マイクロ素子
【課題】環境温度の変化によって生じる熱膨張率差に起因する応力の変動や、マイクロミラー素子を固定している接着剤部分の強度劣化による応力の変動等が、マイクロミラーの傾斜角度へ影響することを軽減する。
【解決手段】固定フレーム１と、固定フレーム１に対して揺動可能な可動フレーム１３と、可動フレーム１３の揺動軸を規定するトーションバー１１ａ及び１１ｂと、固定フレーム１及びトーションバー１１ａ，１１ｂの少なくとも一方に設けられる応力緩和機構５０とを含み、トーションバー１１ａ及び１１ｂの軸方向における応力緩和機構５０の剛性は、トーションバー１１ａ及び１１ｂの軸方向の剛性より小さく、トーションバー１１ａ及び１１ｂを中心とする回転方向における応力緩和機構５０の剛性は、トーションバー１１ａ及び１１ｂを中心とする回転方向における剛性よりも大きい。
【解決手段】固定フレーム１と、固定フレーム１に対して揺動可能な可動フレーム１３と、可動フレーム１３の揺動軸を規定するトーションバー１１ａ及び１１ｂと、固定フレーム１及びトーションバー１１ａ，１１ｂの少なくとも一方に設けられる応力緩和機構５０とを含み、トーションバー１１ａ及び１１ｂの軸方向における応力緩和機構５０の剛性は、トーションバー１１ａ及び１１ｂの軸方向の剛性より小さく、トーションバー１１ａ及び１１ｂを中心とする回転方向における応力緩和機構５０の剛性は、トーションバー１１ａ及び１１ｂを中心とする回転方向における剛性よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願の開示は、マイクロ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な技術分野においてマイクロマシニング技術により形成される微小構造を有する素子の応用が図られている。これらは部品が非常に小型であるだけでなく、これによって作製される微小な可動部品に関しては機械的特性の劣化が少ない等の特徴を有している。本技術を用いたマイクロミラー素子は光通信分野における光スイッチ等への適用が進んでおり、その中の一つに波長選択スイッチがある。特許文献１〜３は、トーションバーでフレームに支持されたミラーを備えたマイクロミラー素子を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−９０６７号公報
【特許文献２】特開２００５−１５６６８４号公報
【特許文献３】特開２００４−３０９６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のような直線的なトーションバーは、引っ張り方向のストレスを受けた場合に、回転方向のバネ定数が変調されやすいという欠点を有している。トーションバーのバネ定数が当初の値から変調してしまうと、ミラーを傾斜動作させた際のミラーの傾斜角度の精度が低下することになる。
【０００５】
本発明は、応力の変動等がミラーの傾斜角度へ影響することを軽減することができるマイクロ素子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】
【０００６】
本発明のマイクロ素子は、固定部と、前記固定部に対して揺動可能な揺動部と、前記揺動部の揺動軸を規定する軸部と、前記固定部及び前記揺動部の少なくとも一方に設けられる応力緩和部と、を含み、前記揺動軸の軸方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸の軸方向における前記軸部の剛性より小さく、前記揺動軸を中心とする回転方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸を中心とする回転方向における前記軸部の剛性よりも大きいものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、応力の変動等がミラーの傾斜角度へ影響することを軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】メッシュ型ネットワークの構造を示す模式図
【図２】波長選択スイッチのブロック図
【図３】波長選択スイッチの斜視図
【図４Ａ】マイクロミラー素子においてマイクロミラーにおける光の反射の概念を説明するための模式図
【図４Ｂ】マイクロミラー素子においてマイクロミラーにおける光の反射の概念を説明するための模式図
【図５】従来のマイクロミラー素子の平面図
【図６】図５におけるＹ−Ｙ部の断面図
【図７】パッケージングされたマイクロミラー素子の断面図
【図８】本実施の形態にかかるマイクロミラー素子の平面図
【図９】応力緩和機構の要部拡大図
【図１０】応力緩和機構の要部斜視図
【図１１】応力緩和部の拡大図
【図１２】応力緩和部の変形例の拡大図
【図１３】マイクロミラー素子の変形例の平面図
【図１４】応力緩和機構の変形例の要部平面図
【図１５】応力緩和機構の変形例の要部平面図
【図１６】応力緩和機構の変形例の要部平面図
【図１７】マイクロミラー素子の変形例の平面図
【図１８】応力緩和機構の変形例の要部平面図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
マイクロ素子は、固定部と、前記固定部に対して揺動可能な揺動部と、前記揺動部の揺動軸を規定する軸部と、前記固定部及び前記揺動部の少なくとも一方に設けられる応力緩和部と、を含み、前記揺動軸の軸方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸の軸方向における前記軸部の剛性より小さく、前記揺動軸を中心とする回転方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸を中心とする回転方向における前記軸部の剛性よりも大きいものである。
【００１０】
マイクロ素子は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００１１】
マイクロ素子において、前記揺動部の板厚方向における前記前記応力緩和部の厚みは、前記揺動部の板厚方向における前記軸部の厚みよりも大きい構成とすることができる。
【００１２】
マイクロ素子において、前記軸部は、前記応力緩和部に直接的に連結されている構成とすることができる。
【００１３】
マイクロ素子において、前記応力緩和部は、前記揺動軸を基準として線対称の構造を有する構成とすることができる。
【００１４】
マイクロ素子において、前記応力緩和部は、前記揺動軸を基準として線対称となる第１の位置及び第２の位置で前記揺動部に連結されている構成とすることができる。
【００１５】
マイクロ素子において、前記応力緩和部は、前記揺動部に対して隙間を空けて設けられている構成とすることができる。
【００１６】
マイクロ素子において、前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部の少なくとも１つと熱膨張率が異なり、前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部を収容する収容部を含む構成とすることができる。
【００１７】
マイクロ素子において、前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部の材料はシリコンであり、前記収容部の材料はセラミックスである構成とすることができる。
【００１８】
（実施の形態）
〔１．マイクロミラー素子の基本構成〕
光通信においては、激増するインターネットトラフィックを収容すべく、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信を中核としたネットワークの光化が急ピッチで進んでいる。光ネットワークは、光信号を伝送するための光ファイバを、メッシュ状またはリング状に接続している。このような光ネットワークにおいて、各光ファイバのノードには光スイッチ（以下、波長選択スイッチ）が接続されている。
【００１９】
図１は、メッシュ型ネットワークの一部を模式的に図示したものである。図１における矢印は、光信号の進む方向を示している。図１に示すように、波長選択スイッチ１００は、光ファイバのノードに接続されている。波長選択スイッチ１００は、入力された光信号の特定波長のものを任意の出力ポートに振り分ける機能を有する。また、図１に示すネットワークの端部には、合波部２００及び分波部３００が接続されている。合波部２００は、複数の入力端子を備え、外部から入力される光信号を合成して、光ファイバへ出力する。分波部３００は、波長選択スイッチ１００から出力される光信号を複数の光信号に分解して、外部に出力する。波長選択スイッチ１００における波長振り分け機能は、たとえば図２に示す波長毎のクロス・バースイッチとしての機能と等価である。
【００２０】
図２は、クロス・バースイッチを備えた波長選択スイッチの模式図である。図２において、波長選択スイッチ１０１は、入力光伝送路（入力ファイバ）に対応する入力ポート数に応じた分波部１０２ａ及び１０２ｂと、複数の２×２スイッチ１０３と、出力光伝送路（出力ファイバ）に対応する出力ポート数に応じた合波部１０４ａ及び１０４ｂとを備えている。分波部１０２ａ及び１０２ｂは、入力ポートから入力されたＷＤＭ光を波長（チャンネル）毎に分波する。分波されたＷＤＭ光は、２×２スイッチ１０３に入力される。２×２スイッチ１０３は、設定に応じた波長単位の出力切り替え（クロス又はバー切り替え）を行ない、ＷＤＭ光を合波部１０４ａ及び１０４ｂに出力する。合波部１０４ａ及び１０４ｂは、入力される複数の波長のＷＤＭ光を波長多重して、対応する出力ポートへ出力する。
【００２１】
図２に示す波長選択スイッチ１０１の機能を詳細に説明すると、入力ポート１０６ａに波長λ２，λ５及びλ６のＷＤＭ光が入力され、入力ポート１０６ｂに波長λ１，λ３，λ４及びλ７のＷＤＭ光が入力されている。２×２スイッチ１０３でのクロス又はバー切り替えによって、波長λ１，λ４及びλ６の光が出力ポート１０６ｃへ送られ、残りの波長λ２，λ３，λ５及びλ７の光が出力ポート１０６ｄへ送られる。複数の２×２スイッチ１０３から出力される個々の信号の強度は揃っていない状態であるが、波長選択スイッチ１０１に備わる利得等化（光アッテネータ）機能によって、信号光の強度が揃えられている。
【００２２】
図３は、空間結合型の波長選択スイッチ１００の具体例を示す斜視図である。図３における破線は、光線を示している。波長選択スイッチ１００は、基板１１０、コリメータアレイ１１１、分光器１１２、集光レンズ１１３、マイクロミラー素子１１４を備えている。
【００２３】
コリメータアレイ１１１は、入力光ファイバ１１１ａから入射した光をコリメート光に変換し、分光器１１２側へ出力する。コリメータアレイ１１１は、分光器１１２から入射したコリメート光を出力光ファイバ１１１ｂ〜１１１ｄのコアに集光する。
【００２４】
分光器１１２は、入射光を波長によって異なる方向（角度）へ反射する。分光器１１２は、一般的には回折格子が用いられる。
【００２５】
集光レンズ１１３は、分光器１１２により波長毎に分離された光をマイクロミラー素子１１４に集光する。集光レンズ１１３は、マイクロミラー素子１１４で反射した光を分光器１１２に集光する。
