マイクロミラー素子およびマイクロミラーアレイ
【課題】２軸動作が可能なミラー素子をより小さな領域により多く配列できるようにする。
【解決手段】基板１０１の上に離間して配置されたミラー１０２と、ミラー１０２の一端を１つの連結部１０３を介して連結して基板１０１の上で支持する第１支持部１０４と、ミラー１０２を挟んで第１支持部１０４に対向する第２支持部１０５と、第２支持部１０５に一端が支持されて他端がミラー１０２の他端に各々１つの連結部１０６ａ，１０６ｂを介して連結する２つの第１可動梁１０７および第２可動梁１０８と、第１可動梁１０７のミラー１０２側の他端を基板１０１より離れる方向および基板１０１に近づく方向の選択された第１方向に変位させるための第１駆動電極１０９と、第２可動梁１０８のミラー１０２側の他端を上記第１方向に変位させるための第２駆動電極１１０とを備える。
【解決手段】基板１０１の上に離間して配置されたミラー１０２と、ミラー１０２の一端を１つの連結部１０３を介して連結して基板１０１の上で支持する第１支持部１０４と、ミラー１０２を挟んで第１支持部１０４に対向する第２支持部１０５と、第２支持部１０５に一端が支持されて他端がミラー１０２の他端に各々１つの連結部１０６ａ，１０６ｂを介して連結する２つの第１可動梁１０７および第２可動梁１０８と、第１可動梁１０７のミラー１０２側の他端を基板１０１より離れる方向および基板１０１に近づく方向の選択された第１方向に変位させるための第１駆動電極１０９と、第２可動梁１０８のミラー１０２側の他端を上記第１方向に変位させるための第２駆動電極１１０とを備える。
【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マイクロミラー素子およびマイクロ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 Systems）技術が脚光を浴びており、光ＭＥＭＳ技術を用いた光スイッチが開発されている（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、複数のマイクロミラー素子を配列したマイクロミラーアレイである。
【０００３】
光スイッチは、光を電気信号に変換することなく、経路切り替えを可能にするものであり、また、光スイッチを用いれば、多重化された光であっても、これを波長ごとに分波することなく経路の切り替えが可能である。このような光スイッチは、例えば、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ために用いられている。
【０００４】
また、近年、多重化された光を波長毎に分波した後で分波した各々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が、ここにもマイクロミラー素子が使用されている。
【０００５】
以下、特許文献１に示されたマイクロミラー素子（マイクロミラーアレイ）について、図１０を用いて説明する。ここでは、マイクロミラー素子を、ミラー基板とこれに対向配置された電極基板とから構成している。ミラー基板は、ミラーとして作用する複数の可動構造体と、この可動構造体をトーションばねなどのばね部材によって回動可能に支持する支持部材とを有する。また、電極基板には、ミラーとして作用する可動構造体に対応した複数の電極部が、土台となる基板の上に形成されている。
【０００６】
図１０は、ミラー基板および電極基板の構成を概略的に示す斜視図である。なお、図１０は、主にマイクロミラーアレイの１構成単位であるマイクロミラー素子を部分的に示している。マイクロミラーアレイは、図１０に示すマイクロミラー素子が、１次元的あるいは２次元的に配列されたものである。マイクロミラー素子は、ミラーが形成されたミラー基板１０００と、電極が形成された電極基板１３００とを備え、これらが平行に配設されている。
【０００７】
ミラー基板１０００は、板状の基部１０１０とリング状の可動枠１０２０と円板状のミラー１０３０とを備える。基部１０１０は、平面視略円形の開口を備える。可動枠１０２０は、基部１０１０の開口内に配置され、一対の連結部１０１１ａ，１０１１ｂにより基部１０１０に連結している。また、可動枠１０２０も、平面視略円形の開口を備えている。ミラー１０３０は、可動枠１０２０の開口内に配置され、一対のミラー連結部１０２１ａ，１０２１ｂにより可動枠１０２０に連結されている。また、基部１０１０の周辺部には、可動枠１０２０およびミラー１０３０を取り囲む枠部１０４０が形成されている。枠部１０４０は、絶縁層１０５０を介して基部１０１０に固定されている。
【０００８】
連結部１０１１ａ，１０１１ｂは、可動枠１０２０の切り欠き内に設けられており、つづら折りの形状を有するトーションばねから構成され、基部１０１０と可動枠１０２０とを連結している。このように基部１０１０に連結された可動枠１０２０は、連結部１０１１ａ，１０１１ｂを通る回動軸（可動枠回動軸）を中心に、回動可能とされている。また、ミラー連結部１０２１ａ，１０２１ｂは、可動枠１０２０の切り欠き内に設けられており、つづら折りの形状を有するトーションばねから構成され、可動枠１０２０とミラー１０３０とを連結している。このように可動枠１０２０に連結されたミラー１０３０は、ミラー連結部１０２１ａ，１０２１ｂを通る回動軸（ミラー回動軸）を中心に回動可能とされている。なお、可動枠回動軸とミラー回動軸とは、互いに直交している。
【０００９】
一方、電極基板１３００は、板状の基部１３１０と基部１３１０の上面に突出する突出部１３２０と、突出部１３２０の周辺部に突出部１３２０を挟むように並設された一対の凸部１３６０ａおよび凸部１３６０ｂを備えている。突出部１３２０は、角錐台の形状を有する第２テラス１３２２と、第２テラス１３２２の上面に形成された角錐台の形状を有する第１テラス１３２１と、第１テラス１３２１の上面に形成された角錐台の形状を有するピボット１３３０とから構成される。ピボット１３３０は、ミラー１０３０の中央部に対応して配置されている。
【００１０】
また、突出部１３２０の外面を含む電極基板１３００の上面には、対向するミラー基板１０００のミラー１０３０と同心の円内に、扇形の電極１３４０ａ，電極１３４０ｂ，電極１３４０ｃ，電極１３４０ｄが形成されている。さらに、電極基板１３００の突出部１３２０の周囲の凸部１３６０ａおよび凸部１３６０ｂの内側には、配線１３７０が形成され、配線１３７０には、引き出し線１３４１ａ〜１３４１ｄを介して電極１３４０ａ〜１３４０ｄが接続されている。これら電極および配線は、電極基板１３００の表面に形成された絶縁層１３１１の上に形成されている。
【００１１】
上述した構成とされたミラー基板１０００と電極基板１３００とは、各々対応するミラー１０３０と電極１３４０ａ〜１３４０ｄとが対向配置され、基部１０１０の下面が、基部１３１０の凸部１３６０ａおよび凸部１３６０ｂの上面に絶縁層１３１１を介して接合されマイクロミラー素子が形成される。
【００１２】
このようなマイクロミラー素子においては、ミラー１０３０を接地し、電極１３４０ａ〜１３４０ｄ間に正または負の電圧を与え、加えて電極１３４０ａ〜１３４０ｄの間に非対称な電位差を生じさせることで、ミラー１０３０を静電引力で吸引し、ミラー１０３０を任意の方向へ回動させることができる。
【００１３】
また、上述したマイクロミラー素子から構成されるマイクロミラーアレイを用いることで、波長分割多重のための波長選択スイッチが構成できる。この波長選択スイッチの構成について、図１１を用いて説明する。図１１は、ｍ波長多重ＷＤＭ用の１入力ｎ出力（ｍ，ｎは２以上の整数）の分波型波長選択スイッチの構成例を示す斜視図である。
【００１４】
この波長選択スイッチは、１本の入力側光ファイバ１１０１と、ｎ本の出力側光ファイバ１１０２−１〜１１０２−ｎと、入力側光ファイバ１１０１の入力ポート１１０１ａからの入力光を回折してｍ本の特定波長の光信号に分波する回折格子１１０３とを備える。また、回折格子１１０３により回折された最大ｍ本の光信号を波長毎に、対応する出力側光ファイバ１１０２−１〜１１０２−ｎの出力ポート１１０２ａ−１〜１１０２ａ−ｎに反射するｍ個のマイクロミラー素子１１０４−１〜１１０４−ｍを配列したマイクロミラーアレイ１１０４を備える。
【００１５】
この波長選択スイッチでは、図１１の（ａ）に示すように、任意の波長の光信号に対応する例えばマイクロミラー素子のミラー１１０４−１をｘ軸回りに回動させ、回折されて当該ミラーに入射した光信号を反射して所定の出力ポートに結合させることにより、入力側光ファイバ１１０１から入力された最大ｍ波長の光信号の所定の波長の光信号のみを、任意の出力側光ファイバ１１０２−１〜１１０２−ｎから出力させる。
【００１６】
