JP2004085700A

JP2004085700A - ミラーデバイス、光スイッチ、電子機器およびミラーデバイス駆動方法

Info

Publication number: JP2004085700A
Application number: JP2002243629A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Fujii; 藤井　正寛; Shuji Koeda; 小枝　周史; Akihiro Murata; 村田　昭浩
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】より少ない駆動力でミラーをより大きく駆動することが可能なミラーデバイス、光スイッチ、電子機器およびミラーデバイス駆動方法を提供すること。
【解決手段】シリコン基板１に、一端が固定され、他端が固定されていない梁１１と、梁１１の他端側に設けられたミラー１０と、梁１１の一端側に設けられ、クーロン力が作用するミラー側作用部とを設け、ガラス基板２に、ミラー側作用部との間でクーロン力が作用する対向側作用部３１と、クーロン力の作用時に梁１１の支点となる支点部３５とを設け、クーロン力を作用させることによって、支点部３５を支点として梁１１を駆動することによってミラー１０を駆動する。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミラーデバイス、光スイッチ、電子機器およびミラーデバイス駆動方法に関する。
【０００２】
【背景技術および発明が解決しようとする課題】
例えば、特開平７−２１８８４５号公報では、広い範囲にわたって反射光の振れ角を制御することのできる方持ち梁方式のミラーデバイスが提案されている。
【０００３】
当該ミラーデバイスは、当該公報の図１に示されているように、ミラーを支持する支持部材の一端に吸着膜を、他端に方持ち梁を設け、吸着膜の下方に設けられた電極の印加電圧を変化させることにより、吸着膜を電極側に吸引してミラーの角度を変更するものである。
【０００４】
しかし、このような構造では、当該公報の図７に示されているように、ミラーの振れ角が大きくなるほど加速度的に印加電圧も大きくなる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、より少ない駆動力でミラーをより大きく駆動することが可能なミラーデバイス、光スイッチ、電子機器およびミラーデバイス駆動方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るミラーデバイスは、所定の吸引力によって駆動されるミラーを有するミラー基板と、当該ミラー基板を支持する支持基板とを有するミラーデバイスにおいて、
前記ミラー基板は、
一端が固定され、他端が固定されていない支持部材と、
当該支持部材の他端側に設けられたミラーと、
前記支持部材の一端側に設けられ、前記吸引力が作用するミラー側作用部と、
を有し、
前記支持基板は、
前記ミラー側作用部との間で前記吸引力が作用する対向側作用部と、
少なくとも前記吸引力の作用時に前記支持部材の支点となる支点部と、
を有し、
前記吸引力を作用させることによって、前記支点部を支点として前記支持部材を駆動することによって前記ミラーを駆動することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る光スイッチは、上記ミラーデバイスを有し、前記ミラーの駆動によって光路を切り替えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る電子機器は、上記ミラーデバイスを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るミラーデバイス駆動方法は、ミラーの支持部材の一端側に所定の駆動力を付与してミラーを駆動するミラーデバイス駆動方法において、
前記ミラーは、前記支持部材の他端側に設けられ、
所定の支点部で前記支持部材の一部を支持し、前記駆動力を作用させることによって、前記支点部を支点として前記支持部材を駆動することによって前記ミラーを駆動することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、ミラーデバイス等は、いわゆるてこの原理（力のモーメント）によって、支持部材の一端側に駆動力を発生することにより、支点部を支点として支持部材の他端側を大きく駆動することができるため、ミラーも大きく駆動することができる。
【００１１】
また、ここで、前記支持部材の少なくとも一部は伸縮性を有する部材であってもよい。
【００１２】
また、前記ミラーデバイス、前記光スイッチおよび前記電子機器において、前記ミラー基板は、前記支持部材を回転可能に支持する回転軸部を有してもよい。