【００２６】
マイクロミラー素子１１４は、入力光ファイバ１１１ａからの入射光を出力光ファイバ１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄのいずれかへ反射して、ポート切り替えを行なうスイッチング素子として機能する。マイクロミラー素子１１４は、複数のマイクロミラーを備えている。マイクロミラー素子１１４の具体的な構成については後述する。
【００２７】
図４Ａ及び図４Ｂは、波長選択スイッチ１００の側面図を示す。図４Ａは、マイクロミラー素子１１４に備わるマイクロミラー１４０が、その反射面が基板１１０の主平面に対して直交する姿勢となっている状態を示す。図４Ｂは、マイクロミラー１４０が図４Ａに示す姿勢から矢印Ｚに示す方向へ僅かに傾いた状態を示す。
【００２８】
図４Ａに示す状態では、入力光ファイバ１１１ａ、コリメータアレイ１１２、集光レンズ１１３を介してマイクロミラー１４０に入射する光は、出力光ファイバ１１１ｄ側へ導かれるようにマイクロミラー１４０の反射面で反射している。マイクロミラー１４０を反射した光は、集光レンズ１１３及びコリメータアレイ１１２を介して出力光ファイバ１１１ｄへ導かれる。
【００２９】
一方、図４Ｂに示す状態では、マイクロミラー１４０は僅かに傾斜した姿勢となっているため、集光レンズ１１３側から入射する光は、出力光ファイバ１１１ｃ側へ導かれるようにマイクロミラー１４０の反射面で反射している。マイクロミラー１４０を反射した光は、集光レンズ１１３及びコリメータアレイ１１２を介して出力光ファイバ１１１ｃへ導かれる。図示は省略するが、マイクロミラー１４０を図４Ｂに示す姿勢からさらに矢印Ｚに示す方向へ傾斜させることで、入射する光を出力光ファイバ１１１ｂへ導かれるように反射することができる。
【００３０】
このように、マイクロミラー１４０は、傾斜角に応じて出力ポートが定まるようになっている。個々のマイクロミラー１４０の傾斜角度を個別に制御することによって、各波長域毎に出力ポートを切り替えることができる。さらに、マイクロミラー１４０の傾斜角の調整を行う際、傾斜角を微調整することによって出力光ファイバ１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄのコアへの光結合量を調整することができる。これによって、出力先の切り替え機能とともに、図２を参照して説明した利得等価機能１０５（光アッテネータ機能）を実現できる。
【００３１】
〔２．マイクロミラー素子の構成〕
マイクロミラー素子は、数十個程度のマイクロミラーの配列を備えている。マイクロミラーの可動機構としては、固定部と、固定部に対して角度変位を可能とする揺動部と、当該固定部および揺動部を連結し尚且つ揺動部の角度変位を可能とするために弾性変形可能な連結部と、揺動部を角度変位させるための駆動力を生じる櫛歯部とを備えている。
【００３２】
図５は、従来のマイクロミラー素子の一例を示す。図５は、一例として４個のマイクロミラーを図示している。マイクロミラー素子は、固定フレーム１、第１の櫛歯部２、導電フレーム３、第１のトーションバー１１ａ、第２のトーションバー１１ｂ、第２の櫛歯部１２、可動フレーム１３、マイクロミラー１４、第３のトーションバー１５、第３の櫛歯部１６、第４の櫛歯部１７、導電フレーム１８及び１９を備えている。導電フレーム３は、固定フレーム１に固定もしくは一体化されている。第１の櫛歯部２は、導電フレーム３に備わる。第１の櫛歯部２は、複数の櫛形の電極２ａを備えている。第１のトーションバー１１ａは、弾性変形可能な材料で形成され、一方の端部が固定フレーム１に固定され、他方の端部が導電フレーム１８に固定されている。第２のトーションバー１１ｂは、弾性変形可能な材料で形成され、一方の端部が固定フレーム１に固定され、他方の端部が可動フレーム１３に固定されている。導電フレーム１８は、可動フレーム１３に固定されている。すなわち、可動フレーム１３は、固定フレーム１に、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂによって変位可能に支持されている。具体的には、可動フレーム１３は、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂを軸に矢印Ａに示す方向またはその反対方向へ回動可能に、固定フレーム１に支持されている。第２の櫛歯部１２は、導電フレーム１１に備わる。第２の櫛歯部１２は、複数の櫛形の電極１２ａを備えている。第１の櫛歯部２の電極２ａと第２の櫛歯部１２の電極１２ａとは、僅かな隙間を挟んで交互に配置している。可動フレーム１３は、開口部を有する略ロの字状に形成され、その開口部内にマイクロミラー１４、第３のトーションバー１５、第３の櫛歯部１６、第４の櫛歯部１７、導電フレーム１９を備えている。第３のトーションバー１５は、弾性変形可能な材料で形成され、可動フレーム１３の開口部内の互いに対向する２つの内面間に懸架されている。導電フレーム１９は、第３のトーションバー１５の長手方向の略中央に固定されている。第３の櫛歯部１６は、可動フレーム１３の開口部内の互いに対向する２つの内面にそれぞれ備わる。第３の櫛歯部１６は、複数の櫛形の電極１６ａを備えている。第４の櫛歯部１７は、導電フレーム１９における第３の櫛歯部１６に対向する部位に備わる。第４の櫛歯部１７は、複数の櫛形の電極１７ａを備えている。マイクロミラー１４は、導電フレーム１９に固定されている。マイクロミラー１４は、第３のトーションバー１５を挟んで、第４の櫛歯部１７に対向する位置に配されている。すなわち、マイクロミラー１４、第３のトーションバー１５、および第４の櫛歯部１７は一体化しており、第３のトーションバー１５を軸に矢印Ｂに示す方向またはその反対方向へ回動可能である。以下、可動フレーム１３、マイクロミラー１４、第３のトーションバー１５、および第４の櫛歯部１７を含む部材を「第１の揺動部」と定義し、マイクロミラー１４、第３のトーションバー１５、および第４の櫛歯部１７を含む部材を「第２の揺動部」と定義する。
【００３３】
上記のようにマイクロミラー素子において、導電フレーム３を介して第１の櫛歯部２に電圧を印加して、第１の櫛歯部２と第２の櫛歯部１２との間に電位差を与えることよって、第１の櫛歯部２と第２の櫛歯部１２との間に静電引力が生じる。この静電引力は、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂを回転軸として第１の揺動部を矢印Ａに示す方向またはその反対方向へ回転動作させるトルクを生じさせる。これによって、第１の揺動部に含まれるマイクロミラー１４を傾斜姿勢に移行可能な機構を実現することができる。
【００３４】
また、第２のトーションバー１１ｂ及び可動フレーム１３を介して第３の櫛歯部１６に電圧を印加して、第３の櫛歯部１６と第４の櫛歯部１７との間に電位差を与えることによって、第３の櫛歯部１６と第４の櫛歯部１７との間に静電引力が生じる。この静電引力は、第３のトーションバー１５を回転軸として第２の揺動部を矢印Ｂに示す方向またはその反対方向へ回転動作させるトルクを生じさせる。これによって、第２の揺動部に含まれるマイクロミラー１４を傾斜姿勢に移行可能な機構を実現することができる。
【００３５】
上記のようにマイクロミラー１４の回転方向をＣ軸周り方向とＤ軸周り方向の２方向とすることにより、光信号の出力先を切り替える際に不要な光信号が出力光ファイバへ入射することを防ぐことができる。すなわち、マイクロミラー１４の回転方向が一つ（Ｄ軸周りの方向）だけの場合、例えば光信号の出力先を出力光ファイバ１１１ｂから出力光ファイバ１１１ｄへ切り替える際に、瞬間的に出力光ファイバ１１１ｃへ光信号が入射してしまう。これに対してマイクロミラー１４をＣ軸周り方向とＤ軸周り方向とに回転可能とすることにより、例えば光信号の出力先を出力光ファイバ１１１ｂから出力光ファイバ１１１ｄへ切り替える際、マイクロミラー１４をＤ軸周り方向へ回転させている途中で一時的にＣ軸周り方向へ回転させることにより、出力光ファイバ１１１ｃへ光信号が入射することを防ぐことができる。このように、マイクロミラー１４の回転方向を、光信号の出力先を切り替えるための回転方向と、光信号のファイバへの結合のオン／オフを切り替えるための回転方向の２方向としたことにより、不要な光信号が出力されることを防ぐことができる。
【００３６】
図６は、図５におけるＹ−Ｙ部の断面図である。図６は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を使って作製されたマイクロミラー素子の第２の揺動部の駆動メカニズムを示している。図６に示すように、第１の揺動部は、Ｓｉ層２１、ＳｉＯ2層２２、Ｓｉ層２３の三層構造となっている。可動フレーム１３の一部と、ミラー基板１４ｂと、第３のトーションバー１５と、第３の櫛歯部１６とが、上層のＳｉ層２１で形成されている。また、可動フレーム１３の一部と、第４の櫛歯部１７とが、下層のＳｉ層２３で形成されている。上層Ｓｉ層２１と下層Ｓｉ層２３との間には、両者を電気的に絶縁するためのＳｉＯ2層２２が備わる。第３のトーションバー１５は、弾性変形するために他の部位よりも薄く形成されており、これによって第２の揺動部は第３のトーションバー１５を回転軸として回転可能となっている。第３の櫛歯部１６の櫛形電極１６ａと第４の櫛歯部１７の櫛形電極１７ａは、相互の櫛形電極の隙間に相手側の櫛形電極が入り込むことが可能である。マイクロミラー１４は、鏡面を有する金属膜１４ａと、金属膜１４ａが成膜されたミラー基板１４ｂとを備えている。金属膜１４ａの鏡面において、光信号を反射可能である。
【００３７】
第３のトーションバー１５は、図５に示すように直線的な形状を有する。しかしながら、このような直線的なトーションバーは、引っ張り方向のストレスを受けた場合に回転方向のバネ定数が変調されやすい。トーションバーに対する引っ張り方向のストレスは、例えばマイクロミラー素子の環境温度の変化に伴い、トーションバーを固定している固定フレーム１等の各種部材が伸縮することに起因する場合がある。
【００３８】
図７は、セラミックパッケージに実装されたマイクロミラー素子の断面図である。図７において、第１のトーションバー１１ａ、第２のトーションバー１１ｂ、固定フレーム１、可動フレーム１３、保持基板３２（Ｓｉ）は、セラミック製のパッケージ３１内に配されている。固定フレーム１は、接着剤３３によって保持基板３２に固定されている。保持基板３２は、接着剤３４によってパッケージ３１に固定されている。パッケージ３１は、例えばサファイヤガラスなどの透明材料で形成された窓材３５によって封止されている。入力光ファイバからの光は、矢印Ｅに示すように窓材３５を通過して可動フレーム１３内に構成されたマイクロミラー１４に入射する。
【００３９】
図７に示すように、マイクロミラー１４がセラミックのパッケージ３１内に実装された状態においては、材料毎の熱膨張率の差異に起因して温度環境が変化した際に、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂには応力ストレスが作用する。その結果、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂのバネ定数が、当初の値から僅かにずれてしまい、マイクロミラー１４を含む可動フレーム１３を傾斜させた際の傾斜角度が正規の角度から僅かに変動することになる。