また、マイクロミラー素子のミラーをｘ軸と直交するｙ軸回りに回動させることにより、出力側光ファイバ１１０２−１〜１１０２−ｎの配列方向と直交する方向に回折した光信号を移動させ、いわゆる結合ずれが生じさせることにより、他の出力側光ファイバに光信号が漏れ込むことなくパワーを調節することができる。このように、波長選択スイッチは、単に特定の波長の光信号を任意の出力ポートから出力させるのみならず、その光信号のパワーも調節し、最大ｍ波長の光信号全てのパワーを同等にするパワー等価機能も備えている。
【００１７】
上述したような波長選択スイッチに用いられるマイクロミラーアレイの小型化を実現するには、マイクロミラー素子を高密度に配列する必要がある。このように、高集積するときには、光信号の透過帯域を十分確保するために、ミラーピッチに対するミラー幅の割合を８０％以上とすることが望ましい。この割合は、フィルファクタと呼ばれている。フィルファクタを８０％以上にするということは、例えば、ミラーピッチが１００μｍの場合、ミラーの間隔を２０μｍ以下にしなければならないことを意味している。近年、光信号の信号速度が１０Ｇｂｐｓから４０Ｇｐｓに上昇しており、将来的には信号速度のさらなる高速化が見込まれる現状では、ミラーの間隔は可能な限り小さいことが望ましい。
【００１８】
しかしながら、上述した構成のマイクロミラー素子では、リング状の可動枠の開口内にミラーが配設されてるため、ミラーの間隔は、少なくとも可動枠の幅の２倍を必要とする。このため、ミラーの間隔をより小さくするためには、可動枠の幅を小さくすることになる。しかしながら、可動枠は、ミラーを支持する構造体でもあるので、強度を確保するためにある程度の幅が必要であり、細くすることが容易ではない。このため、可動枠を用いる上述したマイクロミラー素子では、高いフィルファクタを実現することが難しく、光信号の透過帯域を十分に確保することが困難である。
【００１９】
上述した問題を解消する技術として、片持ち梁構造の可動電極を用い、ミラーの両端に連結部を介して上記可動電極を連結したマイクロミラー素子が提案されている（特許文献２参照）。このマイクロミラー素子では、支持部に一端が接続された少なくとも３つの可動電極（可動梁）を用い、このうち２つの可動電極をミラーの一端にばね部材（連結部）を介して接続し、残りの可動電極をミラーの他端にばね部材を介して接続している。また、各可動電極の可動する側に対向して配置された固定電極を備え、固定電極に対する電圧印加で発生する静電引力で、可動電極を変位させている。この可動電極の変位により、ミラーを回動させる。
【００２０】
このマイクロミラー素子では、ミラーを挟んで対向配置される２組の可動電極の配置方向の第１回動軸と、これに直交する第２回動軸との２軸動作を可能としている。このマイクロミラー素子では、前述したマイクロミラー素子とは異なり、２軸動作をするために枠部を必要としないので、ミラーアレイとするときに、複数のマイクロミラー素子を前述したマイクロミラー素子に比較してより狭い間隔で配列させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００３−０５７５７５号公報
【特許文献２】特開２００９−２２９９１６号公報
【特許文献３】特開２０１０−０９６９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、上述したマイクロミラー素子は、ミラーを挟んで対向する２箇所に可動電極を配置するために、この方向に長くなる。このため、マイクロミラーアレイが占有する面積が大きくなり、マイクロミラーアレイの高集積化を阻害するものとなる。また、各可動電極の可動する側に対向して配置された固定電極の個数が少なくとも３つ必要となるが、マイクロミラーアレイのアレイ数が増大するに従い、これら固定電極への配線数が増大し、ワイヤーボンディング等による実装コストの増大や信頼性の低下が懸念される。
【００２３】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、２軸動作が可能なマイクロミラー素子をより小さな領域により多く配列でき、かつ実装コストを低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係るマイクロミラー素子は、基板の上に離間して配置されたミラーと、ミラーの一端を１つの連結部を介して連結して基板の上で支持する第１支持部と、ミラーを挟んで第１支持部に対向する第２支持部と、第２支持部に一端が支持されて他端がミラーの他端に各々１つの連結部を介して連結する第１可動梁および第２可動梁と、第１可動梁のミラー側の他端を基板より離れる方向および基板に近づく方向の選択された第１方向に変位させるための第１駆動電極と、第２可動梁のミラー側の他端を第１方向に変位させるための第２駆動電極とを少なくとも備える。
【００２５】
上記マイクロミラー素子において、第１駆動電極は、第１可動梁の平面に対向する平面部および第１可動梁の可動領域を挟む２つの側部から構成され、第２駆動電極は、第２可動梁の平面に対向する平面部および第２可動梁の可動領域を挟む２つの側部から構成されているようにしてもよい。
【００２６】
上記マイクロミラー素子において、第１可動梁を挟んで第１駆動電極に対向配置された第１電界分離電極と、第２可動梁を挟んで第２駆動電極に対向配置された第２電界分離電極とを備えるようにしてもよい。また、第１電界分離電極は、第１可動梁の平面に対向する平面部および第１可動梁の可動領域を第１電界分離電極の側に延長した領域を挟む２つの側部から構成し、第２電界分離電極は、第２可動梁の平面に対向する平面部および第２可動梁の可動領域を第２電界分離電極の側に延長した領域を挟む２つの側部から構成してもよい。
【００２７】
また、本発明に係るマイクロミラーアレイは、上述したマイクロミラー素子が複数配列されたマイクロミラーアレイであり、複数のマイクロミラー素子が、第１駆動電極および第２駆動電極の配列方向に配列され、配列方向に隣り合うマイクロミラー素子は、第１可動梁および第２可動梁が異なる側に配置されている。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば、ミラーの他端に接続する２つの第１可動梁および第２可動梁によりミラーを動作させるようにしたので、２軸動作が可能なマイクロミラー素子をより小さな領域により多く配列でき、かつ実装コストを低減できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の構成を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の構成を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の一部構成を示す斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラーアレイの構成を示す平面図である。
【図２Ｂ】図２ｂは、本発明の実施の形態１における他のマイクロミラーアレイの構成を示す平面図である。
【図３】図３は、連結部１０３の構成を示す平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２におけるマイクロミラー素子の構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２におけるマイクロミラー素子の一部構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２におけるマイクロミラー素子の一部構成を示す平面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２におけるマイクロミラー素子の動作を説明するための説明図である。
【図８】図８は、駆動電圧Ｖとミラーの回転（回動）角θとの関係を示す特性図である。
【図９】図９は、ミラーの回転角とｄθ／ｄＶとの関係を示す特性図である。
【図１０】図１０は、従来のマイクロミラー素子の構成を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、ミラーを用いた分波型波長選択スイッチの構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００３１】
[実施の形態１]
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の構成を示す平面図である。また、図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の構成を示す断面図である。また、図１Ｃは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の一部構成を示す斜視図である。
【００３２】
このマイクロミラー素子は、基板１０１の上に離間して配置されたミラー１０２と、ミラー１０２の一端を１つの連結部１０３を介して連結して基板１０１の上で支持する第１支持部１０４と、ミラー１０２を挟んで第１支持部１０４に対向する第２支持部１０５と、第２支持部１０５に一端が支持されて他端がミラー１０２の他端に各々１つの連結部１０６ａ，１０６ｂを介して連結する２つの第１可動梁１０７および第２可動梁１０８とを備える。
