JP6052901B2 - マイクロミラー素子およびミラーアレイ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロミラー素子およびミラーアレイに関するものである。

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、波長分割多重化および低コスト化を実現する技術として、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術が脚光を浴びており、この光ＭＥＭＳ技術を用いた光スイッチが開発されている（例えば、特許文献１参照。）。このＭＥＭＳ技術を用いた光スイッチの構成部品として最も特徴的なものは、複数の可動反射体から構成される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。

光スイッチは、光信号を電気信号に変換することなく経路切替を行うものであり、多重化された光信号であっても、これを波長毎に分波することなく経路を切り替えることが可能である。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て、通信できる状態を維持するために用いられている。
また、近年、多重化された光を波長毎に分波した後で、それぞれ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。さらに、複数のミラーをより近づけて配置することを可能とするミラー素子を用いたミラーアレイも提案されている（例えば、特許文献２、非特許文献１参照。）。このようなミラーアレイの一例を図２２，図２３を参照して説明する。

ミラーアレイは、ミラー基板１００と、このミラー基板１００と対向配置された電極基板２００と、ミラー基板１００に形成された平面視矩形の開口部１０１にシールドキャップ３００が嵌挿された構造を有している。

ミラー基板１００は、支持部１０２と、開口部１０１に形成された可動電極である可動梁１０３ａ，１０３ｂと、ミラー１０４と、可動梁１０３ａ，１０３ｂとミラー１０４との連結部となる支持ばね１０５ａ，１０５ｂとを有する。可動梁１０３ａ，１０３ｂの一端は、支持部１０２に固定されている。これにより、可動梁１０３ａおよび可動梁１０３ｂは、各々の他端が、ミラー基板の法線方向（ｚ軸方向）に変位可能な片持ち梁構造となっている。

可動梁１０３ａと可動梁１０３ｂの間には、屈曲可能な一対の支持ばね１０５ａ，１０５ｂにより連結されてミラー１０４が配置されている。ミラー１０４は、可動梁１０３ａおよび可動梁１０３ｂと１列に配列されて可動梁１０３ａと可動梁１０３ｂの間に回動可能に配置されている。支持ばね１０５ａは、可動梁１０３ａの他端とミラー１０４とを連結し、支持ばね１０５ｂは、可動梁１０３ｂの他端とミラー１０４とを連結している。図２２〜図２３の例では、ｙ軸方向に平行な線上に、可動梁１０３ａ、支持ばね１０５ａ、ミラー１０４、支持ばね１０５ｂ、可動梁１０３ｂが順に整列している。

ミラー１０４は、一対の支持ばね１０５ａ，１０５ｂを通る、ｙ軸と平行な第１の回動軸廻りに回動することができ、またミラー１０４の長さ方向と直交するｘ軸と平行な第２の回動軸廻りに回動することができる。ミラー１０４の表面には、金やアルミニウムなどから構成された反射膜が形成され、例えば赤外領域の光を反射可能としている。以上のような可動梁１０３ａ、支持ばね１０５ａ、ミラー１０４、支持ばね１０５ｂおよび可動梁１０３ｂの整列が１つのマイクロミラー素子のミラー基板側の構造を形成しており、このような構造が整列方向と垂直なｘ軸方向に沿って複数配置されて、ミラーアレイチップのミラー基板側の構造を形成している。

一方、電極基板２００の上には、１つのマイクロミラー素子毎に、可動梁１０３ａ，１０３ｂを駆動するための固定電極２０１ａ，２０１ｂと、ミラー１０４を駆動するためのミラー駆動電極２０２ａ，２０２ｂとが設けられている。また、１つのミラー１０４を駆動するためのミラー駆動電極２０２ａ，２０２ｂと隣接するミラー１０４を駆動するためのミラー駆動電極２０２ａ，２０２ｂとの間には、シールド壁２０３が形成されている。さらに、電極基板２００の上には、所定距離離間してミラー基板１００を固定するためのギャップ制御用バンプ２０４が形成されている。さらに、電極基板２００内には、固定電極２０１ａ，２０１ｂに接続された配線２０５と、ミラー駆動電極２０２ａ，２０２ｂに接続された配線２０６とが形成されている。

ミラー基板１００と電極基板２００とが接合されたとき、固定電極２０１ａ，２０１ｂは、それぞれ可動梁１０３ａ，１０３ｂと対向するように配置され、ミラー駆動電極２０２ａ，２０２ｂは、ミラー１０４と対向するように配置されている。固定電極２０１ａ，２０１ｂは、ｙ軸と平行な方向、すなわち可動梁１０３ａ，１０３ｂの整列方向と平行な方向に沿って溝が形成された、断面が略Ｕ字状の形状となっている。

固定電極２０１ａ，２０１ｂには、それぞれ可動梁１０３ａ、可動梁１０３ｂを駆動させるための駆動電圧（駆動信号）が、配線２０５を介して供給される。また、ミラー駆動電極２０２ａ，２０２ｂには、ミラー駆動電圧が、配線２０６を介して供給される。なお、可動梁１０３ａ，１０３ｂ、ミラー１０４および支持ばね１０５ａ，１０５ｂは、接地等により等電位とされている。

