(57)【要約】【課題】本発明は、質量増加を抑え、反射面反りの損失を抑制し、動作角度の高精度化と接点での付着力への抗力を両立し、耐衝撃性、高速制御性及び動作安定性に優れたミラーデバイスを提供する。【解決手段】可動ミラー付き可動ミラー基板に対向するベース基板を有し、  前記可動ミラーと前記可動ミラー基板とを連結し、前記可動ミラーを前記可動ミラー基板に対して回動可能に支持する梁とを備え、  前記基体は反射面を有する部分よりも厚さの小さい肉薄部を有するとともに、前記肉薄部は反射面側において反射面を有する部分の高さと異なる高さの面を有し、  前記可動ミラーの回動の中心軸よりも端部の側には、剛性を有する可動ミラー端部と弾性を有する剥離用ばねを備え、  前記可動ミラーが、前記ベース基板と、可動ミラー端部及び剥離用ばねの両方で接する状態で回動姿勢を保持するミラーデバイス。【選択図】図２
2009075209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動ミラーを有する可動ミラー基板と前記可動ミラーに対向するベース基板を備え、
前記可動ミラーは一方の面に反射面を有し、
前記可動ミラーと前記可動ミラー基板とを連結し、前記可動ミラーを前記可動ミラー基板に対して回動可能に支持する梁とを備え、
前記反射面は前記可動ミラーの基体に形成された膜で構成され、
前記基体は前記反射面を有する部分よりも厚さの小さい肉薄部を有するとともに、前記肉薄部は少なくとも前記反射面を有する側の面において前記反射面を有する部分の高さと異なる高さの面を有し、
前記可動ミラーの回動の中心軸よりも端部の側には、剛性を有する可動ミラー端部と弾性を有する剥離用ばねを備え、
前記可動ミラーが、前記ベース基板と、可動ミラー端部及び剥離用ばねの両方で接する状態で回動姿勢を保持するミラーデバイス。
【請求項２】
前記反射面を有する側の面の反対側の面に形成されたミラー電極部と、前記ミラー電極部に対向して配置された駆動電極部とを備え、
前記可動ミラーは前記駆動電極部と前記ミラー電極部との間に印加される静電力によって駆動することを特徴とする請求項１に記載のミラーデバイス。
【請求項３】
前記反射面と前記ミラー電極部が略平行であることを特徴とする請求項２に記載のミラーデバイス。
【請求項４】
前記可動ミラーは前記梁を中心軸として回動し、前記中心軸は前記可動ミラーの面内方向の中央に位置し、前記反射面は前記中心軸に跨っていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のミラーデバイス。
【請求項５】
前記反射面を有する面側に、前記反射面を有する部分の他に、前記肉薄部よりも厚さが大きくなっている肉厚部を有していることを特徴とする請求項１〜４に記載のミラーデバイス。
【請求項６】
前記肉厚部が、少なくとも一部において前記肉薄部を挟んで、前記反射面を有する部分を枠状に包囲していることを特徴とする請求項５に記載のミラーデバイス。
【請求項７】
前記可動ミラーの厚さは、前記反射面を有する部分において最大となることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のミラーデバイス。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のミラーデバイスを、光偏向手段として用いた光部品。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載のミラーデバイスと、１以上の入力側光ファイバと、入力側コリメートレンズと、１以上の出力側光ファイバと、出力側コリメートレンズとを備え、
前記入力側光ファイバから射出される光ビームを前記マイクロミラーで偏向することで、該光ビームが再結合する出力側光ファイバを選択する光スイッチ。
【請求項１０】
請求項９に記載の光スイッチにおいて
集光光学系を用いて前記マイクロミラーの反射面に光ビームを集光することを特徴とする光スイッチ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光スイッチにおいて、
前記集光光学素子がシリンドリカルレンズであり、
前記入力側光ファイバが１本であり、前記出力側光ファイバが２本であり、
前記可動ミラーが、前記入力側光ファイバと前記出力側光ファイバのうちの一方の光ファイバとの間に光路を形成する第一の姿勢と、前記入力側光ファイバと前記出力側光ファイバのうちの他方の光ファイバとの間に光路を形成する第二の姿勢を選択可能であり、
前記第一の姿勢および前記第二の姿勢において可動ミラーが他の部材との接点を有することを特徴とする光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームを反射して光ビームの進行方向を変えるミラーデバイスおよびそれを用いた光スイッチ、光検出器等の光部品に係る。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ技術の光通信部品、光通信システムへの適用は多数提案されている。例えば、シリコン基板上に積層した多結晶シリコンを部材として形成したミラーデバイスが開示されている。該ミラーデバイスにおいてミラーは該ミラーと一体に形成された梁で支持されることで、基板上に浮いた状態で形成されている。該ミラーデバイスは静電駆動型のミラーデバイスであり、ミラー下部に形成された電極と該ミラーとの間に電位差を与えることで二軸回転動作を行うことができる。該ミラーにおけるミラー厚さは数μｍ程度である（特許文献１）。
【０００３】
別の例として、単結晶シリコン（Ｓｉ）層間に酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を挟み込んだＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板をエッチング加工することで、単結晶シリコンを部材として形成したミラーが開示されている。該ミラーは光クロスコネクトスイッチへの適用を目的としている（非特許文献１）。該ミラーは別途形成した電極形成基板上に配置し、該ミラー下部に配置した電極と該ミラーとの間に電位差を与えることで二軸回転動作を行うことができる。該ミラーにおけるミラー厚さはＳＯＩ基板を用いることで１０μｍとしている。
【０００４】
一方、ミラー動作を接点で規定するミラーデバイスにおいては接点における付着力がミラー動作を阻害する懸念があることが指摘されている。
接点における付着力に対抗するために接点部分に弾性を持たせバネとしての反発力を付与することで付着力に対抗する構造が開示されている(特許文献２)。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１-２２１９６２号公報
【特許文献２】米国特許第７，０２６，６２５号明細書
【非特許文献１】「コンファレンス  ダイジェスト  オブ2002  IEEE/LEOS  インターナショナルコンファレンス  オン  オプティカル  メムス（Conference Digest of 2002 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMs）」、2002年8月20-23日、p.11-12 (TuB1)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光通信用部品においては使用する光学部品の光学特性を確保することが極めて重要である。光学部品がミラーである場合には、確保すべき光学特性はミラーの反射面での反射で損失を発生させないことである。ミラーの反射面での損失は、反射率、反射面粗さに起因する散乱、あるいは反射面の反りやうねり等に起因する波面の乱れが、主原因として挙げられる。特許文献１に開示された例においては、反射面の粗さや反りに課題を有しており、低損失を実現することが困難である。非特許文献１に開示された例は、特許文献１での粗さや反りといった課題を解決することを目的の一つとして、バルクマイクロマシニングにてミラーを形成した例である。しかしながら、非特許文献１においても、特に温度変化を与えた場合の反りを抑制するためには、反射膜の成膜時に十分な配慮が必要である。ミラーの反りは、成膜した反射膜の残留応力および熱応力に対してミラーの厚さが十分に大きくないことが原因である。従って、ミラーの厚さを大きくすることで、光学特性を確保することは可能である。しかしながら、むやみにミラー厚を大きくすることは他の特性に影響を与える。具体的にはミラー質量の増大に伴い破損、とくに衝撃が加えられたときの破損、に対する耐性が低下する。更には動作速度の低下を引き起こし、高速制御性が低下する。耐衝撃性や高速制御性の低下を抑制するには、ミラーを支持するまたは保持する力を強くすることが解決策の一つであるが、例えば静電駆動式のミラーを用いる場合、静電駆動力が小さいので、支持力、保持力を強くすることが困難である。すなわち、従来のミラーでは、光学特性を確保することと、耐衝撃性や制御性を向上させることとを両立させることは困難であった。
【０００７】
