JP3828501B2 - 光スイッチ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回動するミラーにより信号光の経路を変更する光スイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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において必須となる波長分割多重技術（ＷＤＭ）には、光スイッチ装置が必要不可欠な要素部品となる。この種の光スイッチ装置には、光導波路型やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）型などがあるが、中でも、可動する微細な反射面を有するＭＥＭＳ型の光スイッチ装置が有望視されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
このＭＥＭＳ型の光スイッチ装置は、固定構造体と可動ミラーを有する反射構造体とから構成されている。例えば図１１に示すように、光スイッチ装置は、基板１１０１及び電極１１０２，１１０３，１１０４，１１０５からなる固定構造体と、支持部材１１０６に支持された枠１１０７及び回動する可動枠１１０８，ミラー１１０９からなる反射構造体とを備えている。また、可動枠１１０８，ミラー１１０９は、図１１（ｂ）の平面図に示すように、連結部１１２１，１１２２により回動可能に連結され、ミラー１１０９の２軸動作を可能としている。連結部１１２１，１１２２は、例えば、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。
【０００４】
この光スイッチ装置において、ミラー１１０９をグランド（接地）電位に固定し、例えば、電極１１０２，１１０４に電圧を印加すると、ミラー１１０９と電極１１０２，１１０４との間に静電力が生じる。この静電力によって、ミラー１１０９には回転モーメントが発生し、連結部１１２２を通る回動軸を中心として回動する。このとき、連結部１１２２は、ミラー１１０９の回動動作によりねじれを生じ、連結部１１２２には、ミラー１１０９の回動角度に応じた上記静電力と逆方向の回転モーメントが発生する。
【０００５】
上述した静電力による回転モーメントと連結部１１２２のねじれによる回転モーメントとが釣り合うと、ミラー１１０９は回動動作を停止して静止する。この状態より、電極１１０２，１１０４に加えている電圧を増加すると、静電力による回転モーメントも増加し、ミラー１１０９はさらに傾き、ねじれによる回転モーメントと静電力による回転モーメントとが釣り合う新たな角度で、ミラー１１０９は回動動作を停止して静止する。
【０００６】
これらのミラー動作について、図１２を用いてより詳細に説明する。図１２は、縦軸に回転モーメント（Ｍ）を示し、横軸にミラー１１０９の回動角度（θ）を示したグラフであり、電極１１０２，１１０４に加える電圧をＶ１からＶ６まで変化させたときのミラー１１０９の傾きと回転モーメントとの関係を示している。
静電力は、電圧の２乗に比例するため、電圧が高くなると回転モーメントは増大する。さらに、静電力は、距離の２乗に反比例するため、ミラー１１０９の傾きが大きくなって距離が近づくと、回転モーメントはさらに増大する。
【０００７】
これらに対し、連結部１１２２における逆方向の回転モーメントは、ねじれの角度に比例する。比例定数をｋ（バネ定数）とすると、逆方向の回転モーメントと角度との関係は、図１２に示すグラフの原点を通る傾きｋの直線で示すことができる。図１２には、２種類のバネ定数ｋ1，ｋ2（ｋ1＜ｋ2）の直線を示している。なお、バネ定数は、１つの連結部の値である。
【０００８】
一般に、このようなＭＥＭＳ素子では、ミラー１１０９はより低電圧でより大きな回動角が得られるようにすることが望ましい。従って、ここでは、連結部１１２２のバネ定数がｋ1である場合について考察する。Ｍ＝２ｋ1θの直線は、Ｖ≦Ｖ３では静電力による回転モーメントを示す曲線との交点が存在する。これらの交点では、静電力による回転モーメントとねじれによる逆方向の回転モーメントとが釣り合い、交点のＸ座標で示される回動角度でミラー１１０９が静止することを示している。
【０００９】
しかしながら、Ｖ＝Ｖ４の曲線は、いずれの回動角度においても常に直線Ｍ＝２ｋ1θの上方にある。これは、いずれの移動角度においても、静電力による回転モーメントが連結部１１２２のねじれによる逆方向の回転モーメントよりも大きいことを示している。この場合、ミラー１１０９の一端は、静電力によって電極１１０２，１１０４の方向に引き寄せられて接触する（プルイン）。Ｖ＝Ｖ４では、電極に接触してしまうバネ定数の連結部１１２２の場合、電極１１０２，１１０４に印加されている電圧がＶ３より大きくＶ４より小さい範囲における特定電圧Ｖの時の静電力の回転モーメントによって、接触しない範囲での最も大きい回動角が得られる。
【００１０】
連結部１１２２のバネ定数を小さくすると、上述したように、低い電圧であっても静電力による回転モーメントが、連結部１１２２のねじれによる逆方向の回転モーメントを常に上回る状態となる。このような状態では、ミラー１１０９の回動角度を、電極１１０２，１１０３，１１０４，１１０５に印加する電圧の大きさにより制御することが困難となる。
【００１１】
一方、連結部１１２２のバネ定数を大きくすれば、静電力による回転モーメントが、ねじれによる逆方向の回転モーメントを常に上回る状態を避けることが可能となる。例えば、連結部１１２２のバネ定数を、ｋ2（ｋ1＜ｋ2）とすると、連結部１１２２による直線は、Ｍ＝２ｋ2θとなり、Ｍ＝２ｋ11θより傾きの大きな直線となる。この場合、Ｖ＝Ｖ６まで、静電力による回転モーメントを示す曲線との交点が存在し、電極に印加する電圧がＶ６までであれば、ミラー１１０９が、いずれの電極にも接触することなく、ある回動角で静止させることが可能となる。
【００１２】
しかしながら、このようにバネ定数を大きくすると、同じ電圧を印加したときにおける回動角は、バネ定数をｋ1としたときより小さくなり、高い電圧Ｖ６を印加したときの回動角が、バネ定数をｋ1として電圧Ｖ３を印加したときの回動角よりあまり大きくならない。
【００１３】
【非特許文献１】
Tae-Sik Kim,Sang-Shin Lee,Youngjoo Yee,Jong UK Bu,Hyun-Ho Oh,Chil-Geun Park,and Man-Hyo Ha "ELECTROSTATIC MICROMIRROR WITH BUILT-IN LARGE Air-GAP FOR WIDE RANGE OF ROTATIONAL ACTUATION",International Conference Optical MEMS 2001,IEEE/LEOS,p99,100(2001)
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明したように、従来の光スイッチ装置では、連結部のバネ定数を小さくすると、低い電圧でミラーを回動させることが可能となるが、あまり大きくない電圧でもミラーの端部が電極に接触しやすい状態となる。このため、ミラーの端部が電極に近づいた状態では、ミラーの回動角度を細かく制御することが非常に困難である。従って、ミラーは大きく回動するが、ミラーの可動角度を大きくした状態で静止させることが困難である。
【００１５】
一方、連結部のバネ定数を大きくすると、ミラーの端部が電極に近づいた状態でも、小さな電圧の増加では、ミラーの端部と電極とが接触するまで回動する状態となりにくい。しかしながら、連結部のバネ定数を大きくすると、ミラーの回動角度が大きくできない。
【００１６】
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、電極などの基板の上に固定されている部材に接触しない範囲で、ミラーをより大きな回動角度で静止できるようにすることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光スイッチ装置は、支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、この第１可動枠の開口領域内で第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対の第２連結部材を介して第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、この第２可動枠の開口領域内で第２回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、第１回動軸の上で第２可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第２可動枠の基板の方向への回動範囲を制限するストッパーとを少なくとも備え、ミラーの回動により反射部を変位させて光スイッチ動作を行うものである。
この光スイッチ装置によれば、第２可動枠の回動がストッパーにより制限されるまでは、ミラーは第２連結部材とミラー連結部材の両方がねじれることで回動し、第２可動枠の回動がストッパーにより停止されると、ミラーはミラー連結部材がねじれることで回動する。
【００１８】
上記光スイッチ装置において、ストッパーは、第１回動軸上の２カ所に各々設ければ、可動枠の回動軸を中心とした両方向の回動動作が、各々のストッパーにより制限される。
また、上記光スイッチ装置において、第２連結部材及びミラー連結部材は、各々第２可動枠及びミラーの回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、ミラー連結部材のねじれによるバネ定数を、第２連結部材のねじれによるバネ定数より大きい状態とすればよい。
【００１９】
本発明に係る他の光スイッチ装置は、支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、この第１可動枠の開口領域内で第１回動軸を通る一対の第２連結部材を介して第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、この第２可動枠の開口領域内で第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、第２回動軸の上で第１可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第１可動枠の基板の方向への回動範囲を制限するストッパーとを少なくとも備え、ミラーの回動により反射部を変位させて光スイッチ動作を行うものである。
この光スイッチ装置によれば、第１回動軸を中心としたミラーの回動において、第１可動枠の回動がストッパーにより制限されるまでは、ミラーは第１連結部材と第２連結部材の両方がねじれることで回動し、第１可動枠の回動がストッパーにより停止されると、ミラーは第２連結部材がねじれることで回動する。
【００２０】
上記光スイッチ装置において、ストッパーを、第２回動軸の上の２カ所に各々設ければ、第１可動枠の第１回動軸を中心とした両方向の回動動作が、各々のストッパーにより制限される。
上記光スイッチ装置において、第１連結部材及び第２連結部材は、各々第１可動枠及び第２可動枠の回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、第２連結部材のねじれによるバネ定数を、第１連結部材のねじれによるバネ定数より大きい状態としても良い。
【００２１】
本発明に係る他の光スイッチ装置は、支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、この第１可動枠の開口領域内で第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対の第２連結部材を介して回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、この第２回動枠の開口領域内で前記第２回動軸を通る一対の第３連結部材を介して前記第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第３可動枠と、この第３可動枠の開口領域内で回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、第１回動軸の上で第１可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第１可動枠の基板の方向への回動範囲を制限する第１ストッパーと、第１回動軸の上で第２可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第２可動枠の基板の方向への回動範囲を制限する第１ストッパーより低い第２ストッパーとを少なくとも備え、ミラーの回動により反射部を変位させて光スイッチ動作を行うものである。
【００２２】
上記光スイッチ装置において、第１ストッパーは、第１回動軸の上の２カ所に各々設けるようにすればよく、第２ストッパーも、第１回動軸の上の２カ所に各々設けるようにすればよい。また、第１ストッパーと第２ストッパーを、一体に形成しても良く、一体に形成された第１ストッパー及び第２ストッパーを、第１回動軸の上に２カ所に各々設けるようにしてもよい。
また、上記光スイッチ装置において、第１連結部材，第２連結部材，及びミラー連結部は、各々第１可動枠，第２可動枠，及びミラーの回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、第２連結部材のねじれによるバネ定数を、第１連結部材のねじれによるバネ定数より大きく、ミラー連結部材のねじれによるバネ定数を、第２連結部材のねじれによるバネ定数より大きいものとしてもよい。