シールドキャップ３００は、下面にｙ軸方向に沿って延在する溝３０１がｘ軸方向に形成されている。このようなシールドキャップ３００は、ミラー基板１００に接合されたとき、各溝３０１が対応する可動梁１０３ａ，１０３ｂと対向するように配置される。

このようなミラーアレイにおける１つのマイクロミラー素子の動作について、図２４，図２５を参照して説明する。

まず、固定電極２０１ａ，２０１ｂに所定の駆動電圧を印加すると、発生した静電引力により、可動梁１０３ａ，１０３ｂは、支持部１０２に支持されている一端を支点としてたわみ、可動梁１０３ａ，１０３ｂの他端側が電極基板２００に引き寄せられるように変位する。この結果、ミラー１０４は、電極基板２００の側に引き寄せられ、傾いた状態となる。この傾いた状態は、ミラー１０４の配列方向（ｘ軸）に平行なミラーの中央部を通る回転軸（主軸）を中心に、ミラーが回動していることとなる。マイクロミラー素子は、主軸に対して対称な構造をしているので、固定電極２０１ａ，２０１ｂに印加する駆動電圧を制御することにより、主軸を中心に正負の両方向にミラー１０４を回動させることができる。

また、ミラー１０４直下に配置された２つのミラー駆動電極２０２ａ，２０２ｂに所定の駆動電圧を印加すると、発生した静電引力により、ミラー１０４は、一対の支持ばね１０５ａ，１０５ｂを通るｙ軸に平行な回転軸（副軸）を中心に回動する。マイクロミラー素子は、副軸に対しても対称な構造をしているので、ミラー駆動電極２０２ａ，２０２ｂに印加する駆動電圧を制御することにより、副軸を中心に正負の両方向にミラー１０４を回動させることができる。

このようなマイクロミラー素子を狭い間隔で配列したマイクロミラーアレイにおいては、可動梁を駆動するとき、隣り合うマイクロミラー素子の固定電極による電界が干渉する場合がある。すると、可動梁が移動して、ミラーの回動角度が変動することがあった。このようなミラーの変動を防ぐためには、隣り合うマイクロミラー素子の電界の干渉を低減する必要があるが、このためには電界を可動梁毎に完全に分離するような電極構造を実現することが効果的である。そこで、図２６に示すように、固定電極２０１ａ，２０１ｂを断面略Ｕ字状として電界が可動梁を取り囲むようにしている。さらに、ミラー１０４の上方には、シールドキャップ３００を配設している。これらにより、可動梁毎に電界を分離して、干渉の低減を実現している。

特開２００３−０５７５７５号公報 国際公開第２００８／１２９９８８号

M. Usui et al., "Electrically Separated Two-Axis MEMS Mirror Array Module for Wavelength Selective Switches," 2009 IEEE/LEOS International Conf. on Optical MEMS and Nanophotonics, ThB4, Clearwater Beach, FL USA, 2009.

しかしながら、断面略Ｕ字状の固定電極を用いた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は、隣り合うマイクロミラー素子の固定電極同士も近接しているので、固定電極同士の絶縁性を確保するために所定の距離だけ固定電極を離間して配置する必要がある。このため、隣り合うマイクロミラー素子の間隔を狭くすることができず、結果として、マイクロミラーアレイを小型化することが困難であった。

そこで、本発明は、小型化を実現することができるマイクロミラー素子およびマイクロミラーアレイを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係るマイクロミラー素子は、支持部材と、この支持部材に一端が固定されて他端が変位可能とされた可動梁と、この可動梁の前記他端にばね部材を介して接続されたミラーとを有する反射部と、この反射部と離間した面上に前記可動梁と対向して配置された固定電極とを備え、前記可動梁は、開口を有し、前記固定電極は、前記開口に向かって突出する突出部を有することを特徴とするものである。

上記マイクロミラー素子において、前記可動梁は、延在方向に沿って複数の開口を有し、前記固定電極は、複数の前記開口それぞれに向かって突出する複数の前記突出部を有するようにしてもよい。

また、上記マイクロミラー素子において、前記ミラーを挟んで対向配置された複数の前記可動梁と、複数の前記可動梁それぞれと対向する複数の前記固定電極とを有するようにしてもよい。

