JP4537429B2 - ミラー制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、通信用の光スイッチ等に使用されるミラー制御装置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（ＷＤＭ）化および低コスト化を実現する技術として、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術が脚光を浴びており、この技術を用いて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型の光スイッチの構成部品として最も特徴的なものがミラーアレイであり、ミラーアレイは複数のミラー制御装置を２次元的にマトリクス状に配設したものである。図１は本発明の第１の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図、図２は図１のミラー制御装置の断面図であるが、従来のミラー制御装置においても機械的な構成は同様であるので、図１、図２を用いて従来のミラー制御装置を説明する。

ミラー制御装置１００は、ミラーが形成されたミラー基板（上部基板）２００と、電極が形成された電極基板（下部基板）３００とが平行に配設された構造を有する。
ミラー基板２００は、平面視略円形の開口を有する板状の枠部２１０と、平面視略円形の開口を有し、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂにより枠部２１０の開口内に配設された可動枠２２０と、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂにより可動枠２２０の開口内に配設された平面視略円形のミラー２３０とを有する。枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は、例えば単結晶シリコンで一体形成されている。ミラー２３０の表面には例えば３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が形成されている。

一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂは、枠部２１０と可動枠２２０とを連結している。可動枠２２０は、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂを通る図１の可動枠回動軸ｘを軸として回動することができる。同様に、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂは、可動枠２２０とミラー２３０とを連結している。ミラー２３０は、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂを通る図１のミラー回動軸ｙを軸として回動することができる。可動枠回動軸ｘとミラー回動軸ｙとは、互いに直交している。結果として、ミラー２３０は、直交する２軸で回動する。

電極基板３００は、板状の基部３１０と、基部３１０の表面（上面）から突出し、対向するミラー基板２００のミラー２３０と対向する位置に形成された段丘状の突出部３２０を有する。基部３１０と突出部３２０は例えば単結晶シリコンからなる。突出部３２０は、基部３１０の上面に形成された角錐台の形状を有する第２テラス３２２と、この第２テラス３２２の上面に形成された角錐台の形状を有する第１テラス３２１と、この第１テラス３２１の上面に形成された柱状の形状を有するピボット３３０とから構成される。このピボット３３０は、第１テラス３２１のほぼ中央に位置するように形成される。これにより、ピボット３３０は、ミラー２３０の中心に対向する位置に配設される。

突出部３２０の四隅とこの四隅に続く基部３１０の上面には、対向するミラー基板２００のミラー２３０と同心の円内に４つの電極３４０ａ〜３４０ｄが形成されている。また、基部３１０の上面には、突出部３２０を挟むように並設された一対の凸部３６０ａ，３６０ｂが形成されている。さらに、基部３１０の上面の突出部３２０と凸部３６０ａおよび凸部３６０ｂとの間の箇所には、それぞれ配線３７０が形成されており、この配線３７０には、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して電極３４０ａ〜３４０ｄが接続されている。なお、基部３１０の表面には酸化シリコン等からなる絶縁層３１１が形成されており、この絶縁層３１１の上に電極３４０ａ〜３４０ｄ、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄ、配線３７０が形成されている。

以上のようなミラー基板２００と電極基板３００とは、ミラー２３０とこのミラー２３０に対応する電極３４０ａ〜３４０ｄとが対向配置されるように、枠部２１０の下面と凸部３６０ａ，３６０ｂの上面とを接合することにより、図２に示すようなミラー制御装置１００を構成する。このようなミラー制御装置においては、ミラー２３０を接地し、電極３４０ａ〜３４０ｄに正の電圧を与えて、しかも電極３４０ａ〜３４０ｄ間に非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー２３０を静電引力で吸引し、ミラー２３０を任意の方向へ回動させることができる。

特開２００３−５７５７５号公報

従来のミラー制御装置では、電極３４０ａ〜３４０ｄに直流電圧を印加するため、電極３４０ａ〜３４０ｄとミラー２３０との間に存在する浮遊容量（例えば絶縁層３１１）が電極３４０ａ〜３４０ｄへの電圧印加により分極し、あるいは何らかの理由で帯電し、これが徐々に放電あるいは充電されてミラー２３０の駆動力に影響を与えるため、ミラー２３０の動作時に、ミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄ間の電位が時間と共に変動して、ミラー２３０の傾斜角度が徐々に変動する現象、すなわちドリフトが発生してしまうという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ミラーのドリフトの発生を抑制することができるミラー制御装置を提供することを目的とする。