【００２３】
本発明に係る他の光スイッチ装置は、支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、この第１可動枠の開口領域内で第１回動軸を通る一対の第２連結部材を介して第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、この第２可動枠の開口領域内で第１回動軸を通る一対の第３連結部材を介して第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第３可動枠と、この第３可動枠の開口領域内で第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、第２回動軸の上で第１可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第１可動枠の基板の方向への回動範囲を制限する第１ストッパーと、第２回動軸の上で第２可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第２可動枠の基板の方向への回動範囲を制限する第１ストッパーより低い第２ストッパーとを少なくとも備え、ミラーの回動により反射部を変位させて光スイッチ動作を行うものである。
【００２４】
上記光スイッチ装置において、第１ストッパーは、第２回動軸の上の２カ所に各々設けられていればよく、第２ストッパーも、第２回動軸の上の２カ所に各々設けられていればよい。また、第１ストッパーと第２ストッパーは、一体に形成されていてもよく、一体に形成された第１ストッパー及び第２ストッパーが、第２回動軸の上の２カ所に各々設けられていればよい。
【００２５】
上記光スイッチ装置において、第１連結部材，第２連結部材，及び第３連結部は、各々第１可動枠，第２可動枠，及び第３可動枠の回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、第２連結部材のねじれによるバネ定数は、第１連結部材のねじれによるバネ定数より大きく、第３連結部材のねじれによるバネ定数は、第２連結部材のねじれによるバネ定数より大きいものであってもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
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。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。図１では、主に光スイッチ装置の１構成単位である一つのミラーを備えたスイッチ素子を部分的に示している。
【００２７】
図１に示す光スイッチ装置の構成について説明すると、まず、例えば単結晶シリコンなどの半導体からなる基板１０１の素子領域上に、制御電極１０２，１０３，１０４，１０５が形成されている。制御電極１０２，１０３，１０４，１０５は、各々がほぼ円板を４等分した形状である。
【００２８】
また、基板１０１の素子領域上には、支持部材１０６が形成されている。素子領域においては、ほぼ中央に、制御電極１０２，１０３，１０４，１０５が形成され、これらを囲うように、支持部材１０６は形成されている。支持部材１０６は、例えば、平面視格子状に形成され、この一つのマスが一つの素子領域に対応している。
【００２９】
一方、支持部材１０６に支持されて、枠部１０７が形成されている。枠部１０７は、制御電極１０２，１０３，１０４，１０５の上の領域に開口部を備え、この開口部の内側に、リング状の可動枠１０８，１０９，１１０，及び円形のミラー１１１を備えている。
【００３０】
可動枠１０８は、上記開口部の中心を通る直線（回動軸）上に配置された一対の連結部１２１により、枠部１０７に張着しかつ軸着している。連結部１２１は、例えば、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。
可動枠１０９は、連結部１２１の内側で上記回動軸上に配置された一対の連結部１２２により、可動枠１０８に張着しかつ軸着している。連結部１２２も、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。
【００３１】
可動枠１０８は、連結部１２１を通る回動軸を中心に回動可能とされ、可動枠１０９は、連結部１２２を通る回動軸を中心に回動可能とされている。また、連結部１２１及び連結部１２２は、同じ回動軸上に配置されており、可動枠１０８及び可動枠１０９は、同じ回動軸を中心に回動する。
【００３２】
また、可動枠１１０は、連結部１２１，１２２を通る回動軸に直交する回動軸上に配置された一対の連結部１２３により、可動枠１０９に張着しかつ軸着している。連結部１２３も、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。
ミラー１１１は、この可動枠１１０の内側に配置され、連結部１２３を通る回動軸上に配置された一対のミラー連結部１２４により、可動枠１１０に張着しかつ軸着している。
【００３３】
可動枠１１０は、連結部１２３を通る回動軸を中心に回動可能とされ、ミラー１１１は、ミラー連結部１２４を通る回動軸を中心に回動可能とされている。また、連結部１２３及びミラー連結部１２４は、同じ回動軸上に配置されており、可動枠１１０及びミラー１１１は、同じ回動軸を中心に回動する。
【００３４】
なお、図示していないが、制御電極１０２，１０３，１０４，１０５及び支持部材１０６は、基板１０１の表面に形成されている層間絶縁膜の上に形成されている。層間絶縁膜の下の基板１０１には、複数の素子から構成された集積回路（図示せず）が形成されている。この集積回路の一部として、制御回路（図示せず）が構成されている。この制御回路は、例えば、選択したいずれかの制御電極とミラー１１１との間に所定の電位差を生じさせる。このことにより、選択された制御電極とミラー１１１とに電荷が誘導されて静電力が作用し、ミラー１１１が回動する。
【００３５】
本実施の形態では、以上に示した可動枠１０８，１０９，１１０及びミラー１１１を備えた可動構造体の下にあたる基板１０１の上に、一対のストッパー１３１及び一対のストッパー１３２を設けた。ストッパー１３１，１３２は、枠部１０７と制御電極１０２，１０３，１０４，１０５との間の素子領域に設けられている。また、ストッパー１３１，１３２は、制御電極１０２，１０３，１０４，１０５の形成面より上記可動構造体の方向に伸びる、棒状の部材である。
【００３６】
ストッパー１３１は、連結部１２３，ミラー連結部１２４を通る回動軸の下に配置され、かつ、可動枠１０８の下に配置されている。また、ストッパー１３２は、連結部１２１，１２２を通る回動軸の下に配置され、かつ、可動枠１１０の下に配置されている。
従って、可動枠１０８の可動範囲は、ストッパー１３１により制限され、可動枠１１０の可動範囲は、ストッパー１３２により制限される。なお、例えば、ストッパー１３１は、可動枠１０８の回動範囲を制限するものであり、必ずしも、連結部１２３，ミラー連結部１２４を通る回動軸の下に配置されている必要はない。これは、ストッパー１３２についても同様である。
【００３７】
つぎに、本実施の形態における光スイッチ装置の動作例について説明する。例えば、ミラー１１１をグランド（接地）電位に固定し、制御電極１０２，１０４に電圧を印加すると、ミラー１１１と制御電極１０２，１０４との間に静電力が生じる。
ここで、互いに平行に配置された２つの電極間に働く静電力Ｆは、２つの電極間に印加される電圧をＶ、電極間の距離をｄ、電極の面積をＳとすると、以下の（１）式により示される。
Ｆ＝ε0×Ｖ2×Ｓ／ｄ2・・・（１）
【００３８】
従って、ミラー１１１や可動枠などが水平状態で制御電極１０２，１０４に電圧Ｖを印加したとき、ミラー１１１と制御電極１０２，１０４との距離をｄとすると、ミラー１１１の中心からｘだけ離れたところの面積ｄＳの微小部分が受ける力は、以下の（２）式により示される。なお、（２）式では、面積ｄＳの微小部分は、各制御電極と平行と見なしている。また、ここでは、ミラー１１１の回動軸をＹ軸とし、上記ｘだけ離れたところは、図１の紙面において左側の方向にある箇所である。
【００３９】
Ｆ＝ε0×Ｖ2ｄＳ（ｄ・ｘ×ｔａｎθ）2・・・（２）
【００４０】
従って、上記面積ｄＳの微小部分によるＹ軸周りの回転モーメントＭは、以下の（３）式により示される。
Ｍ＝ｘ×ε0×Ｖ2ｄｓ／（ｄ・ｘ×ｔａｎθ）2・・・（３）
【００４１】
従って、制御電極１０２，１０４に所定の電圧Ｖを印加したときの静電力による回転モーメントは、（３）式を該当する制御電極の面積について積分した以下の（４）式により示される。
【００４２】
【数１】
【００４３】
つぎに、連結部のねじれにより発生する回転モーメント（逆方向の回転モーメント）について説明する。以下では、一対の連結部１２３のねじれ方向のバネ定数をｋy1とし、一対のミラー連結部１２４のねじれ方向のバネ定数をｋy2とする。
まず、図２（ａ）に示すように、可動枠１１０がストッパー１３２の上端に接触するまでの間について説明する。ミラー１１１の回動角度をθとすると、このθは、ミラー１１１と可動枠１１０のなす角度θ1と、可動枠１１０と可動枠１０９（枠部１０７による平面）とのなす角度θ2との和となる。なお、図２では、連結部１２３及びミラー連結部１２４は示していない。
【００４４】
ここで、静電力により発生する回転モーメントＭ（θ）と、連結部１２３，ミラー連結部１２４のねじれにより発生する逆方向の回転モーメントとの間には、以下の（５）式，（６）式に示す関係が成り立つ。
Ｍ（θ）＝２×ｋy1×θ1・・・（５）
Ｍ（θ）＝２×ｋy2×θ2・・・（６）
なお、「θ＝θ1＋θ2・・・（７）」である。また、バネ定数は、１つの連結部の値である。
【００４５】
このように、一対の連結部１２３及び一対のミラー連結部１２４には、各々同じ力が加わるため、ねじれ角度θ1及びθ2には、以下の（８）式に示す関係が成立する。
θ1：θ2＝ｋy2：ｋy1・・・（８）
【００４６】
ここで、可動枠１１０の枠体の半径をｒ１とし、ミラー１１１が枠部１０７による平面と水平の場合の枠部１１０とストッパー１３２の上端との距離をｄ１とする。このとき、可動枠１１０がストッパー１３２に接したときの可動枠１１０の回動角度は、ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）であり、この回動角度までは、ミラー１１１とともに可動枠１１０も回動する。可動枠１１０がストッパー１３２に接したときのミラー１１１の回動角度θは、「θ＝（ｋy1＋ｋy2）／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」となる。従って、θ＜（ｋy1＋ｋy2）／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）の領域では、ミラー１１１とともに可動枠１１０も回動する。
【００４７】
ミラー１１１の回動角度θが「θ≧（ｋy1＋ｋy2）／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」の範囲では、可動枠１１０はストッパー１３２に接触してこれ以上回動しない。さらに、制御電極１０２，１０４に印加する電圧を大きくすると、ミラー１１１のみが回動しはじめる。この状態では、ミラー連結部１２４におけるねじれによる回転モーメントだけが発生し、静電力により発生する回転モーメントＭ（θ）と、ミラー連結部１２４のねじれにより発生する逆方向の回転モーメントとの間には、以下の（９）式に示す関係が成り立つ。
Ｍ（θ）＝２×ｋy2×（θ−ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１））・・・（９）
【００４８】
図３は、制御電極に印加する制御電圧（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５＜Ｖ６）による静電力によってミラー１１１に生じる回転モーメントＭ及び連結部１２３，ミラー連結部１２４のねじれにより発する回転モーメントと、ミラー１１１の回動角度との関係を、直線（実線）で示した特性図である。図３において、各制御電圧（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５＜Ｖ６）における静電力によって生じる回転モーメントは、曲線で示している。
【００４９】
なお、点線（直線）の一方は、バネ定数ｋ1の連結部１２３のねじれにより発する回転モーメントと回動角度との関係「Ｍ＝２×ｋy1θ」を示している。また、点線（直線）の他方は、バネ定数ｋ2のミラー連結部１２４のねじれにより発する回転モーメントと回動角度との関係「Ｍ＝２×ｋy2θ」を示している。ここでは、ｋy1＜ｋy2の場合を示しており、バネ定数の大きいミラー連結部１２４のねじれによる回転モーメントと回動角度との関係を示す点線の方が、傾きが大きい。
【００５０】
図３に示すように、「θ＜（ｋy1＋ｋy2）／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」の領域、すなわち、可動枠１１０がストッパー１３２に接していない状態では、ミラー１１１とともに可動枠１１０も回動する。この状態で、ミラー１１１と可動枠１０９とを連結する仮想的な連結部を考えると、仮想的な連結部における等価的なバネ定数ｋyは、以下の（１０）式により示される。
ｋy＝２×ｋy1×ｋy2／（ｋy1＋ｋy2）・・・（１０）
【００５１】
このように、連結部１２３とミラー連結部１２４とを合わせた仮想的な連結部のバネ定数は、一対の連結部１２３及び一対のミラー連結部１２４のいずれか一方だけの場合に比較して小さくなる。このため、図３に示すように、可動枠１１０がストッパー１３２に接していない状態では、実線で示すように、「Ｍ＝２×ｋy1θ」で示される点線（直線）よりも傾きが小さい。