また、前述の通り光通信用部品においては光学部品の光学特性を確保(堅持)すること、より具体的にはミラーの反射特性の確保(堅持)、が極めて重要である。同様に光通信用部品としての光学特性を確保(堅持)するために、光学部品の動作特性、より具体的にはミラーの動作角度、を高精度に確保(堅持)することが重要である。
【０００８】
しかしながら特許文献２の例においては、接点が弾性を有するため、ミラーの動作角度の高精度化が困難であった。また、接点の弾性がミラーの反りや変形を誘発する懸念もあった。
【０００９】
上記の課題に鑑み、本発明は、質量の増加を抑えつつ反射面の反り等に起因する損失を抑制し、かつ可動部材(具体的にはミラー)の動作角度の高精度化と接点での付着力への抗力を両立する構造を備えることで、(反り等の変形抑制と動作角度の高精度化の両方の意味での)光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性に優位で、動作安定性に優れたミラーデバイスを提供することを目的とする。
また該ミラーデバイスを適用することで、(反り等の変形抑制と動作角度の高精度化の両方の意味での)光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性において優位で、動作安定性に優れた光部品、光スイッチ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】
【００１０】
本発明は、可動ミラーを有する可動ミラー基板と前記可動ミラーに対向するベース基板を構成要素に持ち、
前記可動ミラーは一方の面に反射面を有し、
前記可動ミラーと前記可動ミラー基板とを連結し、前記可動ミラーを前記可動ミラー基板に対して回動可能に支持する梁を備え、
前記反射面は前記可動ミラーの基体に形成された膜で構成され、
前記基体は前記反射面を有する部分よりも厚さの小さい肉薄部を有するとともに、前記肉薄部は少なくとも前記反射面を有する側の面において前記反射面を有する部分の高さと異なる高さの面を有し、
前記可動ミラーの回動の中心軸よりも端部の側には、剛性を有する可動ミラー端部と弾性を有する剥離用ばねを備え、
前記可動ミラーが、前記ベース基板（第二の基板）と、可動ミラー端部及び剥離用ばねの両方で接する状態で回動姿勢を保持するミラーデバイスである。
【００１１】
前記可動ミラー端部又は前記弾性を有する剥離用ばねは、前記可動ミラーの回動に対する端部に設けられることが望ましい。
【００１２】
ミラーとしての機能に必要な反射面以外の部分で基体に肉薄部を設けることによって、反射面を有する部分には反りを抑制するために必要な厚さを確保しつつ可動ミラーの質量を削減することに加えて、可動ミラーが第二の基板と可動ミラー端部で接することで回動状態(動作角度、回転角度)を高精度に保持するとともに、剥離用ばねが接点での付着力に対抗する力(抗力)を与えることで、光学特性、耐衝撃性、高速制御性、動作安定性に優位なミラーデバイスを提供することができる。ここで、ばね（ｓｐｒｉｎｇ）は、コイル形状に限定されるものではなく、可撓性の部材や薄板ばね（ｆｌａｔ  ｓｐｒｉｎｇ）などを含む。
【００１３】
また、前記ミラーデバイスにおいて、前記反射面を有する側の面の反対側の面に形成されたミラー電極部と、前記ミラー電極部に対向して配置された駆動電極部とを備え、前記可動ミラーは、前記駆動電極部と前記ミラー電極部との間に印加される静電力によって駆動することが好ましい。本発明に係るミラーデバイスは、肉薄部を設けることにより効果的に可動ミラー質量が削減されているため、比較的駆動力の弱い前記構成の静電駆動型のミラーデバイスに特に好適である。また、肉薄部は、基体の反射面を有する側において面高さを変えることにより厚さを小さくして形成されているため、反射面を有する側の面の反対側の面は、駆動に必要な電極面を広く確保することが可能である。
【００１４】
さらに、前記ミラーデバイスにおいて、前記反射面と前記ミラー電極部が略平行であることが好ましい。かかる構成は、製造工程が煩雑になるのを防ぎ、生産性の向上に寄与する。
【００１５】
さらに、前記ミラーデバイスにおいて、前記可動ミラーは前記梁を中心軸として回動し、前記中心軸は前記可動ミラーの面内方向の中央に位置し、前記反射面は前記中心軸に跨っていることが好ましい。肉薄部よりも厚い反射面を有する部分が、中心軸に跨っていることにより、慣性モーメントの増大を効果的に抑制でき、制御性の向上に寄与する。
【００１６】
さらに、前記ミラーデバイスにおいて、前記反射面を有する面側に、前記反射面を有する部分の他に、前記肉薄部よりも厚さが大きくなっている肉厚部を有していることが好ましい。肉厚部を設けることは、可動ミラーの反りの抑制に効果的に作用し、光学特性の劣化の抑制に寄与する。
【００１７】
さらに、前記ミラーデバイスにおいて、前記肉厚部が、少なくとも一部において前記肉薄部を挟んで、前記反射面を有する部分を枠状に包囲していることが好ましい。枠状にした肉厚部は、可動ミラーを強固に支えるため、反りを抑制するうえでさらに好ましい。
【００１８】
さらに、前記ミラーデバイスにおいて、前記可動ミラーの厚さは、前記反射面を有する部分において最大となることが好ましい。該構成は容易に作製できるという利点がある他、慣性モーメントの低減に寄与する。
【００１９】
また、本発明の光部品は、前記いずれかのミラーデバイスを、光偏向手段として用いた光部品である。光学特性、耐衝撃性、高速制御性に有利な前記マイクロミラーを用いることにより、該特性をそのまま活かした光部品を実現できる。ここで、光部品とは、光スイッチ、光検出器等、広く光を対象とした部品であって、光偏向手段を必要とするものであればよい。
【００２０】
また、本発明の光スイッチは、前記いずれかに記載のマイクロミラーと、１以上の入力側光ファイバと、入力側コリメートレンズと、１以上の出力側光ファイバと、出力側コリメートレンズとを備え、
前記入力側光ファイバから射出される光ビームを前記ミラーデバイスで偏向することで、該光ビームが再結合する出力側光ファイバを選択する光スイッチである。本発明に係るミラーデバイスは、反りを抑制しつつ軽量化が図られるため、集積化が要求される光スイッチに好適に用いられる。
【００２１】
さらに、前記光スイッチにおいて、集光光学系を用いて前記ミラーデバイスの反射面に光ビームを集光することが好ましい。かかる構成は、光スイッチの小型化に寄与し、その結果光スイッチの集積化にも有利である。
【００２２】
さらに、前記光スイッチにおいて、前記集光光学素子がシリンドリカルレンズであり、前記入力側光ファイバが１本であり、前記出力側光ファイバが２本であり、前記可動ミラーが、前記入力側光ファイバと前記出力側光ファイバのうちの一方の光ファイバとの間に光路を形成する第一の姿勢と、前記入力側光ファイバと前記出力側光ファイバのうちの他方の光ファイバとの間に光路を形成する第二の姿勢を選択可能であり、前記第一の姿勢および前記第二の姿勢において可動ミラーが他の部材との接点を有することが好ましい。本発明に係るマイクロミラーを適用する、かかる構成の光スイッチは、各姿勢が安定していることから精度、信頼性が高く、また小型化にも寄与しうるものであり、本発明に係るマイクロミラーの効果と相俟って優れた光スイッチが実現可能である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、質量の増加を抑えつつ反射面の反り等に起因する損失を抑制し、かつ可動部材(具体的にはミラー)の動作角度の高精度化と接点での付着力への抗力を両立する構造を備えることで、(反り等の変形抑制と動作角度の高精度化の両方の意味での)光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性に優位で、動作安定性に優れたミラーデバイスを提供することができる。また該ミラーデバイスを適用することで、(反り等の変形抑制と動作角度の高精度化の両方の意味での)光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性において優位で、動作安定性に優れたな光部品、光スイッチ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】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照しつつ説明する。なお、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
【００２５】
(静電が好適)
図１は、本発明に係るミラーデバイスの一実施形態の断面図である。本実施形態では、駆動力として静電力を用いた静電駆動型のミラーデバイスを例に説明するが、駆動力は静電力に限定するものではなく、電磁力、ピエゾ素子、熱変形、バイモルフ素子等を駆動力としたミラーデバイスでもよい。ただし、本発明のミラーデバイスは、駆動力が弱い場合、あるいは駆動力が面積に比例する場合に好適であるので、静電駆動型のミラーデバイスとして構成することが最も効果的である。
【００２６】
図２は図１に示したミラーデバイスの上面図である。