本発明のミラー制御装置は、回動可能に支持されたミラーと、このミラーから離間して配置された複数の電極と、駆動電圧を印加した電極と前記ミラーとの電位差が正電位である第１の区間と前記電位差が負電位である第２の区間とが少なくとも生じるように、前記駆動電圧として交流電圧を前記ミラーの所望の傾斜角に応じて生成して前記電極に印加する駆動電圧印加手段とを備え、前記駆動電圧印加手段は、前記駆動電圧として前記ミラーの所望の傾斜角に応じた振幅を有する矩形波の交流電圧を、前記電位差の平均直流成分が前記電極毎に略零となるように生成し、前記ミラーの傾斜角の正方向の力を発生する第１の電極と前記傾斜角の負方向の力を発生する第２の電極に対して、回転する方向の力を発生する電極への駆動電圧の振幅をもう一方の電極への駆動電圧の振幅よりも大きくするように変化させて前記電極に前記駆動電圧を同時に印加するものである。

また、本発明のミラー制御装置の１構成例において、前記駆動電圧印加手段は、前記第１の区間の増大と前記第２の区間の減少とが生じるか、あるいは前記第１の区間の減少と前記第２の区間の増大とが生じるように、前記第１の区間と前記第２の区間の時間比率を変化させるものである。
また、本発明のミラー制御装置の１構成例において、各区間の時間幅は、前記ミラーの傾斜動作の共振周波数の逆数より短いことが好ましい。

また、本発明のミラー制御装置の１構成例において、前記駆動電圧印加手段は、前記ミラーの傾斜角の正方向の力を発生する第１の電極と前記傾斜角の負方向の力を発生する第２の電極に対して、前記第１の電極への駆動電圧の振幅と前記第２の電極への駆動電圧の振幅とを、固定値を中心に前記傾斜角に応じて差動的に変化させるものである。

本発明によれば、駆動電圧を印加した電極とミラーとの電位差が正電位である第１の区間と電位差が負電位である第２の区間とが少なくとも生じるように、駆動電圧として交流電圧を生成して電極に印加することにより、電極とミラーとの間に存在する浮遊容量に溜まる電荷を零に近づけることができ、ミラーのドリフトの発生を抑制することができる。

また、本発明では、駆動電圧としてミラーの所望の傾斜角に応じた振幅の交流電圧を生成することにより、ミラーの傾斜角を制御することができる。

また、本発明では、第１、第２の区間に加えて、電位差が第１の区間の電位差と第２の区間の電位差との間の電位である第３の区間がさらに生じるように駆動電圧を生成し、第１、第２の区間の時間幅の和と第３の区間の時間幅との比率をミラーの所望の傾斜角に応じて変えることにより、ミラーの傾斜角を制御することができる。

また、本発明では、第３の区間が、電位差が第１の区間の電位差より小さい正電位である第４の区間と電位差が第２の区間の電位差より小さい負電位である第５の区間とからなるように、駆動電圧を生成することにより、ミラーのドリフトの発生を更に抑制することができる。

また、本発明では、第１の区間の増大と第２の区間の減少とが生じるか、あるいは第１の区間の減少と第２の区間の増大とが生じるように、第１の区間と第２の区間の時間比率を変化させることにより、ミラーのドリフトの発生を抑制することができる。

また、本発明では、第４の区間の増大と第５の区間の減少とが生じるか、あるいは第４の区間の減少と第５の区間の増大とが生じるように、第４の区間と第５の区間の時間比率を変化させることにより、ミラーのドリフトの発生を抑制することができる。

また、本発明では、各区間の時間幅を、ミラーの傾斜動作の共振周波数の逆数より短くすることにより、ミラーの振動を抑制することができる。結果として、本発明のミラー制御装置を光スイッチに用いた場合に、ミラーの振動による出力光のパワーの低下を防ぐことができる。