また、上記マイクロミラー素子において、互いに平行に配置された複数の前記可動梁と、互いに平行に配置された複数の前記固定電極とを有するようにしてもよい。

また、上記マイクロミラー素子において、互いに平行に配置された隣り合う２つの前記固定電極の間に立設され、導体からなる壁状部材をさらに備えるようにしてもよい。

また、本発明に係るミラーアレイは、上述したいずれかのマイクロミラー素子を、前記可動梁がアレイ状に並ぶように複数配置したことを特徴とするものである。

上記マイクロミラーアレイにおいて、前記可動梁の上方に配設された平板状の板状部材をさらに備えるようにしてもよい。

また、上記マイクロミラーアレイにおいて、隣り合う前記マイクロミラー素子の前記固定電極の間に立設され、導体からなる前記壁状部材をさらに備えるようにしてもよい。

本発明によれば、可動梁が開口を有し、固定電極が開口に向かって突出する突出部を有することにより、隣り合うマイクロミラー素子の固定電極間で電界の干渉を低減することが可能となるので、隣り合う固定電極の距離を短くすることができ、結果として、小型化を実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロミラー素子の構成を示す平面図である。 図２は、図１のI-I線断面図である。 図３は、ばね部材の構成を示す平面図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロミラー素子における動作を説明するための図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロミラー素子における動作を説明するための図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロミラーアレイの構成を示す平面図である。 図７は、図６のII-II線断面図である。 図８は、マイクロミラーアレイにおける電界の遮蔽効果を説明するための図である。 図９は、マイクロミラーアレイにおける電界の遮蔽効果を説明するための図である。 図１０は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロミラー素子の構成を示す平面図である。 図１１は、図１０のIII-III線断面図である。 図１２は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロミラー素子における動作を説明するための図である。 図１３は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロミラー素子における動作を説明するための図である。 図１４は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロミラーアレイの構成を示す平面図である。 図１５は、図１４のIV-IV線断面図である。 図１６は、本発明の第３の実施の形態に係るマイクロミラー素子の構成を示す平面図である。 図１７は、図１６のV-V線断面図である。 図１８は、本発明の第３の実施の形態に係るマイクロミラー素子における動作を説明するための図である。 図１９は、本発明の第３の実施の形態に係るマイクロミラー素子における動作を説明するための図である。 図２０は、本発明の第３の実施の形態に係るマイクロミラーアレイの構成を示す平面図である。 図２１は、図２０のVI-VI線断面図である。 図２２は、従来のマイクロミラーアレイの構成を模式的に示す斜視図である。 図２３は、従来のマイクロミラーアレイの断面図である。 図２４は、従来のマイクロミラーアレイの動作を説明するための図である。 図２５は、従来のマイクロミラーアレイの動作を説明するための図である。 図２６は、従来のマイクロミラーアレイにおける電界遮蔽効果を説明するための図である。

［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

＜マイクロミラー素子の構成＞
図１，図２に示すように、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１は、ミラー基板１０と、このミラー基板１０と対向配置された電極基板２０とを備えている。

ミラー基板１０は、平面視略矩形の開口部１１と、この開口部１１の一組の対辺に位置し互いに平行に配設された一対の支持部材１２と、開口部１１内に形成され、支持部材１２に一端が固定されて他端が変位可能とされた一対の可動梁１３−１，１３−２と、この可動梁の他端に接続されたミラー１４と、可動梁１３とミラー１４とを連結するばね部材１５−１，１５−２とを備える。
なお、以下において、支持部材１２の延在方向に沿った方向をｘ軸方向、このｘ軸方向に直交し、かつ、ミラー基板１０の平面方向に沿った方向をｙ軸方向、ミラー基板１０と電極基板２０の距離方向をｚ軸方向とする。

可動梁１３−１，１３−２は、平面視略矩形の板状に形成され、長手方向がｙ軸方向に沿い、一方の短辺（固定端）が支持部材１２に固定され、他方の短辺（可動端）に対応するばね部材１５−１，１５−２が接続されており、ミラー１４を挟んで対向配置されている。
また、可動梁１３−１，１３−２には、延在方向に沿って３つの開口１３ａ〜１３ｃが形成されている。本実施の形態において、開口１３ａ〜１３ｃは、可動梁１３−１，１３−２の略中央部から可動端の間に形成されている。

ミラー１４は、平面視矩形の板状に形成され、一組の対辺の中央部には対応するばね部材１５−１，１５−２が接続されている。

ばね部材１５−１，１５−２は、図３に示すように、平面視略Ｈ字状に形成されている。

一方、電極基板２０には、可動梁１３−１，１３−２と対向する位置に、平面視略矩形の固定電極２１−１，２１−２が形成されている。また、電極基板２０のミラー１４と対向する位置には、ミラー駆動電極２２−１，２２−２が形成されている。また、電極基板２０の上には、所定距離離間してミラー基板１０を固定するためにｚ軸方向に突出したギャップ制御用バンプ２３が形成されている。さらに、電極基板２０内には、固定電極２１−１，２１−２に接続された配線２４と、ミラー駆動電極２２−１，２２−２に接続された配線２５とが形成されている。

ここで、固定電極２１−１，２１−２は、対向配置された可動梁１３−１，１３−２の３つの開口１３ａ〜１３ｃに向かって突出する突出部２１ａ〜２１ｃを有する。
突出部２１ａ〜２１ｃの外形は、電極基板２０の平面方向において、開口１３ａ〜１３ｃの外形よりも小さく、ミラー基板１０の側から電極基板２０を見たときに、開口１３ａ〜１３ｃ内部に位置するように形成されている。これにより、可動梁１３−１，１３−２が電極基板２０に向かって移動すると、突出部２１ａ〜２１ｃが開口１３ａ〜１３ｃ内に位置するので、突出部２１ａ〜２１ｃが可動梁１３−１，１３−２に接触しない。
突出部２１ａ〜２１ｃのｚ軸方向の高さは、可動梁１３−１，１３−２と離間した位置であれば適宜自由に設定することができる。