【００３３】
また、このマイクロミラー素子は、第１可動梁１０７のミラー１０２側の他端を基板１０１より離れる方向および基板１０１に近づく方向の選択された第１方向に変位させるための第１駆動電極１０９と、第２可動梁１０８のミラー１０２側の他端を上記第１方向に変位させるための第２駆動電極１１０とを備える。図１Ａおよび図１Ｂでは、上記第１方向を、基板１０１に近づく方向としている。なお、例えば、第１支持部１０４，第２支持部１０５は、基板１０１の上に絶縁層１２１を介して形成されている。また、例えば、第１駆動電極１０９は、絶縁層１２１の下の基板１０１の上に形成された配線１２２に、絶縁層１２１を貫通するコンタクト配線１２３を介して接続している。また、基板１０１の図示しない領域には、上述した変位のための駆動信号を発生する駆動回路などが形成されている。
【００３４】
上述した実施の形態１におけるマイクロミラー素子は、第１駆動電極１０９および第２駆動電極１１０を形成した電極基板と、連結部１０３，ミラー１０２，連結部１０６ａ，連結部１０６ｂ，第１可動梁１０７，第２可動梁１０８などを形成したミラー基板とを、支持構造体を介して貼り合わせることで形成すればよい。
【００３５】
ミラー基板は、例えば、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板から形成すればよい。ＳＯＩ基板は、シリコンからなる厚い基体部の上に埋め込み絶縁層を介して薄いシリコン層（ＳＯＩ層）を備えたものであり、ＳＯＩ層を加工することで、連結部１０３，ミラー１０２，連結部１０６ａ，連結部１０６ｂ，第１可動梁１０７，第２可動梁１０８などの板状の構造体を形成すればよい。このとき、連結部１０３に接続する周辺部および第１可動梁１０７，第２可動梁１０８に接続する周辺部も同時に形成する。これら構造体を加工した後、基体部，埋め込み絶縁層などを除去すればよい。また、ミラー１０２に形成する反射膜は、所望とする金属を例えばスパッタ法や蒸着法などにより堆積することで形成すればよい。
【００３６】
一方、電極基板は、よく知られたＬＳＩ集積回路など半導体装置の製造方法を用いることで形成可能である。また、主表面の結晶方位が（１００）面の単結晶シリコン基板を、水酸化カリウムなどのアルカリ溶液でエッチング加工し、シリコン基板に所定の深さの凹部を形成することで、支持構造体を備える電極基板を形成するようにしても良い。よく知られているように、単結晶シリコンは、（１１１）面が、（１００）面や（１１０）面に比べて著しくアルカリによるエッチング速度が小さい。この現象を利用することで支持構造体を形成することが可能である。このようにして形成した電極基板の各支持構造体に、連結部１０３に接続する周辺部および第１可動梁１０７，第２可動梁１０８に接続する周辺部を貼り合わせればよい。
【００３７】
なお、個別に用意した支持構造体を用いるようにしても良い。例えば、半田バンプやめっきなどにより形成した支持構造体を用いるようにしても良い。また、ミラー部と電極部とを表面マイクロマシーニングにより、積層して一体的に形成する製造方法であっても良い。
【００３８】
以下、本実施の形態におけるマイクロミラー素子におけるミラー１０２の回動動作について説明する。以下では、基板１０１の側とは反対の面のミラー１０２に反射面が形成されているものとする。このマイクロミラー素子では、まず、第１駆動電極１０９および第２駆動電極１１０の両方に駆動電圧を印加し、第１可動梁１０７および第２可動梁１０８を第１方向に変位させることで、ミラー１０２の反射面をｙ軸の−方向に向けることができる。これは、ミラー１０２を図中のｘ軸方向の回動軸を中心に回動させたことになる。
【００３９】
また、例えば、第１駆動電極１０９のみに駆動電圧を印加し、第１可動梁１０７のみを第１方向に変位させることで、ミラー１０２の反射面を、ｘ軸の＋方向に向けることができる。なお、第１駆動電極１０９に、第２駆動電極１１０より大きな駆動電圧を印加しても同様である。また、駆動電圧の印加状態を第１駆動電極１０９と第２駆動電極１１０とで切り替えれば、ミラー１０２の反射面を、ｘ軸の−方向に向けることができる。このように、本実施の形態１におけるマイクロミラー素子によれば、ミラー１０２の一端側に設けた２つの第１可動梁１０７および第２可動梁１０８で、ミラー１０２を２軸動作させることができる。
【００４０】
上述した実施の形態１によれば、ミラー１０２の一方に２つの可動梁を備え、他方には可動梁を配置していないので、図１Ａ，１Ｂ，１Ｃ中でｙ軸方向としているミラー１０２および可動梁の配列方向の長さを、両端に可動梁を設ける場合に比較して短くすることができる。この結果、本実施の形態によれば、２軸動作が可能なマイクロミラー素子が、より狭い領域により多く配列できるようになる。また、固定電極（駆動電極）の個数が２つと少ないため、マイクロミラーアレイのアレイ数を増大しても、それら固定電極への配線数が少なく済み、ワイヤーボンディング等による実装コストが低減でき、マイクロミラー素子の信頼性も維持される。
【００４１】
なお、マイクロミラー素子は、図２Ａの平面図に示すように配列してマイクロミラーアレイとすればよい。図２Ａに示すように、一体に形成した枠部１１３の内側に、複数のマイクロミラー素子を配列する。枠部１１３の対向する２つの側部を、各々マイクロミラー素子の第１支持部１０４および第２支持部１０５とする。
【００４２】
ここで、連結部１０３，連結部１０６ａ，１０６ｂについて説明する。なお、以下では、連結部１０３を代表として説明する。また、連結部１０３が連結する一方の接続点と他方の接続点とを結ぶ方向を「ｙ軸方向」、連結部１０３の幅方向、すなわち連結部１０３を含む平面内においてｙ軸方向と直交する方向を「ｘ軸方向」としている。
【００４３】
連結部１０３は、ｘ軸方向またはｙ軸方向と直交する断面が略矩形の形状を有し、図３に示すように、略四角形をｙ軸に対称に形成した略Ｈ字状の平面形状を有する。連結部１０３は、１５個の部分１３１ａ，部分１３２ａ，部分１３３ａ，部分１３４ａ，部分１３５ａ，部分１３６ａ，部分１３７ａ，部分１３８，部分１３１ｂ，部分１３２ｂ，部分１３３ｂ，部分１３４ｂ，部分１３５ｂ，部分１３６ｂ，および部分１３７ｂから構成され、部分１３１ａがミラー１０２に接続し、部分１３１ｂが第１支持部１０４に接続し、第１支持部１０４にミラー１０２を回動可能に連結している。
【００４４】
なお、本願発明の連結部１０３は、図３に示す略Ｈ字状の形状に限定されない。ｙ軸方向に直線状のトーションばねでも良く、ｘ軸方向につづら折りの形状を有しても良い。
【００４５】
図２Ａの平面図では、マイクロミラー素子を一様に配列してマイクロミラーアレイとしたが、隣り合うミラー素子の可動梁が異なる側に配置されるように配列してもよい。例えば、図２Ｂに示すように、隣接するマイクロミラー素子の連結部１０３や第１可動梁１０７，第２可動梁１０８が接続する第１支持部１０４側と第２支持部１０５側とが、互いに異なるように配列する。ただし、マイクロミラー１０２の中心は同一直線上に配置されるように配列する。このように配列することにより、隣接したマイクロミラー素子の第１駆動電極１０９および第２駆動電極１１０からの静電気力により、第１可動梁１０７，第２可動梁１０８が影響を受けないため、マイクロミラーの回動角の制御性が向上する。すなわち、隣り合う素子間のクロストークの影響をさらに抑制することができる。
【００４６】
[実施の形態２]
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本発明の実施の形態２におけるマイクロミラー素子の構成を示す斜視図である。このマイクロミラー素子は、基板（不図示）の上に離間して配置されたミラー４０２と、ミラー４０２の一端を１つの連結部４０３を介して連結して基板の上で支持する第１支持部（不図示）と、ミラー４０２を挟んで第１支持部に対向する第２支持部（不図示）とを備える。基板、第１支持部、および第２支持部は、図示していないが、前述した実施の形態１と同様である。
【００４７】
また、このマイクロミラー素子は、第２支持部に一端が支持されて他端がミラー４０２の他端に各々１つの連結部４０６ａ，４０６ｂを介して連結する２つの第１可動梁４０７および第２可動梁４０８を備える。また、第１可動梁４０７のミラー４０２側の他端を基板より離れる方向および基板に近づく方向の選択された第１方向に変位させるための第１駆動電極４０９と、第２可動梁４０８のミラー４０２側の他端を上記第１方向に変位させるための第２駆動電極４１０とを備える。本実施の形態でも、基板に近づく方向を第１方向としている。なお、本実施の形態においても、前述した実施の形態１と同様に、複数のマイクロミラー素子を配列してマイクロミラーアレイとすることができる。