可動ミラー１１１は一方の面に反射面１１２を有する。可動ミラー１１１は梁１１４によって可動ミラー基板１１０に連結され、梁１１４は可動ミラー１１１を可動ミラー基板１１０に対して回動可能に支持している。梁１１４は弾性を有しており、可動ミラーを挟んだ両側で一対の梁として可動ミラーに連結されている。可動ミラー１１１は梁１１４を中心軸として回動し、与えられる駆動力によって所定の角度範囲で傾斜するようにしてある。また可動ミラー１１１は該可動ミラー端部１１８から突出した剥離用ばね１９５を有する。剥離用ばね１９５は弾性を有する。
【００２７】
図１の実施形態では、電圧を印加するための電極基板１２０を可動ミラー１１１に対向して配置するとともに、可動ミラー１１１の反射面を有する一方の面の反対側、すなわち電極基板１２０と対向する側の面(対向面)にはミラー電極部１１３を設けてある。
ミラー電極部１１３と反射面１１２は略平行な平面である。これらを平行とした構成は、作製が容易であるとともに、高精度を確保しやすい。略平行とは、製造上の誤差程度は許容する意味である。反射面１１２は、例えば半導体あるいは半導体酸化物で構成された可動ミラーの基体１１９に反射膜１３２を形成することで構成されている。
【００２８】
前記基体１１９は、反射面を有する部分よりも厚さの小さい肉薄部１１７を有する。肉薄部１１７は反射面を有する側の面において前記反射面を有する部分の高さと異なる高さの面を有している。すなわち、反射面を有する側の面において、肉薄部の面は反射面を有する部分の面よりも低くなっており、これによって、図１に示したように、可動ミラー１１１に凹部が形成されている。
【００２９】
静電力等の駆動力を作用させるため、可動ミラーにはミラー電極部を確保するための大きさ、広がりが必要とされる。しかし、反射面は可動ミラー全面に形成されている必要はない。むしろ反射面１１２の面積は光ビームを反射するために必要十分な大きさに限定することが望ましい。一方、ミラー電極部１１３の面積はミラーデバイス１００の構成上不都合がない範囲でできるだけ大きくして強い駆動力を発生させることが望ましい。反射面１１２を有さない部分はできるだけ肉薄部とすることが望ましい。最も望ましい形態においては、肉薄部は梁および後述する剥離用ばねと同じ厚さで同じ平面位置に配置することである。
【００３０】
ここで反射面１１２の反りＲは、反射面を有する部分の基体１１９の厚さｈと基体１１９のヤング率Ｅと基体１１９のポアッソン比νと、反射膜１３２の厚さｔと反射膜１３２の応力σを用いて
Ｒ＝（Ｅ×ｈ２）/{６×（１−ν）×ｔ×σ}
で表される。
【００３１】
図１４に反射面を有する部分の基体の厚さと肉薄部の厚さの比と反り耐性の関係を示す。反り耐性の基準は反射面を有する部分の基体の厚さが肉薄部と同じ厚さであるときの値とした。反射面１１２を有する部分の厚みを肉薄部の３.２倍以上とすることで、反り耐性を１０倍以上向上させることができる。上記構成をとることによって、反射面１１２の反りを防止しつつ可動ミラー１１１の質量増大と慣性モーメント増大を抑制することができる。
【００３２】
本発明では、反射の機能に必要な広さの反射面は確保し、それ以外の部分において基体１１９に肉薄部を設けており、これにより可動ミラーの軽量化、高速制御性の向上が図られている。ミラーの反り等を防止するためには、基体１１９を厚くする必要があるが、本発明では肉薄部１１７を設けているので、ミラー質量の増加を抑えつつ、基体の厚さを大きくすることが可能である。
【００３３】
図１および図２に示す本実施形態では、反射面１１２を有する部分の他に、肉薄部１１７よりも厚さが大きい肉厚部１１６が、肉薄部１１７を囲んでいる。該肉厚部１１６は、反射面側から見て線状(即ち薄い壁が立っている状態)に形成されている。本実施形態では、反射面１１２を有する部分と肉厚部１１６の基体の厚さは等しくした。かかる肉厚部１１６は必ずしも設ける必要はないが、可動ミラーの反り、特に肉薄部１１７での反り防止の観点からは、反射面を有する部分の他に肉厚部を設けることが好ましい。可動ミラーの反り防止はミラーの動作角度を高精度に堅持する上で重要である。
【００３４】
反射面１１２を構成する部分の基体は梁１１４よりも厚く構成する。図１の構成では、可動ミラー１１１の厚さが、反射面１１２を有する部分において最大となっている。該構成は容易に作製できるという利点がある。この作製方法については後述する。
可動ミラー１１１には肉薄部１１７をできるだけ多く与えることが軽量化の面で望ましい。ただし、前記肉厚部１１６のように肉厚に構成されている部分を適宜与えても良い。なお肉薄部は梁１１４および後述する剥離用ばねと同じ厚さとすることが、作製が容易になるので望ましい。作製方法については後述する。
【００３５】
梁１１４は可動ミラー１１１を可動ミラー基板１１０に支持し、可動ミラー１１１の変位に対する復元力を与える。梁１１４はミラー電極部１１３を外部回路と電気的に接続する経路としての機能も有する。ただし、可動ミラー１１１のミラー電極部１１３と外部回路(図示せず)との電気的接続は図示していない。図２では梁１１４として折り返し梁を例示しているが、同図は梁構造を限定するものではない。例えば梁１１４は直梁であっても良く、折り返し数が増えても減っても良い。
【００３６】
図１では、回動の中心軸は、可動ミラーの面内方向の中央に位置しており、反射面１１２が、反射面側から見て中心軸１１５に跨がっている構成になっている。前記中央とは、可動ミラーの対称的動作を阻害しない誤差範囲内も許容する趣旨である。かかる構成とすることで可動ミラー１１１の慣性モーメントの増大を効果的に抑制でき、制御性の向上に寄与する。
【００３７】
(形状)
可動ミラー１１１は該可動ミラー端部１１８から突出した剥離用ばね１９５を有する。剥離用ばね１９５は弾性を有する構造とする。図２において前記剥離用ばね１９５は可動ミラー１１４の両側面に始点を有する薄く長い板状の形状を例示した。この場合、剥離用ばね１９５は、ある方向の回動に対して、２つの片持ち梁的に振る舞う。
【００３８】
(構造・製法)
剥離用ばね１９５は、望ましくは肉薄部１１７および梁１１４と同一平面内に形成すること、つまり同じ厚さに形成することが製造上望ましい。例えば、可動ミラー基板１１０をＳＯＩ(silicon on insulator)基板で形成する場合、肉薄部１１７、梁１１４、剥離用ばね１９５を同一Ｓｉ(シリコン)層に形成すると作製を容易にすることができる。
【００３９】
(動作)
可動ミラー１１１の回転動作と剥離用ばね１９５および可動ミラー端部１１８と電極基板１２０との接触関係を図３を用いて説明する。可動ミラー１１１が回動すると、可動ミラー端部１１８より先に剥離用ばね１９５が電極基板１１２と接触する(図３（ａ）)。剥離用ばね１９５は弾性を有するので、電極基板１１２と接触後、剥離用ばね１９５は変形し、可動ミラー端部１１８が電極基板１１２と接触する(図３（ｂ）)。可動ミラー端部を(剥離用ばね１９５に比べて十分に)剛体としたので、可動ミラー１１１の動作角度は高精度に保持できる。
この状態で剥離用ばね１９５は変形(弾性変形)している。可動ミラー端部１１８と電極基板１１２との接点には付着力が発生し得るが、剥離用ばね１９５の変形に対する復元力で、可動ミラー端部１１８と電極基板１１２との接点を開放する。さらに剥離用ばね１９５の変形を短時間で復元させることで剥離用ばね１９５と電極基板１１２との接点を開放する。
【００４０】
(原理:曲げ)
一般に静電駆動方式、特に例示した平板型の静電駆動方式においては、駆動力が小さいので梁１１４の剛性を大きくすることは難しい。梁１１４の剛性が小さいので前述した接点で発生し得る付着力への抗力が得難い。一方、剥離用ばね１９５は電極基板１１２と接した時点から変形を始める。このとき、ミラー電極部１１３と駆動電極部１２１が近接している。静電駆動力は距離の二乗に反比例するので、剥離用ばね１９５と電極基板１１２が接する状況では大きな静電駆動力が確保できる。従って、比較的剛性の高い剥離用ばね１９５であっても変形させることができる。剛性の高い剥離用ばね１９５は可動ミラー端部１１８と電極基板１１２との接点で生じ得る付着力に対し、大きな抗力を発揮できる。図９に同等の抗力を与える場合と梁と剥離用ばねに対し、可動ミラー端部と電極基板１１２を接触させるのに必要な駆動電圧を比較した。
【００４１】
(原理：剥離A)
剥離用ばね１９５の抗力よって、可動ミラー端部１１８と電極基板１１２の接点を非接点とすることができる。可動ミラー端部１１８と電極基板１１２が非接触となると、両者の接点に作用する付着力は消える。近接領域間に作用する付着力であっても、可動ミラー端部１１８と電極基板１１２との距離の拡大に伴い、付着力は低減する。
【００４２】
(原理：剥離B)