ミラー駆動電極２２−１，２２−２は、平面視略矩形に形成されており、ｘ軸方向に並設されている。

固定電極２１−１，２１−２およびミラー駆動電極２２−１，２２−２は、外部より配線２４または配線２５を介してそれぞれ独立に制御された電圧（以下、駆動電圧という）が印加されることにより、対向配置された可動梁１３−１，１３−２またはミラー１４を静電引力により駆動させる。

＜マイクロミラー素子の動作＞
次に、図４，図５を参照して、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１の動作について説明する。

まず、固定電極２１−１，２１−２の何れか一方に駆動電圧を印加すると、その固定電極２１−１，２１−２に対向配置された可動梁１３−１，１３−２が固定電極２１−１，２１−２からの静電引力により固定電極２１−１，２１−２に向かって変位する。例えば、図４に示すように、固定電極２１−２に駆動電圧を印加すると、可動梁１３−２が固定電極２１−２に向かって変位する。これにより、ミラー１４は、ｘ軸に平行な軸（以下、主軸と言う。）回りの一方の方向に回動する。逆に、固定電極２１−１に駆動電圧を印加すると、可動梁１３−１が固定電極２１−１に向かって変位するので、ミラー１４は、主軸回りの他方の方向に回動する。これにより、ミラー１４を、主軸回りの両方向に回動させることができる。

このように可動梁１３−１，１３−２を変位させたとき、突出部２１ａ〜２１ｃは、上述したように、その外形が可動梁１３−１，１３−２の開口１３ａ〜１３ｃの外形よりも小さく、ミラー基板１０の側から電極基板２０を見たときに開口１３ａ〜１３ｃ内部に位置するように形成されているので、突出部２１ａ〜２１ｃが開口１３ａ〜１３ｃ内に位置するため、可動梁１３−１，１３−２に接触しない。これにより、可動梁１３−１，１３−２は、円滑に変位できるので、結果として、ミラー４も円滑に回動することができる。

また、可動梁１３に働く静電引力は、固定電極と可動梁との距離が近いほど大きくなる。そこで、本実施の形態では、固定電極２１−１，２１−２に突出部２１ａ〜２１ｃを設けて、可動梁１３−１，１３−２との距離が近くなるようにしている。これにより、可動梁１３−１，１３−２を円滑に変位させることができる。
また、可動梁の延在方向に沿って複数の突出部２１ａ〜２１ｃを設けているので、いずかの突出部が可動梁の開口内に位置することによりその突出部によって固定電極に向かって変位させる力が働かなくなっても、他の突出部が開口内に位置しないために固定電極に向かって変位する力が働くこととなる。結果として、可動梁を固定電極に向かって変位させ続けることができる。

また、ミラー駆動電極２２−１，２２−２の何れか一方に駆動電圧を印加すると、そのミラー駆動電極２２−１，２２−２に対向配置されたミラー１４が静電引力によりミラー駆動電極２２−１，２２−２に向かって変位する。例えば、図５に示すように、ミラー駆動電極２２−２に駆動電圧を印加すると、ミラー１４のミラー駆動電極２２−２に対向する領域がミラー駆動電極２２−２に向かって変位する。これにより、ミラー１４は、ｙ軸に平行な軸（以下、副軸と言う。）回りの一方の方向に回動する。逆に、ミラー駆動電極２２−１に駆動電圧を印加すると、ミラー１４のミラー駆動電極２２−１に対向する領域がミラー駆動電極２２−１に向かって変位するので、ミラー１４は、副軸回りの他方の方向に回動する。これにより、ミラー１４を、副軸回りの両方向に回動させることができる。

このように、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１は、主軸および副軸という２つの軸回りに回動させることができる。

＜マイクロミラーアレイの構成＞
このようなマイクロミラー素子１をミラー１４の短手方向、すなわちｘ軸方向に一列に配列することにより、図６，図７に示すようなマイクロミラーアレイ２を構成することができる。
ここで、各マイクロミラーアレイ１は、互いに平行に配設された一対の支持部材１２に沿って一列に配列されている。隣り合うマイクロミラー素子１の固定電極２１−１，２１−２の間には、ミラー１４と同電位が印加される直方体状の壁状部材２６が立設されている。

また、ミラー基板１０上には、板状部材３０をさらに配設するようにしてもよい。この板状部材３０は、平面視略矩形の平板状に形成され、可動梁１３−１，１３−２それぞれの上方に配設されている。このような板状部材３０は、可動梁１３−１，１３−２が覆われるように位置決めして支持部材１２の上端に固定することにより、ミラー基板１０上に配設される。

＜マイクロミラーアレイにおける電界遮蔽効果＞
このようなマイクロミラーアレイ２において電界遮蔽効果について、図８，図９を参照して説明する。

図８に示すマイクロミラーアレイ２には、隣り合う固定電極２１−１，２１−２の間に電界分離用の壁状部材２６が形成されている。この壁状部材２６は、ミラー１４と同電位となるように接続されている。この構成により、可動梁１３−１，１３−２を駆動するとき、固定電極２１−１，２１−２によって形成される電界が壁状部材２６によってマイクロミラー素子１毎に分離されるので、隣り合うマイクロミラー素子１に電界が干渉することを低減することができる。これにより、隣り合うマイクロミラー素子１の電界の影響を受けて動作することを防ぐことができる。