【００４８】
また、本実施の形態では、図５の断面図に示すように、第１駆動電極４０９は、第１可動梁４０７の平面に対向する平面部４０９ａおよび第１可動梁４０７の可動領域を挟む２つの側部４０９ｂから構成し、第２駆動電極４１０は、第２可動梁４０８の平面に対向する平面部４１０ａおよび第２可動梁４０８の可動領域を挟む２つの側部４１０ｂから構成している。ここで、本実施の形態では、平面部および側部を一体に形成している。第１駆動電極や第２駆動電極の金属を、例えば、めっき法、スパッタ法、蒸着法などにより堆積することで形成すればよい。なお、図５は、図４の駆動電極形成領域におけるｘｚ平面の断面を示す断面図である。
【００４９】
このように、各駆動電極に側部を設けることで、複数のマイクロミラー素子を配列させたときに、マイクロミラー素子毎に可動梁を駆動するための電界を分離することができる。側部を備えることで、平面部からこれに隣接する可動梁へ向かう電気力線はほとんど遮蔽され、クロストークの影響を抑制することができる。このようなクロストークの抑制は、側部の高さが、初期状態での可動梁の高さ方向の位置と同じ程度である場合が最も効果的である。
【００５０】
また、本実施の形態におけるマイクロミラー素子は、第１可動梁４０７を挟んで第１駆動電極４０９に対向配置された第１電界分離電極４１１と、第２可動梁４０８を挟んで第２駆動電極４１０に対向配置された第２電界分離電極４１２とを備える。各電界分離電極は接地してもよく、第１可動梁４０７，第２可動梁４０８およびミラー４０２と同電位としてもよい。電界分離電極を設けることで、複数のマイクロミラー素子を配列させたときに、マイクロミラー素子毎に可動梁方向への駆動電極からの漏れ電界を遮蔽することができる。これにより、隣り合う素子間のクロストークの影響をさらに抑制することができる。
【００５１】
また、本実施の形態では、図５の断面図に示すように、第１電界分離電極４１１は、第１可動梁４０７の平面に対向する平面部４１１ａおよび第１可動梁４０７の可動領域を第１電界分離電極４１１の側に延長した領域を挟む２つの側部４１１ｂから構成し、第２電界分離電極４１２は、第２可動梁４０８の平面に対向する平面部４１２ａおよび第２可動梁４０８の可動領域を第２電界分離電極４１２の側に延長した領域を挟む２つの側部４１２ｂから構成している。本実施の形態では、本実施の形態では、平面部および側部を一体に形成している。第１電界分離電極４１１および第２電界分離電極４１２の金属を、例えば、めっき法，スパッタ法，蒸着法などにより堆積することで形成した基板をミラー基板に接合すればよい。このようにすることで、駆動電極から見て可動梁の側に漏れ出す電界をより効率よく遮蔽することができる。
【００５２】
以下、本実施の形態におけるマイクロミラー素子におけるミラー４０２の回動動作について説明する。以下では、図６の平面図に示すように、第１可動梁４０７および第２可動梁４０８とミラー４０２とが配列されている方向に対して直交して基板（不図示）の平面に平行で、連結部４０３を通る軸を主軸６０１とし、基板の平面に平行で、連結部４０３で主軸６０１に直交する軸を副軸６０２とする。主軸６０１は、ｘ軸に平行であり、副軸６０２は、ｙ軸に平行である。また、基板の側とは反対の面のミラー４０２に反射面が形成されているものとする。また、第１駆動電極４０９に印加する駆動電圧をＶ１とし、第２駆動電極４１０に印加する駆動電圧をＶ２とする。
【００５３】
まず、Ｖ１＝Ｖ２とすることで、第１可動梁４０７および第２可動梁４０８を基板の側（第１方向）に変位させれば、ミラー４０２の反射面をｙ軸の−方向に向けることができる。これは、ミラー４０２を主軸６０１で回動させたことになる。
【００５４】
また、Ｖ１＜Ｖ２とすることで、第１可動梁４０７に対して第２可動梁４０８の方を
第１方向により変位させることで、図７の斜視図に示すように、ミラー４０２の反射面７０１を、ｘ軸の−方向に向けることができる。これは、ミラー４０２を、副軸６０２で回動させたことになる。また、Ｖ１＞Ｖ２とすれば、ミラー４０２の反射面７０１を、ｘ軸の＋方向に向けることができる。このように、本実施の形態２におけるマイクロミラー素子においても、ミラー４０２の一端側に設けた２つの第１可動梁４０７および第２可動梁４０８で、ミラー４０２を２軸動作させることができる。
【００５５】
ここで、ミラー４０２のｙ軸方向の長さ（ミラー長）を６００μｍとし、ミラー４０２のｘ軸方向の長さ（ミラー幅）を２００μｍとし、第１可動梁４０７と第２可動梁４０８との配列間隔を１０８μｍとしたときのミラー動作のシミュレーション結果について図８および図９を用いて説明する。図８は、駆動電圧Ｖとミラーの回転（回動）角θとの関係を示し、図９は、回転角とｄθ／ｄＶとの関係を示している。また、図８，図９において、（ａ）は、２つの駆動電極に同じ駆動電圧を印加してミラーを主軸で回転させた場合の変化を示している。また、（ｂ）は、２つの駆動電圧に異なる駆動電圧を印加してミラーを副軸で回転させた場合の変化を示している。この副軸回転動作では、２つの駆動電極に印加する電圧の差を駆動電圧としている。
【００５６】
図８，図９から明らかなように、副軸回転動作の方が主軸回転動作に対してより大きな回転角が得られている。例えば、図８に示すように、駆動電圧を１８０Ｖとしたとき、主軸回転動作では回転角が２．３ｄｅｇ．であるが、副軸回転動作では、６．３ｄｅｇ．の回転が得られる。
【００５７】
上述した実施の形態２によれば、ミラー４０２の一方に２つの可動梁を備え、他方には可動梁を配置していないので、図４の中でｙ方向としているミラー４０２および可動梁の配列方向の長さを、両端に可動梁を設ける場合に比較して短くすることができる。この結果、本実施の形態によれば、２軸動作が可能なマイクロミラー素子が、より狭い領域により多く配列できるようになる。また、固定電極の個数が２つと少ないため、マイクロミラーアレイのアレイ数を増大しても、それら固定電極への配線数が少なく済み、ワイヤーボンディング等による実装コストが低減でき、マイクロミラー素子の信頼性も維持される。
【００５８】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、ミラーと対向する固定電極を有しないため、ミラーの平面形状を長方形としたが、これに限るものではない。
【００５９】
また、上述した実施の形態では、駆動電極を基板の側に配置するようにしたが、これに限るものではない。可動梁が基板より離れる方向に変位するように、基板から見て可動梁の上方に駆動電極を配置してもよい。また、連結部は、略Ｈ字状に限るものではなく、例えば、つづら折りの形状を有するものであってもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１０１…基板、１０２…ミラー、１０３…連結部、１０４…第１支持部、１０５…第２支持部、１０６ａ，１０６ｂ…連結部、１０７…第１可動梁、１０８…第２可動梁、１０９…第１駆動電極、１１０…第２駆動電極、１２１…絶縁層、１２２…配線、１２３…コンタクト配線。
【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マイクロミラー素子およびマイクロ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 Systems）技術が脚光を浴びており、光ＭＥＭＳ技術を用いた光スイッチが開発されている（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、複数のマイクロミラー素子を配列したマイクロミラーアレイである。
【０００３】
光スイッチは、光を電気信号に変換することなく、経路切り替えを可能にするものであり、また、光スイッチを用いれば、多重化された光であっても、これを波長ごとに分波することなく経路の切り替えが可能である。このような光スイッチは、例えば、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ために用いられている。
【０００４】
また、近年、多重化された光を波長毎に分波した後で分波した各々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が、ここにもマイクロミラー素子が使用されている。
【０００５】
以下、特許文献１に示されたマイクロミラー素子（マイクロミラーアレイ）について、図１０を用いて説明する。ここでは、マイクロミラー素子を、ミラー基板とこれに対向配置された電極基板とから構成している。ミラー基板は、ミラーとして作用する複数の可動構造体と、この可動構造体をトーションばねなどのばね部材によって回動可能に支持する支持部材とを有する。また、電極基板には、ミラーとして作用する可動構造体に対応した複数の電極部が、土台となる基板の上に形成されている。
【０００６】
