定常期間である。
【０１００】
ミラー１２が下側位置に保持された期間では、図１５に示すように、入射光はミラー１２で反射されることなく、そのまま通過して出射光となる。
【０１０１】
その後、時刻Ｔ６において、ミラー１２の位置を図１４に示す上側位置に切り替えるべく制御を開始する。すなわち、時刻Ｔ６において、静電力用電圧をゼロにする。その結果、ミラー１２は、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力により比較的急激に図１２及び図１３に示す中立位置に戻る。
【０１０２】
その後、時刻Ｔ７において、ローレンツ力用電流を−Ｉとする。ここで、−Ｉは、コイル層２５に、フレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力より強くかつ上向きのローレンツ力を発生させる電流である。
【０１０３】
ミラー１２は、このローレンツ力により徐々に上昇し、可動板２１が上側電極部４１に当接した時刻Ｔ８で停止し、図１４に示す上側位置に保持される。
【０１０４】
このままローレンツ力によってミラー１２を上側位置に保持し続けるのではなく、時刻Ｔ９で静電力用電圧をＶとした後に、時刻Ｔ１０でローレンツ力用電流をゼロにする。期間Ｔ８−Ｔ９ではローレンツ力のみによりミラー１２が上側位置に保持され、期間Ｔ９−Ｔ１０ではローレンツ力及び静電力によりミラー１２が上側位置に保持され、時刻Ｔ１０以降では静電力のみによりミラー１２が上側位置に保持される。期間Ｔ８−Ｔ１０は、ミラー１２の上側位置への保持をローレンツ力から静電力に切り替えるいわば上側保持の過渡期間であり、期間Ｔ１０以降がいわば上側保持の定常期間である。
【０１０５】
このように、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと基板１１（第１の電極部）との間の間隔が大きいときに、ミラー１２の位置（可動板２１の位置）に大きさが依存しないローレンツ力により、ミラー１２をフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力に抗して下側位置に移動させている。また、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと上側電極部４１（第３の電極部）との間の間隔が大きいときに、ミラー１２の位置に大きさが依存しないローレンツ力により、ミラー１２をフレクチュア部２７ａ，２７ｂのバネ力に抗して上側位置に移動させている。したがって、静電力を高めるべく高い電圧をかけたり小型化を損なったりすることなく、可動板２１の可動範囲を広げることができる。また、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと基板１１（第１の電極部）との間の間隔が小さくなった下側位置の保持の定常状態、及び、可動板２１の第２の電極部２３ａ，２３ｂと上側電極部４１（第３の電極部）との間の間隔が小さくなった上側位置の保持の定常状態では、静電力のみによってミラー１２を上側位置に保持しているので、消費電力を低減することができる。
【０１０６】
なお、前述した例では、時刻Ｔ３と時刻Ｔ５との間の時刻Ｔ４で静電力用電圧をＶにしているが、期間Ｔ１−Ｔ４のいずれの時点で静電力用電圧をＶにしてもよい。同様に、前述した例では、時刻Ｔ８と時刻Ｔ１０との間の時刻Ｔ９で静電力用電圧をＶにしているが、期間Ｔ６−Ｔ９のいずれの時点で静電力用電圧をＶにしてもよい。
【０１０７】
本実施の形態による光スイッチアレー１は、前述した単位素子としての図１１乃至図１５に示す光スイッチを複数有し、これらの光スイッチが２次元マトリクスに配置されている。また、本実施の形態による光スイッチアレー１には、これらの光スイッチの各々に対して前述したような制御を、少ない本数の制御線で実現するべく、複数のスイッチング素子を含む図１７に示す回路が搭載されている。図１７は、本実施の形態による光スイッチアレーを示す電気回路図である。図１７において、図７中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０１０８】
図１７に示す回路が図７に示す回路と異なる所は、電流制御スイッチＭＣ４、及び、前記電流−Ｉを供給する電流源Ｉ２が追加されている。電流制御スイッチＭＣ４の一端が列選択スイッチＭｍｎｄの他端に接続され、電流制御スイッチＭＣ４の他端が電流源Ｉ２の一端に接続され、電流源Ｉ２の他端はグランドに接続されている。電流制御スイッチＭＣ４のゲートは端子Ｃ４に接続されている。