また、可動梁１３−１，１３−２を駆動させて、突出部２１ａ〜２１ｃが可動梁１３−１，１３−２の開口１３ａ〜１３ｃ内に位置すると、この開口１３ａ〜１３ｃ内の突出部２１ａ〜２１ｃによって形成される電界がその開口１３ａ〜１３ｃによって遮蔽される。これによっても、隣り合うマイクロミラー素子１に電界が干渉することを低減することができ、結果として、隣り合うマイクロミラー素子１の誤動作を防ぐことができる。

ここで、隣り合うマイクロミラー素子１の間に存在する壁状の部材は、壁状部材２６のみである。これに対して、従来のマイクロミラーアレイは、固定電極が断面略Ｕ字状なので、隣り合うマイクロミラー素子１の間に２つの壁状の部材が存在することになる。したがって、本実施の形態では、従来よりも隣り合うマイクロミラー素子の距離を狭くすることができ、結果として、マイクロミラーアレイを小型化することができる。

また、図９に示すように、可動梁１３−１，１３−２上方に平板状の板状部材３０を設けることにより、可動梁１３−１，１３−２の上方に分布する電界についてもマイクロミラー素子１毎に分離することができる。
従来では、電界の干渉を低減するためにマイクロミラー素子の上方に設けるシールドキャップは、可動梁との接触を防ぐためにその可動梁直上に溝が位置するように配設する必要があった。
ところが、本実施の形態では、固定電極２１−１，２１−２に可動梁１３−１，１３−２が引き寄せられると、接地された可動梁１３−１，１３−２自身のシールド効果によりマイクロミラー素子１毎の電界が分離されるので、可動梁１３−１，１３−２上方に比較的離れた位置に板状部材３０を配設しても、十分に電界の干渉を低減できる。したがって、従来のように板状部材に溝を設けない単純な平板構造でよいので、製造コストを低減できるとともに、ミラー基板１０と板状部材３０の位置合わせもより容易に行うことができる。

＜マイクロミラー素子およびマイクロミラーアレイの製造方法＞
次に、本実施の形態に係るマイクロミラー素子およびマイクロミラーアレイの製造方法について説明する。

ミラー基板１０は、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をＭＥＭＳ技術によって加工することにより一体形成されている。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からなるＳＯＩ層を備えたものであり、このＳＯＩ層を加工することで、可動梁１３−１，１３−２、ミラー１４およびばね部材１５−１，１５−２などの板状の構造体を形成することができる。このとき、可動梁１３−１，１３−２に接続する支持部材１２などの周辺部も同時に形成する。これらの構造体を加工した後、基体部をドライエッチングにより掘り込み加工し、さらに埋め込み絶縁層を除去することにより、各部が可動可能な状態になる。ミラー１４に形成する反射膜（図示せず）は、所望とする金属を例えばスパッタ法や蒸着法により堆積することで形成する。

一方、電極基板２０は、一般的によく知られたＬＳＩ集積回路などの半導体装置の製造方法を用いることにより形成することができる。電極基板２０の表面に形成する固定電極２１−１，２１−２およびミラー駆動電極２２−１，２２−２は、金めっき等により形成することができる。また、めっき形成プロセスを分けることにより、高さの異なる電極上の突起部や電界分離用の電極壁等を容易に形成することができる。

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２０を形成するようにしてもよい。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ギャップ制御用バンプ２３などの支持構造体を形成することができる。このようにして形成した電極基板２０のギャップ制御用バンプ２３に、ミラー基板１０の開口部１１の周囲を貼り合わせることにより、マイクロミラー素子が完成する。

また、個別に用意した支持構造体を用いるようにしてもよい。例えば、はんだ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よい。また、ミラー部と電極部とを表面マイクロマシニングにより、積層して一体形成するようにしてもよい。

このようなマイクロミラー素子１を複数配列したマイクロミラーアレイ２を製造する場合には、上述したマイクロミラー素子１の製造方法と同等の方法により、ミラー基板１０に複数の可動梁１３−１，１３−２、ミラー１４およびばね部材１５−１，１５−２を形成するとともに、電極基板２０に複数の固定電極２１−１，２１−２およびミラー駆動電極２２−１，２２−２を形成する。また、隣り合うマイクロミラー素子１の固定電極２１−１，２１−２の間に壁状部材２６を形成するとともに、隣り合うマイクロミラー素子１のミラー駆動電極２２−１，２２−２の間にも壁状部材２６を形成する。これらの壁状部材２６は、例えば、金めっき等により形成することができる。
このようにして形成したミラー基板１０と電極基板２０を貼り合わせた後、板状部材３０をミラー基板１０の支持部材１２上端に固定することにより、マイクロミラーアレイ２が完成する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、可動梁１３−１，１３−２が開口１３ａ〜１３ｃを有し、固定電極２１−１，２１−２が開口１３ａ〜１３ｃに向かって突出する突出部２１ａ〜２１ｃを有することにより、隣り合うマイクロミラー素子１の固定電極２１−１，２１−２間で電界の干渉を低減することが可能となるので、隣り合う固定電極２１−１，２１−２の距離を短くすることができ、結果として、小型化を実現することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施について説明する。なお、本実施の形態は、第１の実施の形態にマイクロミラー素子において、可動梁と固定電極をそれぞれ３つずつ設けたものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図１０，図１１に示すように、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１’は、ミラー基板１０’と、このミラー基板１０’と対向配置された電極基板２０’とを備えている。