【００５２】
このとき、例えば、Ｖ＝Ｖ２における回動角度θは、Ｖ＝Ｖ２における静電力による回転モーメントを示す曲線と「Ｍ＝２×ｋyθ」で示される直線との交点となる。この交点は、Ｖ＝Ｖ２における静電力による回転モーメントを示す曲線と「Ｍ＝２×ｋy1θ」との交点よりも右方向となり、同じ制御電圧Ｖ２において、より大きな回動角度が得られていることを示している。
【００５３】
一方、「θ≧（ｋy1＋ｋy2）／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」の領域、すなわち、可動枠１１０がストッパー１３２に接し、ミラー１１１のみが回動する状態では、ミラー１１１の回動に作用する連結部は、ミラー連結部１２４だけとなる。この場合、ミラー連結部１２４により発生する回転モーメントＭは、「Ｍ＝２×ｋy2×（θ−ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１））」と示すことができる。この式で示される直線は、「Ｍ＝２×ｋy2」で示される直線と傾きが等しく、「Ｍ＝−２×ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」を通る直線となる。
【００５４】
この状態では、図３に示すように、Ｖ＝Ｖ４における静電力による回転モーメントを示す曲線との交点が存在し、この交点で示される状態で２つのモーメントが釣り合い、ミラー１１１が静止する。さらに、Ｖ＝Ｖ５における静電力による回転モーメントを示す曲線との交点も存在し、より高い制御電圧を印加しても、２つのモーメントが釣り合う状態が得られ、ミラー１１１を制御電極に接触させることなく静止させることが可能となる。
【００５５】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、可動枠１１０がストッパー１３２に接触するまでは、一対の連結部１２３や一対のミラー連結部１２４が単独の場合よりも小さいバネ定数が実現され、より小さい静電力でより大きな回動角度が得られる。また、可動枠１１０がストッパー１３２に接触した以降は、ミラー連結部１２４のバネ定数となり、この状態までのバネ定数より大きくなる。このため、有る程度大きな制御電圧を印加しても、ミラー１１１を制御電極に接触させることなく静止させることが可能となり、従来より大きな回動角度を得られるようになる。
【００５６】
ところで、上述した実施の形態では、連結部１２３及びミラー連結部１２４を通る回動軸を中心としたミラー１１１の回動について説明したが、連結部１２１，１２２を通る回動軸を中心としたミラー１１１の回動についても同様である。この場合、例えば、制御電極１０４，１０５に制御電圧を印加し、ミラー１１１がＸ軸を回動軸として回動するものとして考えればよい。例えば、一対の連結部１２２におけるバネ定数ｋx2を一対の連結部１２３におけるバネ定数ｋy2に対応させ、一対の連結部１２１におけるバネ定数ｋx1を一対のミラー連結部１２４におけるバネ定数ｋy1に対応させればよい。
【００５７】
また、上記実施の形態では、バネ定数をｋy1＜ｋy2としたが、これに限るものではなく、例えば、ｋy1＝ｋy2としてもよい。ｋy1＝ｋy2としても、可動枠１１０がストッパー１３２に接触するまでの合成した仮想的なバネ定数ｋyは、ｋy1，ｋy2のどちらよりも小さくなり、可動枠１１０がストッパー１３２に接触した後で、ミラー１１１に作用するバネ定数を大きくすることができる。
【００５８】
なお、上述では、連結部を平面視矩形の板部材から構成したが、これに限るものではない。例えば、ジグザグの部分など、回動軸の方向とは異なる方向に延在する延在部を備え、ジグザグに形成された連結部を用いるようにしても良い。また、文献１（Tae-Sik Kim,et.AL,"ELECTROSTATIC MICROMIRROR WITH BUILT-IN LARGE AIR-GAP FOR WIDE RANGE OF ROTATIONAL ACTUATION",2001 International Conference on Optical MEMS,pp99-pp100）、文献２（澤田他、”Single Crystalline Mirror Actuated Electrostatically by Terraced Erectloades With High-Aspect Ration Torsion Spring",2001 International Conference on Optical MEMS,pp23-pp24）、文献３（水野他、"A 2-AXIS COMB-DRIVEN MICROMIRROR ARRAY FOR 3-D MEMS SWITCHS",2002 International Conference on Optical MEMS,pp17-18）に示されているトーションバネを用いるようにしても良い。
【００５９】
［実施の形態２］
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
図４は、本実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。図４では、主に光スイッチ装置の１構成単位である一つのミラーを備えたスイッチ素子を部分的に示している。
図４に示す光スイッチ装置の構成について説明すると、まず、例えば単結晶シリコンなどの半導体からなる基板４０１の素子領域上に、制御電極４０２，４０３，４０４，４０５が形成されている。制御電極４０２，４０３，４０４，４０５は、各々がほぼ円板を４等分した形状である。
【００６０】
また、基板４０１の素子領域上には、支持部材４０６が形成されている。素子領域においては、ほぼ中央に、制御電極４０２，４０３，４０４，４０５が形成され、これらを囲うように、支持部材４０６は形成されている。支持部材４０６は、例えば、平面視格子状に形成され、この一つのマスが一つの素子領域に対応している。
このように形成された支持部材４０６に支持されて、枠部４０７が形成されている。枠部４０７は、制御電極４０２，４０３，４０４，４０５の上の領域に開口部を備え、この開口部の内側に、リング状の可動枠４０８，４０９，４１０，４１１，４１２及び円形のミラー４１３を備えている。
【００６１】
可動枠４０８は、上記開口部の中心を通る直線（回動軸）上に配置された一対の連結部４２１により、枠部４０７に張着しかつ軸着している。なお、以降では、上記回動軸をＸ軸とする。可動枠４０９は、連結部４２１の内側でＸ軸の上に配置された一対の連結部４２２により、可動枠４０８に張着しかつ軸着している。同様に、可動枠４１０は、Ｘ軸の上に配置された一対の連結部４２３により、可動枠４０９に張着しかつ軸着している。
【００６２】
また、可動枠４１１は、上記Ｘ軸に直交するＹ軸の上に配置された一対の連結部４２４により、枠部４１０に張着しかつ軸着している。可動枠４１２は、上記Ｙ軸の上に配置された一対の連結部４２５により、枠部４１１に張着しかつ軸着している。また、ミラー４１３は、Ｙ軸の上に配置された一対のミラー連結部４２６により、枠部４１２に張着しかつ軸着している。
【００６３】
なお、連結部４２１，４２２，４２３，４２４，４２５及びミラー連結部４２６は、例えば、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。
従って、可動枠４０８，４０９，４１０は、Ｘ軸を回動軸として回動可能とされ、可動枠４１１，４１２，ミラー４１３は、Ｙ軸を回動軸として回動可能とされている。
【００６４】
本実施の形態では、以上に示した可動枠４０８，４０９，４１０，４１１，４１２及びミラー４１３を備えた可動構造体の下にあたる基板４０１の上に、一対のストッパー４３１，４３２及び一対のストッパー４３３，４３４を設けた。ストッパー４３１〜４３４は、枠部４０７と制御電極４０２，４０３，４０４，４０５との間の素子領域に設けられている。また、ストッパー４３１〜４３４は、制御電極４０２，４０３，４０４，４０５の形成面より上記可動構造体の方向に伸びる、棒状の部材である。
【００６５】
ストッパー４３１は、連結部４２４，４２５，ミラー連結部４２６を通る回動軸（Ｙ軸）の下に配置され、かつ、可動枠４０８の下に配置されている。また、ストッパー４３２は、連結部４２４，４２５，ミラー連結部４２６を通る回動軸の下に配置され、かつ、可動枠４０９の下に配置されている。加えて、ストッパー４３２は、ストッパー４３１より低く形成されている。
【００６６】
一方、ストッパー４３３は、連結部４２１，４２２，４２３を通る回動軸（Ｘ軸）の下に配置され、かつ、可動枠４１１の下に配置されている。また、ストッパー４３４は、連結部４２１，４２２，４２３を通る回動軸の下に配置され、かつ可動枠４１２の下に配置されている。加えて、ストッパー４３４は、ストッパー４３３より低く形成されている。
なお、例えば、ストッパー４３１は、可動枠４０８の回動範囲を制限するものであり、必ずしも、連結部４２４，４２５，ミラー連結部４２６を通る回動軸の下に配置されている必要はない。これは、他のストッパーについても同様である。
【００６７】
従って、可動枠４０８の可動範囲は、ストッパー４３１により制限され、可動枠４０９の可動範囲は、ストッパー４３２により制限され、可動枠４１１の可動範囲は、ストッパー４３３により制限され、可動枠４１２の可動範囲は、ストッパー４３３により制限される。また、ストッパー４３１により制限される可動枠４０８の可動範囲は、ストッパー４３２により制限される可動枠４０９の可動範囲より小さい。同様に、ストッパー４３３により制限される可動枠４１１の可動範囲は、ストッパー４３４により制限される可動枠４１２の可動範囲より小さい。
【００６８】
つぎに、本実施の形態における光スイッチ装置の動作例について説明する。例えば、ミラー４１３をグランド（接地）電位に固定し、制御電極４０２，４０４に電圧を印加すると、前述した（１）を用いて説明したように、ミラー４１３と制御電極４０２，４０４との間に静電力が生じる。この静電力により、前述した（４）式を用いて説明したように、制御電極４０２，４０４に所定の電圧Ｖを印加したときの静電力による回転モーメントが、ミラー４１３に発生する。
【００６９】
ここで、可動枠４１１の枠体の部分の半径をｒ１とし、可動枠４１２の枠体の部分の半径をｒ２とする。また、可動枠４１１，４１２，及びミラー４１３が、枠部４０７の平面に水平な状態における、ストッパー４３３の上部から可動枠４１１までの距離をｄ１とし、ストッパー４３４の上部から可動枠４１２までの距離をｄ２とする。一方、一対の連結部４２４のバネ定数をｋy1、一対の連結部４２５のバネ定数をｋy2、一対のミラー連結部４２６のバネ定数をｋy3とし、ｋy1＜ｋy2＜ｋy3であるものとする。なお、バネ定数は、１つの連結部の値である。
【００７０】
以下、連結部のねじれにより発生する回転モーメントについて説明する。まず、図５（ａ）に示すように、可動枠４１１がストッパー４３３の上端に接触するまでの間について説明する。ここでは、連結部４２４，４２５，及びミラー連結部４２６を通るＹ軸を回動軸として回動する場合を例にする。なお、図５では、連結部４２４，４２５及びミラー連結部４２６は示していない。
【００７１】
可動枠４１１がストッパー４３３の上端に接するまでは、ミラー４１３から見た等価的なバネ定数ｋyは、以下の（１１）式により示される。
ｋy＝２×ｋy1×ｋy2×ｋy3／（ｋy2×ｋy3＋ｋy1×ｋy3＋ｋy1×ｋy2）・・・（１１）
従って、ｋy＜ｋy1＜ｋy2＜ｋy3であり、ミラー４１３から見た等価的なバネ定数は小さく、制御電極４０２，４０４に印加する電圧が小さくても、ミラー４１３（及び可動枠４１１，４１２）を容易に回動させることができる。
【００７２】
可動枠４１１がストッパー４３３の上端に接してこれ以上回動不能となった後、さらに制御電極４０２，４０４に印加する電圧を大きくすると、可動枠４１２とミラー４１３とが、さらに回動する。この場合、ミラー４１３から見た等価的なバネ定数ｋy’は、以下の（１２）式により示される。
ｋy’＝２×ｋy2×ｋy3／（ｋy2＋ｋy3）・・・（１２）
従って、この場合の等価的なバネ定数ｋy’は、ｋy1の値によらず、バネ定数ｋyより大きくなる。
【００７３】
さらに印加する電圧を大きくし、図５（ｂ）に示すように可動枠４１２がストッパー４３４の上端に接すると、可動枠４１２もこれ以上回動不能となる。この状態より、さらに制御電極４０２，４０４に印加する電圧を印加すると、図５（ｃ）に示すように、ミラー４１３だけが回動する。この場合のミラー４１３から見た等価的なバネ定数は、ｋy3であり、前述した等価的なバネ定数ｋy，ｋy’より大きくなる。従って、この状態より大きくミラー４１３を回動させるためには、より大きな電圧を制御電極４０２，４０４に印加する必要がある。
【００７４】
上述した可動枠４１１，４１２，及びミラー４１３の回動について、図６を用いて説明する。図６は、制御電極に印加する制御電圧（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５＜Ｖ６）による静電力によってミラー４１３に生じる回転モーメントＭ及び連結部４２４．４２５，ミラー連結部４２６のねじれにより発する回転モーメントと、ミラー４１３の回動角度との関係を、直線（実線）で示した特性図である。図６において、各制御電圧（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５＜Ｖ６）における静電力によって生じる回転モーメントは、曲線で示している。
【００７５】