【０１０９】
なお、図１７において、ｍ行ｎ列の光スイッチのコンデンサＣｍｎは、第２の電極２３ａと第１の電極（基板１１）とがなすコンデンサと、第２の電極２３ｂと第１の電極（基板１１）とがなすコンデンサと、第２の電極２３ａと上側電極部４１（第３の電極部）とがなすコンデンサと、第２の電極２３ｂと上側電極部４１とがなすコンデンサとが、並列接続された合成コンデンサに相当している。
【０１１０】
次に、各端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に印加する電圧のタイミングチャートの一例を、図１８に示す。図１８において、時刻ｔ１以前は、全ての光スイッチのコンデンサＣｍｎをクランプ電圧ＶＣにバイアスする電圧リフレッシュ期間である。したがって、この期間では、端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３は全てハイレベルとされて、全ての列選択スイッチＭｍｎｂ，Ｍｍｎｄ及び行選択スイッチＭｍｎａ，Ｍｍｎｃが導通状態になっている。また、この期間では、端子Ｃ１がハイレベルで端子Ｃ２がローレベルとされ、電圧制御スイッチＭＣ１が導通状態で電圧制御スイッチＭＣ２が不導通状態になっている。さらに、端子Ｃ３，Ｃ４はローレベルとされ、電流制御スイッチＭＣ３，ＭＣ４が不導通状態となっている。電圧リフレッシュ期間では、ミラー１２は上側位置及び下側位置のいずれかに保持されている。
【０１１１】
ところで、本実施の形態では、端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に印加する信号（電圧）は、図１中の外部制御回路６に相当する外部制御回路から制御信号として供給される。この外部制御回路は、図１中の外部制御回路６と同様に、例えば、光路切換状態指令信号に基づいて、現在の位置状態から変更すべき光スイッチを調べて、当該変更すべき光スイッチの１つずつについて、状態変更期間を１つずつ順次設定していく。現在の位置状態から変更すべき光スイッチがない場合には、前記電圧リフレッシュ期間を設定する。また、状態変更期間を複数設定する場合（つまり、現在の位置状態から変更すべき光スイッチの数が２つ以上の場合）には、各状態変更期間の間に電圧リフレッシュ期間を設定してもよいし設定しなくてもよい。例えば、現在の位置状態から変更すべき光スイッチの数が３つある場合には、状態変更期間→電圧リフレッシュ期間→状態変更期間→電圧リフレッシュ期間→状態変更期間を設定してもよいし、連続して状態変更期間を設定してもよい。そして、設定した各状態変更期間においては、対応する光スイッチについて、指令された光路切換状態に応じて前述した図６に示すような制御が実現されるように、端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に印加する信号を供給する。なお、外部制御回路６を光スイッチアレー１に搭載してもよいことは、言うまでもない。
【０１１２】
図１８は、外部制御回路６により、電圧リフレッシュ期間→１行１列の光スイッチについての状態変更期間→電圧リフレッシュ期間が、設定された例である。図１８の例では、時刻ｔ１以前の電圧リフレッシュ期間では、ミラー１２が上側位置及び下側位置のいずれかに保持されている。時刻ｔ１で、１行１列の光スイッチについての状態変更期間が開始され、端子Ｖ２，Ｖ３，Ｈ２，Ｈ３がローレベルにされてコンデンサＣ１１以外のコンデンサが切り離される。次に、時刻ｔ３で端子Ｃ２がハイレベルにされ、Ｃ１１に充電されていた電荷が放電され、静電力用電圧がゼロにされる。これによって、静電力が無くなり、ミラー１２は、図１２及び図１３に示す中立位置に移動する。次に、時刻ｔ４で端子Ｃ２がローレベルにされた後、時刻ｔ５で端子Ｃ３がハイレベルにされてコイルＬ１１に電流＋Ｉが流される。移動させる向きが逆の時にはＣ３の代わりにＣ４をハイレベルにして−Ｉが流される。次に、時刻ｔ６で端子Ｃ１がハイレベルにしてコンデンサＣ１１を再度クランプ電圧ＶＣに充電することで、クランプが行なわれる。次に、時刻ｔ７で端子Ｃ３をローレベルにしてコイルＬ１１の電流を止める。その後、時刻ｔ８で、当該状態変更期間を終了し、電圧リフレッシュ期間とされる。
【０１１３】