また、本発明では、第１、第４の区間において値が等しい電圧をミラーに印加し、第２、第５の区間において値が等しくかつ第１、第４の区間と逆極性の電圧をミラーに印加し、第４の区間と第５の区間で０となる駆動電圧を生成することにより、駆動電圧を生成するために必要な素子数を減らすことができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図、図２は図１のミラー制御装置の断面図である。ミラー制御装置１００は、ミラーが形成されたミラー基板（上部基板）２００と、電極が形成された電極基板（下部基板）３００とが平行に配設された構造を有する。

ミラー基板２００は、平面視略円形の開口を有する板状の枠部２１０と、平面視略円形の開口を有し、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂにより枠部２１０の開口内に配設された可動枠２２０と、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂにより可動枠２２０の開口内に配設された平面視略円形のミラー２３０とを有する。枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は、例えば単結晶シリコンで一体形成されている。ミラー２３０の表面には例えば３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が形成されている。

一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂは、枠部２１０と可動枠２２０とを連結している。可動枠２２０は、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂを通る図１の可動枠回動軸ｘを軸として回動することができる。
同様に、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂは、可動枠２２０とミラー２３０とを連結している。ミラー２３０は、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂを通る図１のミラー回動軸ｙを軸として回動することができる。可動枠回動軸ｘとミラー回動軸ｙとは、互いに直交している。結果として、ミラー２３０は、直交する２軸で回動する。

電極基板３００は、板状の基部３１０と、基部３１０の表面（上面）から突出し、対向するミラー基板２００のミラー２３０と対向する位置に形成された段丘状の突出部３２０を有する。基部３１０と突出部３２０は例えば単結晶シリコンからなる。突出部３２０は、基部３１０の上面に形成された角錐台の形状を有する第２テラス３２２と、この第２テラス３２２の上面に形成された角錐台の形状を有する第１テラス３２１と、この第１テラス３２１の上面に形成された柱状の形状を有するピボット３３０とから構成される。このピボット３３０は、第１テラス３２１のほぼ中央に位置するように形成される。これにより、ピボット３３０は、ミラー２３０の中心に対向する位置に配設される。

突出部３２０の四隅とこの四隅に続く基部３１０の上面には、対向するミラー基板２００のミラー２３０と同心の円内に４つの電極３４０ａ〜３４０ｄが形成されている。また、基部３１０の上面には、突出部３２０を挟むように並設された一対の凸部３６０ａ，３６０ｂが形成されている。さらに、基部３１０の上面の突出部３２０と凸部３６０ａおよび凸部３６０ｂとの間の箇所には、それぞれ配線３７０が形成されており、この配線３７０には、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して電極３４０ａ〜３４０ｄが接続されている。

以上のようなミラー基板２００と電極基板３００とは、ミラー２３０とこのミラー２３０に対応する電極３４０ａ〜３４０ｄとが対向配置されるように、枠部２１０の下面と凸部３６０ａ，３６０ｂの上面とを接合することにより、図２に示すようなミラー制御装置１００を構成する。
このようなミラー制御装置１００においては、ミラー２３０を接地し、電極３４０ａ〜３４０ｄに正の電圧を与えて、しかも電極３４０ａ〜３４０ｄ間に非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー２３０を静電引力で吸引し、ミラー２３０を任意の方向へ回動させることができる。

前述のとおり、枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は、導電性の材料（本実施の形態では単結晶シリコン）で一体形成されている。
一方、単結晶シリコン等からなる基部３１０の表面には酸化シリコン等からなる絶縁層３１１が形成されており、この絶縁層３１１の上に電極３４０ａ〜３４０ｄ、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄ、配線３７０が形成されている。

本実施の形態と従来のミラー制御装置との大きな相違点は、従来のミラー制御装置では電極３４０ａ〜３４０ｄに直流の駆動電圧を印加しているのに対して、本実施の形態では電極３４０ａ〜３４０ｄに駆動電圧として平均直流成分が略零の交流電圧を印加する点である。以下、本実施の形態と従来のミラー制御装置との相違点についてより詳細に説明する。図３は本実施の形態のミラー制御装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。