図１０は、ミラー基板および電極基板の構成を概略的に示す斜視図である。なお、図１０は、主にマイクロミラーアレイの１構成単位であるマイクロミラー素子を部分的に示している。マイクロミラーアレイは、図１０に示すマイクロミラー素子が、１次元的あるいは２次元的に配列されたものである。マイクロミラー素子は、ミラーが形成されたミラー基板１０００と、電極が形成された電極基板１３００とを備え、これらが平行に配設されている。
【０００７】
ミラー基板１０００は、板状の基部１０１０とリング状の可動枠１０２０と円板状のミラー１０３０とを備える。基部１０１０は、平面視略円形の開口を備える。可動枠１０２０は、基部１０１０の開口内に配置され、一対の連結部１０１１ａ，１０１１ｂにより基部１０１０に連結している。また、可動枠１０２０も、平面視略円形の開口を備えている。ミラー１０３０は、可動枠１０２０の開口内に配置され、一対のミラー連結部１０２１ａ，１０２１ｂにより可動枠１０２０に連結されている。また、基部１０１０の周辺部には、可動枠１０２０およびミラー１０３０を取り囲む枠部１０４０が形成されている。枠部１０４０は、絶縁層１０５０を介して基部１０１０に固定されている。
【０００８】
連結部１０１１ａ，１０１１ｂは、可動枠１０２０の切り欠き内に設けられており、つづら折りの形状を有するトーションばねから構成され、基部１０１０と可動枠１０２０とを連結している。このように基部１０１０に連結された可動枠１０２０は、連結部１０１１ａ，１０１１ｂを通る回動軸（可動枠回動軸）を中心に、回動可能とされている。また、ミラー連結部１０２１ａ，１０２１ｂは、可動枠１０２０の切り欠き内に設けられており、つづら折りの形状を有するトーションばねから構成され、可動枠１０２０とミラー１０３０とを連結している。このように可動枠１０２０に連結されたミラー１０３０は、ミラー連結部１０２１ａ，１０２１ｂを通る回動軸（ミラー回動軸）を中心に回動可能とされている。なお、可動枠回動軸とミラー回動軸とは、互いに直交している。
【０００９】
一方、電極基板１３００は、板状の基部１３１０と基部１３１０の上面に突出する突出部１３２０と、突出部１３２０の周辺部に突出部１３２０を挟むように並設された一対の凸部１３６０ａおよび凸部１３６０ｂを備えている。突出部１３２０は、角錐台の形状を有する第２テラス１３２２と、第２テラス１３２２の上面に形成された角錐台の形状を有する第１テラス１３２１と、第１テラス１３２１の上面に形成された角錐台の形状を有するピボット１３３０とから構成される。ピボット１３３０は、ミラー１０３０の中央部に対応して配置されている。
【００１０】
また、突出部１３２０の外面を含む電極基板１３００の上面には、対向するミラー基板１０００のミラー１０３０と同心の円内に、扇形の電極１３４０ａ，電極１３４０ｂ，電極１３４０ｃ，電極１３４０ｄが形成されている。さらに、電極基板１３００の突出部１３２０の周囲の凸部１３６０ａおよび凸部１３６０ｂの内側には、配線１３７０が形成され、配線１３７０には、引き出し線１３４１ａ〜１３４１ｄを介して電極１３４０ａ〜１３４０ｄが接続されている。これら電極および配線は、電極基板１３００の表面に形成された絶縁層１３１１の上に形成されている。
【００１１】
上述した構成とされたミラー基板１０００と電極基板１３００とは、各々対応するミラー１０３０と電極１３４０ａ〜１３４０ｄとが対向配置され、基部１０１０の下面が、基部１３１０の凸部１３６０ａおよび凸部１３６０ｂの上面に絶縁層１３１１を介して接合されマイクロミラー素子が形成される。
【００１２】
このようなマイクロミラー素子においては、ミラー１０３０を接地し、電極１３４０ａ〜１３４０ｄ間に正または負の電圧を与え、加えて電極１３４０ａ〜１３４０ｄの間に非対称な電位差を生じさせることで、ミラー１０３０を静電引力で吸引し、ミラー１０３０を任意の方向へ回動させることができる。
【００１３】
また、上述したマイクロミラー素子から構成されるマイクロミラーアレイを用いることで、波長分割多重のための波長選択スイッチが構成できる。この波長選択スイッチの構成について、図１１を用いて説明する。図１１は、ｍ波長多重ＷＤＭ用の１入力ｎ出力（ｍ，ｎは２以上の整数）の分波型波長選択スイッチの構成例を示す斜視図である。
【００１４】
この波長選択スイッチは、１本の入力側光ファイバ１１０１と、ｎ本の出力側光ファイバ１１０２−１〜１１０２−ｎと、入力側光ファイバ１１０１の入力ポート１１０１ａからの入力光を回折してｍ本の特定波長の光信号に分波する回折格子１１０３とを備える。また、回折格子１１０３により回折された最大ｍ本の光信号を波長毎に、対応する出力側光ファイバ１１０２−１〜１１０２−ｎの出力ポート１１０２ａ−１〜１１０２ａ−ｎに反射するｍ個のマイクロミラー素子１１０４−１〜１１０４−ｍを配列したマイクロミラーアレイ１１０４を備える。
【００１５】
この波長選択スイッチでは、図１１の（ａ）に示すように、任意の波長の光信号に対応する例えばマイクロミラー素子のミラー１１０４−１をｘ軸回りに回動させ、回折されて当該ミラーに入射した光信号を反射して所定の出力ポートに結合させることにより、入力側光ファイバ１１０１から入力された最大ｍ波長の光信号の所定の波長の光信号のみを、任意の出力側光ファイバ１１０２−１〜１１０２−ｎから出力させる。
【００１６】
また、マイクロミラー素子のミラーをｘ軸と直交するｙ軸回りに回動させることにより、出力側光ファイバ１１０２−１〜１１０２−ｎの配列方向と直交する方向に回折した光信号を移動させ、いわゆる結合ずれが生じさせることにより、他の出力側光ファイバに光信号が漏れ込むことなくパワーを調節することができる。このように、波長選択スイッチは、単に特定の波長の光信号を任意の出力ポートから出力させるのみならず、その光信号のパワーも調節し、最大ｍ波長の光信号全てのパワーを同等にするパワー等価機能も備えている。
【００１７】
上述したような波長選択スイッチに用いられるマイクロミラーアレイの小型化を実現するには、マイクロミラー素子を高密度に配列する必要がある。このように、高集積するときには、光信号の透過帯域を十分確保するために、ミラーピッチに対するミラー幅の割合を８０％以上とすることが望ましい。この割合は、フィルファクタと呼ばれている。フィルファクタを８０％以上にするということは、例えば、ミラーピッチが１００μｍの場合、ミラーの間隔を２０μｍ以下にしなければならないことを意味している。近年、光信号の信号速度が１０Ｇｂｐｓから４０Ｇｐｓに上昇しており、将来的には信号速度のさらなる高速化が見込まれる現状では、ミラーの間隔は可能な限り小さいことが望ましい。
【００１８】
しかしながら、上述した構成のマイクロミラー素子では、リング状の可動枠の開口内にミラーが配設されてるため、ミラーの間隔は、少なくとも可動枠の幅の２倍を必要とする。このため、ミラーの間隔をより小さくするためには、可動枠の幅を小さくすることになる。しかしながら、可動枠は、ミラーを支持する構造体でもあるので、強度を確保するためにある程度の幅が必要であり、細くすることが容易ではない。このため、可動枠を用いる上述したマイクロミラー素子では、高いフィルファクタを実現することが難しく、光信号の透過帯域を十分に確保することが困難である。
【００１９】
上述した問題を解消する技術として、片持ち梁構造の可動電極を用い、ミラーの両端に連結部を介して上記可動電極を連結したマイクロミラー素子が提案されている（特許文献２参照）。このマイクロミラー素子では、支持部に一端が接続された少なくとも３つの可動電極（可動梁）を用い、このうち２つの可動電極をミラーの一端にばね部材（連結部）を介して接続し、残りの可動電極をミラーの他端にばね部材を介して接続している。また、各可動電極の可動する側に対向して配置された固定電極を備え、固定電極に対する電圧印加で発生する静電引力で、可動電極を変位させている。この可動電極の変位により、ミラーを回動させる。
【００２０】
このマイクロミラー素子では、ミラーを挟んで対向配置される２組の可動電極の配置方向の第１回動軸と、これに直交する第２回動軸との２軸動作を可能としている。このマイクロミラー素子では、前述したマイクロミラー素子とは異なり、２軸動作をするために枠部を必要としないので、ミラーアレイとするときに、複数のマイクロミラー素子を前述したマイクロミラー素子に比較してより狭い間隔で配列させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００３−０５７５７５号公報
【特許文献２】特開２００９−２２９９１６号公報
【特許文献３】特開２０１０−０９６９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、上述したマイクロミラー素子は、ミラーを挟んで対向する２箇所に可動電極を配置するために、この方向に長くなる。このため、マイクロミラーアレイが占有する面積が大きくなり、マイクロミラーアレイの高集積化を阻害するものとなる。また、各可動電極の可動する側に対向して配置された固定電極の個数が少なくとも３つ必要となるが、マイクロミラーアレイのアレイ数が増大するに従い、これら固定電極への配線数が増大し、ワイヤーボンディング等による実装コストの増大や信頼性の低下が懸念される。