【００１３】
また、前記ミラーデバイス駆動方法において、回転軸部を用いて前記支持部材を回転可能に支持してもよい。
【００１４】
これによれば、ミラーデバイス等は、回転軸部をねじり、ミラーを回転駆動することができる。
【００１５】
また、回転軸部を設けることにより、ミラーデバイス等は、ミラーをより安定させて駆動することができる。
【００１６】
また、前記ミラーデバイス、前記光スイッチおよび前記電子機器において、前記対向側作用部および前記支点部は、前記支持部材から離れた位置であって、かつ、前記支持部材を挟む形で複数設けられていてもよい。
【００１７】
また、前記ミラーデバイス駆動方法において、前記支点部は、前記支持部材を挟む形で複数設けられ、
当該複数の支点部を支点として前記支持部材を駆動してミラーを駆動してもよい。
【００１８】
これによれば、例えば、支点部を支持部材の上下に設けることにより、ミラーデバイス等は、上側の支点部に支持部材を駆動することにより、ミラーを下側に傾けることができ、下側の支点部に支持部材を駆動することにより、ミラーを上側に傾けることができる。
【００１９】
したがって、ミラーデバイス等は、ミラーの振れ角をより大きくすることができる。
【００２０】
また、前記ミラーデバイス、前記光スイッチ、前記電子機器および前記ミラーデバイス駆動方法において、前記支持部材の前記一端側は、前記他端側と比較してより大きな伸縮率を有してもよい。
【００２１】
これによれば、ミラーデバイス等は、一端側をより大きく曲げることができるため、他端側のミラーをより大きく駆動することができ、ミラーの振れ角をより大きくすることができる。
【００２２】
また、前記ミラーデバイス、前記光スイッチおよび前記電子機器において、前記対向側作用部は、前記支点部に近い位置にある部分が前記支点部から遠い位置にある部分と比較して前記ミラー側作用部との間隔が狭くなるように前記支持基板に設けられていてもよい。
【００２３】
これによれば、ミラーデバイス等は、一端側をより大きく曲げることができるため、他端側のミラーをより大きく駆動することができ、ミラーの振れ角をより大きくすることができる。
【００２４】
また、前記ミラーデバイス、前記光スイッチおよび前記電子機器において、前記吸引力はクーロン力であってもよい。
【００２５】
また、前記ミラーデバイス駆動方法において、前記駆動力はクーロン力であってもよい。
【００２６】
また、前記ミラーデバイス、前記光スイッチおよび前記電子機器において、前記ミラー側作用部および前記対向側作用部の少なくとも一方は電極であってもよい。
【００２７】
これによれば、ミラーデバイス等は、クーロン力（静電気力）によって低電圧駆動でもミラーを大きく駆動することができる。また、ミラーデバイス等は、静電駆動方式を採用することにより、ミラーの駆動のために必要となる消費電力と発熱を抑制することができる。
【００２８】
また、前記ミラーデバイス、前記光スイッチおよび前記電子機器において、前記ミラー基板は導電性シリコン基板であってもよい。
【００２９】
これによれば、ミラーデバイス等は、導電性シリコン基板を用いることにより、ミラー基板に電極を用いることなく、静電駆動することが可能となる。また、シリコンは伸縮性を有するため、支持部材に伸縮性を付与することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、ミラーの傾きによって光路を切り替えるミラーデバイスに適用した場合を例に採り、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に示す実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の内容を何ら限定するものではない。また、以下の実施形態に示す構成の全てが、特許請求の範囲に記載された発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００３１】
（第１の実施例）
図１は、本実施形態の一例に係るミラーデバイスの斜視図である。また、図２は、本実施形態の一例に係るミラーデバイスの図であり、図２（Ａ）は、本実施形態の一例に係るミラーデバイスの平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡＡ’線部分の断面図である。また、図３は、本実施形態の一例に係るミラーデバイスの組立分解斜視図である。
【００３２】
本実施形態のミラーデバイスは、ミラー１０を有するミラー基板の一種であるシリコン基板１と、シリコン基板１を支持する支持基板の一種であるガラス基板２とを含んで構成されている。
【００３３】