【００４０】
また、接着剤３３及び３４で固定フレーム１等の部材を固定する方法においては、長期信頼性に関しての懸念点がある。すなわち、接着剤が硬化する際の接着剤自信の収縮によって、接着箇所には最初から応力ストレスが蓄積された状態になっている。これらの応力ストレスが固定フレーム１を介して第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂにも作用しており、初期の状態でバネ定数が応力ストレスに起因した変調を伴った状態となっている。このようなマイクロミラー素子を長期間にわたって使用している間に接着剤３３及び３４の劣化が進み、接着箇所の応力ストレスが緩和されることによって第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂのバネ定数の変調が緩和される。その結果、マイクロミラー１４を傾斜させた際の傾斜角度が、当初の状態から僅かに変化してしまう。その結果として、マイクロミラー素子における光アッテネータ機能の精度が低下し、出力光ファイバに送られる光信号のレベル等にバラツキが発生する。
【００４１】
〔３．応力緩和機構の構成〕
本実施の形態にかかるマイクロミラー素子は、引っ張り方向のストレスに対して変調を受けやすい直線的なトーションバーを適用するにあたって、引っ張り方向のストレスに対しては変位可能であって、トーションバーの回転軸方向に対しての変位が困難である特徴を持つ応力緩和機構を備えたことを構成上の特徴としている。
【００４２】
トーションバーの回転方向に対するバネ定数をｋｒ、トーションバーの引っ張り方向に対するバネ定数をｋｔと定義する。また、応力緩和機構に関する回転方向のバネ定数をｋｒ’、引っ張り方向のバネ定数をｋｔ’と定義する。まず、回転方向のバネ定数については、
ｋｒ≪ｋｒ’
の関係を有するように設定する。また、引っ張り方向のバネ定数については、
ｋｔ≫ｋｔ’
の関係を有するように設定する。
【００４３】
トーションバーに対して引っ張り方向のストレスが作用する時、応力緩和機構部分の引っ張り方向のバネ定数が小さいために前記ストレスが吸収されて、トーションバーに対しては殆ど影響を及ぼさない。なお、トーションバーに対するストレスを軽減する際に応力緩和機構がストレスに応じて変形することになるが、この変形に伴って応力緩和機構の回転方向のバネ定数が変調されることになる。しかし、回転方向のバネ定数はトーションバーのバネ定数よりも大幅に大きいことから、回転トルクに対する角度の変位量は殆どゼロであり、応力緩和機構の変形に起因する角度の変調は無視できる。つまり、マイクロミラーの傾斜角度に対しては殆ど影響を及ぼさない。
【００４４】
以下、応力緩和機構５０の具体構成について説明する。
【００４５】
図８は、応力緩和機構５０を備えたマイクロミラー素子の断面図である。図９は、図８における応力緩和機構５０の要部断面図である。図１０は、応力緩和機構５０の要部斜視図である。応力緩和機構５０は、例えば図８〜図１０に示すように第２のトーションバー１１ｂの長手方向に対して垂直な方向の平面を有する応力緩和部５１を備えている。応力緩和部５１は、薄肉に形成され、弾性変形可能である。応力緩和部５１は、平面方向の略中央において第２のトーションバー１１ｂと結合している。すなわち、応力緩和部５１は、第２のトーションバー１１ｂを基準として線対称に設けられている。応力緩和部５１は、平面方向の両端が支持部５２に一体的に支持されている。支持部５２は、応力緩和部５１の両端と可動フレーム１３とを結合する部分であり、応力緩和部５１よりも厚肉に形成されて変形しにくい部分である。応力緩和部５１と支持部５２と可動フレーム１３とにより囲まれた部分は、中空構造となっている（空間５３）。空間５３は、応力緩和部５１が変形を伴って応力を緩和する際に、応力緩和部５１が可動フレーム１３に干渉するのを防ぐために設けられている。
【００４６】
上記のようなマイクロミラー素子において、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂに引っ張り方向（矢印Ｆ方向）の応力ストレスが作用した際、応力緩和部５１が矢印Ｆ方向へ変形する。応力緩和部５１が変形することによって、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂへ加わる応力ストレスを緩和することができる。
【００４７】
また、応力緩和部５１を第２のトーションバー１１ｂを基準として線対称に配置することによって、応力緩和部５１が矢印Ｆ方向に変形した際に、第２のトーションバー１１ｂが剪断方向（矢印Ｇ方向）の応力ストレスを伴わずに済むことから、引っ張り方向のストレスに対して安定した特性を維持することが可能となる。
【００４８】
ここで、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂは、厚みが数μｍ程度という薄い構造体であることから、弾性変形可能なバネの特性を持つ。これによって、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂを回転軸として、可動フレーム１３がＣ軸（図５参照）周りに回転可能な構造となっている。
【００４９】
応力緩和機構５０における応力緩和部５１のパターン幅Ｔ１（図９参照）は、可動フレーム１３のパターン幅Ｔ２（図９参照）が通常１０数μｍかそれ以上の幅を持つのに対して数μｍ程度であり、これによって弾性変形可能な特性を有している。応力緩和部５１は、第２のトーションバー１１ｂに対して垂直な方向の平面を有し、第２のトーションバー１１ｂからの引っ張り応力に対して容易に変形できる構造となっている。
【００５０】
本実施の形態では、可動フレーム１３の全幅Ｗ（図９参照）を約２４０μｍとし、応力緩和部５１のパターン幅Ｔ１を５μｍとし、応力緩和部５１の平面方向の幅Ｔ３を９０μｍとし、応力緩和部５１を第２のトーションバー１１ｂを基準として線対称に２カ所配置している。これにより、第２のトーションバー１１ｂに加わる応力を、応力緩和部５１を備えていない構成に比べて約１／１０に低減できる。
【００５１】
環境温度の変化によって生じる熱膨張率差に起因する応力の変動や、マイクロミラー素子を固定している接着剤の強度劣化による応力の変動が、マイクロミラー素子の固定フレーム１を変形せしめた時、応力緩和機構５０が矢印Ｆ方向へ変位して応力を逃がすために、トーションバーの引っ張り方向に対する応力ストレスを軽減させることができる。したがって、トーションバーの回転方向のバネ定数は、応力ストレスによる変調が非常に小さく、マイクロミラーを傾斜させた時の傾斜角度は当初の角度に対してほとんどずれることがない。
【００５２】
第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂと応力緩和機構５０は、共に変位可能な部品であるが、互いに変位可能な方向が異なっているため、自身の変位可能な方向に対して他方の剛性を高くしている。例えば、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂは、その軸周り方向へ変位可能であるため、軸周り方向の剛性はトーションバー１１ａ及び１１ｂよりも応力緩和機構５０の方を高くしている。また、トーションバー１１ａ及び１１ｂは、引っ張り方向（軸方向）への変位が困難な構造であり、応力緩和機構５０は引っ張り方向（軸方向）への変位が可能な構造であるため、引っ張り方向（軸方向）への剛性は、応力緩和機構５０よりもトーションバー１１ａ及び１１ｂの方を高くしている。なお、上記のように第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂと応力緩和機構５０との間に剛性の違いを設けるためには、バネ定数を変えることが好ましい。バネ定数を変えるためには、例えば高い剛性を必要とする部分の肉厚を厚くし、低い剛性を必要とする部分の肉厚を薄くする構成が考えられる。また、バネ定数を変えるために、高い剛性を必要とする部分を高硬度材料で形成し、低い剛性を必要とする部分を低硬度材料で形成する構成が考えられる。
【００５３】
このような応力緩和機構５０に必要な特徴は、バネ定数を用いることによって以下のように示すことができる。第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂの回転方向（図５の矢印Ａに示す方向）のバネ定数をｋｒとし、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向（図８の矢印Ｆ方向）のバネ定数をｋｔとし、応力緩和部５１の回転方向のバネ定数をｋｒ’とし、応力緩和部５１の引っ張り方向のバネ定数をｋｔ’と定義したとき、回転方向のバネ定数は、
ｋｒ≪ｋｒ’
の関係を有する。また、引っ張り方向のバネ定数は、
ｋｔ≫ｋｔ’
の関係を有する。
【００５４】
図１１は、応力緩和機構５０の他の構成例を示す。前述のように、トーションバーと応力緩和機構は、応力に対して変形可能とするために、形状としては薄いもしくは細い構造体である。トーションバーと応力緩和機構とを連続的に連結してしまうと、連結部が微小な接点しかなく、連結部が破断しやすくなってしまう。このため、図１１に示すように、応力ストレスやトルクに対して変形しない強固さを有する連結部５４を、トーションバーと応力緩和機構との間に介在することが好ましい。第２のトーションバー１１ｂと応力緩和部５１との結合部分に連結部５４を備えたことにより、第２のトーションバー１１ｂと応力緩和部５１との結合強度を高めることができるので、第２のトーションバー１１ｂまたは応力緩和部５１が繰り返し変位したとしても連結部の破断を起こりにくくすることができる。
【００５５】
図１２は、応力緩和機構５０と固定フレーム１とを２本のトーションバー１１ｃ及び１１ｄで結合した例を示す。前述のような単一でかつストレート形状のトーションバーは、櫛歯部分で発生する静電引力に対して可動フレーム１３を回転方向に変位させると同時に、僅かながら櫛歯の方向への平行移動の変位を伴う。平行移動の変位をより小さくするための方策として、図１２に示すように２本のトーションバー１１ｃ及び１１ｄをＶ字に配置する方法が有効である。図１２に示すＶ字状のトーションバー１１ｃ及び１１ｄにおいても、先に述べた回転方向と引っ張り方向のバネ定数に関する特徴は成立している。
【００５６】