剥離用ばね１９５と電極基板１１２との接点においては、剥離用ばね１９５の接触長さを低減することで付着力を低減させることができる。ここで例えば、可動ミラー端部１１８の接触長さを低減させることは、可動ミラー１１１の動作角度精度に影響するので望ましくない。更に説明すると、剥離用ばね１９５がない状態で可動ミラー端部１１８の接触長さを低減させると、可動ミラー動作時の衝撃が直接可動ミラー端部１１８に加えられる。この衝撃は接触長さを低減したことで更に大きくなる。このとき生じるエネルギーが付着力に変換される可能性があり、また衝撃力での可動ミラー端部１１８あるいは電極基板１２０の破損の可能性もある。可動ミラー端部１１８あるいは電極基板１２０の破損は可動ミラー１１１の動作角度がすれる要因となる。一方、剥離用ばね１９５については、可動ミラー１１１の動作角度ずれを考慮することなく接触長さを低減させることができ、これによって、接点を低減し、付着力を低減させることができる。更に説明すると、剥離用ばね１９５は弾性を有するので可動ミラー動作時の衝撃時のエネルギー緩やかに作用する。可動ミラー端部と電極基板１１２の接触においても剥離用ばね１９５の効果で衝撃エネルギーが緩和された状態での衝突することができる。さらに剥離用ばね１９５の破損が生じても、剥離用ばね１９５自身の破損は可動ミラー１１４の動作角度には作用しない。さらに以下のメカニズムを利用することもできる。剥離用ばね１９５の変形を短時間で復元させることで、即ち静電駆動型のミラーデバイスにおいては、ミラー電極部１１３と駆動電極部１２１の電位差を急速に揃えることで、剥離用ばね１９５が自身の変形で蓄えたエネルギーを急速に開放させ、接点の付着力への抗力とすることができる。
【００４３】
図２は可動ミラー端部１１８の位置、形状を限定するものではない。例えば、図２では二箇所に分離させた可動ミラー端部を一箇所に統合しても良い。(ここで一箇所とは回動方向につき一箇所の意味である。)あるいは３箇所以上に分離させても良い。ミラー端部を肉薄部と同じ厚さで形成する場合、肉厚部からの突出量は５０μｍ以下とする。ミラー端部は肉厚部として形成することもできる。
【００４４】
図２は剥離用ばね１９５の位置、形状を限定するものではない。例えば、図２では可動ミラーの両側面に始点を持つ２本の剥離ばねを形成したが、これらを１本に統合することもできる。あるいは３本の剥離ばねを有する構図としても良い。また剥離ばねの先端形状は角型であっても、円型であっても良い。
【００４５】
いずれの場合も、剥離用ばね１９５の効果により、可動ミラー端部１１８が電極基板１２０に接触(衝突)するときの衝撃を緩和することができ、また接点に生じ得る付着力を剥離用ばね１９５からの抗力で解除することができる。
【００４６】
さらにトルクの大小関係を考慮して、剥離用ばね幅は可動ミラー端部（電極基板側と接触する部分）の幅より小さいことが望ましい。中心軸から可動ミラー端部までの長さをｘ、可動ミラー端部から剥離用ばねの先端までの距離をΔｘ、可動ミラー端部の幅の和をＷ１、剥離用ばねの幅をＷ２とするとき
ｘ×Ｗ１ ≧ (ｘ＋Δｘ)×Ｗ２ 
とすることが望ましい。
【００４７】
可動ミラー基板１１０は例えばシリコン（Ｓｉ）基板、シリコン（Ｓｉ）層間に酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を挟み込んだＳＯＩ基板、金属基板、などを材料として作製する。可動ミラー１１１は反射面１１２に反射膜を形成することで反射率を向上させることが望ましい。反射膜として金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）あるいは各種多層膜を用いることができる。可動ミラー１１１のミラー電極部１１３には、例えば金属膜、より具体的には金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、タングステン(Ｗ)、あるいはチタン（Ｔｉ）を単独にあるいは前記金属膜を主材とした合金膜を適宜積層して導電性膜を形成する。ただし可動ミラー１１１を構成する材料が十分な導電性を有する場合には、ミラー電極部１１３に導電性膜を形成しなくてもよい。具体例として、可動ミラー１１１を構成する材料を低抵抗のＳｉ(シリコン)とする場合、ミラー電極部１１３に導電性膜を形成しなくてもよい。
【００４８】
図２は可動ミラー１１１の反射面１１２側の形状を限定するものではない。例えば反射面は円形や楕円形でも良いし、可動ミラーの肉厚部は格子状であっても良い。ただし肉薄部の変形防止と軽量化には、図２に示したように肉薄部を挟んで前記反射面を有する部分を枠状に包囲していることが効果的である。
【００４９】
電極基板１２０には、ミラー電極部１１３に対向して駆動電極部１２１が配置されている。電極基板１２０は１つ以上、例えば一対の駆動電極部１２１を有する。該駆動電極部１２１と前記ミラー電極部１１３との間には静電アクチュエータが構成されており、該駆動電極部１２１と該ミラー電極部１１３との間に電位差を与えることで両者の間に静電力を印加し、可動ミラー１１１を動作させる。
【００５０】
図４（ａ）に図１に例示した電極基板１２０を可動ミラー基板１１０側から見た図を示す。電極基板１２０は例えばシリコン（Ｓｉ）基板、シリコン（Ｓｉ）層間に酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を挟み込んだＳＯＩ基板、金属基板、または絶縁体基板(例えばガラス基板やセラミック基板)などを材料として作製する。電極基板１２０を作製する材料が導電性の場合、電極基板１２０の表面に絶縁膜(例えばシリコンの場合は酸化膜ＳｉＯ２や窒化膜ＳｉＮx)を形成し、該絶縁膜上に導電性膜で駆動電極部１２１、配線１２３、電極パッド１２４を形成する。導電性膜は、例えば金属膜、より具体的には金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、タングステン(Ｗ)、あるいはチタン（Ｔｉ）を単独にあるいは前記金属膜を主材とした合金膜を適宜積層し形成する。別の作製方法として、セラミック基板に対しスクリーン印刷を施すことで駆動電極部１２１を形成することができる。
【００５１】
図４（ｂ）、（ｃ）は電極基板１２０の別の実施形態である。図４（ｂ）、（ｃ）に示した電極基板１２０は、可動ミラー１１１と突起１２２が接触する場合の接触面積を低減する例である。図４（ｂ）は突起１２２を点状にした例であり、図４（ｃ）は突起１２２を短くしかつ分割した例である。
【００５２】
ここで、梁１１４が折り返し構造を有する場合、梁１１４と駆動電極部１２１との電気的短絡を回避するために図４（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）のいずれかに例示した切り欠き部１２７を与えることが望ましい。
【００５３】
駆動電極部１２１の中心軸１１５から最も遠ざかった箇所は、可動ミラー１１１が電極基板１２０に接触する際に可動ミラー端部１１８が電極基板１２０と接触する位置よりも内側とする。駆動電極部１２１の形状は略長方形で、少なくとも一部に切り欠き部１２７を有する(図４(ｄ)、(ｅ)、（ｆ）)。かかる構成によって駆動電極部は、前記ミラー電極部と前記電極基板との対向方向から見て、折り返し梁の折り返し部１９１に重ならない位置に形成されている。ここで切り欠き部１２７は、一旦形成した駆動電極部１２１を部分的に取り除くことや、最初から切り欠き部１２７に相当する部分に駆動電極部１２１を形成しないことで作製する。切り欠き部１２７の上方には該切り欠き部１２７に対向させて梁１１４の折り返し部１９１を配置させている。
【００５４】
駆動電極部１２１に切り欠き部１２７を形成することで、梁の折り返し部１９１と駆動電極部１２１の電気的に短絡、すなわち可動ミラー１１１と駆動電極部１２１との電気的短絡を回避することができる。
【００５５】
駆動電極部１２１の幅は可動ミラー１１１の幅を超えていることが望ましい。ここで駆動電極部１２１の幅および可動ミラー１１１の幅とは中心軸１１５方向の寸法を意味する。可動ミラーの１１１の幅よりも駆動電極部１２１の幅を大きくすることで、組立位置ずれに対する駆動力の低下が抑制できる。前記切り欠き部１２７の大きさは最大組立ずれを考慮して与える。
【００５６】
さらに電極基板１２０に帯電防止膜１９６を形成し、疎水性膜（図示せず）で表面状態を疎水化し、可動ミラー端部１１８との接点付近を粗面化領域（１９９）とすることのいずれか、あるいはそれらの組み合わせ、を施すことが望ましい。
帯電防止膜１９６は例えば外部電源と接続（または接地）した導電性膜とする。このとき該導電性膜の電位は可動ミラー１１１の電位と共通にする。帯電防止膜１９６は導通孔１９７を介して多層配線的に、具体例としては電極基板１２０を介して、帯電防止膜用パッド１９８と接続することができる。帯電防止膜用パッド１９８は直接的に、あるいは可動ミラー基板１１０を介して間接的に、外部回路(図示せず)と接続する。
【００５７】
スペーサ１３０は、電極基板１２０と可動ミラー１１１との間に一定の空間を設けるために配置されている。スペーサ１３０は、可動ミラー基板１１０あるいは電極基板１２０と独立した部材で作製しても良いし、前記可動ミラー基板１１０あるいは電極基板１２０と一体形成してもよい。図１はスペーサ１３０を電極基板１２０と一体形成した例である。電極基板１２０と一体形成したスペーサ１３０を特にミラー支持突起１３５と称する。
【００５８】