また、シリコン基板１は、一端が固定され、他端が固定されていない支持部材の一種である梁１１と、梁１１の他端側に設けられたミラー１０とを含んで構成されている。また、梁１１の一端側は、ミラー１０の駆動力であるクーロン力（静電気力）が作用するミラー側作用部として機能する。
【００３４】
なお、ミラー側作用部として梁１１の一端側の下部に電極を設け、共通電極２３から当該電極に電力を供給してもよい。
【００３５】
また、ガラス基板２は、梁１１のミラー側作用部との間でクーロン力が作用する対向側作用部３１と、クーロン力の作用時に梁１１の支点となる支点部３５と、ミラー１０の下方に設けられた等電位電極３６と、対向側作用部３１に電力を供給するセグメント電極２１と、支点部３５および等電位配線２５とを含んで構成されている。
【００３６】
そして、梁１１と対向側作用部３１との間に吸引力の一種であるクーロン力を作用させることによって、支点部３５を支点として梁１１を駆動することによってミラー１０を駆動する。
【００３７】
これにより、いわゆるてこの原理（力のモーメント）によって、梁１１の一端側に駆動力が発生し、支点部３５を支点として梁１１の他端側が上に持ち上がり、図２（Ｂ）の破線に示すように、最大角度θ分ミラー１０を傾けることができる。
【００３８】
なお、θ＝ｔａｎ^−１（Ｇ／Ｌ）である。
【００３９】
ただし、Ｇは、梁１１が接する対向側作用部３１と支点部３５との高さの差であり、Ｌは、梁１１が対向側作用部３１に接する最も支点部３５側であって対向側作用部３１の端部の点から支点部３５までの水平距離である。
【００４０】
すなわち、対向側作用部３１と支点部３５との垂直方向の間隔を空けることによってＧを大きくしたり、梁１１が対向側作用部３１に接する最も支点部３５側の点を支点部３５に近づけることによってＬを小さくしてミラーデバイスを構成することによってθを大きくし、ミラー１０をより大きく傾けることができる。
【００４１】
また、梁１１の一端側と、対向側作用部３１は、いわゆる平行平板静電アクチュエータとして機能する。静電駆動であるため、発熱や必要電力量は少なくて済み、ミラーデバイスは、低電圧でミラー１０を大きく駆動することができる。
【００４２】
なお、このようなミラーデバイスを実現するための材料としては、例えば、以下のものを適用できる。
【００４３】
シリコン基板１としては、例えば、シリコンにボロンドープ剤を塗布もしくは拡散して導電性を付与したもの等を用い、ガラス基板２としては、例えば、ホウケイ酸ナトリウムガラス等を用い、ミラー１０および梁１１としては、例えば、シリコン基板１と同材料であってもよく、ミラー１０としてアルミニウム等を用い、ミラー側作用部としてＩＴＯ等の透明電極を用いてもよい。
【００４４】
また、梁１１の素材としてシリコン等の伸縮可能な素材を用いることにより、ミラーデバイスは、梁１１に伸縮性を持たせ、図２（Ｂ）に示すように、梁１１の一部を伸縮させることができる。
【００４５】
また、セグメント電極２１、対向側作用部３１、支点部３５、等電位電極３６としては、例えば、ＩＴＯ等の透明電極を用いてもよく、共通電極２３としては、例えば、プラチナ等を用いてもよく、等電位配線２５等の配線としては、例えば、ＩＴＯクロム、金等を用いてもよい。
【００４６】
また、支点部３５として電極、特に、シリコン製の梁１１と等電位となる電位を陽極接合時に当該電極に付与することにより、ガラス基板２の一部を支点部３５として形成する場合と比較して梁１１がガラス基板２に接合されてしまう事態の発生をより効果的に防止することができる。
【００４７】
さらに、等電位電極３６を設けることにより、梁１１がガラス基板２に接着してしまう事態の発生をより効果的に防止することができる。
【００４８】
なお、本実施形態のミラーデバイスの製造方法としては、一般的なマイクロマシニング技術を用いて実現でき、例えば、特開平９−１５９９３７号公報に記載された手法を用いてもよい。特に、マイクロマシニング技術を用いることにより、ミラーデバイスを容易に小型化することが可能となる。
【００４９】
以上のように、本実施の形態によれば、高い電圧をかけてミラー１０を傾けるのではなく、ミラー１０の傾きは支点部３５と、対向側作用部３１との位置関係によって一意に決定することができ、構造上ミラー１０を大きく傾けることができる。
【００５０】
また、駆動力にクーロン力を用いる上、力のモーメントを用いることにより、低電圧でもミラー１０を大きく駆動することができる。
【００５１】
（第２の実施例）
第１の実施例では、梁１１に回転軸部を設けていないが、梁１１に回転軸部を設けてもよい。次に、梁１１に回転軸部を設けたミラーデバイスについて説明する。
【００５２】