図１３は、マイクロミラー１４の占有領域を高めるために可動フレーム１３の一部が取り除かれて、マイクロミラー１４の領域に置き換えられたマイクロミラー素子を示す。図１３に示すマイクロミラー素子は、マイクロミラー１４の周囲を可動フレームで囲む構成ではなく、マイクロミラー１４の片側のみに可動フレーム１３ａを配置したマイクロミラー素子である。図１３に示す可動フレーム１３ａは、少なくとも図５等に示す可動フレーム１３に比べて剛性が低いため、外的な応力ストレスに対して変形を伴いやすい。しかし、応力緩和機構５０を備えることによって、固定フレーム１側の変形等の外部からの応力ストレスが応力緩和機構５０において吸収され、可動フレーム１３には伝わりにくいため、図１３に示すような可動フレーム１３ａをマイクロミラー素子に適用することが可能となる。図１３に示す可動フレーム１３ａを適用することによって、マイクロミラー１４の反射面の面積を拡大することができるので、より効率的に光信号を出力光ファイバ側へ反射することができる。
【００５７】
図１４は、応力緩和機構５０の変形例を示す。図１４に示す応力緩和機構５０は、応力緩和部５５ａ及び５５ｂ、連結部５６ａ及び５６ｂ、連結部５７を備えている。応力緩和部５５ａ及び５５ｂは、前述の応力緩和部５１と同様、薄肉に形成され、第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向（矢印Ｆ方向）へ変位可能である。応力緩和部５５ａは、その平面方向の略中央において第２のトーションバー１１ｂと結合している。応力緩和部５５ｂは、その平面方向の略中央において連結部５７と結合している。応力緩和部５５ａと応力緩和部５５ｂとは、空間５８を挟んで平行対向している。応力緩和部５５ａ及び応力緩和部５５ｂは、その平面方向両端において連結部５６ａ及び５６ｂと結合している。連結部５６ａと連結部５６ｂとは、空間５８を挟んで平行対向している。連結部５６ａ及び５６ｂは、応力緩和部５５ａ及び５５ｂの肉厚よりも厚く形成され、応力緩和部５５ａ及び５５ｂよりも高い剛性を確保している。連結部５７は、第２のトーションバー１１ｂと略同軸位置に配され、その軸方向の一方の端部が応力緩和部５５ｂに結合し、他方の端部が可動フレーム１３に結合している。連結部５７は、ストレスがかかっても変形しにくい材料で形成されている。図１４に示すマイクロミラー素子は、第２のトーションバー１１ｂを基準として線対称な形状となっている。このような構成とすることにより、第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向に応力ストレスがかかったとしても、応力緩和部５５ａ及び５５ｂで応力を吸収することができる。
【００５８】
図１５は、応力緩和機構５０の変形例を示す。図１５に示す応力緩和機構５０は、複数の応力緩和部５９ａ、複数の連結部５９ｂを備えている。応力緩和部５９ａは、前述の応力緩和部５１と同様、薄肉に形成され、第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向（矢印Ｆ方向）へ変位可能である。応力緩和部５９ａは、第２のトーションバー１１ｂを基準として線対称に配されている。複数の応力緩和部５９ａは、それぞれ連結部５９ｂによって結合されている。複数の応力緩和部５９ａは、互いに平行となるように形成されている。複数の連結部５９ｂのうち図示上端の連結部５９ｂは、可動フレーム１３に結合している。このような構成とすることにより、第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向に応力ストレスがかかったとしても、複数の応力緩和部５９ａで応力を吸収することができる。
【００５９】
図１６は、応力緩和機構５０を固定フレーム１に備えた変形例を示す。図１６に示す応力緩和機構５０は、応力緩和部６１を備えている。応力緩和部６１は、固定フレーム１に形成された凹部１ａ内に懸架されている。応力緩和部６１は、その平面方向の中央に第２のトーションバー１１ｂが結合している。応力緩和部６１は、弾性変形可能な厚さ及び材料で形成され、第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向（矢印Ｆ方向）に変位可能である。応力緩和部６１が凹部１ａにおける可動フレーム１３に近い位置に配されていることにより、応力緩和部６１の下方には空間が形成される。これにより、応力緩和部６１が矢印Ｆ方向に変位したとしても、応力緩和部６１が固定フレーム１に干渉するのを防ぐことができ、応力緩和部６１をスムーズに変位させることができる。
【００６０】
図１７は、応力緩和機構５０を可動フレーム１３における第１のトーションバー１１ａ側に設けたマイクロミラー素子である。図１７に示す応力緩和機構５０は、応力緩和部６２を備えている。応力緩和部６２は、可動フレーム１３における第１のトーションバー１１ａ側の端部に結合している。応力緩和部６２の平面方向の中央には、導電フレーム１８が結合している。導電フレーム１８は、第１のトーションバー１１ａに結合している。第１のトーションバー１１ａは、固定フレーム１に結合している。応力緩和部６２と可動フレーム１３との間には、応力緩和部６２が変位した際に可動フレーム１３との干渉を防ぐための空間６３を有する。このような構成とすることにより、第１のトーションバー１１あの引っ張り方向に応力ストレスがかかったとしても、応力緩和部６２で応力を吸収することができる。
【００６１】
図１８は、応力緩和機構５０の変形例を示し、第２のトーションバー１１ｂを中心として非対称の形状を有する応力緩和機構５０を示している。図８等に示す応力緩和機構５０は、第２のトーションバー１１ｂを基準とした線対称な形状としたが、必ずしも線対称な形状とする必要はない。例えば、図１８に示すように、略Ｚ字を成すように応力緩和部６４ａ〜６４ｃ及び複数の連結部６５ａ〜６５ｃを結合した応力緩和機構５０であってもよい。応力緩和部６４ａは、一方の端部が第２のトーションバー１１ｂに結合し、他方の端部が連結部６５ａに結合している。応力緩和部６４ｂは、一方の端部が連結部６５ａに結合し、他方の端部が連結部６５ｂに結合している。応力緩和部６４ｃは、一方の端部が連結部６５ｃに結合し、他方の端部が連結部６５ｂに結合している。応力緩和部６４ｂは、応力緩和部６４ａ及び６４ｃの長さの約２倍の長さを有する。応力緩和部６４ｂは、その平面方向の中心と第２のトーションバー１１ｂの位置とがほぼ一致する。したがって、図１８に示す応力緩和機構５０は、形状としては非対称となっているが、第２のトーションバー１１ｂを中心として左右それぞれに同等の応力緩和の能力を有する。
【００６２】
なお、前述したように可動フレーム１３、トーションバー１１ａ及び１１ｂ、応力緩和機構５０は、同じ材料（Ｓｉ）で形成されているため、それぞれの部材のパターン幅や厚さを適切な値に調整してマイクロミラー素子を作製することによって、各部材の機械的強度を調整することができる。材質が同じの場合、剛体の強度は寸法の３乗にほぼ比例する。仮に、図９に示すように、応力緩和部５１の厚さＴ１を５μｍから２倍の１０μｍにした場合、応力緩和部５１の機械的強度は約８倍に増加することになる。また、可動フレーム１３に作用する応力としては、引っ張り方向（矢印Ｆ方向）のストレスと、第２のトーションバー１１ｂを回転軸とする回転トルクとがほとんどである。応力緩和機構５０を備えることによって、可動フレーム１３にかかる引っ張り方向のストレスが軽減されるため、可動フレーム１３に大きな力が作用することは極めて少ない。したがって、可動フレーム１３のパターン幅Ｔ２は、応力緩和部５１の厚さＴ１が５μｍの場合には約２倍の１０μｍ程度とすることにより、十分な強度が得られる。
【００６３】
本実施の形態では、応力緩和部５１の寸法を、幅Ｔ３＝９０μｍ、厚さＴ１＝５μｍ、高さｔ＝２００μｍとした。また、第２のトーションバー１１ｂの寸法を、長さｇ＝１００μｍ、厚さｈ＝５μｍ、幅ｉ＝２０μｍとした。このときの応力緩和機構５０のバネ定数ｓ１と、第２のトーションバネ１１ｂのバネ定数ｓ２は、
ｓ１＝ｔ×Ｔ１3×Ｅ／（２×Ｔ３3）
ｓ２＝ｈ×ｉ×Ｅ／ｇ
（Ｅはヤング率）
により求めることができる。上記数式に本実施の形態の値を代入すると、バネ定数の比ｓ１：ｓ２は、約１：５８となる。したがって、固定フレーム１からの応力は、ほとんどが応力緩和機構５０で吸収されることになり、第２のトーションバー１１ｂに作用する応力は大幅に軽減される。
【００６４】
〔４．実施の形態の効果、他〕
本実施の形態にかかる応力緩和機構を備えることによって、環境温度の変化によって生じる熱膨張率差に起因する応力の変動や、マイクロミラー素子を固定している接着剤部分の強度劣化による応力の変動等が、マイクロミラーの傾斜角度へ影響することを軽減することができる。
【００６５】
本実施の形態における固定フレーム１は、本発明の固定部の一例である。本実施の形態における可動フレーム１３，１３ａ、およびそれに支持された部材（マイクロミラー１４等）は、本発明の揺動部の一例である。本実施の形態における第１のトーションバー１１ａ、第２のトーションバー１１ｂは、本発明の軸部の一例である。本実施の形態における応力緩和機構５０、応力緩和部５１，５５ａ，５５ｂ，５９ａ，６１，６２，６４ａ，６４ｂ，６４ｃは、本発明の応力緩和部の一例である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、マイクロミラーを備えたマイクロミラー素子のようなマイクロ素子に有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 固定フレーム
１１ａ 第１のトーションバー
１１ｂ 第２のトーションバー
１３，１３ａ 可動フレーム
５０ 応力緩和機構
５１，５５ａ，５５ｂ，５９ａ，６４ｂ，６４ｃ 応力緩和部
【技術分野】
【０００１】
本願の開示は、マイクロ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な技術分野においてマイクロマシニング技術により形成される微小構造を有する素子の応用が図られている。これらは部品が非常に小型であるだけでなく、これによって作製される微小な可動部品に関しては機械的特性の劣化が少ない等の特徴を有している。本技術を用いたマイクロミラー素子は光通信分野における光スイッチ等への適用が進んでおり、その中の一つに波長選択スイッチがある。特許文献１〜３は、トーションバーでフレームに支持されたミラーを備えたマイクロミラー素子を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−９０６７号公報
【特許文献２】特開２００５−１５６６８４号公報
【特許文献３】特開２００４−３０９６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のような直線的なトーションバーは、引っ張り方向のストレスを受けた場合に、回転方向のバネ定数が変調されやすいという欠点を有している。トーションバーのバネ定数が当初の値から変調してしまうと、ミラーを傾斜動作させた際のミラーの傾斜角度の精度が低下することになる。
【０００５】
本発明は、応力の変動等がミラーの傾斜角度へ影響することを軽減することができるマイクロ素子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】
【０００６】