ミラー基板１０’は、平面視略矩形の開口部１１と、この開口部１１の一組の対辺に位置し互いに平行に配設された一対の支持部材１２と、開口部１１内に形成され、支持部材１２に一端が固定されて他端が変位可能とされた３つの可動梁１３−１〜１３−３と、この可動梁の他端に接続されたミラー１４と、可動梁１３とミラー１４とを連結するばね部材１５−１〜１５−３とを備える。

可動梁１３−１〜１３−３は、平面視略矩形の板状に形成され、長手方向がｙ軸方向に沿い、一方の短辺（固定端）が支持部材１２に固定され、他方の短辺（可動端）に対応するばね部材１５−１〜１５−３が接続されている。本実施の形態において、可動梁１３−１は、一端が一方の支持部材１２に固定され、他端がミラー１４の一組の対辺のうち一方の辺の中央部に接続されたばね部材１５−１が接続されている。一方、可動梁１３−２，１３−３は、一端が他方の支持部材１２に固定され、他端がミラー１４の一組の対辺のうち他方の辺の端部に接続されたばね部材１５−２またはばね部材１５−３が接続されている。
また、可動梁１３−１〜１３−３には、延在方向に沿って３つの開口１３ａ〜１３ｃが形成されている。

一方、電極基板２０’には、可動梁１３−１〜１３−３と対向する位置に、平面視略矩形の固定電極２１−１〜２１−３が形成されている。また、電極基板２０’の上には、所定距離離間してミラー基板１０’を固定するためにｚ軸方向に突出したギャップ制御用バンプ２３が形成されている。また、電極基板２０’内には、固定電極２１−１〜２１−３に接続された配線２４が形成されている。さらに、固定電極２１−２と固定電極２１−３との間には、壁状部材２６が立設されている。
ここで、固定電極２１−１〜２１−３は、対向配置された可動梁１３−１〜１３−３の３つの開口１３ａ〜１３ｃに向かって突出する突出部２１ａ〜２１ｃを有する。

＜マイクロミラー素子の動作＞
次に、図１２，図１３を参照して、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１’の動作について説明する。

まず、固定電極２１−１、または、固定電極２１−２，２１−３に駆動電圧を印加すると、その固定電極２１−１〜２１−３に対向配置された可動梁１３−１または可動梁１３−２，１３−３が静電引力により固定電極２１−１，２１−２に向かって変位する。例えば、図１２に示すように、固定電極２１−２，２１−３に駆動電圧を印加すると、可動梁１３−２，１３−３が固定電極２１−２，２１−３に向かって変位する。これにより、ミラー１４は、ｘ軸に平行な軸（以下、主軸と言う。）回りの一方の方向に回動する。逆に、固定電極２１−１に駆動電圧を印加すると、可動梁１３−１が固定電極２１−１に向かって変位するので、ミラー１４は、主軸回りの他方の方向に回動する。これにより、ミラー１４を、主軸回りの両方向に回動させることができる。

また、固定電極２１−２，２１−３の何れか一方に駆動電圧を印加すると、その固定電極２１−２，２１−３に対向配置された可動梁１３−２または可動梁１３−３が静電引力により固定電極２１−２，２１−３に向かって変位する。例えば、図１３に示すように、固定電極２１−３に駆動電圧を印加すると、可動梁１３−３が固定電極２１−２，２１−３に向かって変位する。これにより、ミラー１４は、ばね部材１５−１との接続部を通る軸（以下、副軸と言う。）回りの一方の方向に回動する。逆に、固定電極２１−２に駆動電圧を印加すると、可動梁１３−２が固定電極２１−２に向かって変位するので、ミラー１４は、副回りの他方の方向に回動する。これにより、ミラー１４を、副軸回りの両方向に回動させることができる。

このように、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１’は、主軸および副軸という２つの軸回りに回動させることができる。

＜マイクロミラーアレイの構成＞
このようなマイクロミラー素子１’をｘ軸方向に一列に配列することにより、図１４，図１５に示すようなマイクロミラーアレイ２’を構成することができる。
ここで、各マイクロミラーアレイ１’は、互いに平行に配設された一対の支持部材１２に沿って一列に配列されている。第１の実施の形態に係るマイクロミラーアレイ２と大きく異なるのは、ミラー１４を挟んで設けられている可動梁および固定電極の数が異なるので、その数が交互に入れ替わるようにマイクロミラー素子１’を配列していることである。これにより、マイクロミラー素子１’をより高密度に配設することができる。

また、隣り合うマイクロミラー素子１’の固定電極２１−１〜２１−３の間には、ミラー１４と同電位とされた直方体状の壁状部材２６が立設されている。
さらに、ミラー基板１０’上には、板状部材３０をさらに配設するようにしてもよい。