【００２３】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、２軸動作が可能なマイクロミラー素子をより小さな領域により多く配列でき、かつ実装コストを低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係るマイクロミラー素子は、基板の上に離間して配置されたミラーと、ミラーの一端を１つの連結部を介して連結して基板の上で支持する第１支持部と、ミラーを挟んで第１支持部に対向する第２支持部と、第２支持部に一端が支持されて他端がミラーの他端に各々１つの連結部を介して連結する第１可動梁および第２可動梁と、第１可動梁のミラー側の他端を基板より離れる方向および基板に近づく方向の選択された第１方向に変位させるための第１駆動電極と、第２可動梁のミラー側の他端を第１方向に変位させるための第２駆動電極とを少なくとも備える。
【００２５】
上記マイクロミラー素子において、第１駆動電極は、第１可動梁の平面に対向する平面部および第１可動梁の可動領域を挟む２つの側部から構成され、第２駆動電極は、第２可動梁の平面に対向する平面部および第２可動梁の可動領域を挟む２つの側部から構成されているようにしてもよい。
【００２６】
上記マイクロミラー素子において、第１可動梁を挟んで第１駆動電極に対向配置された第１電界分離電極と、第２可動梁を挟んで第２駆動電極に対向配置された第２電界分離電極とを備えるようにしてもよい。また、第１電界分離電極は、第１可動梁の平面に対向する平面部および第１可動梁の可動領域を第１電界分離電極の側に延長した領域を挟む２つの側部から構成し、第２電界分離電極は、第２可動梁の平面に対向する平面部および第２可動梁の可動領域を第２電界分離電極の側に延長した領域を挟む２つの側部から構成してもよい。
【００２７】
また、本発明に係るマイクロミラーアレイは、上述したマイクロミラー素子が複数配列されたマイクロミラーアレイであり、複数のマイクロミラー素子が、第１駆動電極および第２駆動電極の配列方向に配列され、配列方向に隣り合うマイクロミラー素子は、第１可動梁および第２可動梁が異なる側に配置されている。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば、ミラーの他端に接続する２つの第１可動梁および第２可動梁によりミラーを動作させるようにしたので、２軸動作が可能なマイクロミラー素子をより小さな領域により多く配列でき、かつ実装コストを低減できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の構成を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の構成を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の一部構成を示す斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラーアレイの構成を示す平面図である。
【図２Ｂ】図２ｂは、本発明の実施の形態１における他のマイクロミラーアレイの構成を示す平面図である。
【図３】図３は、連結部１０３の構成を示す平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２におけるマイクロミラー素子の構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２におけるマイクロミラー素子の一部構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２におけるマイクロミラー素子の一部構成を示す平面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２におけるマイクロミラー素子の動作を説明するための説明図である。
【図８】図８は、駆動電圧Ｖとミラーの回転（回動）角θとの関係を示す特性図である。
【図９】図９は、ミラーの回転角とｄθ／ｄＶとの関係を示す特性図である。
【図１０】図１０は、従来のマイクロミラー素子の構成を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、ミラーを用いた分波型波長選択スイッチの構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００３１】
[実施の形態１]
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の構成を示す平面図である。また、図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の構成を示す断面図である。また、図１Ｃは、本発明の実施の形態１におけるマイクロミラー素子の一部構成を示す斜視図である。
【００３２】
このマイクロミラー素子は、基板１０１の上に離間して配置されたミラー１０２と、ミラー１０２の一端を１つの連結部１０３を介して連結して基板１０１の上で支持する第１支持部１０４と、ミラー１０２を挟んで第１支持部１０４に対向する第２支持部１０５と、第２支持部１０５に一端が支持されて他端がミラー１０２の他端に各々１つの連結部１０６ａ，１０６ｂを介して連結する２つの第１可動梁１０７および第２可動梁１０８とを備える。
【００３３】
また、このマイクロミラー素子は、第１可動梁１０７のミラー１０２側の他端を基板１０１より離れる方向および基板１０１に近づく方向の選択された第１方向に変位させるための第１駆動電極１０９と、第２可動梁１０８のミラー１０２側の他端を上記第１方向に変位させるための第２駆動電極１１０とを備える。図１Ａおよび図１Ｂでは、上記第１方向を、基板１０１に近づく方向としている。なお、例えば、第１支持部１０４，第２支持部１０５は、基板１０１の上に絶縁層１２１を介して形成されている。また、例えば、第１駆動電極１０９は、絶縁層１２１の下の基板１０１の上に形成された配線１２２に、絶縁層１２１を貫通するコンタクト配線１２３を介して接続している。また、基板１０１の図示しない領域には、上述した変位のための駆動信号を発生する駆動回路などが形成されている。
【００３４】
上述した実施の形態１におけるマイクロミラー素子は、第１駆動電極１０９および第２駆動電極１１０を形成した電極基板と、連結部１０３，ミラー１０２，連結部１０６ａ，連結部１０６ｂ，第１可動梁１０７，第２可動梁１０８などを形成したミラー基板とを、支持構造体を介して貼り合わせることで形成すればよい。
【００３５】
ミラー基板は、例えば、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板から形成すればよい。ＳＯＩ基板は、シリコンからなる厚い基体部の上に埋め込み絶縁層を介して薄いシリコン層（ＳＯＩ層）を備えたものであり、ＳＯＩ層を加工することで、連結部１０３，ミラー１０２，連結部１０６ａ，連結部１０６ｂ，第１可動梁１０７，第２可動梁１０８などの板状の構造体を形成すればよい。このとき、連結部１０３に接続する周辺部および第１可動梁１０７，第２可動梁１０８に接続する周辺部も同時に形成する。これら構造体を加工した後、基体部，埋め込み絶縁層などを除去すればよい。また、ミラー１０２に形成する反射膜は、所望とする金属を例えばスパッタ法や蒸着法などにより堆積することで形成すればよい。
【００３６】
一方、電極基板は、よく知られたＬＳＩ集積回路など半導体装置の製造方法を用いることで形成可能である。また、主表面の結晶方位が（１００）面の単結晶シリコン基板を、水酸化カリウムなどのアルカリ溶液でエッチング加工し、シリコン基板に所定の深さの凹部を形成することで、支持構造体を備える電極基板を形成するようにしても良い。よく知られているように、単結晶シリコンは、（１１１）面が、（１００）面や（１１０）面に比べて著しくアルカリによるエッチング速度が小さい。この現象を利用することで支持構造体を形成することが可能である。このようにして形成した電極基板の各支持構造体に、連結部１０３に接続する周辺部および第１可動梁１０７，第２可動梁１０８に接続する周辺部を貼り合わせればよい。
【００３７】
なお、個別に用意した支持構造体を用いるようにしても良い。例えば、半田バンプやめっきなどにより形成した支持構造体を用いるようにしても良い。また、ミラー部と電極部とを表面マイクロマシーニングにより、積層して一体的に形成する製造方法であっても良い。
【００３８】