本発明のマイクロ素子は、固定部と、前記固定部に対して揺動可能な揺動部と、前記揺動部の揺動軸を規定する軸部と、前記固定部及び前記揺動部の少なくとも一方に設けられる応力緩和部と、を含み、前記揺動軸の軸方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸の軸方向における前記軸部の剛性より小さく、前記揺動軸を中心とする回転方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸を中心とする回転方向における前記軸部の剛性よりも大きいものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、応力の変動等がミラーの傾斜角度へ影響することを軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】メッシュ型ネットワークの構造を示す模式図
【図２】波長選択スイッチのブロック図
【図３】波長選択スイッチの斜視図
【図４Ａ】マイクロミラー素子においてマイクロミラーにおける光の反射の概念を説明するための模式図
【図４Ｂ】マイクロミラー素子においてマイクロミラーにおける光の反射の概念を説明するための模式図
【図５】従来のマイクロミラー素子の平面図
【図６】図５におけるＹ−Ｙ部の断面図
【図７】パッケージングされたマイクロミラー素子の断面図
【図８】本実施の形態にかかるマイクロミラー素子の平面図
【図９】応力緩和機構の要部拡大図
【図１０】応力緩和機構の要部斜視図
【図１１】応力緩和部の拡大図
【図１２】応力緩和部の変形例の拡大図
【図１３】マイクロミラー素子の変形例の平面図
【図１４】応力緩和機構の変形例の要部平面図
【図１５】応力緩和機構の変形例の要部平面図
【図１６】応力緩和機構の変形例の要部平面図
【図１７】マイクロミラー素子の変形例の平面図
【図１８】応力緩和機構の変形例の要部平面図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
マイクロ素子は、固定部と、前記固定部に対して揺動可能な揺動部と、前記揺動部の揺動軸を規定する軸部と、前記固定部及び前記揺動部の少なくとも一方に設けられる応力緩和部と、を含み、前記揺動軸の軸方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸の軸方向における前記軸部の剛性より小さく、前記揺動軸を中心とする回転方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸を中心とする回転方向における前記軸部の剛性よりも大きいものである。
【００１０】
マイクロ素子は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００１１】
マイクロ素子において、前記揺動部の板厚方向における前記前記応力緩和部の厚みは、前記揺動部の板厚方向における前記軸部の厚みよりも大きい構成とすることができる。
【００１２】
マイクロ素子において、前記軸部は、前記応力緩和部に直接的に連結されている構成とすることができる。
【００１３】
マイクロ素子において、前記応力緩和部は、前記揺動軸を基準として線対称の構造を有する構成とすることができる。
【００１４】
マイクロ素子において、前記応力緩和部は、前記揺動軸を基準として線対称となる第１の位置及び第２の位置で前記揺動部に連結されている構成とすることができる。
【００１５】
マイクロ素子において、前記応力緩和部は、前記揺動部に対して隙間を空けて設けられている構成とすることができる。
【００１６】
マイクロ素子において、前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部の少なくとも１つと熱膨張率が異なり、前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部を収容する収容部を含む構成とすることができる。
【００１７】
マイクロ素子において、前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部の材料はシリコンであり、前記収容部の材料はセラミックスである構成とすることができる。
【００１８】
（実施の形態）
〔１．マイクロミラー素子の基本構成〕
光通信においては、激増するインターネットトラフィックを収容すべく、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信を中核としたネットワークの光化が急ピッチで進んでいる。光ネットワークは、光信号を伝送するための光ファイバを、メッシュ状またはリング状に接続している。このような光ネットワークにおいて、各光ファイバのノードには光スイッチ（以下、波長選択スイッチ）が接続されている。
【００１９】
図１は、メッシュ型ネットワークの一部を模式的に図示したものである。図１における矢印は、光信号の進む方向を示している。図１に示すように、波長選択スイッチ１００は、光ファイバのノードに接続されている。波長選択スイッチ１００は、入力された光信号の特定波長のものを任意の出力ポートに振り分ける機能を有する。また、図１に示すネットワークの端部には、合波部２００及び分波部３００が接続されている。合波部２００は、複数の入力端子を備え、外部から入力される光信号を合成して、光ファイバへ出力する。分波部３００は、波長選択スイッチ１００から出力される光信号を複数の光信号に分解して、外部に出力する。波長選択スイッチ１００における波長振り分け機能は、たとえば図２に示す波長毎のクロス・バースイッチとしての機能と等価である。
【００２０】
図２は、クロス・バースイッチを備えた波長選択スイッチの模式図である。図２において、波長選択スイッチ１０１は、入力光伝送路（入力ファイバ）に対応する入力ポート数に応じた分波部１０２ａ及び１０２ｂと、複数の２×２スイッチ１０３と、出力光伝送路（出力ファイバ）に対応する出力ポート数に応じた合波部１０４ａ及び１０４ｂとを備えている。分波部１０２ａ及び１０２ｂは、入力ポートから入力されたＷＤＭ光を波長（チャンネル）毎に分波する。分波されたＷＤＭ光は、２×２スイッチ１０３に入力される。２×２スイッチ１０３は、設定に応じた波長単位の出力切り替え（クロス又はバー切り替え）を行ない、ＷＤＭ光を合波部１０４ａ及び１０４ｂに出力する。合波部１０４ａ及び１０４ｂは、入力される複数の波長のＷＤＭ光を波長多重して、対応する出力ポートへ出力する。
【００２１】
図２に示す波長選択スイッチ１０１の機能を詳細に説明すると、入力ポート１０６ａに波長λ２，λ５及びλ６のＷＤＭ光が入力され、入力ポート１０６ｂに波長λ１，λ３，λ４及びλ７のＷＤＭ光が入力されている。２×２スイッチ１０３でのクロス又はバー切り替えによって、波長λ１，λ４及びλ６の光が出力ポート１０６ｃへ送られ、残りの波長λ２，λ３，λ５及びλ７の光が出力ポート１０６ｄへ送られる。複数の２×２スイッチ１０３から出力される個々の信号の強度は揃っていない状態であるが、波長選択スイッチ１０１に備わる利得等化（光アッテネータ）機能によって、信号光の強度が揃えられている。
【００２２】
図３は、空間結合型の波長選択スイッチ１００の具体例を示す斜視図である。図３における破線は、光線を示している。波長選択スイッチ１００は、基板１１０、コリメータアレイ１１１、分光器１１２、集光レンズ１１３、マイクロミラー素子１１４を備えている。
【００２３】
コリメータアレイ１１１は、入力光ファイバ１１１ａから入射した光をコリメート光に変換し、分光器１１２側へ出力する。コリメータアレイ１１１は、分光器１１２から入射したコリメート光を出力光ファイバ１１１ｂ〜１１１ｄのコアに集光する。
【００２４】
分光器１１２は、入射光を波長によって異なる方向（角度）へ反射する。分光器１１２は、一般的には回折格子が用いられる。
【００２５】
集光レンズ１１３は、分光器１１２により波長毎に分離された光をマイクロミラー素子１１４に集光する。集光レンズ１１３は、マイクロミラー素子１１４で反射した光を分光器１１２に集光する。
【００２６】
マイクロミラー素子１１４は、入力光ファイバ１１１ａからの入射光を出力光ファイバ１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄのいずれかへ反射して、ポート切り替えを行なうスイッチング素子として機能する。マイクロミラー素子１１４は、複数のマイクロミラーを備えている。マイクロミラー素子１１４の具体的な構成については後述する。
【００２７】
図４Ａ及び図４Ｂは、波長選択スイッチ１００の側面図を示す。図４Ａは、マイクロミラー素子１１４に備わるマイクロミラー１４０が、その反射面が基板１１０の主平面に対して直交する姿勢となっている状態を示す。図４Ｂは、マイクロミラー１４０が図４Ａに示す姿勢から矢印Ｚに示す方向へ僅かに傾いた状態を示す。
【００２８】
図４Ａに示す状態では、入力光ファイバ１１１ａ、コリメータアレイ１１２、集光レンズ１１３を介してマイクロミラー１４０に入射する光は、出力光ファイバ１１１ｄ側へ導かれるようにマイクロミラー１４０の反射面で反射している。マイクロミラー１４０を反射した光は、集光レンズ１１３及びコリメータアレイ１１２を介して出力光ファイバ１１１ｄへ導かれる。
【００２９】
一方、図４Ｂに示す状態では、マイクロミラー１４０は僅かに傾斜した姿勢となっているため、集光レンズ１１３側から入射する光は、出力光ファイバ１１１ｃ側へ導かれるようにマイクロミラー１４０の反射面で反射している。マイクロミラー１４０を反射した光は、集光レンズ１１３及びコリメータアレイ１１２を介して出力光ファイバ１１１ｃへ導かれる。図示は省略するが、マイクロミラー１４０を図４Ｂに示す姿勢からさらに矢印Ｚに示す方向へ傾斜させることで、入射する光を出力光ファイバ１１１ｂへ導かれるように反射することができる。
【００３０】
このように、マイクロミラー１４０は、傾斜角に応じて出力ポートが定まるようになっている。個々のマイクロミラー１４０の傾斜角度を個別に制御することによって、各波長域毎に出力ポートを切り替えることができる。さらに、マイクロミラー１４０の傾斜角の調整を行う際、傾斜角を微調整することによって出力光ファイバ１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄのコアへの光結合量を調整することができる。これによって、出力先の切り替え機能とともに、図２を参照して説明した利得等価機能１０５（光アッテネータ機能）を実現できる。
【００３１】
〔２．マイクロミラー素子の構成〕
マイクロミラー素子は、数十個程度のマイクロミラーの配列を備えている。マイクロミラーの可動機構としては、固定部と、固定部に対して角度変位を可能とする揺動部と、当該固定部および揺動部を連結し尚且つ揺動部の角度変位を可能とするために弾性変形可能な連結部と、揺動部を角度変位させるための駆動力を生じる櫛歯部とを備えている。
【００３２】