このような構成を有するマイクロミラー素子１’およびマイクロミラーアレイ２’は、上述した第１の実施の形態におけるマイクロミラー素子１およびマイクロミラーアレイ２と同等の方法により製造することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、可動梁１３−１〜１３−３が開口１３ａ〜１３ｃを有し、固定電極２１−１〜２１−３が開口１３ａ〜１３ｃに向かって突出する突出部２１ａ〜２１ｃを有することにより、隣り合うマイクロミラー素子１’の固定電極２１−１〜２１−３間で電界の干渉を低減することが可能となるので、隣り合う固定電極２１−１〜２１−３の距離を短くすることができ、結果として、小型化を実現することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施について説明する。なお、本実施の形態は、第１の実施の形態にマイクロミラー素子において、可動梁と固定電極をそれぞれ４つずつ設けたものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図１６，図１７に示すように、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１”は、ミラー基板１０”と、このミラー基板１０”と対向配置された電極基板２０”とを備えている。

ミラー基板１０”は、平面視略矩形の開口部１１と、この開口部１１の一組の対辺に位置し互いに平行に配設された一対の支持部材１２と、開口部１１内に形成され、支持部材１２に一端が固定されて他端が変位可能とされた４つの可動梁１３−１〜１３−４と、この可動梁の他端に接続されたミラー１４と、可動梁１３とミラー１４とを連結するばね部材１５−１〜１５−４とを備える。

可動梁１３−１〜１３−４は、平面視略矩形の板状に形成され、長手方向がｙ軸方向に沿い、一方の短辺（固定端）が支持部材１２に固定され、他方の短辺（可動端）に対応するばね部材１５−１〜１５−４が接続されている。本実施の形態において、可動梁１３−１，１３−４は、一端が一方の支持部材１２に固定され、他端がミラー１４の一組の対辺のうち一方の辺の端部に接続されたばね部材１５−１またはばね部材１５−４が接続されている。一方、可動梁１３−２，１３−３は、一端が他方の支持部材１２に固定され、他端がミラー１４の一組の対辺のうち他方の辺の端部に接続されたばね部材１５−２またはばね部材１５−３が接続されている。
また、可動梁１３−１〜１３−４には、延在方向に沿って３つの開口１３ａ〜１３ｃが形成されている。

一方、電極基板２０”には、可動梁１３−１〜１３−４と対向する位置に、平面視略矩形の固定電極２１−１〜２１−４が形成されている。また、電極基板２０の上には、所定距離離間してミラー基板１０を固定するためにｚ軸方向に突出したギャップ制御用バンプ２３が形成されている。また、電極基板２０内には、固定電極２１−１〜２１−４に接続された配線２４が形成されている。さらに、固定電極２１−１と固定電極２１−４の間、および、固定電極２１−２と固定電極２１−３との間には、壁状部材２６が立設されている。
ここで、固定電極２１−１〜２１−４は、対向配置された可動梁１３−１〜１３−４の３つの開口１３ａ〜１３ｃに向かって突出する突出部２１ａ〜２１ｃを有する。

＜マイクロミラー素子の動作＞
次に、図１８，図１９を参照して、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１”の動作について説明する。

まず、固定電極２１−１，２１−４または固定電極２１−２，２１−３の一方に駆動電圧を印加すると、その固定電極に対向配置された可動梁が静電引力により固定電極に向かって変位する。例えば、図１８に示すように、固定電極２１−２，２１−３に駆動電圧を印加すると、可動梁１３−２，１３−３が固定電極２１−２，２１−３に向かって変位する。これにより、ミラー１４は、ｘ軸に平行な軸（以下、主軸と言う。）回りの一方の方向に回動する。逆に、固定電極２１−１，２１−４に駆動電圧を印加すると、可動梁１３−１，１３−４が固定電極２１−１，２１−４に向かって変位するので、ミラー１４は、主軸回りの他方の方向に回動する。これにより、ミラー１４を、主軸回りの両方向に回動させることができる。

また、固定電極２１−１，２１−２、または、固定電極２１−３，２１−４の一方に駆動電圧を印加すると、そのミラー駆動電極に対向配置された可動梁が静電引力により固定電極に向かって変位する。例えば、図１９に示すように、固定電極２１−３，２１−４に駆動電圧を印加すると、可動梁１３−３，１３−４が固定電極２１−３，２１−４に向かって変位する。これにより、ミラー１４は、ｙ軸に平行な軸（以下、副軸と言う。）回りの一方の方向に回動する。逆に、固定電極２１−１，２１−２に駆動電圧を印加すると、可動梁１３−１，１３−２が固定電極２１−１，２１−２に向かって変位するので、ミラー１４は、副軸回りの他方の方向に回動する。これにより、ミラー１４を、副軸回りの両方向に回動させることができる。

このように、本実施の形態に係るマイクロミラー素子１”は、主軸および副軸という２つの軸回りに回動させることができる。

＜マイクロミラーアレイの構成＞
このようなマイクロミラー素子１”をｘ軸方向に一列に配列することにより、図２０，図２１に示すようなマイクロミラーアレイ２”を構成することができる。
ここで、各マイクロミラーアレイ１”は、互いに平行に配設された一対の支持部材１２に沿って一列に配列されている。

また、隣り合うマイクロミラー素子１”の固定電極２１−１〜２１−４の間には、ミラー１４と同電位とされた直方体状の壁状部材２６が立設されている。
さらに、ミラー基板１０”上には、板状部材３０をさらに配設するようにしてもよい。