ミラー電圧印加部４００は、枠部２１０とトーションバネ２１１ａ，２１１ｂと可動枠２２０とトーションバネ２２１ａ，２２１ｂとを介してミラー２３０に接地電位を印加する。
駆動電圧印加部４０１は、駆動電圧として平均直流成分が電極３４０ａ〜３４０ｄ毎に略零となる交流電圧をミラー２３０の所望の傾斜角に応じて電極３４０ａ〜３４０ｄ毎に生成して印加する。電極３４０ａ〜３４０ｄには、それぞれ引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して駆動電圧が印加される。これにより、ミラー２３０は、電極３４０ａ〜３４０ｄそれぞれとの間の電位差に応じた方向に回動する。

ミラー２３０の駆動力となる静電引力は、駆動電圧の二乗に比例するため、駆動電圧として正負どちらの電圧を印加しても静電引力に変わりはない。すなわち、電極３４０ａ〜３４０ｄに駆動電圧として直流電圧と同じ大きさで正負を交互に入れ替えた矩形波電圧を印加したとしても、電極３４０ａ〜３４０ｄとミラー２３０との間に発生する静電引力としては、電極３４０ａ〜３４０ｄに直流電圧を印加した場合と変わりはない。

図４（Ａ）は電極３４０ｂに印加する駆動電圧の１例を示す波形図、図４（Ｂ）は電極３４０ｄに印加する駆動電圧の１例を示す波形図である。ここで、駆動電圧を印加した電極とミラー２３０との電位差が正電位である区間を第１の区間（図４（Ａ）、図４（Ｂ）の例では正の駆動電圧が印加されている区間）、電位差が負電位である区間を第２の区間（図４（Ａ）、図４（Ｂ）の例では負の駆動電圧が印加されている区間）と呼ぶ。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）の例では、電極３４０ｂ，３４０ｄに同位相、同電圧印加時間幅で振幅が異なる交流電圧を印加している。電極３４０ｂに印加される交流電圧の方が振幅が大きいために、ミラー２３０と電極３４０ｂとの間の静電力と、ミラー２３０と電極３４０ｄとの間の静電力に差が生じて、ミラー２３０は電極３４０ｂ側に引き寄せるようにミラー回動軸ｙの周りを回動する。ミラー２３０の周波数応答が理想的（直流電圧によって駆動した場合と、矩形波電圧によって駆動した場合で、同じミラーの傾斜角を与える）な場合、図４（Ａ）の矩形波の振幅をＶｂ（−Ｖｂ〜＋Ｖｂで振動）、図４（Ｂ）の矩形波の振幅をＶｄ（−Ｖｄ〜＋Ｖｄで振動）とすると、図４（Ａ）の駆動電圧を電極３４０ｂに、図４（Ｂ）の駆動電圧を電極３４０ｄに与えたときのミラー２３０の傾斜角は、電極３４０ｂにＶｂ（あるいは−Ｖｂ）、電極３４０ｄにＶｄ（あるいは−Ｖｄ）の直流電圧を与えた場合と同じ傾斜角となる。

一方、電極３４０ａ〜３４０ｄに印加される駆動電圧によって浮遊容量（例えば絶縁層３１１）に溜まる電荷の正負は、駆動電圧の正負によって異なる。したがって、電極３４０ａ〜３４０ｄに駆動電圧として平均直流成分が電極３４０ａ〜３４０ｄ毎に略零となる交流電圧（正負の電圧印加時間幅が略等しく、かつ正負の振幅が略等しい交流電圧）を印加すれば、浮遊容量に溜まる電荷の充電は交流電圧に応じた正負で相殺し合うため、浮遊容量に溜まる電荷は平均的に見れば零に近づく。結果として、本実施の形態では、浮遊容量に溜まる電荷を要因とするミラー２３０のドリフトの発生を抑制することができる。

本実施の形態のように電極に印加する駆動電圧の振幅を変化させる場合、駆動電圧の振幅とミラー２３０の傾斜角との関係は、駆動電圧が直流の場合とほぼ同様の特性を示す。したがって、ミラー２３０の傾斜角の制御方法は、駆動電圧が直流の場合と同様の制御方法を用いるのが良い。