図５は、従来のマイクロミラー素子の一例を示す。図５は、一例として４個のマイクロミラーを図示している。マイクロミラー素子は、固定フレーム１、第１の櫛歯部２、導電フレーム３、第１のトーションバー１１ａ、第２のトーションバー１１ｂ、第２の櫛歯部１２、可動フレーム１３、マイクロミラー１４、第３のトーションバー１５、第３の櫛歯部１６、第４の櫛歯部１７、導電フレーム１８及び１９を備えている。導電フレーム３は、固定フレーム１に固定もしくは一体化されている。第１の櫛歯部２は、導電フレーム３に備わる。第１の櫛歯部２は、複数の櫛形の電極２ａを備えている。第１のトーションバー１１ａは、弾性変形可能な材料で形成され、一方の端部が固定フレーム１に固定され、他方の端部が導電フレーム１８に固定されている。第２のトーションバー１１ｂは、弾性変形可能な材料で形成され、一方の端部が固定フレーム１に固定され、他方の端部が可動フレーム１３に固定されている。導電フレーム１８は、可動フレーム１３に固定されている。すなわち、可動フレーム１３は、固定フレーム１に、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂによって変位可能に支持されている。具体的には、可動フレーム１３は、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂを軸に矢印Ａに示す方向またはその反対方向へ回動可能に、固定フレーム１に支持されている。第２の櫛歯部１２は、導電フレーム１１に備わる。第２の櫛歯部１２は、複数の櫛形の電極１２ａを備えている。第１の櫛歯部２の電極２ａと第２の櫛歯部１２の電極１２ａとは、僅かな隙間を挟んで交互に配置している。可動フレーム１３は、開口部を有する略ロの字状に形成され、その開口部内にマイクロミラー１４、第３のトーションバー１５、第３の櫛歯部１６、第４の櫛歯部１７、導電フレーム１９を備えている。第３のトーションバー１５は、弾性変形可能な材料で形成され、可動フレーム１３の開口部内の互いに対向する２つの内面間に懸架されている。導電フレーム１９は、第３のトーションバー１５の長手方向の略中央に固定されている。第３の櫛歯部１６は、可動フレーム１３の開口部内の互いに対向する２つの内面にそれぞれ備わる。第３の櫛歯部１６は、複数の櫛形の電極１６ａを備えている。第４の櫛歯部１７は、導電フレーム１９における第３の櫛歯部１６に対向する部位に備わる。第４の櫛歯部１７は、複数の櫛形の電極１７ａを備えている。マイクロミラー１４は、導電フレーム１９に固定されている。マイクロミラー１４は、第３のトーションバー１５を挟んで、第４の櫛歯部１７に対向する位置に配されている。すなわち、マイクロミラー１４、第３のトーションバー１５、および第４の櫛歯部１７は一体化しており、第３のトーションバー１５を軸に矢印Ｂに示す方向またはその反対方向へ回動可能である。以下、可動フレーム１３、マイクロミラー１４、第３のトーションバー１５、および第４の櫛歯部１７を含む部材を「第１の揺動部」と定義し、マイクロミラー１４、第３のトーションバー１５、および第４の櫛歯部１７を含む部材を「第２の揺動部」と定義する。
【００３３】
上記のようにマイクロミラー素子において、導電フレーム３を介して第１の櫛歯部２に電圧を印加して、第１の櫛歯部２と第２の櫛歯部１２との間に電位差を与えることよって、第１の櫛歯部２と第２の櫛歯部１２との間に静電引力が生じる。この静電引力は、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂを回転軸として第１の揺動部を矢印Ａに示す方向またはその反対方向へ回転動作させるトルクを生じさせる。これによって、第１の揺動部に含まれるマイクロミラー１４を傾斜姿勢に移行可能な機構を実現することができる。
【００３４】
また、第２のトーションバー１１ｂ及び可動フレーム１３を介して第３の櫛歯部１６に電圧を印加して、第３の櫛歯部１６と第４の櫛歯部１７との間に電位差を与えることによって、第３の櫛歯部１６と第４の櫛歯部１７との間に静電引力が生じる。この静電引力は、第３のトーションバー１５を回転軸として第２の揺動部を矢印Ｂに示す方向またはその反対方向へ回転動作させるトルクを生じさせる。これによって、第２の揺動部に含まれるマイクロミラー１４を傾斜姿勢に移行可能な機構を実現することができる。
【００３５】
上記のようにマイクロミラー１４の回転方向をＣ軸周り方向とＤ軸周り方向の２方向とすることにより、光信号の出力先を切り替える際に不要な光信号が出力光ファイバへ入射することを防ぐことができる。すなわち、マイクロミラー１４の回転方向が一つ（Ｄ軸周りの方向）だけの場合、例えば光信号の出力先を出力光ファイバ１１１ｂから出力光ファイバ１１１ｄへ切り替える際に、瞬間的に出力光ファイバ１１１ｃへ光信号が入射してしまう。これに対してマイクロミラー１４をＣ軸周り方向とＤ軸周り方向とに回転可能とすることにより、例えば光信号の出力先を出力光ファイバ１１１ｂから出力光ファイバ１１１ｄへ切り替える際、マイクロミラー１４をＤ軸周り方向へ回転させている途中で一時的にＣ軸周り方向へ回転させることにより、出力光ファイバ１１１ｃへ光信号が入射することを防ぐことができる。このように、マイクロミラー１４の回転方向を、光信号の出力先を切り替えるための回転方向と、光信号のファイバへの結合のオン／オフを切り替えるための回転方向の２方向としたことにより、不要な光信号が出力されることを防ぐことができる。
【００３６】
図６は、図５におけるＹ−Ｙ部の断面図である。図６は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を使って作製されたマイクロミラー素子の第２の揺動部の駆動メカニズムを示している。図６に示すように、第１の揺動部は、Ｓｉ層２１、ＳｉＯ2層２２、Ｓｉ層２３の三層構造となっている。可動フレーム１３の一部と、ミラー基板１４ｂと、第３のトーションバー１５と、第３の櫛歯部１６とが、上層のＳｉ層２１で形成されている。また、可動フレーム１３の一部と、第４の櫛歯部１７とが、下層のＳｉ層２３で形成されている。上層Ｓｉ層２１と下層Ｓｉ層２３との間には、両者を電気的に絶縁するためのＳｉＯ2層２２が備わる。第３のトーションバー１５は、弾性変形するために他の部位よりも薄く形成されており、これによって第２の揺動部は第３のトーションバー１５を回転軸として回転可能となっている。第３の櫛歯部１６の櫛形電極１６ａと第４の櫛歯部１７の櫛形電極１７ａは、相互の櫛形電極の隙間に相手側の櫛形電極が入り込むことが可能である。マイクロミラー１４は、鏡面を有する金属膜１４ａと、金属膜１４ａが成膜されたミラー基板１４ｂとを備えている。金属膜１４ａの鏡面において、光信号を反射可能である。
【００３７】
第３のトーションバー１５は、図５に示すように直線的な形状を有する。しかしながら、このような直線的なトーションバーは、引っ張り方向のストレスを受けた場合に回転方向のバネ定数が変調されやすい。トーションバーに対する引っ張り方向のストレスは、例えばマイクロミラー素子の環境温度の変化に伴い、トーションバーを固定している固定フレーム１等の各種部材が伸縮することに起因する場合がある。
【００３８】
図７は、セラミックパッケージに実装されたマイクロミラー素子の断面図である。図７において、第１のトーションバー１１ａ、第２のトーションバー１１ｂ、固定フレーム１、可動フレーム１３、保持基板３２（Ｓｉ）は、セラミック製のパッケージ３１内に配されている。固定フレーム１は、接着剤３３によって保持基板３２に固定されている。保持基板３２は、接着剤３４によってパッケージ３１に固定されている。パッケージ３１は、例えばサファイヤガラスなどの透明材料で形成された窓材３５によって封止されている。入力光ファイバからの光は、矢印Ｅに示すように窓材３５を通過して可動フレーム１３内に構成されたマイクロミラー１４に入射する。
【００３９】
図７に示すように、マイクロミラー１４がセラミックのパッケージ３１内に実装された状態においては、材料毎の熱膨張率の差異に起因して温度環境が変化した際に、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂには応力ストレスが作用する。その結果、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂのバネ定数が、当初の値から僅かにずれてしまい、マイクロミラー１４を含む可動フレーム１３を傾斜させた際の傾斜角度が正規の角度から僅かに変動することになる。
【００４０】
また、接着剤３３及び３４で固定フレーム１等の部材を固定する方法においては、長期信頼性に関しての懸念点がある。すなわち、接着剤が硬化する際の接着剤自信の収縮によって、接着箇所には最初から応力ストレスが蓄積された状態になっている。これらの応力ストレスが固定フレーム１を介して第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂにも作用しており、初期の状態でバネ定数が応力ストレスに起因した変調を伴った状態となっている。このようなマイクロミラー素子を長期間にわたって使用している間に接着剤３３及び３４の劣化が進み、接着箇所の応力ストレスが緩和されることによって第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂのバネ定数の変調が緩和される。その結果、マイクロミラー１４を傾斜させた際の傾斜角度が、当初の状態から僅かに変化してしまう。その結果として、マイクロミラー素子における光アッテネータ機能の精度が低下し、出力光ファイバに送られる光信号のレベル等にバラツキが発生する。
【００４１】
〔３．応力緩和機構の構成〕
本実施の形態にかかるマイクロミラー素子は、引っ張り方向のストレスに対して変調を受けやすい直線的なトーションバーを適用するにあたって、引っ張り方向のストレスに対しては変位可能であって、トーションバーの回転軸方向に対しての変位が困難である特徴を持つ応力緩和機構を備えたことを構成上の特徴としている。
【００４２】
トーションバーの回転方向に対するバネ定数をｋｒ、トーションバーの引っ張り方向に対するバネ定数をｋｔと定義する。また、応力緩和機構に関する回転方向のバネ定数をｋｒ’、引っ張り方向のバネ定数をｋｔ’と定義する。まず、回転方向のバネ定数については、
ｋｒ≪ｋｒ’
の関係を有するように設定する。また、引っ張り方向のバネ定数については、
ｋｔ≫ｋｔ’
の関係を有するように設定する。
【００４３】
トーションバーに対して引っ張り方向のストレスが作用する時、応力緩和機構部分の引っ張り方向のバネ定数が小さいために前記ストレスが吸収されて、トーションバーに対しては殆ど影響を及ぼさない。なお、トーションバーに対するストレスを軽減する際に応力緩和機構がストレスに応じて変形することになるが、この変形に伴って応力緩和機構の回転方向のバネ定数が変調されることになる。しかし、回転方向のバネ定数はトーションバーのバネ定数よりも大幅に大きいことから、回転トルクに対する角度の変位量は殆どゼロであり、応力緩和機構の変形に起因する角度の変調は無視できる。つまり、マイクロミラーの傾斜角度に対しては殆ど影響を及ぼさない。
【００４４】
以下、応力緩和機構５０の具体構成について説明する。
【００４５】