図４は、本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの斜視図である。また、図５は、本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの図であり、図５（Ａ）は、本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの平面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢＢ’線部分の断面図である。
【００５３】
本実施例では、梁１１のミラー１０の設けられる部分とミラー側作用部として機能する部分の間の部分に回転軸部として機能するヒンジ１２を設けている。
【００５４】
これによれば、ミラーデバイスは、ヒンジ１２をねじり、ミラー１０を回転駆動することができる。
【００５５】
また、ヒンジ１２を設けることにより、ミラーデバイスは、ミラー１０をより安定させて駆動することができる。
【００５６】
（変形例）
なお、本発明は、上述した実施例に限定されず、種々の変形が可能である。
【００５７】
例えば、支点部３５をミラー１０の下方にだけ設けたが、ミラー１０の上方にも支点部を設けてもよいし、下方と上方の両方向に設けてもよい。
【００５８】
図６は、本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの断面図である。
【００５９】
図６に示すように、本実施形態のミラーデバイスは、シリコン基板１の下側にガラス基板３を設け、シリコン基板１の上側にガラス基板４を設けている。
【００６０】
また、ミラーデバイスは、梁１１から離れた位置であって、かつ、梁１１を挟む形で、対向側作用部３１および支点部３５をガラス基板３に、対向側作用部４１および支点部４５をガラス基板４に設けている。
【００６１】
これによれば、支点部３５、４５を梁１１の上下に設けることにより、ミラーデバイスは、上側の支点部４５に梁１１を駆動することにより、ミラー１０を下側に傾けることができ、下側の支点部３５に梁１１を駆動することにより、ミラー１０を上側に傾けることができる。
【００６２】
したがって、ミラーデバイスは、ミラー１０の振れ角をより大きくすることができる。
【００６３】
また、梁１１の一端側を、他端側と比較してより大きな伸縮率になるように構成してもよい。
【００６４】
図７は、本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの図であり、図７（Ａ）は、本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの平面図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＣＣ’線部分の断面図である。
【００６５】
例えば、図７（Ａ）に示すように、梁１１の一端側の梁１３をジグザグ形状に細く構成することにより、ミラーデバイスは、一端側をより大きく曲げることができるため、他端側のミラーをより大きく駆動することができ、ミラーの振れ角をより大きくすることができる。
【００６６】
なお、梁１３はシリコン製であるが、梁１３の部分にシリコン以外の伸縮率の高い素材を用いたり、バネ形状の素材を用いたりしてもよい。
【００６７】
また、対向側作用部３１を、支点部３５に近い位置にある部分が支点部３５から遠い位置にある部分と比較してミラー側作用部との間隔が狭くなるようにガラス基板２を構成してもよい。
【００６８】
具体的には、例えば、図７（Ｂ）に示すように、対向側作用部３１が設けられる支点部３５に近い位置にある部分が支点部３５から遠い位置にある部分と比較して梁１１との間隔が狭くなるように、ガラス基板２の対向側作用部３１の設置部分を傾斜させてもよい。
【００６９】
これによれば、ミラーデバイスは、一端側をより大きく曲げることができるため、他端側のミラー１０をより大きく駆動することができ、ミラー１０の振れ角をより大きくすることができる。
【００７０】
また、上述した実施例では、駆動力（吸引力）としてクーロン力を用いたが、例えば、電磁気力等を用いてもよい。
【００７１】
また、本発明に係るミラーデバイスは、ミラーの傾きによって光路を切り替える光スイッチのほか、光ピックアップ、ルータ、プロジェクタ等の種々の電子機器に実装することが可能である。
【００７２】
さらに、上述した実施例では、初期状態では、支持部材である梁と支点部は離れているが、初期状態においても支持部材と支点部が接している構成を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の一例に係るミラーデバイスの斜視図である。
【図２】本実施形態の一例に係るミラーデバイスの図であり、図２（Ａ）は、本実施形態の一例に係るミラーデバイスの平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡＡ’線部分の断面図である。