なお、点線（直線）の１つは、バネ定数ｋy1の連結部４２４のねじれにより発する回転モーメントと回動角度との関係「Ｍ＝２×ｋy1θ」を示している。また、他の点線（直線）の１つは、バネ定数ｋy2の連結部４２５のねじれにより発する回転モーメントと回動角度との関係「Ｍ＝２×ｋy2θ」を示している。また、残りの点線（直線）は、バネ定数ｋy3のミラー連結部４２６のねじれにより発する回転モーメントと回動角度との関係「Ｍ＝２×ｋy3θ」を示している。ここでは、ｋy1＜ｋy2＜ｋy3の場合を示しており、バネ定数の大きいミラー連結部４２６のねじれによる回転モーメントと回動角度との関係を示す点線の傾きが、最も大きい。
【００７６】
図６において、可動枠４１１の傾きが「ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」となるとき、すなわち、可動枠４１１がストッパー４３３に接触するときのミラー４１３の傾きをθ1とすると、これは、以下の（１３）式で示される。
θ1＝ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）＋ｋy1／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）＋ｋy1／ｋy3×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）・・・（１３）
【００７７】
０≦θ≦θ1の範囲では、ミラー４１３から見た等価的なバネ定数ｋyは、「ｋy＝２×ｋy1×ｋy2×ｋy3／（ｋy2×ｋy3＋ｋy1×ｋy3＋ｋy1×ｋy2）」であるので、いずれの点線よりも小さな傾きの直線となる。従って、例えば、連結部４２４，４２５，またミラー連結部４２６のいずれかを単独で用いた場合に比較しても、制御電極４０２，４０４に印加する制御電圧をより小さくして、より大きな回動角度が得られる。
【００７８】
また、可動枠４１２の傾きが「ｔａｎ-1（ｄ２／ｒ２）」となるとき、すなわち、可動枠４１２がストッパー４３４に接触するときのミラー４１３の傾きをθ2とすると、これは、以下の（１４）式で示される。
θ2＝ｔａｎ-1（ｄ２／ｒ２）＋ｋy2／ｋy3×｛ｔａｎ-1（ｄ２／ｒ２）−ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）｝・・・（１４）
【００７９】
θ1≦θ≦θ2の範囲では、ミラー４１３から見た等価的なバネ定数ｋyは、「ｋy＝２×ｋy2×ｋy3／（ｋy2＋ｋy3）」であるので、Ｍ＝２×ｋy2θの点線よりも小さな傾きの直線となる。また、θ1≦θ≦θ2の範囲で、静電力によるモーメントを示すいずれかの曲線と交点をもつので、制御電極４０２，４０４に印加する制御電圧によって、制御電極４０２，４０４に接触しない範囲で、ミラー４１３を静止状態とする制御が可能となる。
【００８０】
さらに、θ2＜θの範囲では、可動枠４１１及び可動枠４１２は固定されており、ミラー４１３のみが回動する状態となる。このときのミラー４１３から見たバネ定数は、２×ｋy3であり、θ2＜θの範囲の実線は、Ｍ２×ｋy3θの点線の傾きと等しくなる。θ2＜θの範囲の実線は、図６に示すように、Ｖ＝Ｖ４の曲線と交点があり、この状態においても、制御電極４０２，４０４に印加する制御電圧によって、制御電極４０２，４０４に接触しない範囲で、ミラー４１３を静止状態とする制御が可能となる。図６に示す状態では、ミラー４１３を静止状態にできる最大の回動角度θは、θ2より大きく、３つの点線と６つの曲線とのいずれの交点より、大きい値となっている。
【００８１】
なお、図４では、例えば、一対のストッパー４３４とこれより高い一対のストッパー４３３とを、各々備えるようにしたが、これに限るものではない。
例えば、図７に示すように、ミラー４１３の中心部に近いほど、基板４０１からの高さがなだらかに低くなっている一対のストッパー７３２により、図４に示すストッパー４３３とストッパー４３４とを組み合わせた効果を得るようにしても良い。ストッパー７３２の高い部分は、可動枠４１１の下部に配置し、ストッパー７３２の低い部分は、可動枠４１２の下部に配置する。
【００８２】
また、図８に示すように、ミラー４１３の中心部に近い方に、基板４０１からの高さが低い部分を備えた一対のストッパー８３２により、図４に示すストッパー４３３とストッパー４３４とを組み合わせた効果を得るようにしても良い。ストッパー８３２の高い部分は、可動枠４１１の下部に配置し、ストッパー８３２の低い部分は、可動枠４１２の下部に配置する。
【００８３】
ところで、図９に示すように、ミラー１１１に近づくほどミラー１１１の中央部に向かって細くなるように積層された複数の構造体からなる制御電極９０４，９０５を、ミラー１１１の下部に配置するようにしても良い。制御電極９０４，９０５は、図１に示す制御電極１０４，１０５に対応している。図１に示す制御電極１０２，１０３も、同様の構成としても良い。
【００８４】
また、図１０に示すように、ミラー１１１の下にあたる領域内でかつ制御電極９０４，９０５の外側の領域に、センサ電極９５４，９５５を設けるようにしても良い。図１０に示す光スイッチ装置は、基板１０１に、各制御電極の駆動電圧を制御する制御回路１００１と、センサ電極９５４，９５５に接続するセンサ回路１００２，１００３を備える。本光スイッチ装置は、ミラー１１１が所定の角度に回動した状態を、センサ電極９５４，９５５及びセンサ回路１００２，１００３により検出するようにしたものである。
【００８５】
これらの構成により検出したミラー１１１の回動角度の情報を、制御回路１００１に帰還させることで、ミラー１１１の回動角度をより高い精度で制御できる。例えば、センサ電極９５４とこの上部のミラー１１１の部分との間の距離に応じた信号をセンサ回路１００２より制御回路１００１に対して出力すればよい。なお、センサ電極９５４，９５５は、連結部１２１，１２２が配置されている回動軸の下に配置すればよい。また、図示していないが、図１に示す連結部１２３，ミラー連結部１２４が配置されている回動軸の下に、一対のセンサ電極を設け、各々センサ回路に接続し、上述と同様にしても良い。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、ミラーと同じ回動軸で回動する可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上にストッパーを設け、可動枠の回動がストッパーにより制限されるまでは、ミラーは連結部材とミラー連結部材の両方がねじれることで回動し、可動枠の回動がストッパーにより停止されると、ミラーはミラー連結部材がねじれることで回動するようにした。
この結果、本発明によれば、ミラーの回動の状態をミラーの回動動作の途中で変化させることが可能となり、電極などの基板の上に固定されている部材に接触しない範囲で、ミラーをより大きな回動角度で静止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】
【図１】 本発明の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図２】 図１の光スイッチ装置の動作例を示す概略的な断面図である。
【図３】 ミラーに生じる回転モーメントＭ及び連結部のねじれにより発する回転モーメントと、ミラーの回動角度との関係を、直線（実線）で示した特性図である。
【図４】 本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図５】 図４の光スイッチ装置の動作例を示す概略的な断面図である。
【図６】 ミラーに生じる回転モーメントＭ及び連結部のねじれにより発する回転モーメントと、ミラーの回動角度との関係を、直線（実線）で示した特性図である。
【図７】 本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図である。
【図８】 本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図である。
【図９】 本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図である。
【図１０】 本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図である。
【図１１】 従来よりある光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図（ａ），平面図（ｂ）である。
【図１２】 ミラーに生じる回転モーメントＭ及び連結部のねじれにより発する回転モーメントと、ミラーの回動角度との関係を、直線（実線）で示した特性図である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２，１０３，１０４，１０５…制御電極、１０６…支持部材、１０７…枠部、１０８，１０９，１１０…可動枠、１１１…ミラー、１２１，１２２，１２３…連結部、１２４…ミラー連結部、１３１，１３２…ストッパー。
【発明の属する技術分野】
本発明は、回動するミラーにより信号光の経路を変更する光スイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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において必須となる波長分割多重技術（ＷＤＭ）には、光スイッチ装置が必要不可欠な要素部品となる。この種の光スイッチ装置には、光導波路型やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）型などがあるが、中でも、可動する微細な反射面を有するＭＥＭＳ型の光スイッチ装置が有望視されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
このＭＥＭＳ型の光スイッチ装置は、固定構造体と可動ミラーを有する反射構造体とから構成されている。例えば図１１に示すように、光スイッチ装置は、基板１１０１及び電極１１０２，１１０３，１１０４，１１０５からなる固定構造体と、支持部材１１０６に支持された枠１１０７及び回動する可動枠１１０８，ミラー１１０９からなる反射構造体とを備えている。また、可動枠１１０８，ミラー１１０９は、図１１（ｂ）の平面図に示すように、連結部１１２１，１１２２により回動可能に連結され、ミラー１１０９の２軸動作を可能としている。連結部１１２１，１１２２は、例えば、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。
【０００４】
この光スイッチ装置において、ミラー１１０９をグランド（接地）電位に固定し、例えば、電極１１０２，１１０４に電圧を印加すると、ミラー１１０９と電極１１０２，１１０４との間に静電力が生じる。この静電力によって、ミラー１１０９には回転モーメントが発生し、連結部１１２２を通る回動軸を中心として回動する。このとき、連結部１１２２は、ミラー１１０９の回動動作によりねじれを生じ、連結部１１２２には、ミラー１１０９の回動角度に応じた上記静電力と逆方向の回転モーメントが発生する。
【０００５】
上述した静電力による回転モーメントと連結部１１２２のねじれによる回転モーメントとが釣り合うと、ミラー１１０９は回動動作を停止して静止する。この状態より、電極１１０２，１１０４に加えている電圧を増加すると、静電力による回転モーメントも増加し、ミラー１１０９はさらに傾き、ねじれによる回転モーメントと静電力による回転モーメントとが釣り合う新たな角度で、ミラー１１０９は回動動作を停止して静止する。
【０００６】
これらのミラー動作について、図１２を用いてより詳細に説明する。図１２は、縦軸に回転モーメント（Ｍ）を示し、横軸にミラー１１０９の回動角度（θ）を示したグラフであり、電極１１０２，１１０４に加える電圧をＶ１からＶ６まで変化させたときのミラー１１０９の傾きと回転モーメントとの関係を示している。
静電力は、電圧の２乗に比例するため、電圧が高くなると回転モーメントは増大する。さらに、静電力は、距離の２乗に反比例するため、ミラー１１０９の傾きが大きくなって距離が近づくと、回転モーメントはさらに増大する。
【０００７】
これらに対し、連結部１１２２における逆方向の回転モーメントは、ねじれの角度に比例する。比例定数をｋ（バネ定数）とすると、逆方向の回転モーメントと角度との関係は、図１２に示すグラフの原点を通る傾きｋの直線で示すことができる。図１２には、２種類のバネ定数ｋ1，ｋ2（ｋ1＜ｋ2）の直線を示している。なお、バネ定数は、１つの連結部の値である。
【０００８】
一般に、このようなＭＥＭＳ素子では、ミラー１１０９はより低電圧でより大きな回動角が得られるようにすることが望ましい。従って、ここでは、連結部１１２２のバネ定数がｋ1である場合について考察する。Ｍ＝２ｋ1θの直線は、Ｖ≦Ｖ３では静電力による回転モーメントを示す曲線との交点が存在する。これらの交点では、静電力による回転モーメントとねじれによる逆方向の回転モーメントとが釣り合い、交点のＸ座標で示される回動角度でミラー１１０９が静止することを示している。
【０００９】
しかしながら、Ｖ＝Ｖ４の曲線は、いずれの回動角度においても常に直線Ｍ＝２ｋ1θの上方にある。これは、いずれの移動角度においても、静電力による回転モーメントが連結部１１２２のねじれによる逆方向の回転モーメントよりも大きいことを示している。この場合、ミラー１１０９の一端は、静電力によって電極１１０２，１１０４の方向に引き寄せられて接触する（プルイン）。Ｖ＝Ｖ４では、電極に接触してしまうバネ定数の連結部１１２２の場合、電極１１０２，１１０４に印加されている電圧がＶ３より大きくＶ４より小さい範囲における特定電圧Ｖの時の静電力の回転モーメントによって、接触しない範囲での最も大きい回動角が得られる。
【００１０】