電極３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄに印加する駆動電圧の振幅をそれぞれＶａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄとすると、駆動電圧はたとえば次のように表すことができる。
Ｖａ＝Ｖｏ＋Ｖｘ ・・・（１）
Ｖｂ＝Ｖｏ＋Ｖｙ ・・・（２）
Ｖｃ＝Ｖｏ−Ｖｘ ・・・（３）
Ｖｄ＝Ｖｏ−Ｖｙ ・・・（４）

ここで、Ｖｏは固定値のバイアス電圧である。バイアス電圧Ｖｏには、駆動電圧の振幅とミラー２３０の傾斜角との間の線形性を向上させる効果がある。Ｖｘはミラー２３０の回動軸ｘ廻りの傾斜角θｘに１対１に対応する操作量、Ｖｙはミラー２３０の回動軸ｙ廻りの傾斜角θｙに１対１に対応する操作量である。操作量Ｖｘ，Ｖｙを操作することで、ミラー２３０を任意の方向に回動させることができる。

ミラー２３０を実際に制御する際には、駆動電圧印加部４０１が以下のような処理を行う。つまり、駆動電圧印加部４０１は、予めミラー２３０の傾斜角と駆動電圧の振幅及びデューティー比（本実施の形態ではデューティー比は一定）との関係が設定されたテーブル４０２を内部に備えており、ミラー２３０の所望の傾斜角に対応する駆動電圧の振幅及びデューティー比の値をテーブル４０２から取得して、取得した振幅及びデューティー比の駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する。

［第１参考例］
次に、本発明の第１参考例について説明する。第１の実施の形態では、交流電圧の振幅でミラー２３０の傾斜角を制御したが、交流電圧のデューティー比でミラー２３０の傾斜角を制御するようにしてもよい。本参考例においてもミラー制御装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１、図２、図３の符号を用いて本参考例の動作を説明する。

図５（Ａ）は電極３４０ｂに印加する駆動電圧の１例を示す波形図、図５（Ｂ）は電極３４０ｄに印加する駆動電圧の１例を示す波形図である。ここで、駆動電圧を印加した電極とミラー２３０との電位差が正電位である区間を第１の区間（図５（Ａ）、図５（Ｂ）の例では正の駆動電圧が印加されている区間）、電位差が負電位である区間を第２の区間（図５（Ａ）、図５（Ｂ）の例では負の駆動電圧が印加されている区間）、電位差が第１の区間の電位差と第２の区間の電位差との間の電位である区間を第３の区間（図５（Ａ）、図５（Ｂ）の例では駆動電圧が０の区間）と呼ぶ。

本参考例の駆動電圧印加部４０１は、第１の実施の形態と同様に、駆動電圧として平均直流成分が電極３４０ａ〜３４０ｄ毎に略零となる交流電圧をミラー２３０の所望の傾斜角に応じて電極３４０ａ〜３４０ｄ毎に生成して印加するが、例えば図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように電極３４０ｂ，３４０ｄに同位相、同振幅でデューティー比（交流電圧の周期に対して正負の電圧幅が占める割合）が異なる交流電圧を印加する。

駆動電圧印加部４０１は、予めミラー２３０の傾斜角と駆動電圧のデューティー比及び振幅（本参考例では振幅は一定）との関係が設定されたテーブル４０２を内部に備えており、ミラー２３０の所望の傾斜角に対応する駆動電圧のデューティー比及び振幅の値をテーブル４０２から取得して、取得したデューティー比及び振幅の駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄに印加すればよい。図５（Ａ）、図５（Ｂ）の例では、電極３４０ｂに印加される交流電圧の方がデューティー比が大きいために、ミラー２３０と電極３４０ｂとの間の静電力と、ミラー２３０と電極３４０ｄとの間の静電力に差が生じて、ミラー２３０は電極３４０ｂ側に引き寄せるようにミラー回動軸ｙの周りを回動する。
こうして、本参考例においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図６は、本参考例の効果を説明するための図である。図６は、駆動電圧として矩形波を電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する際に、第１の実施の形態のように駆動電圧の振幅制御を行った場合のミラー２３０の傾斜角と最大振幅に対する駆動電圧の振幅の割合との関係、及び本参考例のように駆動電圧のデューティー比制御を行った場合のミラー２３０の傾斜角と最大パルス幅に対する駆動電圧のパルス幅の割合との関係を表す実測例である。図６におけるＡは駆動電圧の振幅制御を行った場合の特性、Ｄは駆動電圧のデューティ比制御を行った場合の特性、Ｃは直流電圧による制御を行った場合の特性である。