以下、本実施の形態におけるマイクロミラー素子におけるミラー１０２の回動動作について説明する。以下では、基板１０１の側とは反対の面のミラー１０２に反射面が形成されているものとする。このマイクロミラー素子では、まず、第１駆動電極１０９および第２駆動電極１１０の両方に駆動電圧を印加し、第１可動梁１０７および第２可動梁１０８を第１方向に変位させることで、ミラー１０２の反射面をｙ軸の−方向に向けることができる。これは、ミラー１０２を図中のｘ軸方向の回動軸を中心に回動させたことになる。
【００３９】
また、例えば、第１駆動電極１０９のみに駆動電圧を印加し、第１可動梁１０７のみを第１方向に変位させることで、ミラー１０２の反射面を、ｘ軸の＋方向に向けることができる。なお、第１駆動電極１０９に、第２駆動電極１１０より大きな駆動電圧を印加しても同様である。また、駆動電圧の印加状態を第１駆動電極１０９と第２駆動電極１１０とで切り替えれば、ミラー１０２の反射面を、ｘ軸の−方向に向けることができる。このように、本実施の形態１におけるマイクロミラー素子によれば、ミラー１０２の一端側に設けた２つの第１可動梁１０７および第２可動梁１０８で、ミラー１０２を２軸動作させることができる。
【００４０】
上述した実施の形態１によれば、ミラー１０２の一方に２つの可動梁を備え、他方には可動梁を配置していないので、図１Ａ，１Ｂ，１Ｃ中でｙ軸方向としているミラー１０２および可動梁の配列方向の長さを、両端に可動梁を設ける場合に比較して短くすることができる。この結果、本実施の形態によれば、２軸動作が可能なマイクロミラー素子が、より狭い領域により多く配列できるようになる。また、固定電極（駆動電極）の個数が２つと少ないため、マイクロミラーアレイのアレイ数を増大しても、それら固定電極への配線数が少なく済み、ワイヤーボンディング等による実装コストが低減でき、マイクロミラー素子の信頼性も維持される。
【００４１】
なお、マイクロミラー素子は、図２Ａの平面図に示すように配列してマイクロミラーアレイとすればよい。図２Ａに示すように、一体に形成した枠部１１３の内側に、複数のマイクロミラー素子を配列する。枠部１１３の対向する２つの側部を、各々マイクロミラー素子の第１支持部１０４および第２支持部１０５とする。
【００４２】
ここで、連結部１０３，連結部１０６ａ，１０６ｂについて説明する。なお、以下では、連結部１０３を代表として説明する。また、連結部１０３が連結する一方の接続点と他方の接続点とを結ぶ方向を「ｙ軸方向」、連結部１０３の幅方向、すなわち連結部１０３を含む平面内においてｙ軸方向と直交する方向を「ｘ軸方向」としている。
【００４３】
連結部１０３は、ｘ軸方向またはｙ軸方向と直交する断面が略矩形の形状を有し、図３に示すように、略四角形をｙ軸に対称に形成した略Ｈ字状の平面形状を有する。連結部１０３は、１５個の部分１３１ａ，部分１３２ａ，部分１３３ａ，部分１３４ａ，部分１３５ａ，部分１３６ａ，部分１３７ａ，部分１３８，部分１３１ｂ，部分１３２ｂ，部分１３３ｂ，部分１３４ｂ，部分１３５ｂ，部分１３６ｂ，および部分１３７ｂから構成され、部分１３１ａがミラー１０２に接続し、部分１３１ｂが第１支持部１０４に接続し、第１支持部１０４にミラー１０２を回動可能に連結している。
【００４４】
なお、本願発明の連結部１０３は、図３に示す略Ｈ字状の形状に限定されない。ｙ軸方向に直線状のトーションばねでも良く、ｘ軸方向につづら折りの形状を有しても良い。
【００４５】
図２Ａの平面図では、マイクロミラー素子を一様に配列してマイクロミラーアレイとしたが、隣り合うミラー素子の可動梁が異なる側に配置されるように配列してもよい。例えば、図２Ｂに示すように、隣接するマイクロミラー素子の連結部１０３や第１可動梁１０７，第２可動梁１０８が接続する第１支持部１０４側と第２支持部１０５側とが、互いに異なるように配列する。ただし、マイクロミラー１０２の中心は同一直線上に配置されるように配列する。このように配列することにより、隣接したマイクロミラー素子の第１駆動電極１０９および第２駆動電極１１０からの静電気力により、第１可動梁１０７，第２可動梁１０８が影響を受けないため、マイクロミラーの回動角の制御性が向上する。すなわち、隣り合う素子間のクロストークの影響をさらに抑制することができる。
【００４６】
[実施の形態２]
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本発明の実施の形態２におけるマイクロミラー素子の構成を示す斜視図である。このマイクロミラー素子は、基板（不図示）の上に離間して配置されたミラー４０２と、ミラー４０２の一端を１つの連結部４０３を介して連結して基板の上で支持する第１支持部（不図示）と、ミラー４０２を挟んで第１支持部に対向する第２支持部（不図示）とを備える。基板、第１支持部、および第２支持部は、図示していないが、前述した実施の形態１と同様である。
【００４７】
また、このマイクロミラー素子は、第２支持部に一端が支持されて他端がミラー４０２の他端に各々１つの連結部４０６ａ，４０６ｂを介して連結する２つの第１可動梁４０７および第２可動梁４０８を備える。また、第１可動梁４０７のミラー４０２側の他端を基板より離れる方向および基板に近づく方向の選択された第１方向に変位させるための第１駆動電極４０９と、第２可動梁４０８のミラー４０２側の他端を上記第１方向に変位させるための第２駆動電極４１０とを備える。本実施の形態でも、基板に近づく方向を第１方向としている。なお、本実施の形態においても、前述した実施の形態１と同様に、複数のマイクロミラー素子を配列してマイクロミラーアレイとすることができる。
【００４８】
また、本実施の形態では、図５の断面図に示すように、第１駆動電極４０９は、第１可動梁４０７の平面に対向する平面部４０９ａおよび第１可動梁４０７の可動領域を挟む２つの側部４０９ｂから構成し、第２駆動電極４１０は、第２可動梁４０８の平面に対向する平面部４１０ａおよび第２可動梁４０８の可動領域を挟む２つの側部４１０ｂから構成している。ここで、本実施の形態では、平面部および側部を一体に形成している。第１駆動電極や第２駆動電極の金属を、例えば、めっき法、スパッタ法、蒸着法などにより堆積することで形成すればよい。なお、図５は、図４の駆動電極形成領域におけるｘｚ平面の断面を示す断面図である。
【００４９】
このように、各駆動電極に側部を設けることで、複数のマイクロミラー素子を配列させたときに、マイクロミラー素子毎に可動梁を駆動するための電界を分離することができる。側部を備えることで、平面部からこれに隣接する可動梁へ向かう電気力線はほとんど遮蔽され、クロストークの影響を抑制することができる。このようなクロストークの抑制は、側部の高さが、初期状態での可動梁の高さ方向の位置と同じ程度である場合が最も効果的である。
【００５０】
また、本実施の形態におけるマイクロミラー素子は、第１可動梁４０７を挟んで第１駆動電極４０９に対向配置された第１電界分離電極４１１と、第２可動梁４０８を挟んで第２駆動電極４１０に対向配置された第２電界分離電極４１２とを備える。各電界分離電極は接地してもよく、第１可動梁４０７，第２可動梁４０８およびミラー４０２と同電位としてもよい。電界分離電極を設けることで、複数のマイクロミラー素子を配列させたときに、マイクロミラー素子毎に可動梁方向への駆動電極からの漏れ電界を遮蔽することができる。これにより、隣り合う素子間のクロストークの影響をさらに抑制することができる。
【００５１】
また、本実施の形態では、図５の断面図に示すように、第１電界分離電極４１１は、第１可動梁４０７の平面に対向する平面部４１１ａおよび第１可動梁４０７の可動領域を第１電界分離電極４１１の側に延長した領域を挟む２つの側部４１１ｂから構成し、第２電界分離電極４１２は、第２可動梁４０８の平面に対向する平面部４１２ａおよび第２可動梁４０８の可動領域を第２電界分離電極４１２の側に延長した領域を挟む２つの側部４１２ｂから構成している。本実施の形態では、本実施の形態では、平面部および側部を一体に形成している。第１電界分離電極４１１および第２電界分離電極４１２の金属を、例えば、めっき法，スパッタ法，蒸着法などにより堆積することで形成した基板をミラー基板に接合すればよい。このようにすることで、駆動電極から見て可動梁の側に漏れ出す電界をより効率よく遮蔽することができる。
【００５２】
以下、本実施の形態におけるマイクロミラー素子におけるミラー４０２の回動動作について説明する。以下では、図６の平面図に示すように、第１可動梁４０７および第２可動梁４０８とミラー４０２とが配列されている方向に対して直交して基板（不図示）の平面に平行で、連結部４０３を通る軸を主軸６０１とし、基板の平面に平行で、連結部４０３で主軸６０１に直交する軸を副軸６０２とする。主軸６０１は、ｘ軸に平行であり、副軸６０２は、ｙ軸に平行である。また、基板の側とは反対の面のミラー４０２に反射面が形成されているものとする。また、第１駆動電極４０９に印加する駆動電圧をＶ１とし、第２駆動電極４１０に印加する駆動電圧をＶ２とする。
【００５３】