連結部１１２２のバネ定数を小さくすると、上述したように、低い電圧であっても静電力による回転モーメントが、連結部１１２２のねじれによる逆方向の回転モーメントを常に上回る状態となる。このような状態では、ミラー１１０９の回動角度を、電極１１０２，１１０３，１１０４，１１０５に印加する電圧の大きさにより制御することが困難となる。
【００１１】
一方、連結部１１２２のバネ定数を大きくすれば、静電力による回転モーメントが、ねじれによる逆方向の回転モーメントを常に上回る状態を避けることが可能となる。例えば、連結部１１２２のバネ定数を、ｋ2（ｋ1＜ｋ2）とすると、連結部１１２２による直線は、Ｍ＝２ｋ2θとなり、Ｍ＝２ｋ11θより傾きの大きな直線となる。この場合、Ｖ＝Ｖ６まで、静電力による回転モーメントを示す曲線との交点が存在し、電極に印加する電圧がＶ６までであれば、ミラー１１０９が、いずれの電極にも接触することなく、ある回動角で静止させることが可能となる。
【００１２】
しかしながら、このようにバネ定数を大きくすると、同じ電圧を印加したときにおける回動角は、バネ定数をｋ1としたときより小さくなり、高い電圧Ｖ６を印加したときの回動角が、バネ定数をｋ1として電圧Ｖ３を印加したときの回動角よりあまり大きくならない。
【００１３】
【非特許文献１】
Tae-Sik Kim,Sang-Shin Lee,Youngjoo Yee,Jong UK Bu,Hyun-Ho Oh,Chil-Geun Park,and Man-Hyo Ha "ELECTROSTATIC MICROMIRROR WITH BUILT-IN LARGE Air-GAP FOR WIDE RANGE OF ROTATIONAL ACTUATION",International Conference Optical MEMS 2001,IEEE/LEOS,p99,100(2001)
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明したように、従来の光スイッチ装置では、連結部のバネ定数を小さくすると、低い電圧でミラーを回動させることが可能となるが、あまり大きくない電圧でもミラーの端部が電極に接触しやすい状態となる。このため、ミラーの端部が電極に近づいた状態では、ミラーの回動角度を細かく制御することが非常に困難である。従って、ミラーは大きく回動するが、ミラーの可動角度を大きくした状態で静止させることが困難である。
【００１５】
一方、連結部のバネ定数を大きくすると、ミラーの端部が電極に近づいた状態でも、小さな電圧の増加では、ミラーの端部と電極とが接触するまで回動する状態となりにくい。しかしながら、連結部のバネ定数を大きくすると、ミラーの回動角度が大きくできない。
【００１６】
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、電極などの基板の上に固定されている部材に接触しない範囲で、ミラーをより大きな回動角度で静止できるようにすることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光スイッチ装置は、支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、この第１可動枠の開口領域内で第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対の第２連結部材を介して第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、この第２可動枠の開口領域内で第２回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、第１回動軸の上で第２可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第２可動枠の基板の方向への回動範囲を制限するストッパーとを少なくとも備え、ミラーの回動により反射部を変位させて光スイッチ動作を行うものである。
この光スイッチ装置によれば、第２可動枠の回動がストッパーにより制限されるまでは、ミラーは第２連結部材とミラー連結部材の両方がねじれることで回動し、第２可動枠の回動がストッパーにより停止されると、ミラーはミラー連結部材がねじれることで回動する。
【００１８】
上記光スイッチ装置において、ストッパーは、第１回動軸上の２カ所に各々設ければ、可動枠の回動軸を中心とした両方向の回動動作が、各々のストッパーにより制限される。
また、上記光スイッチ装置において、第２連結部材及びミラー連結部材は、各々第２可動枠及びミラーの回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、ミラー連結部材のねじれによるバネ定数を、第２連結部材のねじれによるバネ定数より大きい状態とすればよい。
【００１９】
本発明に係る他の光スイッチ装置は、支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、この第１可動枠の開口領域内で第１回動軸を通る一対の第２連結部材を介して第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、この第２可動枠の開口領域内で第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、第２回動軸の上で第１可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第１可動枠の基板の方向への回動範囲を制限するストッパーとを少なくとも備え、ミラーの回動により反射部を変位させて光スイッチ動作を行うものである。
この光スイッチ装置によれば、第１回動軸を中心としたミラーの回動において、第１可動枠の回動がストッパーにより制限されるまでは、ミラーは第１連結部材と第２連結部材の両方がねじれることで回動し、第１可動枠の回動がストッパーにより停止されると、ミラーは第２連結部材がねじれることで回動する。
【００２０】
上記光スイッチ装置において、ストッパーを、第２回動軸の上の２カ所に各々設ければ、第１可動枠の第１回動軸を中心とした両方向の回動動作が、各々のストッパーにより制限される。
上記光スイッチ装置において、第１連結部材及び第２連結部材は、各々第１可動枠及び第２可動枠の回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、第２連結部材のねじれによるバネ定数を、第１連結部材のねじれによるバネ定数より大きい状態としても良い。
【００２１】
本発明に係る他の光スイッチ装置は、支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、この第１可動枠の開口領域内で第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対の第２連結部材を介して回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、この第２回動枠の開口領域内で前記第２回動軸を通る一対の第３連結部材を介して前記第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第３可動枠と、この第３可動枠の開口領域内で回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、第１回動軸の上で第１可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第１可動枠の基板の方向への回動範囲を制限する第１ストッパーと、第１回動軸の上で第２可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第２可動枠の基板の方向への回動範囲を制限する第１ストッパーより低い第２ストッパーとを少なくとも備え、ミラーの回動により反射部を変位させて光スイッチ動作を行うものである。
【００２２】
上記光スイッチ装置において、第１ストッパーは、第１回動軸の上の２カ所に各々設けるようにすればよく、第２ストッパーも、第１回動軸の上の２カ所に各々設けるようにすればよい。また、第１ストッパーと第２ストッパーを、一体に形成しても良く、一体に形成された第１ストッパー及び第２ストッパーを、第１回動軸の上に２カ所に各々設けるようにしてもよい。
また、上記光スイッチ装置において、第１連結部材，第２連結部材，及びミラー連結部は、各々第１可動枠，第２可動枠，及びミラーの回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、第２連結部材のねじれによるバネ定数を、第１連結部材のねじれによるバネ定数より大きく、ミラー連結部材のねじれによるバネ定数を、第２連結部材のねじれによるバネ定数より大きいものとしてもよい。
【００２３】
本発明に係る他の光スイッチ装置は、支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、この第１可動枠の開口領域内で第１回動軸を通る一対の第２連結部材を介して第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、この第２可動枠の開口領域内で第１回動軸を通る一対の第３連結部材を介して第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第３可動枠と、この第３可動枠の開口領域内で第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、第２回動軸の上で第１可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第１可動枠の基板の方向への回動範囲を制限する第１ストッパーと、第２回動軸の上で第２可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上に設けられた第２可動枠の基板の方向への回動範囲を制限する第１ストッパーより低い第２ストッパーとを少なくとも備え、ミラーの回動により反射部を変位させて光スイッチ動作を行うものである。
【００２４】
上記光スイッチ装置において、第１ストッパーは、第２回動軸の上の２カ所に各々設けられていればよく、第２ストッパーも、第２回動軸の上の２カ所に各々設けられていればよい。また、第１ストッパーと第２ストッパーは、一体に形成されていてもよく、一体に形成された第１ストッパー及び第２ストッパーが、第２回動軸の上の２カ所に各々設けられていればよい。
【００２５】
上記光スイッチ装置において、第１連結部材，第２連結部材，及び第３連結部は、各々第１可動枠，第２可動枠，及び第３可動枠の回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、第２連結部材のねじれによるバネ定数は、第１連結部材のねじれによるバネ定数より大きく、第３連結部材のねじれによるバネ定数は、第２連結部材のねじれによるバネ定数より大きいものであってもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
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。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。図１では、主に光スイッチ装置の１構成単位である一つのミラーを備えたスイッチ素子を部分的に示している。
【００２７】
図１に示す光スイッチ装置の構成について説明すると、まず、例えば単結晶シリコンなどの半導体からなる基板１０１の素子領域上に、制御電極１０２，１０３，１０４，１０５が形成されている。制御電極１０２，１０３，１０４，１０５は、各々がほぼ円板を４等分した形状である。
【００２８】
また、基板１０１の素子領域上には、支持部材１０６が形成されている。素子領域においては、ほぼ中央に、制御電極１０２，１０３，１０４，１０５が形成され、これらを囲うように、支持部材１０６は形成されている。支持部材１０６は、例えば、平面視格子状に形成され、この一つのマスが一つの素子領域に対応している。
【００２９】
一方、支持部材１０６に支持されて、枠部１０７が形成されている。枠部１０７は、制御電極１０２，１０３，１０４，１０５の上の領域に開口部を備え、この開口部の内側に、リング状の可動枠１０８，１０９，１１０，及び円形のミラー１１１を備えている。
【００３０】
可動枠１０８は、上記開口部の中心を通る直線（回動軸）上に配置された一対の連結部１２１により、枠部１０７に張着しかつ軸着している。連結部１２１は、例えば、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。
可動枠１０９は、連結部１２１の内側で上記回動軸上に配置された一対の連結部１２２により、可動枠１０８に張着しかつ軸着している。連結部１２２も、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。
【００３１】
可動枠１０８は、連結部１２１を通る回動軸を中心に回動可能とされ、可動枠１０９は、連結部１２２を通る回動軸を中心に回動可能とされている。また、連結部１２１及び連結部１２２は、同じ回動軸上に配置されており、可動枠１０８及び可動枠１０９は、同じ回動軸を中心に回動する。
【００３２】
また、可動枠１１０は、連結部１２１，１２２を通る回動軸に直交する回動軸上に配置された一対の連結部１２３により、可動枠１０９に張着しかつ軸着している。連結部１２３も、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。