このような構成を有するマイクロミラー素子１”およびマイクロミラーアレイ２”は、上述した第１の実施の形態におけるマイクロミラー素子１およびマイクロミラーアレイ２と同等の方法により製造することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、可動梁１３−１〜１３−４が開口１３ａ〜１３ｃを有し、固定電極２１−１〜２１−４が開口１３ａ〜１３ｃに向かって突出する突出部２１ａ〜２１ｃを有することにより、隣り合うマイクロミラー素子１”の固定電極２１−１〜２１−４間で電界の干渉を低減することが可能となるので、隣り合う固定電極２１−１〜２１−４の距離を短くすることができ、結果として、小型化を実現することができる。

なお、第１〜第３の実施の形態において、可動梁が有する開口および固定電極が有する突出部の数量が３つの場合を例に説明したが、その数量は３つに限定されず、適宜自由に設定することができる。また、開口の平面形状についても矩形に限定されず、例えば、円形、六角形、台形、楕円形など適宜自由に設定することができる。同様に、突出部の形状についても直方体状に限定されず、円柱、角柱、円錐台、角錐台など適宜自由に設定することができる。

また、第１〜第３の実施の形態において、可動梁が略矩形の平面形状を有する場合を例に説明したが、可動梁の平面形状はこれに限定されず、例えば、三角形、台形などにしたり、固定端から可動端に向かって幅が大きくなるようしたり適宜自由に設定することができる。特に、可動梁は、静電引力により変形するので、この変形量に自身の剛性が大きく影響するため、平面形状を適宜設定することにより、所望の特性で駆動させることができる。

また、第１〜第３の実施の形態において、ミラー１４が平面視略矩形の場合を例に説明したが、ミラー１４の平面形状はこれに限定されず、例えば、平行四辺形、六角形、円形、楕円形、台形など適宜自由に設定することができる。これらの形状において、ばね部材が連結された端部から中央部に向かうにつれて面積を大きくすることにより、ミラー端部からの戻り光を抑制することもできる。

また、第１〜第３の実施の形態において、ミラー基板の下方に固定電極を備えた電極基板を設けて、可動梁を下方に変位させる場合を例に説明したが、可動梁の上方に固定電極を配設したり、可動梁の上下両方に固定電極を設けるようにしてもよい。

また、第１〜第３の実施の形態において、ばね部材の形状が平面視略Ｈ字状の場合を例に説明したが、ばね部材の形状はこれに限定されず、例えば、つづら折り状など適宜自由に設定することができる。

本発明は、ミラーなどの構造体を回動可能に支持する各種装置に適用することができる。

１，１’，１”…マイクロミラー素子、２，２’，２”…マイクロミラーアレイ、１０，１０’，１０”…ミラー基板、１１…開口部、１２…支持部材、１３−１〜１３−４…可動梁、１４…ミラー、１５−１〜１５−４…ばね部材、２０，２０’，２０”…電極基板、２１ａ〜２１ｃ…突出部、２１−１〜２１−４…固定電極、２２−１，２２−２…ミラー駆動電極、２３…ギャップ制御用バンプ、２４，２５…配線、２６…壁状部材、３０…板状部材。

Claims (8)

1. 支持部材と、この支持部材に一端が固定されて他端が変位可能とされた可動梁と、この可動梁の前記他端にばね部材を介して接続されたミラーとを有する反射部と、
   この反射部と離間した面上に前記可動梁と対向して配置された固定電極と
   を備え、
   前記可動梁は、開口を有し、
   前記固定電極は、前記開口に向かって突出する突出部を有する
   ことを特徴とするマイクロミラー素子。
2. 請求項１記載のマイクロミラー素子において、
   前記可動梁は、延在方向に沿って複数の開口を有し、
   前記固定電極は、複数の前記開口それぞれに向かって突出する複数の前記突出部を有する
   ことを特徴とするマイクロミラー素子。
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、
   前記ミラーを挟んで対向配置された複数の前記可動梁と、
   複数の前記可動梁それぞれと対向する複数の前記固定電極と
   を有することを特徴とするマイクロミラー素子。
4. 請求項３記載のマイクロミラー素子において、
   互いに平行に配置された複数の前記可動梁と、
   互いに平行に配置された複数の前記固定電極と
   を有することを特徴とするマイクロミラー素子。
5. 請求項１−４の何れか１項に記載のマイクロミラー素子において、
   互いに平行に配置された隣り合う２つの前記固定電極の間に立設され、導体からなる壁状部材をさらに備える
   ことを特徴とするマイクロミラー素子。
6. 請求項１−５のいずれか１項に記載のマイクロミラー素子を、前記可動梁がアレイ状に並ぶように複数配置したことを特徴とするマイクロミラーアレイ。
7. 請求項６記載のマイクロミラーアレイにおいて、
   前記可動梁の上方に配設された平板状の板状部材をさらに備える
   ことを特徴とするマイクロミラーアレイ。
8. 請求項６または７に記載のマイクロミラーアレイにおいて、
   隣り合う前記マイクロミラー素子の前記固定電極の間に立設され、導体からなる壁状部材をさらに備える
   ことを特徴とするマイクロミラーアレイ。