図６によると、第１の実施の形態のように駆動電圧の振幅制御を行った場合、駆動電圧の振幅の割合に対してミラー２３０の傾斜角は非線形に変化していることが分かる。これは、ミラー２３０の角度制御が難しいことを意味している。一方、本参考例のように駆動電圧のデューティ比制御を行うと、駆動電圧のパルス幅の割合に対してミラー２３０の傾斜角が線形に近い変化をしていることが分かる。したがって、本参考例によれば、従来のように直流の駆動電圧で制御する場合や第１の実施の形態の場合に比べて、ミラー２３０の角度制御をより簡便に行うことができる。

次に、本参考例でのミラー２３０の傾斜角の制御方法について説明する。本参考例では、電極に印加する駆動電圧のデューティー比でミラー２３０の傾斜角を制御する。電極３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄに印加する駆動電圧のパルス幅をそれぞれＰＷａ，ＰＷｂ，ＰＷｃ，ＰＷｄとする。ＰＷａ，ＰＷｂ，ＰＷｃ，ＰＷｄの範囲は０から１までで、０の時は電圧出力がない状態で１の時はデューティー比５０％の矩形波を表す。

図７（Ａ）はＰＷａ＝１のときの電極３４０ａへの駆動電圧を示す波形図、図７（Ｂ）はＰＷａ＝０．５のときの電極３４０ａへの駆動電圧を示す波形図、図７（Ｃ）はＰＷａ＝０のときの電極３４０ａへの駆動電圧を示す波形図である。駆動電圧のパルス幅ＰＷａ，ＰＷｂ，ＰＷｃ，ＰＷｄは、たとえば次のように表すことができる。
ＰＷａ＝ＰＷｏ＋ＰＷｘ ・・・（５）
ＰＷｂ＝ＰＷｏ＋ＰＷｙ ・・・（６）
ＰＷｃ＝ＰＷｏ−ＰＷｘ ・・・（７）
ＰＷｄ＝ＰＷｏ−ＰＷｙ ・・・（８）

ここで、ＰＷｏは固定値のバイアスパルス幅である。バイアスパルス幅ＰＷｏには、駆動電圧のパルス幅とミラー２３０の傾斜角との間の線形性を向上させる効果がある。ＰＷｘはミラー２３０の回動軸ｘ廻りの傾斜角θｘに１対１に対応する操作量、ＰＷｙはミラー２３０の回動軸ｙ廻りの傾斜角θｙに１対１に対応する操作量である。操作量ＰＷｘ，ＰＷｙを操作することで、ミラー２３０を任意の方向に回動させることができる。

ただし、図６で説明したように駆動電圧のデューティ比を制御する場合は、駆動電圧のパルス幅とミラー２３０の傾斜角との線形性が高いという特徴がある。したがって、各軸とも電極とミラー２３０が近づく方向の電極のみ駆動電圧のパルス幅を制御してもよい。その場合、駆動電圧のパルス幅ＰＷａ，ＰＷｂ，ＰＷｃ，ＰＷｄは、次のように表すことができる。

ＰＷａ＝ＰＷｘ （ＰＷｘ＞０） ・・・（９）
ＰＷａ＝０ （ＰＷｘ≦０） ・・・（１０）
ＰＷｂ＝ＰＷｙ （ＰＷｙ＞０） ・・・（１１）
ＰＷｂ＝０ （ＰＷｙ≦０） ・・・（１２）
ＰＷｃ＝ＰＷｘ （ＰＷｘ＜０） ・・・（１３）
ＰＷｃ＝０ （ＰＷｘ≧０） ・・・（１４）
ＰＷｄ＝ＰＷｙ （ＰＷｙ＜０） ・・・（１５）
ＰＷｄ＝０ （ＰＷｙ≧０） ・・・（１６）