まず、Ｖ１＝Ｖ２とすることで、第１可動梁４０７および第２可動梁４０８を基板の側（第１方向）に変位させれば、ミラー４０２の反射面をｙ軸の−方向に向けることができる。これは、ミラー４０２を主軸６０１で回動させたことになる。
【００５４】
また、Ｖ１＜Ｖ２とすることで、第１可動梁４０７に対して第２可動梁４０８の方を
第１方向により変位させることで、図７の斜視図に示すように、ミラー４０２の反射面７０１を、ｘ軸の−方向に向けることができる。これは、ミラー４０２を、副軸６０２で回動させたことになる。また、Ｖ１＞Ｖ２とすれば、ミラー４０２の反射面７０１を、ｘ軸の＋方向に向けることができる。このように、本実施の形態２におけるマイクロミラー素子においても、ミラー４０２の一端側に設けた２つの第１可動梁４０７および第２可動梁４０８で、ミラー４０２を２軸動作させることができる。
【００５５】
ここで、ミラー４０２のｙ軸方向の長さ（ミラー長）を６００μｍとし、ミラー４０２のｘ軸方向の長さ（ミラー幅）を２００μｍとし、第１可動梁４０７と第２可動梁４０８との配列間隔を１０８μｍとしたときのミラー動作のシミュレーション結果について図８および図９を用いて説明する。図８は、駆動電圧Ｖとミラーの回転（回動）角θとの関係を示し、図９は、回転角とｄθ／ｄＶとの関係を示している。また、図８，図９において、（ａ）は、２つの駆動電極に同じ駆動電圧を印加してミラーを主軸で回転させた場合の変化を示している。また、（ｂ）は、２つの駆動電圧に異なる駆動電圧を印加してミラーを副軸で回転させた場合の変化を示している。この副軸回転動作では、２つの駆動電極に印加する電圧の差を駆動電圧としている。
【００５６】
図８，図９から明らかなように、副軸回転動作の方が主軸回転動作に対してより大きな回転角が得られている。例えば、図８に示すように、駆動電圧を１８０Ｖとしたとき、主軸回転動作では回転角が２．３ｄｅｇ．であるが、副軸回転動作では、６．３ｄｅｇ．の回転が得られる。
【００５７】
上述した実施の形態２によれば、ミラー４０２の一方に２つの可動梁を備え、他方には可動梁を配置していないので、図４の中でｙ方向としているミラー４０２および可動梁の配列方向の長さを、両端に可動梁を設ける場合に比較して短くすることができる。この結果、本実施の形態によれば、２軸動作が可能なマイクロミラー素子が、より狭い領域により多く配列できるようになる。また、固定電極の個数が２つと少ないため、マイクロミラーアレイのアレイ数を増大しても、それら固定電極への配線数が少なく済み、ワイヤーボンディング等による実装コストが低減でき、マイクロミラー素子の信頼性も維持される。
【００５８】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、ミラーと対向する固定電極を有しないため、ミラーの平面形状を長方形としたが、これに限るものではない。
【００５９】
また、上述した実施の形態では、駆動電極を基板の側に配置するようにしたが、これに限るものではない。可動梁が基板より離れる方向に変位するように、基板から見て可動梁の上方に駆動電極を配置してもよい。また、連結部は、略Ｈ字状に限るものではなく、例えば、つづら折りの形状を有するものであってもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１０１…基板、１０２…ミラー、１０３…連結部、１０４…第１支持部、１０５…第２支持部、１０６ａ，１０６ｂ…連結部、１０７…第１可動梁、１０８…第２可動梁、１０９…第１駆動電極、１１０…第２駆動電極、１２１…絶縁層、１２２…配線、１２３…コンタクト配線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に離間して配置されたミラーと、
前記ミラーの一端を１つの連結部を介して連結して前記基板の上で支持する第１支持部と、
前記ミラーを挟んで前記第１支持部に対向する第２支持部と、
前記第２支持部に一端が支持されて他端が前記ミラーの他端に各々１つの連結部を介して連結する第１可動梁および第２可動梁と、
前記第１可動梁の前記ミラー側の他端を前記基板より離れる方向および前記基板に近づく方向の選択された第１方向に変位させるための第１駆動電極と、
前記第２可動梁の前記ミラー側の他端を前記第１方向に変位させるための第２駆動電極と
を少なくとも備えることを特徴とするマイクロミラー素子。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロミラー素子において、
前記第１駆動電極は、前記第１可動梁の平面に対向する平面部および前記第１可動梁の可動領域を挟む２つの側部から構成され、
前記第２駆動電極は、前記第２可動梁の平面に対向する平面部および前記第２可動梁の可動領域を挟む２つの側部から構成され
ていることを特徴とするマイクロミラー素子。
【請求項３】
請求項１または２記載のマイクロミラー素子において、
前記第１可動梁を挟んで前記第１駆動電極に対向配置された第１電界分離電極と、
前記第２可動梁を挟んで前記第２駆動電極に対向配置された第２電界分離電極と
を備えることを特徴とするマイクロミラー素子。
【請求項４】
請求項３記載のマイクロミラー素子において、
前記第１電界分離電極は、前記第１可動梁の平面に対向する平面部および前記第１可動梁の可動領域を前記第１電界分離電極の側に延長した領域を挟む２つの側部から構成され、
前記第２電界分離電極は、前記第２可動梁の平面に対向する平面部および前記第２可動梁の可動領域を前記第２電界分離電極の側に延長した領域を挟む２つの側部から構成されていることを特徴とするマイクロミラー素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の前記マイクロミラー素子が複数配列されたマイクロミラーアレイであって、
複数の前記マイクロミラー素子が、前記第１駆動電極および前記第２駆動電極の配列方向に配列され、
配列方向に隣り合う前記マイクロミラー素子は、前記第１可動梁および前記第２可動梁が異なる側に配置されていることを特徴とするマイクロミラーアレイ。
【請求項１】
基板の上に離間して配置されたミラーと、
前記ミラーの一端を１つの連結部を介して連結して前記基板の上で支持する第１支持部と、
前記ミラーを挟んで前記第１支持部に対向する第２支持部と、
前記第２支持部に一端が支持されて他端が前記ミラーの他端に各々１つの連結部を介して連結する第１可動梁および第２可動梁と、
前記第１可動梁の前記ミラー側の他端を前記基板より離れる方向および前記基板に近づく方向の選択された第１方向に変位させるための第１駆動電極と、
前記第２可動梁の前記ミラー側の他端を前記第１方向に変位させるための第２駆動電極と
を少なくとも備えることを特徴とするマイクロミラー素子。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロミラー素子において、
前記第１駆動電極は、前記第１可動梁の平面に対向する平面部および前記第１可動梁の可動領域を挟む２つの側部から構成され、
前記第２駆動電極は、前記第２可動梁の平面に対向する平面部および前記第２可動梁の可動領域を挟む２つの側部から構成され
ていることを特徴とするマイクロミラー素子。
【請求項３】
請求項１または２記載のマイクロミラー素子において、
前記第１可動梁を挟んで前記第１駆動電極に対向配置された第１電界分離電極と、
前記第２可動梁を挟んで前記第２駆動電極に対向配置された第２電界分離電極と
を備えることを特徴とするマイクロミラー素子。
【請求項４】
請求項３記載のマイクロミラー素子において、
前記第１電界分離電極は、前記第１可動梁の平面に対向する平面部および前記第１可動梁の可動領域を前記第１電界分離電極の側に延長した領域を挟む２つの側部から構成され、
前記第２電界分離電極は、前記第２可動梁の平面に対向する平面部および前記第２可動梁の可動領域を前記第２電界分離電極の側に延長した領域を挟む２つの側部から構成されていることを特徴とするマイクロミラー素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の前記マイクロミラー素子が複数配列されたマイクロミラーアレイであって、
複数の前記マイクロミラー素子が、前記第１駆動電極および前記第２駆動電極の配列方向に配列され、
配列方向に隣り合う前記マイクロミラー素子は、前記第１可動梁および前記第２可動梁が異なる側に配置されていることを特徴とするマイクロミラーアレイ。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−８８４９２（Ｐ２０１３−８８４９２Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２６５２４（Ｐ２０１１−２２６５２４）
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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