スペーサ１３０は各種材料を用いて作製することができる。また静電駆動の場合、ミラーデバイス１００の構成に応じて、またスペーサ１３０の表面を導電性とすることもできるし、絶縁性とすることもできる。例えば、スペーサ１３０の表面を導電性とすることで、可動ミラー１１１のミラー電極部１１３と外部回路(図示せず)を電気的に接続する経路の一部とすることができる。あるいは、スペーサ１３０を可動ミラー基板１１０と一体形成した場合や独立に形成した場合、スペーサ１３０の表面を絶縁性とすることで、電極基板１２０上の配線１２３を回避せずにスペーサ１３０を電極基板１２０上に配置できる。スペーサ１３０を可動ミラー基板１１０あるいは電極基板１２０と独立して形成する場合、該スペーサ１３０を構成する材料は、可動ミラー基板１１０および電極基板１２０と熱膨張係数が近い、また一致させた材料であることが望ましい。
【００５９】
なお、スペーサ１３０は電極基板１２０上に不連続に形成する例を示したが、駆動電極部を取り囲む壁(例えば図４（ｆ）)として形成しても良い。この場合、駆動電極部に接続された配線が壁状スペーサを乗り越え(あるいは通過し)、電極パッドを壁状スペーサの外側に配置させる。壁状スペーサ上では多層配線等の処理で配線の短絡を回避する。該構造とすることで、可動ミラー基板１１０と電極基板１２０との組立てをウェハ状態で実施(ウェハレベルパッケージング)することもできる。
【００６０】
次に、ミラーデバイスの動作について説明する。
図４（ａ）に示すように、電極基板１２０には可動ミラー１１１を静電アクチュエータで駆動させる駆動電極部１２１が成膜されている。可動ミラー１１１が電極基板１２０に接触するまで回転した場合でも、駆動電極部１２１と可動ミラー１１１が電気的に短絡しない構造とする。具体的には、駆動電極部１２１と可動ミラー１１１が接触しない位置にのみ駆動電極部１２１を配置する方法や、駆動電極部１２１を少なくとも部分的に絶縁膜で覆う方法などを適用する。図４（ａ）は電極１２１と可動ミラー１１１が接触しない位置にのみ駆動電極部１２１が配置されている例である。
【００６１】
電極基板１２０には、可動ミラー１１１の回転中心軸１１５の下部に相当する位置に突起１２２を形成している。可動ミラー１１１の一方の端部(ミラーエッジ)１１８が電極基板１２０と接触し、可動ミラーのミラー電極を形成した側の面(対向面)の中央付近が該突起１２２と接触する状態をとることで、可動ミラー１１１の動作角度を機械的に安定に与えることができる。このとき剥離用ばね１９５は電極基板１２０に押し付けられて変形した状態となっている。
【００６２】
可動ミラー１１１の厚さは、反射面１１２を有する部分において最大となっていることが好ましい。該構成とすることで作製が容易になるからである。該構成の可動ミラー基板１１０の作製方法の例として、ＳＯＩ基板を用いた作製方法を、図５を用いて説明する。
可動ミラー基板１１０を形成する基板として、ＳＯＩ基板を用いる（図５（ａ））。ＳＯＩ基板の活性層１７３(Ｓｉ層)側にミラー電極部１１３を形成し、ベース層(Ｓｉ層)１７１に反射面を形成する。なお、活性層１７３(Ｓｉ層)にミラー電極部１１３を形成するのは、活性層(Ｓｉ層)１７３側がベース層(Ｓｉ層)１７１側より薄いからであるので、もし、活性層(Ｓｉ層)１７３側がベース層(Ｓｉ層)１７１側より厚ければ、活性層(Ｓｉ層)１７３側に反射面１１２を形成する。通常、活性層(Ｓｉ層)１７３側がベース層(Ｓｉ層)１７１側より薄いので、以下活性層(Ｓｉ層)１７３側にミラー電極部１１３を形成する場合の作製方法を説明する。
【００６３】
活性層(Ｓｉ層)１７３側の面にフォトリソグラフィーによりミラー電極部１１３の形状と梁１１４の形状および剥離用ばね１９５の形状を、フォトレジスト、アルミニウム膜、酸化シリコン膜等のマスク材で、パターニングし、ドライエッチングを施す（図５（ｂ））。図５（ｂ）に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。梁１１４と剥離用ばね１９５の厚さは活性層(Ｓｉ層)１７３の厚さで与えられる。ベース層(Ｓｉ層)１７１側に反射面１１２側の可動ミラー形状を、フォトレジスト、アルミニウム膜、酸化シリコン膜等のマスク材で、パターニングし、ドライエッチングを施す(図５（ｃ）)。図５（ｃ）に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。反射面１１２側にパターンニングする可動ミラー形状は、例えば、図２に示した形状とする。反射面１１２を有する部分の厚さはベース層(Ｓｉ層)１７１の厚さで与えられるので、可動ミラー１１１の厚さは反射面１１２を有する部分で最大となる。中間層(ＳｉＯ２層)１７２をウェットエッチングで除去する（図５（ｄ））。図５(d)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。この工程によって可動ミラーは梁１１４のみで可動ミラー基板１１０に連結された状態となる。すなわち梁１１４で与えられる中心軸１１５の周りに回動自在な状態となる。ドライエッチングで薄くした肉薄部１１７の厚さは梁１１４および剥離用ばね１９５の厚さと一致する。図５(d)に示した状態の可動ミラーを構成する要素を基体１１９と称する。すなわち基体１１９とは可動ミラー１１１構成要素の内、構成材料として用いた基板のみで形成されている部分を示す。最後に反射面１１２に反射膜、ミラー電極部１１３に導電性膜を、例えばスパッタリングで成膜する（図５（ｅ））。
【００６４】
上述したＳＯＩ基板を用いた可動ミラー基板１１０の作製方法の場合、可動ミラー１１１の各部分の厚さをＳＯＩ基板の各層の厚さで制御することができるので製造が容易である。ミラー電極部１１３は放電回避(電界集中回避)のために平坦であることが望ましい。反射面１１２は光学特性を維持するために平坦であることが必要である。反射面１１２およびミラー電極部１１３の平坦性は両面を鏡面研磨したＳＯＩ基板の平坦性で確保できる。上述した作製方法例ではエッチング面を反射面１１２に用いないので、エッチング面の平坦を要求する必要は無い。前述の手順ではＳＯＩ基板の中間層(ＳｉＯ２層)１７２をドライエッチング(図５（ｂ）、（ｃ）)でのエッチストップ層として利用することができるので製造を容易にできる。
【００６５】
同様にドーパントをドープしてエッチレートを変えた層を作製し、該層をエッチストップ層として機能させるシリコン基板を材料とする場合も、可動ミラー基板１１０の製造を容易にできる。該基板を用いた作製方法例の説明は、ＳＯＩ基板を用いた作製方法に準じるので、説明は省略する。
【００６６】
なお、前述の製法は一例であって、本発明のミラーデバイス１００に用いる可動ミラーの製法を限定するものではない。例えばベース層(Ｓｉ層)１７１側のシリコンを部分的に適当な深さ(例えば半分)エッチングし、エッチング面を反射面１１２とする構造としても良い。図６（ａ）に可動ミラー１１１を一定量エッチングしてエッチング面を反射面１１２とした静電駆動型のミラーデバイス１００の実施形態を図示する。反射面１１２は可動ミラー基板１１０の表面よりも低く、反射面１１２を有する部分は可動ミラー基板１１０よりも厚さが小さくなっている。また、形成されている肉厚部１１６の表面も可動ミラー基板１１０の表面よりも低く、肉厚部も可動ミラー基板１１０よりも厚さが小さくなっている。図６（ａ）の例では、反射面１１２と同じ厚さとなっている。図６（ａ）の構成では、可動ミラー基板１１０を厚くして、該基板の剛性を高く保ちつつ、可動ミラー基板の質量を小さくすることができる。
【００６７】
別の実施例として肉厚部１１６部分の厚さを、反射面１１２を有する部分の厚さより薄く、かつ可動ミラー１１１で最も薄い部分である肉薄部１１７の厚さより厚くする構成例を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）に示した構成は、例えば肉厚部１１６に意図的にサイドエッチ(マスク側面から回り込んだエッチャントによる側面からのエッチングの進行)を発生させることで実現することができる。あるいは反射面１１２を有する部分のマスク厚を肉厚部１１６のマスク厚より厚くすることで、図５（ｃ）のエッチング工程の途中から意図的に肉厚部１１６をエッチングすることで実現することができる。肉厚部１１６の厚さを低減することで可動ミラー１１１の質量および慣性モーメントを低減することができる。特にミラー端部１１８付近の肉厚部１１６を薄くすることは慣性モーメントの低減に効果的に寄与する。なお、図に明記していないが、肉薄部１１６の厚さは一様でなくても良く、部分的に薄くすることもできる。例えば反射面１１２付近では反射面１１２部分の厚さと同じ厚さであり、ミラー端部１１８に近付くに連れて徐々に薄くなる構造とすることもできる。
【００６８】
次に電極基板１２０の作製方法例を、図７を用いて説明する。図７の電極基板１２０はスペーサ１３０を電極基板と一体形成した例であり、図１のミラーデバイス１００に用いる電極基板１２０の作製例に相当する。電極基板１２０を形成する基板として、シリコン(Ｓi)基板１８１を用いる（図７（ａ））。表面にフォトリソグラフィーによりスペーサ１３０の形状をフォトレジスト、酸化シリコン膜等のマスク材で、パターニングし、エッチャントにＫＯＨ(水酸化カリウム水溶液)を用いた異方性ウェットエッチングを施す(図７（ｂ）)。図７（ｂ）に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。本工程でスペーサ１３０の高さと突起１２２の高さの差が形成される。表面にフォトリソグラフィーによりスペーサ１３０の形状と突起１２２の形状をパターニングし、エッチャントにＫＯＨ等を用いた異方性ウェットエッチングを施す(図７（ｃ）)。図７（ｃ）に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。シリコン(Ｓｉ)基板１８１の表面に絶縁膜として熱酸化膜(ＳｉＯ２)を形成する(図７(ｄ))。最後に、例えばスパッタリングで導電性の駆動電極部１２１、配線１２３、電極パッド１２４を成膜する(図７（ｅ）)。