ミラー１１１は、この可動枠１１０の内側に配置され、連結部１２３を通る回動軸上に配置された一対のミラー連結部１２４により、可動枠１１０に張着しかつ軸着している。
【００３３】
可動枠１１０は、連結部１２３を通る回動軸を中心に回動可能とされ、ミラー１１１は、ミラー連結部１２４を通る回動軸を中心に回動可能とされている。また、連結部１２３及びミラー連結部１２４は、同じ回動軸上に配置されており、可動枠１１０及びミラー１１１は、同じ回動軸を中心に回動する。
【００３４】
なお、図示していないが、制御電極１０２，１０３，１０４，１０５及び支持部材１０６は、基板１０１の表面に形成されている層間絶縁膜の上に形成されている。層間絶縁膜の下の基板１０１には、複数の素子から構成された集積回路（図示せず）が形成されている。この集積回路の一部として、制御回路（図示せず）が構成されている。この制御回路は、例えば、選択したいずれかの制御電極とミラー１１１との間に所定の電位差を生じさせる。このことにより、選択された制御電極とミラー１１１とに電荷が誘導されて静電力が作用し、ミラー１１１が回動する。
【００３５】
本実施の形態では、以上に示した可動枠１０８，１０９，１１０及びミラー１１１を備えた可動構造体の下にあたる基板１０１の上に、一対のストッパー１３１及び一対のストッパー１３２を設けた。ストッパー１３１，１３２は、枠部１０７と制御電極１０２，１０３，１０４，１０５との間の素子領域に設けられている。また、ストッパー１３１，１３２は、制御電極１０２，１０３，１０４，１０５の形成面より上記可動構造体の方向に伸びる、棒状の部材である。
【００３６】
ストッパー１３１は、連結部１２３，ミラー連結部１２４を通る回動軸の下に配置され、かつ、可動枠１０８の下に配置されている。また、ストッパー１３２は、連結部１２１，１２２を通る回動軸の下に配置され、かつ、可動枠１１０の下に配置されている。
従って、可動枠１０８の可動範囲は、ストッパー１３１により制限され、可動枠１１０の可動範囲は、ストッパー１３２により制限される。なお、例えば、ストッパー１３１は、可動枠１０８の回動範囲を制限するものであり、必ずしも、連結部１２３，ミラー連結部１２４を通る回動軸の下に配置されている必要はない。これは、ストッパー１３２についても同様である。
【００３７】
つぎに、本実施の形態における光スイッチ装置の動作例について説明する。例えば、ミラー１１１をグランド（接地）電位に固定し、制御電極１０２，１０４に電圧を印加すると、ミラー１１１と制御電極１０２，１０４との間に静電力が生じる。
ここで、互いに平行に配置された２つの電極間に働く静電力Ｆは、２つの電極間に印加される電圧をＶ、電極間の距離をｄ、電極の面積をＳとすると、以下の（１）式により示される。
Ｆ＝ε0×Ｖ2×Ｓ／ｄ2・・・（１）
【００３８】
従って、ミラー１１１や可動枠などが水平状態で制御電極１０２，１０４に電圧Ｖを印加したとき、ミラー１１１と制御電極１０２，１０４との距離をｄとすると、ミラー１１１の中心からｘだけ離れたところの面積ｄＳの微小部分が受ける力は、以下の（２）式により示される。なお、（２）式では、面積ｄＳの微小部分は、各制御電極と平行と見なしている。また、ここでは、ミラー１１１の回動軸をＹ軸とし、上記ｘだけ離れたところは、図１の紙面において左側の方向にある箇所である。
【００３９】
Ｆ＝ε0×Ｖ2ｄＳ（ｄ・ｘ×ｔａｎθ）2・・・（２）
【００４０】
従って、上記面積ｄＳの微小部分によるＹ軸周りの回転モーメントＭは、以下の（３）式により示される。
Ｍ＝ｘ×ε0×Ｖ2ｄｓ／（ｄ・ｘ×ｔａｎθ）2・・・（３）
【００４１】
従って、制御電極１０２，１０４に所定の電圧Ｖを印加したときの静電力による回転モーメントは、（３）式を該当する制御電極の面積について積分した以下の（４）式により示される。
【００４２】
【数１】
つぎに、連結部のねじれにより発生する回転モーメント（逆方向の回転モーメント）について説明する。以下では、一対の連結部１２３のねじれ方向のバネ定数をｋy1とし、一対のミラー連結部１２４のねじれ方向のバネ定数をｋy2とする。
まず、図２（ａ）に示すように、可動枠１１０がストッパー１３２の上端に接触するまでの間について説明する。ミラー１１１の回動角度をθとすると、このθは、ミラー１１１と可動枠１１０のなす角度θ1と、可動枠１１０と可動枠１０９（枠部１０７による平面）とのなす角度θ2との和となる。なお、図２では、連結部１２３及びミラー連結部１２４は示していない。
【００４４】
ここで、静電力により発生する回転モーメントＭ（θ）と、連結部１２３，ミラー連結部１２４のねじれにより発生する逆方向の回転モーメントとの間には、以下の（５）式，（６）式に示す関係が成り立つ。
Ｍ（θ）＝２×ｋy1×θ1・・・（５）
Ｍ（θ）＝２×ｋy2×θ2・・・（６）
なお、「θ＝θ1＋θ2・・・（７）」である。また、バネ定数は、１つの連結部の値である。
【００４５】
このように、一対の連結部１２３及び一対のミラー連結部１２４には、各々同じ力が加わるため、ねじれ角度θ1及びθ2には、以下の（８）式に示す関係が成立する。
θ1：θ2＝ｋy2：ｋy1・・・（８）
【００４６】
ここで、可動枠１１０の枠体の半径をｒ１とし、ミラー１１１が枠部１０７による平面と水平の場合の枠部１１０とストッパー１３２の上端との距離をｄ１とする。このとき、可動枠１１０がストッパー１３２に接したときの可動枠１１０の回動角度は、ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）であり、この回動角度までは、ミラー１１１とともに可動枠１１０も回動する。可動枠１１０がストッパー１３２に接したときのミラー１１１の回動角度θは、「θ＝（ｋy1＋ｋy2）／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」となる。従って、θ＜（ｋy1＋ｋy2）／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）の領域では、ミラー１１１とともに可動枠１１０も回動する。
【００４７】
ミラー１１１の回動角度θが「θ≧（ｋy1＋ｋy2）／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」の範囲では、可動枠１１０はストッパー１３２に接触してこれ以上回動しない。さらに、制御電極１０２，１０４に印加する電圧を大きくすると、ミラー１１１のみが回動しはじめる。この状態では、ミラー連結部１２４におけるねじれによる回転モーメントだけが発生し、静電力により発生する回転モーメントＭ（θ）と、ミラー連結部１２４のねじれにより発生する逆方向の回転モーメントとの間には、以下の（９）式に示す関係が成り立つ。
Ｍ（θ）＝２×ｋy2×（θ−ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１））・・・（９）
【００４８】
図３は、制御電極に印加する制御電圧（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５＜Ｖ６）による静電力によってミラー１１１に生じる回転モーメントＭ及び連結部１２３，ミラー連結部１２４のねじれにより発する回転モーメントと、ミラー１１１の回動角度との関係を、直線（実線）で示した特性図である。図３において、各制御電圧（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５＜Ｖ６）における静電力によって生じる回転モーメントは、曲線で示している。
【００４９】
なお、点線（直線）の一方は、バネ定数ｋ1の連結部１２３のねじれにより発する回転モーメントと回動角度との関係「Ｍ＝２×ｋy1θ」を示している。また、点線（直線）の他方は、バネ定数ｋ2のミラー連結部１２４のねじれにより発する回転モーメントと回動角度との関係「Ｍ＝２×ｋy2θ」を示している。ここでは、ｋy1＜ｋy2の場合を示しており、バネ定数の大きいミラー連結部１２４のねじれによる回転モーメントと回動角度との関係を示す点線の方が、傾きが大きい。
【００５０】
図３に示すように、「θ＜（ｋy1＋ｋy2）／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」の領域、すなわち、可動枠１１０がストッパー１３２に接していない状態では、ミラー１１１とともに可動枠１１０も回動する。この状態で、ミラー１１１と可動枠１０９とを連結する仮想的な連結部を考えると、仮想的な連結部における等価的なバネ定数ｋyは、以下の（１０）式により示される。
ｋy＝２×ｋy1×ｋy2／（ｋy1＋ｋy2）・・・（１０）
【００５１】
このように、連結部１２３とミラー連結部１２４とを合わせた仮想的な連結部のバネ定数は、一対の連結部１２３及び一対のミラー連結部１２４のいずれか一方だけの場合に比較して小さくなる。このため、図３に示すように、可動枠１１０がストッパー１３２に接していない状態では、実線で示すように、「Ｍ＝２×ｋy1θ」で示される点線（直線）よりも傾きが小さい。
【００５２】
このとき、例えば、Ｖ＝Ｖ２における回動角度θは、Ｖ＝Ｖ２における静電力による回転モーメントを示す曲線と「Ｍ＝２×ｋyθ」で示される直線との交点となる。この交点は、Ｖ＝Ｖ２における静電力による回転モーメントを示す曲線と「Ｍ＝２×ｋy1θ」との交点よりも右方向となり、同じ制御電圧Ｖ２において、より大きな回動角度が得られていることを示している。
【００５３】
一方、「θ≧（ｋy1＋ｋy2）／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」の領域、すなわち、可動枠１１０がストッパー１３２に接し、ミラー１１１のみが回動する状態では、ミラー１１１の回動に作用する連結部は、ミラー連結部１２４だけとなる。この場合、ミラー連結部１２４により発生する回転モーメントＭは、「Ｍ＝２×ｋy2×（θ−ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１））」と示すことができる。この式で示される直線は、「Ｍ＝２×ｋy2」で示される直線と傾きが等しく、「Ｍ＝−２×ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」を通る直線となる。
【００５４】
この状態では、図３に示すように、Ｖ＝Ｖ４における静電力による回転モーメントを示す曲線との交点が存在し、この交点で示される状態で２つのモーメントが釣り合い、ミラー１１１が静止する。さらに、Ｖ＝Ｖ５における静電力による回転モーメントを示す曲線との交点も存在し、より高い制御電圧を印加しても、２つのモーメントが釣り合う状態が得られ、ミラー１１１を制御電極に接触させることなく静止させることが可能となる。
【００５５】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、可動枠１１０がストッパー１３２に接触するまでは、一対の連結部１２３や一対のミラー連結部１２４が単独の場合よりも小さいバネ定数が実現され、より小さい静電力でより大きな回動角度が得られる。また、可動枠１１０がストッパー１３２に接触した以降は、ミラー連結部１２４のバネ定数となり、この状態までのバネ定数より大きくなる。このため、有る程度大きな制御電圧を印加しても、ミラー１１１を制御電極に接触させることなく静止させることが可能となり、従来より大きな回動角度を得られるようになる。
【００５６】
ところで、上述した実施の形態では、連結部１２３及びミラー連結部１２４を通る回動軸を中心としたミラー１１１の回動について説明したが、連結部１２１，１２２を通る回動軸を中心としたミラー１１１の回動についても同様である。この場合、例えば、制御電極１０４，１０５に制御電圧を印加し、ミラー１１１がＸ軸を回動軸として回動するものとして考えればよい。例えば、一対の連結部１２２におけるバネ定数ｋx2を一対の連結部１２３におけるバネ定数ｋy2に対応させ、一対の連結部１２１におけるバネ定数ｋx1を一対のミラー連結部１２４におけるバネ定数ｋy1に対応させればよい。
【００５７】
また、上記実施の形態では、バネ定数をｋy1＜ｋy2としたが、これに限るものではなく、例えば、ｋy1＝ｋy2としてもよい。ｋy1＝ｋy2としても、可動枠１１０がストッパー１３２に接触するまでの合成した仮想的なバネ定数ｋyは、ｋy1，ｋy2のどちらよりも小さくなり、可動枠１１０がストッパー１３２に接触した後で、ミラー１１１に作用するバネ定数を大きくすることができる。
【００５８】
なお、上述では、連結部を平面視矩形の板部材から構成したが、これに限るものではない。例えば、ジグザグの部分など、回動軸の方向とは異なる方向に延在する延在部を備え、ジグザグに形成された連結部を用いるようにしても良い。また、文献１（Tae-Sik Kim,et.AL,"ELECTROSTATIC MICROMIRROR WITH BUILT-IN LARGE AIR-GAP FOR WIDE RANGE OF ROTATIONAL ACTUATION",2001 International Conference on Optical MEMS,pp99-pp100）、文献２（澤田他、”Single Crystalline Mirror Actuated Electrostatically by Terraced Erectloades With High-Aspect Ration Torsion Spring",2001 International Conference on Optical MEMS,pp23-pp24）、文献３（水野他、"A 2-AXIS COMB-DRIVEN MICROMIRROR ARRAY FOR 3-D MEMS SWITCHS",2002 International Conference on Optical MEMS,pp17-18）に示されているトーションバネを用いるようにしても良い。