なお、本実施の形態による光スイッチアレーは、基本的に、前記第１の実施の形態による光スイッチアレー１と同様に製造することができる。本実施の形態では、上側電極部４１が付加されているので、可動板２１と上部電極部４１との間の間隔に相当する犠牲層の形成を行った後に、上部電極部４１を形成するなどの、変更を適宜行えばよい。
【０１１４】
前述した各実施の形態において、電極部間に高い電圧をかけるとすれば、図７、図８中のＭＯＳトランジスタの耐圧を高く必要がある。しかし、耐圧の高いＭＯＳトランジスタは平面的なサイズが大きくなり、チップの小型化が困難となる。これに対し、前述した各実施の形態では、電極部間に高い電圧をかける必要がないので、平面的なサイズの小さいＭＯＳトランジスタを用いることができ、この点からも、小型化を図ることができる。
【０１１５】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【０１１６】
例えば、前述した各実施の形態は、複数の光スイッチを２次元状に配置した光スイッチアレーの例であったが、本発明は１つの光スイッチのみであってもよい。また、前述した各実施の形態は本発明によるマイクロアクチュエータを光スイッチに適用した例であったが、その用途に限定されるものではない。
【０１１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高い電圧をかけたり小型化を損なったりすることなく、可動部の可動範囲を広げることができ、しかも、消費電力を低減することができる、マイクロアクチュエータ、並びに、これを用いたマイクロアクチュエータ装置、光スイッチ及び光スイッチアレーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による光スイッチアレーを備えた光スイッチシステムの一例を示す概略構成図である。
【図２】図１中の光スイッチアレーを構成する１つの光スイッチを示す概略平面図である。
【図３】図２中のＸ１−Ｘ２線に沿った概略断面図である。
【図４】図２中のＹ１−Ｙ２線に沿った概略断面図である。
【図５】図３に対応する概略断面図である。
【図６】図１中の光スイッチアレーを構成する１つの光スイッチの、ローレンツ力用電流と静電力用電圧とミラーの位置との時間変化による関係を示す、タイミングチャートである。
【図７】図１中の光スイッチアレーを示す電気回路図である。
【図８】図７中の各端子に供給する信号を示すタイミングチャートである。
【図９】図１中の光スイッチアレーの各工程を模式的に示す概略断面図である。
【図１０】図１中の光スイッチアレーの他の各工程を模式的に示す概略断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態による光スイッチアレーを構成する１つの光スイッチを示す概略平面図である。
【図１２】図１１中のＸ３−Ｘ４線に沿った概略断面図である。
【図１３】図１１中のＹ３−Ｙ４線に沿った概略断面図である。
【図１４】図１２に対応する概略断面図である。
【図１５】図１２に対応する他の概略断面図である。
【図１６】図１１に示す１つの光スイッチの、ローレンツ力用電流と静電力用電圧とミラーの位置との時間変化による関係を示す、タイミングチャートである。
【図１７】本発明の第２の実施の形態による光スイッチアレーを示す電気回路図である。
【図１８】図１７中の各端子に供給する信号を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１  光スイッチアレー
２  光入力用光ファイバ
３，４  光出力用光ファイバ
５  磁石
６  外部制御回路
１１  基板（第１の電極部）
１２  ミラー
１３  凹部
２１  可動板
２３ａ，２３ｂ  第２の電極部
２５  コイル層（電流経路）
２７ａ，２７ｂ  フレクチュア部
４１  上部電極部（第３の電極部）
【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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【図１７】
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【図１８】
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