【図３】本実施形態の一例に係るミラーデバイスの組立分解斜視図である。
【図４】本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの斜視図である。
【図５】本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの図であり、図５（Ａ）は、本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの平面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢＢ’線部分の断面図である。
【図６】本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの断面図である。
【図７】本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの図であり、図７（Ａ）は、本実施形態の他の一例に係るミラーデバイスの平面図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＣＣ’線部分の断面図である。
【符号の説明】
１　シリコン基板（ミラー基板）
２〜４　ガラス基板（支持基板）
１０　ミラー
１１、１３　梁（支持部材、ミラー側作用部）
１２　ヒンジ（回転軸部）
２１　セグメント電極
２３　共通電極
２５　等電位配線
３１、４１　対向側作用部
３５、４５　支点部
３６　等電位電極

Claims

所定の吸引力によって駆動されるミラーを有するミラー基板と、当該ミラー基板を支持する支持基板とを有するミラーデバイスにおいて、
前記ミラー基板は、
一端が固定され、他端が固定されていない支持部材と、
当該支持部材の他端側に設けられたミラーと、
前記支持部材の一端側に設けられ、前記吸引力が作用するミラー側作用部と、
を有し、
前記支持基板は、
前記ミラー側作用部との間で前記吸引力が作用する対向側作用部と、
少なくとも前記吸引力の作用時に前記支持部材の支点となる支点部と、
を有し、
前記吸引力を作用させることによって、前記支点部を支点として前記支持部材を駆動することによって前記ミラーを駆動することを特徴とするミラーデバイス。
請求項１において、
前記ミラー基板は、前記支持部材を回転可能に支持する回転軸部を有することを特徴とするミラーデバイス。
請求項１、２のいずれかにおいて、
前記対向側作用部および前記支点部は、前記支持部材から離れた位置であって、かつ、前記支持部材を挟む形で複数設けられていることを特徴とするミラーデバイス。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記支持部材の前記一端側は、前記他端側と比較してより大きな伸縮率を有することを特徴とするミラーデバイス。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記対向側作用部は、前記支点部に近い位置にある部分が前記支点部から遠い位置にある部分と比較して前記ミラー側作用部との間隔が狭くなるように前記支持基板に設けられていることを特徴とするミラーデバイス。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記吸引力はクーロン力であることを特徴とするミラーデバイス。
請求項６において、
前記ミラー側作用部および前記対向側作用部の少なくとも一方は電極であることを特徴とするミラーデバイス。
請求項６、７のいずれかにおいて、
前記ミラー基板は導電性シリコン基板であることを特徴とするミラーデバイス。
請求項１〜８のいずれかに記載のミラーデバイスを有し、前記ミラーの駆動によって光路を切り替えることを特徴とする光スイッチ。
請求項１〜８のいずれかに記載のミラーデバイスを有することを特徴とする電子機器。
ミラーの支持部材の一端側に所定の駆動力を付与してミラーを駆動するミラーデバイス駆動方法において、
前記ミラーは、前記支持部材の他端側に設けられ、
所定の支点部で前記支持部材の一部を支持し、前記駆動力を作用させることによって、前記支点部を支点として前記支持部材を駆動することによって前記ミラーを駆動することを特徴とするミラーデバイス駆動方法。
請求項１１において、
回転軸部を用いて前記支持部材を回転可能に支持することを特徴とするミラーデバイス駆動方法。
請求項１１、１２のいずれかにおいて、
前記支点部は、前記支持部材を挟む形で複数設けられ、
当該複数の支点部を支点として前記支持部材を駆動してミラーを駆動することを特徴とするミラーデバイス駆動方法。
請求項１１〜１３のいずれかにおいて、
前記駆動力はクーロン力であることを特徴とするミラーデバイス駆動方法。