図８は、応力緩和機構５０を備えたマイクロミラー素子の断面図である。図９は、図８における応力緩和機構５０の要部断面図である。図１０は、応力緩和機構５０の要部斜視図である。応力緩和機構５０は、例えば図８〜図１０に示すように第２のトーションバー１１ｂの長手方向に対して垂直な方向の平面を有する応力緩和部５１を備えている。応力緩和部５１は、薄肉に形成され、弾性変形可能である。応力緩和部５１は、平面方向の略中央において第２のトーションバー１１ｂと結合している。すなわち、応力緩和部５１は、第２のトーションバー１１ｂを基準として線対称に設けられている。応力緩和部５１は、平面方向の両端が支持部５２に一体的に支持されている。支持部５２は、応力緩和部５１の両端と可動フレーム１３とを結合する部分であり、応力緩和部５１よりも厚肉に形成されて変形しにくい部分である。応力緩和部５１と支持部５２と可動フレーム１３とにより囲まれた部分は、中空構造となっている（空間５３）。空間５３は、応力緩和部５１が変形を伴って応力を緩和する際に、応力緩和部５１が可動フレーム１３に干渉するのを防ぐために設けられている。
【００４６】
上記のようなマイクロミラー素子において、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂに引っ張り方向（矢印Ｆ方向）の応力ストレスが作用した際、応力緩和部５１が矢印Ｆ方向へ変形する。応力緩和部５１が変形することによって、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂへ加わる応力ストレスを緩和することができる。
【００４７】
また、応力緩和部５１を第２のトーションバー１１ｂを基準として線対称に配置することによって、応力緩和部５１が矢印Ｆ方向に変形した際に、第２のトーションバー１１ｂが剪断方向（矢印Ｇ方向）の応力ストレスを伴わずに済むことから、引っ張り方向のストレスに対して安定した特性を維持することが可能となる。
【００４８】
ここで、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂは、厚みが数μｍ程度という薄い構造体であることから、弾性変形可能なバネの特性を持つ。これによって、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂを回転軸として、可動フレーム１３がＣ軸（図５参照）周りに回転可能な構造となっている。
【００４９】
応力緩和機構５０における応力緩和部５１のパターン幅Ｔ１（図９参照）は、可動フレーム１３のパターン幅Ｔ２（図９参照）が通常１０数μｍかそれ以上の幅を持つのに対して数μｍ程度であり、これによって弾性変形可能な特性を有している。応力緩和部５１は、第２のトーションバー１１ｂに対して垂直な方向の平面を有し、第２のトーションバー１１ｂからの引っ張り応力に対して容易に変形できる構造となっている。
【００５０】
本実施の形態では、可動フレーム１３の全幅Ｗ（図９参照）を約２４０μｍとし、応力緩和部５１のパターン幅Ｔ１を５μｍとし、応力緩和部５１の平面方向の幅Ｔ３を９０μｍとし、応力緩和部５１を第２のトーションバー１１ｂを基準として線対称に２カ所配置している。これにより、第２のトーションバー１１ｂに加わる応力を、応力緩和部５１を備えていない構成に比べて約１／１０に低減できる。
【００５１】
環境温度の変化によって生じる熱膨張率差に起因する応力の変動や、マイクロミラー素子を固定している接着剤の強度劣化による応力の変動が、マイクロミラー素子の固定フレーム１を変形せしめた時、応力緩和機構５０が矢印Ｆ方向へ変位して応力を逃がすために、トーションバーの引っ張り方向に対する応力ストレスを軽減させることができる。したがって、トーションバーの回転方向のバネ定数は、応力ストレスによる変調が非常に小さく、マイクロミラーを傾斜させた時の傾斜角度は当初の角度に対してほとんどずれることがない。
【００５２】
第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂと応力緩和機構５０は、共に変位可能な部品であるが、互いに変位可能な方向が異なっているため、自身の変位可能な方向に対して他方の剛性を高くしている。例えば、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂは、その軸周り方向へ変位可能であるため、軸周り方向の剛性はトーションバー１１ａ及び１１ｂよりも応力緩和機構５０の方を高くしている。また、トーションバー１１ａ及び１１ｂは、引っ張り方向（軸方向）への変位が困難な構造であり、応力緩和機構５０は引っ張り方向（軸方向）への変位が可能な構造であるため、引っ張り方向（軸方向）への剛性は、応力緩和機構５０よりもトーションバー１１ａ及び１１ｂの方を高くしている。なお、上記のように第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂと応力緩和機構５０との間に剛性の違いを設けるためには、バネ定数を変えることが好ましい。バネ定数を変えるためには、例えば高い剛性を必要とする部分の肉厚を厚くし、低い剛性を必要とする部分の肉厚を薄くする構成が考えられる。また、バネ定数を変えるために、高い剛性を必要とする部分を高硬度材料で形成し、低い剛性を必要とする部分を低硬度材料で形成する構成が考えられる。
【００５３】
このような応力緩和機構５０に必要な特徴は、バネ定数を用いることによって以下のように示すことができる。第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂの回転方向（図５の矢印Ａに示す方向）のバネ定数をｋｒとし、第１のトーションバー１１ａ及び第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向（図８の矢印Ｆ方向）のバネ定数をｋｔとし、応力緩和部５１の回転方向のバネ定数をｋｒ’とし、応力緩和部５１の引っ張り方向のバネ定数をｋｔ’と定義したとき、回転方向のバネ定数は、
ｋｒ≪ｋｒ’
の関係を有する。また、引っ張り方向のバネ定数は、
ｋｔ≫ｋｔ’
の関係を有する。
【００５４】
図１１は、応力緩和機構５０の他の構成例を示す。前述のように、トーションバーと応力緩和機構は、応力に対して変形可能とするために、形状としては薄いもしくは細い構造体である。トーションバーと応力緩和機構とを連続的に連結してしまうと、連結部が微小な接点しかなく、連結部が破断しやすくなってしまう。このため、図１１に示すように、応力ストレスやトルクに対して変形しない強固さを有する連結部５４を、トーションバーと応力緩和機構との間に介在することが好ましい。第２のトーションバー１１ｂと応力緩和部５１との結合部分に連結部５４を備えたことにより、第２のトーションバー１１ｂと応力緩和部５１との結合強度を高めることができるので、第２のトーションバー１１ｂまたは応力緩和部５１が繰り返し変位したとしても連結部の破断を起こりにくくすることができる。
【００５５】
図１２は、応力緩和機構５０と固定フレーム１とを２本のトーションバー１１ｃ及び１１ｄで結合した例を示す。前述のような単一でかつストレート形状のトーションバーは、櫛歯部分で発生する静電引力に対して可動フレーム１３を回転方向に変位させると同時に、僅かながら櫛歯の方向への平行移動の変位を伴う。平行移動の変位をより小さくするための方策として、図１２に示すように２本のトーションバー１１ｃ及び１１ｄをＶ字に配置する方法が有効である。図１２に示すＶ字状のトーションバー１１ｃ及び１１ｄにおいても、先に述べた回転方向と引っ張り方向のバネ定数に関する特徴は成立している。
【００５６】
図１３は、マイクロミラー１４の占有領域を高めるために可動フレーム１３の一部が取り除かれて、マイクロミラー１４の領域に置き換えられたマイクロミラー素子を示す。図１３に示すマイクロミラー素子は、マイクロミラー１４の周囲を可動フレームで囲む構成ではなく、マイクロミラー１４の片側のみに可動フレーム１３ａを配置したマイクロミラー素子である。図１３に示す可動フレーム１３ａは、少なくとも図５等に示す可動フレーム１３に比べて剛性が低いため、外的な応力ストレスに対して変形を伴いやすい。しかし、応力緩和機構５０を備えることによって、固定フレーム１側の変形等の外部からの応力ストレスが応力緩和機構５０において吸収され、可動フレーム１３には伝わりにくいため、図１３に示すような可動フレーム１３ａをマイクロミラー素子に適用することが可能となる。図１３に示す可動フレーム１３ａを適用することによって、マイクロミラー１４の反射面の面積を拡大することができるので、より効率的に光信号を出力光ファイバ側へ反射することができる。
【００５７】
図１４は、応力緩和機構５０の変形例を示す。図１４に示す応力緩和機構５０は、応力緩和部５５ａ及び５５ｂ、連結部５６ａ及び５６ｂ、連結部５７を備えている。応力緩和部５５ａ及び５５ｂは、前述の応力緩和部５１と同様、薄肉に形成され、第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向（矢印Ｆ方向）へ変位可能である。応力緩和部５５ａは、その平面方向の略中央において第２のトーションバー１１ｂと結合している。応力緩和部５５ｂは、その平面方向の略中央において連結部５７と結合している。応力緩和部５５ａと応力緩和部５５ｂとは、空間５８を挟んで平行対向している。応力緩和部５５ａ及び応力緩和部５５ｂは、その平面方向両端において連結部５６ａ及び５６ｂと結合している。連結部５６ａと連結部５６ｂとは、空間５８を挟んで平行対向している。連結部５６ａ及び５６ｂは、応力緩和部５５ａ及び５５ｂの肉厚よりも厚く形成され、応力緩和部５５ａ及び５５ｂよりも高い剛性を確保している。連結部５７は、第２のトーションバー１１ｂと略同軸位置に配され、その軸方向の一方の端部が応力緩和部５５ｂに結合し、他方の端部が可動フレーム１３に結合している。連結部５７は、ストレスがかかっても変形しにくい材料で形成されている。図１４に示すマイクロミラー素子は、第２のトーションバー１１ｂを基準として線対称な形状となっている。このような構成とすることにより、第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向に応力ストレスがかかったとしても、応力緩和部５５ａ及び５５ｂで応力を吸収することができる。
【００５８】
図１５は、応力緩和機構５０の変形例を示す。図１５に示す応力緩和機構５０は、複数の応力緩和部５９ａ、複数の連結部５９ｂを備えている。応力緩和部５９ａは、前述の応力緩和部５１と同様、薄肉に形成され、第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向（矢印Ｆ方向）へ変位可能である。応力緩和部５９ａは、第２のトーションバー１１ｂを基準として線対称に配されている。複数の応力緩和部５９ａは、それぞれ連結部５９ｂによって結合されている。複数の応力緩和部５９ａは、互いに平行となるように形成されている。複数の連結部５９ｂのうち図示上端の連結部５９ｂは、可動フレーム１３に結合している。このような構成とすることにより、第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向に応力ストレスがかかったとしても、複数の応力緩和部５９ａで応力を吸収することができる。
【００５９】