【００５９】
［実施の形態２］
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
図４は、本実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。図４では、主に光スイッチ装置の１構成単位である一つのミラーを備えたスイッチ素子を部分的に示している。
図４に示す光スイッチ装置の構成について説明すると、まず、例えば単結晶シリコンなどの半導体からなる基板４０１の素子領域上に、制御電極４０２，４０３，４０４，４０５が形成されている。制御電極４０２，４０３，４０４，４０５は、各々がほぼ円板を４等分した形状である。
【００６０】
また、基板４０１の素子領域上には、支持部材４０６が形成されている。素子領域においては、ほぼ中央に、制御電極４０２，４０３，４０４，４０５が形成され、これらを囲うように、支持部材４０６は形成されている。支持部材４０６は、例えば、平面視格子状に形成され、この一つのマスが一つの素子領域に対応している。
このように形成された支持部材４０６に支持されて、枠部４０７が形成されている。枠部４０７は、制御電極４０２，４０３，４０４，４０５の上の領域に開口部を備え、この開口部の内側に、リング状の可動枠４０８，４０９，４１０，４１１，４１２及び円形のミラー４１３を備えている。
【００６１】
可動枠４０８は、上記開口部の中心を通る直線（回動軸）上に配置された一対の連結部４２１により、枠部４０７に張着しかつ軸着している。なお、以降では、上記回動軸をＸ軸とする。可動枠４０９は、連結部４２１の内側でＸ軸の上に配置された一対の連結部４２２により、可動枠４０８に張着しかつ軸着している。同様に、可動枠４１０は、Ｘ軸の上に配置された一対の連結部４２３により、可動枠４０９に張着しかつ軸着している。
【００６２】
また、可動枠４１１は、上記Ｘ軸に直交するＹ軸の上に配置された一対の連結部４２４により、枠部４１０に張着しかつ軸着している。可動枠４１２は、上記Ｙ軸の上に配置された一対の連結部４２５により、枠部４１１に張着しかつ軸着している。また、ミラー４１３は、Ｙ軸の上に配置された一対のミラー連結部４２６により、枠部４１２に張着しかつ軸着している。
【００６３】
なお、連結部４２１，４２２，４２３，４２４，４２５及びミラー連結部４２６は、例えば、トーションバースプリングなど、ねじりを受けて弾性変形する棒状や板状のばね部材である。
従って、可動枠４０８，４０９，４１０は、Ｘ軸を回動軸として回動可能とされ、可動枠４１１，４１２，ミラー４１３は、Ｙ軸を回動軸として回動可能とされている。
【００６４】
本実施の形態では、以上に示した可動枠４０８，４０９，４１０，４１１，４１２及びミラー４１３を備えた可動構造体の下にあたる基板４０１の上に、一対のストッパー４３１，４３２及び一対のストッパー４３３，４３４を設けた。ストッパー４３１〜４３４は、枠部４０７と制御電極４０２，４０３，４０４，４０５との間の素子領域に設けられている。また、ストッパー４３１〜４３４は、制御電極４０２，４０３，４０４，４０５の形成面より上記可動構造体の方向に伸びる、棒状の部材である。
【００６５】
ストッパー４３１は、連結部４２４，４２５，ミラー連結部４２６を通る回動軸（Ｙ軸）の下に配置され、かつ、可動枠４０８の下に配置されている。また、ストッパー４３２は、連結部４２４，４２５，ミラー連結部４２６を通る回動軸の下に配置され、かつ、可動枠４０９の下に配置されている。加えて、ストッパー４３２は、ストッパー４３１より低く形成されている。
【００６６】
一方、ストッパー４３３は、連結部４２１，４２２，４２３を通る回動軸（Ｘ軸）の下に配置され、かつ、可動枠４１１の下に配置されている。また、ストッパー４３４は、連結部４２１，４２２，４２３を通る回動軸の下に配置され、かつ可動枠４１２の下に配置されている。加えて、ストッパー４３４は、ストッパー４３３より低く形成されている。
なお、例えば、ストッパー４３１は、可動枠４０８の回動範囲を制限するものであり、必ずしも、連結部４２４，４２５，ミラー連結部４２６を通る回動軸の下に配置されている必要はない。これは、他のストッパーについても同様である。
【００６７】
従って、可動枠４０８の可動範囲は、ストッパー４３１により制限され、可動枠４０９の可動範囲は、ストッパー４３２により制限され、可動枠４１１の可動範囲は、ストッパー４３３により制限され、可動枠４１２の可動範囲は、ストッパー４３３により制限される。また、ストッパー４３１により制限される可動枠４０８の可動範囲は、ストッパー４３２により制限される可動枠４０９の可動範囲より小さい。同様に、ストッパー４３３により制限される可動枠４１１の可動範囲は、ストッパー４３４により制限される可動枠４１２の可動範囲より小さい。
【００６８】
つぎに、本実施の形態における光スイッチ装置の動作例について説明する。例えば、ミラー４１３をグランド（接地）電位に固定し、制御電極４０２，４０４に電圧を印加すると、前述した（１）を用いて説明したように、ミラー４１３と制御電極４０２，４０４との間に静電力が生じる。この静電力により、前述した（４）式を用いて説明したように、制御電極４０２，４０４に所定の電圧Ｖを印加したときの静電力による回転モーメントが、ミラー４１３に発生する。
【００６９】
ここで、可動枠４１１の枠体の部分の半径をｒ１とし、可動枠４１２の枠体の部分の半径をｒ２とする。また、可動枠４１１，４１２，及びミラー４１３が、枠部４０７の平面に水平な状態における、ストッパー４３３の上部から可動枠４１１までの距離をｄ１とし、ストッパー４３４の上部から可動枠４１２までの距離をｄ２とする。一方、一対の連結部４２４のバネ定数をｋy1、一対の連結部４２５のバネ定数をｋy2、一対のミラー連結部４２６のバネ定数をｋy3とし、ｋy1＜ｋy2＜ｋy3であるものとする。なお、バネ定数は、１つの連結部の値である。
【００７０】
以下、連結部のねじれにより発生する回転モーメントについて説明する。まず、図５（ａ）に示すように、可動枠４１１がストッパー４３３の上端に接触するまでの間について説明する。ここでは、連結部４２４，４２５，及びミラー連結部４２６を通るＹ軸を回動軸として回動する場合を例にする。なお、図５では、連結部４２４，４２５及びミラー連結部４２６は示していない。
【００７１】
可動枠４１１がストッパー４３３の上端に接するまでは、ミラー４１３から見た等価的なバネ定数ｋyは、以下の（１１）式により示される。
ｋy＝２×ｋy1×ｋy2×ｋy3／（ｋy2×ｋy3＋ｋy1×ｋy3＋ｋy1×ｋy2）・・・（１１）
従って、ｋy＜ｋy1＜ｋy2＜ｋy3であり、ミラー４１３から見た等価的なバネ定数は小さく、制御電極４０２，４０４に印加する電圧が小さくても、ミラー４１３（及び可動枠４１１，４１２）を容易に回動させることができる。
【００７２】
可動枠４１１がストッパー４３３の上端に接してこれ以上回動不能となった後、さらに制御電極４０２，４０４に印加する電圧を大きくすると、可動枠４１２とミラー４１３とが、さらに回動する。この場合、ミラー４１３から見た等価的なバネ定数ｋy’は、以下の（１２）式により示される。
ｋy’＝２×ｋy2×ｋy3／（ｋy2＋ｋy3）・・・（１２）
従って、この場合の等価的なバネ定数ｋy’は、ｋy1の値によらず、バネ定数ｋyより大きくなる。
【００７３】
さらに印加する電圧を大きくし、図５（ｂ）に示すように可動枠４１２がストッパー４３４の上端に接すると、可動枠４１２もこれ以上回動不能となる。この状態より、さらに制御電極４０２，４０４に印加する電圧を印加すると、図５（ｃ）に示すように、ミラー４１３だけが回動する。この場合のミラー４１３から見た等価的なバネ定数は、ｋy3であり、前述した等価的なバネ定数ｋy，ｋy’より大きくなる。従って、この状態より大きくミラー４１３を回動させるためには、より大きな電圧を制御電極４０２，４０４に印加する必要がある。
【００７４】
上述した可動枠４１１，４１２，及びミラー４１３の回動について、図６を用いて説明する。図６は、制御電極に印加する制御電圧（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５＜Ｖ６）による静電力によってミラー４１３に生じる回転モーメントＭ及び連結部４２４．４２５，ミラー連結部４２６のねじれにより発する回転モーメントと、ミラー４１３の回動角度との関係を、直線（実線）で示した特性図である。図６において、各制御電圧（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５＜Ｖ６）における静電力によって生じる回転モーメントは、曲線で示している。
【００７５】
なお、点線（直線）の１つは、バネ定数ｋy1の連結部４２４のねじれにより発する回転モーメントと回動角度との関係「Ｍ＝２×ｋy1θ」を示している。また、他の点線（直線）の１つは、バネ定数ｋy2の連結部４２５のねじれにより発する回転モーメントと回動角度との関係「Ｍ＝２×ｋy2θ」を示している。また、残りの点線（直線）は、バネ定数ｋy3のミラー連結部４２６のねじれにより発する回転モーメントと回動角度との関係「Ｍ＝２×ｋy3θ」を示している。ここでは、ｋy1＜ｋy2＜ｋy3の場合を示しており、バネ定数の大きいミラー連結部４２６のねじれによる回転モーメントと回動角度との関係を示す点線の傾きが、最も大きい。
【００７６】
図６において、可動枠４１１の傾きが「ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）」となるとき、すなわち、可動枠４１１がストッパー４３３に接触するときのミラー４１３の傾きをθ1とすると、これは、以下の（１３）式で示される。
θ1＝ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）＋ｋy1／ｋy2×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）＋ｋy1／ｋy3×ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）・・・（１３）
【００７７】
０≦θ≦θ1の範囲では、ミラー４１３から見た等価的なバネ定数ｋyは、「ｋy＝２×ｋy1×ｋy2×ｋy3／（ｋy2×ｋy3＋ｋy1×ｋy3＋ｋy1×ｋy2）」であるので、いずれの点線よりも小さな傾きの直線となる。従って、例えば、連結部４２４，４２５，またミラー連結部４２６のいずれかを単独で用いた場合に比較しても、制御電極４０２，４０４に印加する制御電圧をより小さくして、より大きな回動角度が得られる。
【００７８】
また、可動枠４１２の傾きが「ｔａｎ-1（ｄ２／ｒ２）」となるとき、すなわち、可動枠４１２がストッパー４３４に接触するときのミラー４１３の傾きをθ2とすると、これは、以下の（１４）式で示される。
θ2＝ｔａｎ-1（ｄ２／ｒ２）＋ｋy2／ｋy3×｛ｔａｎ-1（ｄ２／ｒ２）−ｔａｎ-1（ｄ１／ｒ１）｝・・・（１４）
【００７９】
θ1≦θ≦θ2の範囲では、ミラー４１３から見た等価的なバネ定数ｋyは、「ｋy＝２×ｋy2×ｋy3／（ｋy2＋ｋy3）」であるので、Ｍ＝２×ｋy2θの点線よりも小さな傾きの直線となる。また、θ1≦θ≦θ2の範囲で、静電力によるモーメントを示すいずれかの曲線と交点をもつので、制御電極４０２，４０４に印加する制御電圧によって、制御電極４０２，４０４に接触しない範囲で、ミラー４１３を静止状態とする制御が可能となる。
【００８０】
さらに、θ2＜θの範囲では、可動枠４１１及び可動枠４１２は固定されており、ミラー４１３のみが回動する状態となる。このときのミラー４１３から見たバネ定数は、２×ｋy3であり、θ2＜θの範囲の実線は、Ｍ２×ｋy3θの点線の傾きと等しくなる。θ2＜θの範囲の実線は、図６に示すように、Ｖ＝Ｖ４の曲線と交点があり、この状態においても、制御電極４０２，４０４に印加する制御電圧によって、制御電極４０２，４０４に接触しない範囲で、ミラー４１３を静止状態とする制御が可能となる。図６に示す状態では、ミラー４１３を静止状態にできる最大の回動角度θは、θ2より大きく、３つの点線と６つの曲線とのいずれの交点より、大きい値となっている。
【００８１】
なお、図４では、例えば、一対のストッパー４３４とこれより高い一対のストッパー４３３とを、各々備えるようにしたが、これに限るものではない。
例えば、図７に示すように、ミラー４１３の中心部に近いほど、基板４０１からの高さがなだらかに低くなっている一対のストッパー７３２により、図４に示すストッパー４３３とストッパー４３４とを組み合わせた効果を得るようにしても良い。ストッパー７３２の高い部分は、可動枠４１１の下部に配置し、ストッパー７３２の低い部分は、可動枠４１２の下部に配置する。
【００８２】
また、図８に示すように、ミラー４１３の中心部に近い方に、基板４０１からの高さが低い部分を備えた一対のストッパー８３２により、図４に示すストッパー４３３とストッパー４３４とを組み合わせた効果を得るようにしても良い。ストッパー８３２の高い部分は、可動枠４１１の下部に配置し、ストッパー８３２の低い部分は、可動枠４１２の下部に配置する。
【００８３】
ところで、図９に示すように、ミラー１１１に近づくほどミラー１１１の中央部に向かって細くなるように積層された複数の構造体からなる制御電極９０４，９０５を、ミラー１１１の下部に配置するようにしても良い。制御電極９０４，９０５は、図１に示す制御電極１０４，１０５に対応している。図１に示す制御電極１０２，１０３も、同様の構成としても良い。
【００８４】