このように、本参考例では、第１、第２の区間の時間幅の和と第３の区間の時間幅との比率をミラー２３０の傾斜角に応じて変える。ミラー２３０を実際に制御する際には、駆動電圧印加部４０１が以下のような処理を行う。つまり、駆動電圧印加部４０１は、ミラー２３０の所望の傾斜角に対応する駆動電圧のパルス幅及び振幅（本参考例では振幅は一定）の値をテーブル４０２から取得して、取得したパルス幅及び振幅の駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する。

なお、第１の実施の形態、第１参考例において、電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する交流電圧は、ミラー２３０を駆動する力を大きくできるという点で矩形波が好ましいが、矩形波以外の正弦波や三角波などでもよい。
前述のとおり、ミラー２３０は駆動電圧の二乗に比例する静電引力によって駆動されるため、駆動電圧として矩形波の交流電圧を用いる場合、理想的には直流電圧による駆動と同一になる。

しかし、駆動電圧印加部４０１に用いる電圧アンプのスルーレートなどの制限により、実際の駆動電圧は図８（Ａ）のような台形となる。これは、ミラー２３０を駆動する力の点から見れば、図８（Ｂ）のような波形の駆動電圧を印加した場合と等価である。このため、駆動電圧として矩形波の交流電圧を用いる場合、ミラー２３０を駆動する静電引力には、交流電圧の２倍の周期で力が零になる点（図８（Ｂ）において電圧が零まで低下する点）が発生する。このような静電引力の周期的な低下にミラー２３０が応答すると、ミラー２３０に振動が発生することになる。

このようなミラー２３０の振動を防止するには、駆動電圧として電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する交流電圧の周波数がミラー２３０の共振周波数よりも高くなるようにしておけばよい。
図９の例は、第１の実施の形態、第１参考例のミラー制御装置を用いた光スイッチにおいて、入出力ポート間のパスの接続を行った場合の出力光のパワーとミラー制御装置の駆動電圧の周波数との関係を示す実測例である。図９において、ｆ３はミラー制御装置の駆動電圧の使用可能周波数の下限値を示している。

光スイッチでは、入力ポートと出力ポートとの間に複数のミラー制御装置を２次元的に配置したミラーアレイを設け、各ミラー制御装置のミラー２３０の傾斜角を適当に制御することにより、入力ポートから出射した光をミラー２３０で反射させて任意の出力ポートに入射させることができ、任意の入力ポートと出力ポートとの間を接続することができる。

図９の例では、ミラー２３０の共振周波数は２００Ｈｚ付近のｆ１と５５０Ｈｚ付近のｆ２の２つがある。ミラー２３０の共振周波数が２つ現れる理由は、回動軸ｘ周りの回動と回動軸ｙ周りの回動のそれぞれでミラー２３０が共振点を有するためである。前述のとおり、共振周波数ｆ１，ｆ２の付近ではミラー２３０が駆動電圧に応じて振動するため、ミラー２３０の反射光が出力ポートに入射しにくくなり、出力ポートに入射する出力光のパワーが大幅に下がる。そこで、ミラー２３０の最も高い共振周波数ｆ２の例えば２倍以上の値（図９の例では約１ｋＨｚ）に駆動電圧の周波数を設定すれば、ミラー２３０が静電引力の周期的な低下に応答しなくなり、振動しにくくなるので、ミラー２３０の振動による出力光のパワーの低下を防ぐことができる。第１の実施の形態、第１参考例の場合は、第１の区間、第２の区間、第３の区間の各区間の時間幅が、ミラー２３０の傾斜動作の共振周波数の逆数より短くなるようにすればよい。

また、第１の実施の形態、第１参考例では、電極３４０ｂ，３４０ｄに駆動電圧を印加する場合について説明したが、どの電極に駆動電圧を印加するかはミラー２３０をどの方向に回動させるかで決まるので、駆動電圧の印加の仕方は図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示した例に限らないことは言うまでもない。
また、第１の実施の形態、第１参考例を組み合わせて、ミラー２３０の所望の傾斜角に応じて駆動電圧の振幅とデューティー比の両方を変えるようにしてもよい。