【００６９】
なお、上記した製法は一例であり、本発明のミラーデバイス１００に用いる電極基板１２０の作製方法を限定するものではない。例えばエッチング方法は等方性ウェットエッチングでもドライエッチングでも良い。あるいは突起１２２、スペーサ１３０を積層で作製することもできる。
【００７０】
本実施形態の電極基板１２０はスペーサ１３０の高さと突起１２２の高さが異なっているので、エッチングを２回施したが、両者の高さは一致していてもよく、その場合、エッチング回数を１回とすることができる。
【００７１】
本実施形態の電極基板１２０はスペーサ１３０(ミラー支持突起１３５)を一体形成した例であるが、スペーサ１３０を別部材で作製する場合、エッチング回数を１回とすることができる。
【００７２】
スペーサ１３０を可動ミラー基板１１０や電極基板１２０と独立に作製する場合の作製方法は図示しないが、例えばシリコン(Ｓi)基板の厚さをエッチングで調整して形成することができる。さらに必要に応じて、表面を熱酸化し絶縁性を与えることや、表面に導電性膜を成膜して導電性を与えることができる。
【００７３】
以下、ミラーデバイス１００を形成する方法を、静電駆動型のミラーデバイスを例に説明する。図１に示した本発明の実施形態のミラーデバイス１００の例では、図４に例示したスペーサ１３０(ミラー支持突起１３５)を一体形成した電極基板１２０と、図２に例示した可動ミラー基板１１０とを接着、接合または締結することでミラーデバイス１００を構成する。
【００７４】
可動ミラー基板１１０と、スペーサを一体形成した電極基板１２０の並進位置は、例えば、両者に位置合わせ用孔(図示せず)を形成し、該位置合わせ用孔にピンまたは球体等を挿入することで、両者の並進位置を制御することができる。別の例として、可動ミラー基板１１０と、スペーサを一体形成した電極基板１２０に位置合わせ用のパターン(図示せず)を形成し、パターン認識(例えば画像処理)によって両者の並進位置を制御することができる。可動ミラー基板１１０と電極基板１２０の高さはスペーサ１３０の精度で与える。
【００７５】
接着によってミラーデバイス１００を形成する場合は、接着剤として、例えば紫外線硬化樹脂を用いることができる。あるいは、熱硬化樹脂を用いることができる。接合でミラーデバイス１００を形成する場合は、例えば金-錫はんだ等を用いることができる。スペーサ１３０を可動ミラー基板１１０や電極基板１２０と独立に作製する場合、あるいは可動ミラー基板１１０にスペーサ１３０を一体形成する場合も同様の方法でミラーデバイス１００が作製できる。
【００７６】
あるいは可動ミラー基板を形成したウェハと電極基板を形成したウェハをウェハ状態で接合した後分離することでミラーデバイス１００を形成することもできる。
【００７７】
図８に本発明のミラーデバイス１００の別の実施形態を示す。図８（ａ）に示す通り、本実施形態のミラーデバイス１００は、ミラーデバイス１００を密封可能な筐体１４０に収め、筐体内部を光学オイル１５０で充填することを特徴とする。ミラーデバイス１００周囲に充填された光学オイル１５０は、可動ミラー１１１に衝撃が加わった時の抑制力として機能するので可動ミラー１１１の耐衝撃性を向上させることができる。
【００７８】
図８（ｂ）は図８（ａ）に示した電極基板１２０を可動ミラー基板１１０側から見た図である。基本的な構成は図４で説明した電極基板１２０と同じであるが、可動ミラー１１１の端部１１８が接触する付近に抵抗配線１２５を有することを特徴とする。該抵抗配線１２５は可動ミラー１１１とは接触しない。可動ミラー１１１を動作させ始めるときに可動ミラーの端部１１８が接近している側の抵抗配線１２５に通電することで、光学オイル１５０に気泡１５１を発生させる。該気泡１５１で可動ミラー１１１に押上げ力を加えることで、可動ミラー１１１に初速度を与え、可動ミラー１１１の動作を補助し、可動ミラー１１１の凝着防止にも寄与する。気泡１５１の発生を図８（ｃ）に示す。
【００７９】
上述したそれぞれの実施形態に基づく構成により、
質量の増加を抑えつつ反射面の反り等に起因する損失を抑制し、かつ可動部材(具体的にはミラー)の動作角度の高精度化と接点での付着力への抗力を両立する構造を備えることで、(反り等の変形抑制と動作角度の高精度化の両方の意味での)光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性に優位で、動作安定性に優れたミラーデバイスが実現できる。
より具体的に言えば、可動ミラー１１１が光学的に機能する部分(すなわち反射面１１２を有する部分)の厚さを維持することで反射面１１２の反り等の変形に起因する損失を抑制し、可動ミラー１１１の質量および慣性モーメントを低減させることで耐衝撃性や高速制御性に優位であり、剛体である可動ミラー端部でミラー姿勢を保持することで可動ミラー１１１の動作角度ずれに起因する損失を抑制し、接点での付着力への抗力を可動ミラー端部より突出した弾性を有する剥離用ばねのバネ力で与えることで動作安定性に優れたミラーデバイスが実現できる。
【００８０】
さらに本発明のミラーデバイスを光部品に適用することで、(反り等の変形抑制と動作角度の高精度化の両方の意味での)光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性において優位で、動作安定性に優れた光部品、例えば光スイッチが実現できる。
【００８１】
図１０に本発明の光部品の実施形態として光スイッチの例を示す。
高集積・高速制御性が要求される光スイッチには、本発明のミラーデバイスは好適である。本発明の光スイッチは、本発明のミラーデバイスと、１以上の入力側光ファイバと、前記入力側光ファイバに対置された入力側コリメートレンズと、１以上の出力側光ファイバと、前記出力側光ファイバに対置された出力側コリメートレンズとを備えて、前記入力側光ファイバから射出される光ビームを前記ミラーデバイスで偏向することで、該光ビームが再結合する出力側光ファイバを選択する構成である。図１２の実施形態では、１×２型の光スイッチを例に示している。別の例としては、入力側光ファイバが１つとし出力側光ファイバが１つとすることでオンオフスイッチを構成することもできる(図示せず)。
以下、図１０の実施形態を例に本発明を詳細に説明する。
【００８２】
図１０に示した光スイッチ２００は、入力側光ファイバ２０２ａと入力側コリメートレンズ２０４aを有する入力ポートと、シリンドリカルレンズ２０５、本発明のミラーデバイス１００、出力側コリメートレンズ２０４ｂ、２０４ｃと出力側光ファイバ２０２ｂ、２０２ｃを有する出力ポート１００、を構成要素として有する１入力２出力の光スイッチ(１×２光スイッチ)である。
【００８３】
光スイッチ２００内ではシリンドリカルレンズ２０５を用いて、ミラーデバイス１００の反射面１１２に光ビーム２０９を集光する集光してういるので、ミラーデバイス１００の反射面１１２を小型化できる。反射面１１２は光ビーム２０９を集光した分だけ小さくできる。このことを、図１１を用いて説明する。図１１にＤ０で示した領域は集光光学系を用いない場合の反射面１１２における光ビーム径である。前記領域Ｄ０を十分にカバーするために、ミラーデバイス１００の反射面１１２の長さとしてＬ０が求められる。一方ハッチングで示した領域Ｄは集光光学系としてシリンドリカルレンズを用いた場合の反射面１１２における光ビーム径である。前記領域Ｄを十分にカバーするため求められる反射面１１２の長さＬで十分となる。その結果、反射面１１２を小さくすることができ、ミラーデバイス１００の質量と慣性モーメントを低減することができるので、耐衝撃性、高速制御性はさらに向上する。なお、反射面１１２において光ビーム２０９が集光する特性を有しているのであれば、シリンドリカルレンズ２０５は他の集光光学素子(レンズ)で置き換えることができる。
【００８４】
図１０に示す光スイッチをその機能とともに更に詳述する。図１０の構成は、１本の入力側光ファイバ２０２ａと２本の出力側光ファイバ２０２ｂ、２０２ｃを有し、可動ミラー１１１が前記入力側光ファイバ２０２ａと第一の出力側光ファイバ２０２ｂとの間に光路を形成する第一の姿勢と前記入力側光ファイバ２０２ａと第二の出力側光ファイバ２０２ｃとの間に光路を形成する第二の姿勢を選択可能であり、可動ミラー１１１が第一の姿勢および第二の姿勢において他の部材と接点を持つ構成であり、集光光学系としてシリンドリカルレンズ２０５を用いる光スイッチ２００である。例えば、可動ミラー１１１を図１に示す一軸回転型の静電駆動ミラーとすると、可動ミラー端部１１８およびミラー電極部１１３の中央付近がそれぞれ電極基板１２０および突起１２２と接触することで第一の姿勢あるいは第二の姿勢が実現できる。第一の姿勢および第二の姿勢においては、剥離用ばね１９５は電極基板１２０に押し付けられて変形した状態となっている。剥離用ばね１９５は第一の姿勢および第二の姿勢を解除するとき、可動ミラー端部１１８と電極基板１２０の接点及び剥離用ばね１９５と電極基板１２０の接点を解除する効果を与える。