また、図１０に示すように、ミラー１１１の下にあたる領域内でかつ制御電極９０４，９０５の外側の領域に、センサ電極９５４，９５５を設けるようにしても良い。図１０に示す光スイッチ装置は、基板１０１に、各制御電極の駆動電圧を制御する制御回路１００１と、センサ電極９５４，９５５に接続するセンサ回路１００２，１００３を備える。本光スイッチ装置は、ミラー１１１が所定の角度に回動した状態を、センサ電極９５４，９５５及びセンサ回路１００２，１００３により検出するようにしたものである。
【００８５】
これらの構成により検出したミラー１１１の回動角度の情報を、制御回路１００１に帰還させることで、ミラー１１１の回動角度をより高い精度で制御できる。例えば、センサ電極９５４とこの上部のミラー１１１の部分との間の距離に応じた信号をセンサ回路１００２より制御回路１００１に対して出力すればよい。なお、センサ電極９５４，９５５は、連結部１２１，１２２が配置されている回動軸の下に配置すればよい。また、図示していないが、図１に示す連結部１２３，ミラー連結部１２４が配置されている回動軸の下に、一対のセンサ電極を設け、各々センサ回路に接続し、上述と同様にしても良い。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、ミラーと同じ回動軸で回動する可動枠の可動範囲の下にあたる基板の上にストッパーを設け、可動枠の回動がストッパーにより制限されるまでは、ミラーは連結部材とミラー連結部材の両方がねじれることで回動し、可動枠の回動がストッパーにより停止されると、ミラーはミラー連結部材がねじれることで回動するようにした。
この結果、本発明によれば、ミラーの回動の状態をミラーの回動動作の途中で変化させることが可能となり、電極などの基板の上に固定されている部材に接触しない範囲で、ミラーをより大きな回動角度で静止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】
【図１】 本発明の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図２】 図１の光スイッチ装置の動作例を示す概略的な断面図である。
【図３】 ミラーに生じる回転モーメントＭ及び連結部のねじれにより発する回転モーメントと、ミラーの回動角度との関係を、直線（実線）で示した特性図である。
【図４】 本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図５】 図４の光スイッチ装置の動作例を示す概略的な断面図である。
【図６】 ミラーに生じる回転モーメントＭ及び連結部のねじれにより発する回転モーメントと、ミラーの回動角度との関係を、直線（実線）で示した特性図である。
【図７】 本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図である。
【図８】 本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図である。
【図９】 本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図である。
【図１０】 本発明の他の実施の形態における光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図である。
【図１１】 従来よりある光スイッチ装置の構成例を示す概略的な断面図（ａ），平面図（ｂ）である。
【図１２】 ミラーに生じる回転モーメントＭ及び連結部のねじれにより発する回転モーメントと、ミラーの回動角度との関係を、直線（実線）で示した特性図である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２，１０３，１０４，１０５…制御電極、１０６…支持部材、１０７…枠部、１０８，１０９，１１０…可動枠、１１１…ミラー、１２１，１２２，１２３…連結部、１２４…ミラー連結部、１３１，１３２…ストッパー。
Claims (18)
- 支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、
この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、
この第１可動枠の開口領域内で前記第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対の第２連結部材を介して前記第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、
この第２可動枠の開口領域内で前記第２回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して前記第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、
前記第１回動軸の上で前記第２可動枠の可動範囲の下にあたる前記基板の上に設けられた前記第２可動枠の前記基板の方向への回動範囲を制限するストッパーと
を少なくとも備え、
前記ミラーの回動により前記反射部を変位させて光スイッチ動作を行うことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項１記載の光スイッチ装置において、
前記ストッパーは、前記第１回動軸の上の２カ所に各々設けられている
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項１または２記載の光スイッチ装置において、
前記第２連結部材及びミラー連結部材は、各々前記第２可動枠及びミラーの回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、
前記ミラー連結部材のねじれによるバネ定数は、前記第２連結部材のねじれによるバネ定数より大きい
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、
この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、
この第１可動枠の開口領域内で前記第１回動軸を通る一対の第２連結部材を介して前記第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、
この第２可動枠の開口領域内で前記第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して前記第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、
前記第２回動軸の上で前記第１可動枠の可動範囲の下にあたる前記基板の上に設けられた前記第１可動枠の前記基板の方向への回動範囲を制限するストッパーと
を少なくとも備え、
前記ミラーの回動により前記反射部を変位させて光スイッチ動作を行うことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項４記載の光スイッチ装置において、
前記ストッパーは、前記第２回動軸の上の２カ所に各々設けられている
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項４または５記載の光スイッチ装置において、
前記第１連結部材及び第２連結部材は、各々前記第１可動枠及び第２可動枠の回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、
前記第２連結部材のねじれによるバネ定数は、前記第１連結部材のねじれによるバネ定数より大きい
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、
この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、
この第１可動枠の開口領域内で前記第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対の第２連結部材を介して前記第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、
この第２可動枠の開口領域内で前記第２回動軸を通る一対の第３連結部材を介して前記第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第３可動枠と、
この第３可動枠の開口領域内で前記第２回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して前記回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、
前記第１回動軸の上で前記第２可動枠の可動範囲の下にあたる前記基板の上に設けられた前記第２可動枠の前記基板の方向への回動範囲を制限する第１ストッパーと、
前記第１回動軸の上で前記第３可動枠の可動範囲の下にあたる前記基板の上に設けられた前記第３可動枠の前記基板の方向への回動範囲を制限する前記第１ストッパーより低い第２ストッパーと
を少なくとも備え、
前記ミラーの回動により前記反射部を変位させて光スイッチ動作を行うことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項７記載の光スイッチ装置において、
前記第１ストッパーは、前記第１回動軸の上の２カ所に各々設けられている
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項７記載の光スイッチ装置において、
前記第２ストッパーは、前記第１回動軸の上の２カ所に各々設けられている
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項７記載の光スイッチ装置において、
前記第１ストッパーと前記第２ストッパーは、一体に形成されている
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項１０記載の光スイッチ装置において、
一体に形成された前記第１ストッパー及び第２ストッパーは、前記第１回動軸の上の２カ所に各々設けられている
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項７〜１１のいずれか１項に記載の光スイッチ装置において、
前記第２連結部材，第３連結部材，及びミラー連結部は、各々前記第２可動枠，第３可動枠，及びミラーの回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、
前記第３連結部材のねじれによるバネ定数は、前記第２連結部材のねじれによるバネ定数より大きく、
前記ミラー連結部材のねじれによるバネ定数は、前記第３連結部材のねじれによるバネ定数より大きい
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 支持部材を介して基板の上に離間して支持された枠部材と、
この枠部材の開口領域内で一対の第１連結部材を介してこれらを通る第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第１可動枠と、
この第１可動枠の開口領域内で前記第１回動軸を通る一対の第２連結部材を介して前記第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第２可動枠と、
この第２可動枠の開口領域内で前記第１回動軸を通る一対の第３連結部材を介して前記第１回動軸を中心に回動可能に支持されかつ開口領域を有する板状の第３可動枠と、
この第３可動枠の開口領域内で前記第１回動軸とは異なる第２回動軸を通る一対のミラー連結部材を介して前記第２回動軸を中心に回動可能に支持されかつ光を反射する反射部を有するミラーと、
前記第２回動軸の上で前記第１可動枠の可動範囲の下にあたる前記基板の上に設けられた前記第１可動枠の前記基板の方向への回動範囲を制限する第１ストッパーと、
前記第２回動軸の上で前記第２可動枠の可動範囲の下にあたる前記基板の上に設けられた前記第２可動枠の前記基板の方向への回動範囲を制限する前記第１ストッパーより低い第２ストッパーと
を少なくとも備え、
前記ミラーの回動により前記反射部を変位させて光スイッチ動作を行うことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項１３記載の光スイッチ装置において、
前記第１ストッパーは、前記第２回動軸の上の２カ所に各々設けられている
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項１３記載の光スイッチ装置において、
前記第２ストッパーは、前記第２回動軸の上の２カ所に各々設けられている
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項１３記載の光スイッチ装置において、
前記第１ストッパーと前記第２ストッパーは、一体に形成されている
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項１６記載の光スイッチ装置において、
一体に形成された前記第１ストッパー及び第２ストッパーは、前記第２回動軸の上の２カ所に各々設けられている
ことを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の光スイッチ装置において、
前記第１連結部材，第２連結部材，及び第３連結部は、各々前記第１可動枠，第２可動枠，及び第３可動枠の回動によりねじれを受けて弾性変形するばね部材であり、
前記第２連結部材のねじれによるバネ定数は、前記第１連結部材のねじれによるバネ定数より大きく、
前記第３連結部材のねじれによるバネ定数は、前記第２連結部材のねじれによるバネ定数より大きい
ことを特徴とする光スイッチ装置。
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