図１６は、応力緩和機構５０を固定フレーム１に備えた変形例を示す。図１６に示す応力緩和機構５０は、応力緩和部６１を備えている。応力緩和部６１は、固定フレーム１に形成された凹部１ａ内に懸架されている。応力緩和部６１は、その平面方向の中央に第２のトーションバー１１ｂが結合している。応力緩和部６１は、弾性変形可能な厚さ及び材料で形成され、第２のトーションバー１１ｂの引っ張り方向（矢印Ｆ方向）に変位可能である。応力緩和部６１が凹部１ａにおける可動フレーム１３に近い位置に配されていることにより、応力緩和部６１の下方には空間が形成される。これにより、応力緩和部６１が矢印Ｆ方向に変位したとしても、応力緩和部６１が固定フレーム１に干渉するのを防ぐことができ、応力緩和部６１をスムーズに変位させることができる。
【００６０】
図１７は、応力緩和機構５０を可動フレーム１３における第１のトーションバー１１ａ側に設けたマイクロミラー素子である。図１７に示す応力緩和機構５０は、応力緩和部６２を備えている。応力緩和部６２は、可動フレーム１３における第１のトーションバー１１ａ側の端部に結合している。応力緩和部６２の平面方向の中央には、導電フレーム１８が結合している。導電フレーム１８は、第１のトーションバー１１ａに結合している。第１のトーションバー１１ａは、固定フレーム１に結合している。応力緩和部６２と可動フレーム１３との間には、応力緩和部６２が変位した際に可動フレーム１３との干渉を防ぐための空間６３を有する。このような構成とすることにより、第１のトーションバー１１あの引っ張り方向に応力ストレスがかかったとしても、応力緩和部６２で応力を吸収することができる。
【００６１】
図１８は、応力緩和機構５０の変形例を示し、第２のトーションバー１１ｂを中心として非対称の形状を有する応力緩和機構５０を示している。図８等に示す応力緩和機構５０は、第２のトーションバー１１ｂを基準とした線対称な形状としたが、必ずしも線対称な形状とする必要はない。例えば、図１８に示すように、略Ｚ字を成すように応力緩和部６４ａ〜６４ｃ及び複数の連結部６５ａ〜６５ｃを結合した応力緩和機構５０であってもよい。応力緩和部６４ａは、一方の端部が第２のトーションバー１１ｂに結合し、他方の端部が連結部６５ａに結合している。応力緩和部６４ｂは、一方の端部が連結部６５ａに結合し、他方の端部が連結部６５ｂに結合している。応力緩和部６４ｃは、一方の端部が連結部６５ｃに結合し、他方の端部が連結部６５ｂに結合している。応力緩和部６４ｂは、応力緩和部６４ａ及び６４ｃの長さの約２倍の長さを有する。応力緩和部６４ｂは、その平面方向の中心と第２のトーションバー１１ｂの位置とがほぼ一致する。したがって、図１８に示す応力緩和機構５０は、形状としては非対称となっているが、第２のトーションバー１１ｂを中心として左右それぞれに同等の応力緩和の能力を有する。
【００６２】
なお、前述したように可動フレーム１３、トーションバー１１ａ及び１１ｂ、応力緩和機構５０は、同じ材料（Ｓｉ）で形成されているため、それぞれの部材のパターン幅や厚さを適切な値に調整してマイクロミラー素子を作製することによって、各部材の機械的強度を調整することができる。材質が同じの場合、剛体の強度は寸法の３乗にほぼ比例する。仮に、図９に示すように、応力緩和部５１の厚さＴ１を５μｍから２倍の１０μｍにした場合、応力緩和部５１の機械的強度は約８倍に増加することになる。また、可動フレーム１３に作用する応力としては、引っ張り方向（矢印Ｆ方向）のストレスと、第２のトーションバー１１ｂを回転軸とする回転トルクとがほとんどである。応力緩和機構５０を備えることによって、可動フレーム１３にかかる引っ張り方向のストレスが軽減されるため、可動フレーム１３に大きな力が作用することは極めて少ない。したがって、可動フレーム１３のパターン幅Ｔ２は、応力緩和部５１の厚さＴ１が５μｍの場合には約２倍の１０μｍ程度とすることにより、十分な強度が得られる。
【００６３】
本実施の形態では、応力緩和部５１の寸法を、幅Ｔ３＝９０μｍ、厚さＴ１＝５μｍ、高さｔ＝２００μｍとした。また、第２のトーションバー１１ｂの寸法を、長さｇ＝１００μｍ、厚さｈ＝５μｍ、幅ｉ＝２０μｍとした。このときの応力緩和機構５０のバネ定数ｓ１と、第２のトーションバネ１１ｂのバネ定数ｓ２は、
ｓ１＝ｔ×Ｔ１3×Ｅ／（２×Ｔ３3）
ｓ２＝ｈ×ｉ×Ｅ／ｇ
（Ｅはヤング率）
により求めることができる。上記数式に本実施の形態の値を代入すると、バネ定数の比ｓ１：ｓ２は、約１：５８となる。したがって、固定フレーム１からの応力は、ほとんどが応力緩和機構５０で吸収されることになり、第２のトーションバー１１ｂに作用する応力は大幅に軽減される。
【００６４】
〔４．実施の形態の効果、他〕
本実施の形態にかかる応力緩和機構を備えることによって、環境温度の変化によって生じる熱膨張率差に起因する応力の変動や、マイクロミラー素子を固定している接着剤部分の強度劣化による応力の変動等が、マイクロミラーの傾斜角度へ影響することを軽減することができる。
【００６５】
本実施の形態における固定フレーム１は、本発明の固定部の一例である。本実施の形態における可動フレーム１３，１３ａ、およびそれに支持された部材（マイクロミラー１４等）は、本発明の揺動部の一例である。本実施の形態における第１のトーションバー１１ａ、第２のトーションバー１１ｂは、本発明の軸部の一例である。本実施の形態における応力緩和機構５０、応力緩和部５１，５５ａ，５５ｂ，５９ａ，６１，６２，６４ａ，６４ｂ，６４ｃは、本発明の応力緩和部の一例である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、マイクロミラーを備えたマイクロミラー素子のようなマイクロ素子に有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 固定フレーム
１１ａ 第１のトーションバー
１１ｂ 第２のトーションバー
１３，１３ａ 可動フレーム
５０ 応力緩和機構
５１，５５ａ，５５ｂ，５９ａ，６４ｂ，６４ｃ 応力緩和部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、
前記固定部に対して揺動可能な揺動部と、
前記揺動部の揺動軸を規定する軸部と、
前記固定部及び前記揺動部の少なくとも一方に設けられる応力緩和部と、を含み、
前記揺動軸の軸方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸の軸方向における前記軸部の剛性より小さく、
前記揺動軸を中心とする回転方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸を中心とする回転方向における前記軸部の剛性よりも大きい、マイクロ素子。
【請求項２】
前記揺動部の板厚方向における前記前記応力緩和部の厚みは、前記揺動部の板厚方向における前記軸部の厚みよりも大きい、請求項１に記載のマイクロ素子。
【請求項３】
前記軸部は、前記応力緩和部に直接的に連結されている、請求項１又は２に記載のマイクロ素子。
【請求項４】
前記応力緩和部は、前記揺動軸を基準として線対称の構造を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロ素子。
【請求項５】
前記応力緩和部は、前記揺動軸を基準として線対称となる第１の位置及び第２の位置で前記揺動部に連結されている、請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロ素子。
【請求項６】
前記応力緩和部は、前記揺動部に対して隙間を空けて設けられている、請求項５に記載のマイクロ素子。
【請求項７】
前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部の少なくとも１つと熱膨張率が異なり、前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部を収容する収容部を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のマイクロ素子。
【請求項８】
前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部の材料はシリコンであり、
前記収容部の材料はセラミックスである、請求項７記載のマイクロ素子。
【請求項１】
固定部と、
前記固定部に対して揺動可能な揺動部と、
前記揺動部の揺動軸を規定する軸部と、
前記固定部及び前記揺動部の少なくとも一方に設けられる応力緩和部と、を含み、
前記揺動軸の軸方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸の軸方向における前記軸部の剛性より小さく、
前記揺動軸を中心とする回転方向における前記応力緩和部の剛性は、前記揺動軸を中心とする回転方向における前記軸部の剛性よりも大きい、マイクロ素子。
【請求項２】
前記揺動部の板厚方向における前記前記応力緩和部の厚みは、前記揺動部の板厚方向における前記軸部の厚みよりも大きい、請求項１に記載のマイクロ素子。
【請求項３】
前記軸部は、前記応力緩和部に直接的に連結されている、請求項１又は２に記載のマイクロ素子。
【請求項４】
前記応力緩和部は、前記揺動軸を基準として線対称の構造を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロ素子。
【請求項５】
前記応力緩和部は、前記揺動軸を基準として線対称となる第１の位置及び第２の位置で前記揺動部に連結されている、請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロ素子。
【請求項６】
前記応力緩和部は、前記揺動部に対して隙間を空けて設けられている、請求項５に記載のマイクロ素子。
【請求項７】
前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部の少なくとも１つと熱膨張率が異なり、前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部を収容する収容部を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のマイクロ素子。
【請求項８】
前記固定部、前記揺動部、前記軸部、及び前記応力緩和部の材料はシリコンであり、
前記収容部の材料はセラミックスである、請求項７記載のマイクロ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−２７９７３（Ｐ２０１１−２７９７３Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７３１１７（Ｐ２００９−１７３１１７）
【出願日】平成２１年７月２４日（２００９．７．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２４日（２００９．７．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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