【００８５】
該構成の静電駆動型のミラーデバイス１００は、２値デジタル駆動をするので、該構成の静電駆動ミラーデバイス１００を用いて１入力２出力の光スイッチ(１×２光スイッチ)が実現できる。上記構成の光スイッチでは集光光学系としてシリンドリカルレンズを適用したので、入力側光ファイバ２０２ａと出力側光ファイバ２０２ｂ、２０２ｃが一直線上に配置することができる。
【００８６】
該構成の静電駆動型のミラーデバイス１００は、(反り等の変形抑制と動作角度の高精度化の両方の意味での)光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性において優位で、動作安定性に優れるので、光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性において優位で、動作安定性に優れた光スイッチが実現できる。
【００８７】
図１０（ａ）は、入力側光ファイバ２０２ａから第一の出力側光ファイバ２０２ｃへの光路形成状態を示す図である。図１０（ａ）において可動ミラー１１１は第一の姿勢をとる。図１０（ｂ）は入力側光ファイバ２０２ａから第二の出力側光ファイバ２０２ｂへの光路形成状態を示す図である。図１０（ｂ）において可動ミラー１１１は第二の姿勢をとる。図１０（ｃ）は可動ミラー１１１に駆動力を与えない状態を示す図である。
【００８８】
本発明の光スイッチを実現す別の構成を図１２に例示する。
【００８９】
図１２(a)は光ファイバ２０２同士を角度配置する光スイッチの構成である。光偏向手段として、本発明に係るミラーデバイスを用いている。光ファイバ２０２ａからの入射光はコリメートレンズ２０４ａでコリメートされ、可動ミラー１１１の反射面に入射する。その光路２０９は可動ミラー１１１の回動によって切り換えられ、光ファイバ２０２ｂと２０２ｃの間で結合を切り換える。可動ミラー１１１で反射された光は光ファイバ２０２ｂまたは２０２ｃに入射する前にコリメートレンズ２０４ｂまたは２０４ｃでコリメートされる。
【００９０】
図１２（ｂ）の構成例では、光ファイバ２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃと可動ミラー１１１との間にコリメートレンズアレイを配置して、前記各光ファイバにはコリメートレンズ２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃを対置させている。ここで、複数の光ファイバのうちの少なくとも一部、例えば図１２（ｂ）の例では光ファイバ２０２ａ、２０２ｃとそれぞれに対置するコリメートレンズ２０４ａ、２０４ｃをオフセット配置する。オフセット配置とは光ファイバの光軸とコリメートレンズの光軸をずらして配置することとする。光ファイバの光軸とコリメートレンズの光軸をずらすと、コリメートレンズを通過後の光ビーム２０９の光軸は、光ファイバのずれ方向と逆方向に偏向する。従って、図１２（ｂ）において光ファイバ２０２ａをコリメートレンズ２０４ａに対し光ファイバ２０２ｂから遠ざかる方向にずらすと、光ビーム２０９の光軸はミラーデバイス中央方向に偏向する。その結果、光ファイバ２０２ａからの入射光は可動ミラー１１１の反射面で反射される。反射光がコリメートレンズ２０４ｃへ向かった場合、光ファイバ２０２ｃがコリメートレンズ２０４ｃに対して光ファイバ２０２ｂから遠ざかる方向にずらしておくことで、光ビームは光ファイバ２０２ｃに結合する。本構成では本発明の静電駆動ミラーデバイス１００の特性を活かしつつ、シリンドリカルレンズを不要とすることで光学素子数が低減できる。また入出力側の光ファイバ２０２が平行配列であるので配列し易い。
【００９１】
図１２（ｃ）の構成例では、コリメートレンズ２０４ａ、２０４ｂ、２０５ｃと可動ミラー１１１との間に固定ミラー２３０が配置され、光ファイバ２０２ａからの入射光は可動ミラー１１１の反射面に集光し、該反射面による反射光は光ファイバ２０２ｃに結合される。図１２（ｂ）のコリメートレンズをオフセット配置する変わりに、固定ミラー２３０を用いている。また、入出力側の光ファイバ２０２は図１２（ｂ）の場合と同様に平行配列である。固定ミラー２３０は反射損失、波長依存性損失に優れた光学部品であるので、本構成においては、光スイッチ２００の光学特性向上が期待できる。また固定ミラー２３０は作製が容易という利点もある。
【００９２】
上述したそれぞれの実施形態に基づく構成(で本発明のミラーデバイスを用いること)により、(反り等の変形抑制と動作角度の高精度化の両方の意味での)光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性において優位で、動作安定性に優れた光スイッチを提供することができる。
【００９３】
なお、本発明のミラーデバイスは光偏向手段であり、その適用形態に制限はないので、光偏向手段を必要とする光部品に広く適用することができる。
図１０では光部品として光ファイバの結合経路を切り替える光スイッチを示したが、光ファイバの一部の代わりにフォトダイオードなどの光検出素子を配置して、光検出器を構成しても良い(図示せず)。あるいはレーザ光源から発した光の進行方向を本発明のミラーデバイスで切り替えて所望の光ファイバに結合させる光デバイスを構成しても良い(図示せず)。これらの適用事例においては(本発明のミラーデバイスを用いることにより)、(反り等の変形抑制と動作角度の高精度化の両方の意味での)光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性において優位で、動作安定性に優れた光部品を提供することができる。
【実施例】
【００９４】
本発明に係るミラーデバイスを図１０に示した１×２光スイッチに適用し、さらに該１×２光スイッチをアレイ化して光スイッチアレイ３００とする例を図１３に示し、本発明に係るミラーデバイスおよび光スイッチをさらに詳しく説明する。
【００９５】
図１３に示した光スイッチアレイ３００は、光ファイバアレイ２０３と、コリメートレンズアレイ２０４と、シリンドリカルレンズ２０５と、静電駆動型のミラーデバイス１００を構成要素に持つ。図１３に示した光スイッチアレイ３００は独立に動作する８組の１×２光スイッチが集積化された光スイッチアレイである。ただし、図１３は１×２光スイッチの集積化可能な数を限定するものではない。また、本発明のミラーデバイス１００の適用デバイスを限定するものでもない。各１×２光スイッチ要素は図１０に示した構造をとる。各１×２光スイッチ要素で使用するミラーデバイス１００は図１に示したミラーデバイスである。
【００９６】
光ファイバアレイ２０３は２４本の光ファイバ２０２と該ファイバを整列させる基板(光ファイバ整列基板)２１８、２１９を構成要素に持つ。本実施例は８組の１×２光スイッチを集積化するので、２４本の光ファイバ２は一方向に３本、それと直交する方向に８本配列する。ここで、３本配列した光ファイバは１つの１×２光スイッチに対応する1本の入力光ファイバと２本の出力光ファイバに対応する。この配列方向を切り替え方向と定義する。切り替え方向と直交する配列方向を集積化方向と定義する。切り替え方向と集積化方向の定義は図１３に記載する。
【００９７】
本実施例においては切り替え方向の光ファイバピッチを０.５ｍｍとし、集積化方向の光ファイバピッチを１ｍｍとする。光ファイバアレイ２０３においては、光ファイバが精度よく整列されている。本実施例では、光ファイバ整列用孔を形成した光ファイバ整列基板２１８を用いて光ファイバを整列させる。光ファイバアレイ２０３の整列精度は、光ファイバ整列基板２１８に形成する光ファイバ整列用孔の精度で与える。
【００９８】
本実施例は８組の１×２光スイッチの集積化しているので、コリメートレンズアレイ２０４は切り替え方向に３つ配列し、集積化方向に８つ配列した合計２４個のコリメートレンズを構成要素に持つ。ここで切り替え方向と集積化方向の定義は、光ファイバアレイ２０３で定義した方向に準ずる。コリメートレンズアレイ２０４のピッチは光ファイバアレイ２０３のピッチに対応させる。
【００９９】
本実施例においてはコリメートレンズアレイの切り替え方向のピッチは０.５ｍｍ、集積化方向のピッチは１ｍｍとする。本実施例ではコリメートレンズアレイ２０４は基板厚さが０.６２５ｍｍのシリコン基板をエッチングすることで作製する。コリメートレンズアレイ２０４の表裏面には使用する光の波長(１５００〜１６５０ｎｍ)に対応した反射防止膜を成膜する。コリメートレンズアレイ２０４は光ファイバアレイ２０３に対向する側が平面でシリンドリカルレンズ２０５に対向する側に凸レンズを形成する構造とする。コリメートレンズアレイ２０４を構成する各コリメートレンズはレンズ径が０.４５ｍｍの球面凸レンズとし、その曲率半径は３ｍｍとする。光ファイバ整列基板２１８とコリメートレンズアレイ２０４との間隙は入力光ファイバから出射された光が所望の特性を持つコリメートビームとなるように選択する。
【０１００】
シリンドリカルレンズ２０５は曲面側をコリメートレンズアレイ２０４に対向させ、平面側をミラーデバイス１１０に対向させる向きに配置する。
本実施例では８つの１×２光スイッチで1つのシリンドリカルレンズ２０５を共用する。該シリンドリカルレンズ２０５は光学ガラス(ＢＫ７)製とし、曲率半径を３.５８ｍｍ、焦点距離を７.１５ｍｍとする。シリンドリカルレンズ２０５には表裏面に使用する光の波長(１５００〜１６５０ｎｍ)に対応する反射防止膜を成膜する。
【０１０１】
入力側の光ファイバ２０２aから出射され対応するコリメートレンズ２０４ａでコリメートビーム化された光はシリンドリカルレンズ２０５の作用で可動ミラーの反射面１１２において可動ミラーの配列方向に長径を有する擬楕円形状となる(図１１参照)。反射面１１２において、光は長径方向に０.２〜０.２５ｍｍ、短径方向に０.１〜０.１５ｍｍとなる。
【０１０２】
本実施例は８組の１×２光スイッチを集積化しているので、本発明のミラーデバイス１００を８つ有する。各ミラーデバイス１００はミラーデバイスの配列方向に回転中心軸を取った一軸回転可能な構造とする。ミラーデバイスの配列方向は、光ファイバアレイ２０３およびコリメートレンズアレイ２０４の集積化方向に対応する方向とする。したがってミラーデバイス１００は光ファイバアレイ２０３の集積化方向のピッチに対応したピッチで一列に配列される。本実施例ではミラーデバイス１００のピッチは１ｍｍとする。
【０１０３】
可動ミラー１１１は、弾性部材である２本一対の梁１１４によって支持され、該梁１１４は可動ミラーが形成されている基板(可動ミラー基板)１１０に連結されている。梁１１４は可動ミラー１１１が回転およびＺ方向の並進運動すなわち沈み込みを行いやすいように、折り返し構造の梁で構成している。
【０１０４】
可動ミラーの反射面を有する側の反対側の面(対向面)の回動中心軸に直交する方向の長さは１７３５μｍとする。可動ミラーの反射面を有する側の反対側の面(対向面)の幅、すなわち回動中心軸方向の長さ、は０.５ｍｍとする。反射面側の肉厚部１１６の形状は図２に示した形状とする。可動ミラーの反射面１１２は０.４ｍｍ×０.３ｍｍとする。肉厚部１１６の線幅は５０μｍとする。肉厚部１１６部分の厚さは反射面を有する部分の厚さと一致させる。該厚さは可動ミラー基板１１０の厚さと一致する。
【０１０５】
剥離用ばね１９５は可動ミラー１１４の両側面に配置する。剥離用ばね１９５は幅１０μｍ、厚さ１０μｍ、長さ３３０μｍとし、可動ミラー端部１１８からの突出量は５０μｍとした。
【０１０６】
可動ミラー基板１１０は活性層(Ｓｉ層)１７３厚さ１０μｍ、中間層(ＳｉＯ２層)１７２厚さ１μｍ、ベース層(Ｓｉ層)１７１厚さ３００μｍのＳＯＩを材料とし、図５に示した方法で作製する。反射面１１２部分の厚さはＳＯＩ基板の初期厚さと同じ３１１μｍである。梁１１４の厚さ及び剥離用ばね１９５の厚さはＳＯＩの活性層(Ｓｉ層)の厚さである１０μｍとなる。(ただし、製造上の都合で活性層の厚さより若干薄くなる、例えば９μｍとなる、こともありうる。)肉厚部１１６の厚さは、反射面１１２部分の厚さと同じく３１１μｍとなる。可動ミラーの肉薄部１１７の厚さは、梁１１４の厚さおよび剥離用ばねの厚さと同じである。
【０１０７】
電極基板１２０には可動ミラー１１１を駆動するための駆動電極部１２１を形成する。電極基板１２０には１５μｍの突起１２２を形成する。電極基板１２０は図７に示した方法で作製する。
【０１０８】
可動ミラー１１１は、可動ミラー端部１１８が電極基板１２０に接触するまで動作させる。このとき剥離用ばね１９５は電極基板１２０に押し付けられて変形した状態となっている。可動ミラー１１１と電極基板１２０は、ミラー端部１１８で電極基板１２０と接触し、かつ可動ミラーの反射面を有する側の反対側の面(対向面)の中央付近で突起１２２と接触して、傾斜角度１度を実現する。電極基板１２０のミラー端部１１８が接触する部分には可動ミラー１１１と同電位にした帯電防止膜１９６を配置する。該電位はＧＮＤ電位とした。光スイッチ２００の切替動作中には一時的に可動ミラー１１１と突起１２２の接触が開放されることが望ましい。
【０１０９】
本発明のミラーデバイスは質量と慣性モーメントがそれぞれ２．５×１０−７［ｋｇ］、６.３×１０−１４［ｋｇ・ｍ２］となる。ただし、シリコン(Ｓｉ)の密度は２３３０［ｋｇ／ｍ３］とした。該質量および慣性モーメントは可動ミラー全体がＳＯＩ基板の初期厚さである３１１μｍである構成例の質量および慣性モーメント６.３×１０−７［ｋｇ］、１.８×１０−１３［ｋｇ・ｍ２］に対して、それぞれ０.４倍、０.３５倍に低減する。
【０１１０】
したがって、同じ剛性の梁で支持する場合、耐衝撃性は質量に反比例し、２．５倍に向上し、回転動作の共振周波数は慣性モーメントの平方根に反比例し、１.７倍に向上する。また、可動ミラー全体を活性層(Ｓｉ層)の厚さである１０μｍとした場合に対して、反りに対する耐性は厚さの２乗倍すなわち９００倍以上に向上する。
なお、本実施例のＳＯＩ基板は十分な厚みを有するので取り扱いが容易な点でも好適である。
【０１１１】
本発明のミラーデバイスにおいて３３Ｖ以上の駆動電圧に対し、可動ミラー端部１１８が電極基板１２０と接する。このとき剥離用ばね１９５は可動ミラー端部１１８と電極基板１２０との接点に対し、２０.６μＮの抗力を付与できる。同程度の剥離力を梁１１４で付与する場合、梁剛性をおよそ７倍とする必要があり、駆動電圧を約６０Ｖ以上まで増加させる必要が生じる。
【０１１２】
本実施例は、質量の増加を抑えつつ反射面の反り等に起因する損失を抑制し、かつ可動部材(具体的にはミラー)の動作角度の高精度化と接点での付着力への抗力を両立する構造を備えることで、(反り等の変形抑制と動作角度の高精度化の両方の意味での)光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性に優位優位で、動作安定性に優れたミラーデバイスを適用することで、(反り等の変形抑制と動作角度の高精度化の両方の意味での)光学特性を堅持し、耐衝撃性や高速制御性において優位で、動作安定性に優れた光スイッチを実現する。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明のミラーデバイスの実施形態を示す図である。
【図２】本発明のミラーデバイスの実施形態に適用する可動ミラー基板の反射面側の形状を示す図である。
【図３】本発明のミラーデバイスの動作を説明する図である。
【図４】本発明のミラーデバイスの実施形態に適用する電極基板の形状を示す図である。
【図５】本発明のミラーデバイスの実施形態に適用する可動ミラー基板の作製方法例を示す図である。
【図６】本発明のミラーデバイスの実施形態を示す図である。
【図７】本発明のミラーデバイスの実施形態に適用する電極基板の作製方法例を示す図である。
【図８】本発明のミラーデバイスの実施形態を示す図である。
【図９】剥離用ばねの抗力と梁の抗力に対し必要な駆動電圧の関係を示す図である。
【図１０】本発明のミラーデバイスを用いた光スイッチの実施形態を示す図である。
【図１１】本発明のミラーデバイスを用いた光スイッチの実施形態において集光光学素子を用いる効果を示す図である。
【図１２】本発明のミラーデバイスを用いた光スイッチの実施形態を示す図である。
【図１３】本発明のミラーデバイスを用いた光スイッチをアレイ化した光スイッチアレイの実施形態を示す図である。
【図１４】反射面を有する部分の基体厚さと肉薄部の厚さの比と反り耐性の関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１００：ミラーデバイス  １１０：可動ミラー基板  １１１：可動ミラー
１１２：反射面  １１３：ミラー電極部  １１４：梁  １１５：中心軸  １１６：肉厚部
１１７：肉薄部  １１８：端部(可動ミラー端部)  １１９：基体
１２０：電極基板  １２１：駆動電極部  １２２：突起  １２３：配線
１２４：電極パッド  １２５：抵抗配線  １２６：抵抗配線パッド
１２７：切り欠き部  １２９：位置決めパターン
１３０：スペーサ  １３２：反射膜  １３５：ミラー支持突起
１４０：筐体  １５０：光学オイル  １５１：気泡  
１７１：ベース層
１７２：中間層  １７３：活性層  １８１：シリコン基板  １９１：折り返し部
２００：光スイッチ
２０２、２０２a、２０２b、２０２c：光ファイバ  ２０３：光ファイバアレイ
２０４：コリメートレンズアレイ  ２０４a、２０４b、２０４c：コリメートレンズ
２０５：シリンドリカルレンズ  ２０９：光路(光ビーム)
２１８、２１９：光ファイバ整列基板  ２３０：固定ミラー  ３００：光スイッチアレイ
１９５：剥離用ばね  １９６：帯電防止膜  １９７導通孔
１９８：帯電防止膜用パッド  １９９：粗面化領域
【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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