［第２参考例］
次に、本発明の第２参考例について説明する。本参考例においてもミラー制御装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１、図２、図３の符号を用いて本参考例の動作を説明する。第１参考例では、電極３４０ａ〜３４０ｄに印加に印加する駆動電圧のデューティー比を調整することにより、ミラー２３０の傾斜角を調節している。

図１０（Ａ）は第１参考例において電極３４０ａ〜３４０ｄのいずれかに印加する駆動電圧の１例を示す波形図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の駆動電圧を印加した電極とミラー２３０との間に発生する静電力を示す図である。第１の実施の形態、第１参考例で説明したとおり、ミラー２３０には接地電位が印加されている。

ここで、駆動電圧を印加した電極とミラー２３０との電位差が正電位である区間を第１の区間（図１０（Ａ）の例では駆動電圧＋Ｖ１が印加されている区間）、電位差が負電位である区間を第２の区間（図１０（Ａ）の例では駆動電圧−Ｖ１が印加されている区間）、電位差が第１の区間の電位差と第２の区間の電位差との間の電位である区間を第３の区間（図１０（Ａ）の例では駆動電圧が０の区間）と呼ぶ。

図１０（Ａ）の場合、電極に加わる駆動電圧は、＋Ｖ１、０、−Ｖ１の３つの電圧値が周期的に繰り返す波形となる。電極とミラー２３０との間に発生する静電力は、駆動電圧の二乗に比例する。このため、＋Ｖ１または−Ｖ１の駆動電圧が印加されている第１、第２の区間においては、＋Ｖ１または−Ｖ１の一方の駆動電圧印加時に浮遊電荷により増加した静電力分と他方の駆動電圧印加時に浮遊電荷により減少した静電力分がほぼ同じであると見ることができる。したがって、第１、第２の区間においては、例えば絶縁層３１１に存在する浮遊電荷の影響を排除することが可能である。

しかし、駆動電圧が０のときは相殺するものがないため、浮遊電荷の増加と共に、駆動電圧が図１０（Ａ）に示した値から図１１（Ａ）に示す値へと変動する。図１１（Ａ）において、δＶは浮遊電荷による静電力を駆動電圧の増加分に換算した電圧である。この結果、電極とミラー２３０との間に発生する静電力は、図１１（Ｂ）に示すようになる。図１１（Ｂ）において、斜線部１３０は浮遊電荷の影響が相殺される部分、斜線部１３１は浮遊電荷の影響が残る部分である。このように、第１参考例においては、電極３４０ａ〜３４０ｄに直流電圧を印加する場合に比べれば小さくなるものの、ミラー２３０のドリフトが発生する可能性がある。ドリフトが発生する要因は、駆動電圧が０である時間が存在するためだと考えられる。

そこで、本参考例の駆動電圧印加部４０１は、図１２に示すような交流電圧をミラー２３０の所望の傾斜角に応じて電極３４０ａ〜３４０ｄ毎に生成して印加する。図１２は電極３４０ａ〜３４０ｄのいずれかに印加する駆動電圧の１例を示している。すなわち、本参考例では、図１０（Ａ）に示した駆動電圧が０の第３の区間を駆動電圧が＋Ｖ２の区間と−Ｖ２の区間の２つに分割する。

以下、分割した２つの区間のうち、駆動電圧を印加した電極とミラー２３０との電位差が第１の区間の電位差より小さい正電位である区間を第４の区間（図１２の例では駆動電圧＋Ｖ２が印加されている区間）、電位差が第２の区間の電位差より小さい負電位である区間を第５の区間（図１２の例では駆動電圧−Ｖ２が印加されている区間）と呼ぶ。

ミラー２３０の角度制御は、＋Ｖ１を印加している第１の区間と＋Ｖ２を印加している第４の区間の時間比率を変えることによって行うことが可能である。負電圧側についても同様に、−Ｖ１を印加している第２の区間と−Ｖ２を印加している第５の区間の時間比率を変えることによって、ミラー２３０の角度制御を行うことが可能である。
このように、本参考例では、駆動電圧が０であった区間を正負の駆動電圧の区間に分けることによって、浮遊電荷の影響を排除することができ、第１参考例に比べてミラー２３０のドリフトの発生を更に抑制することができる。

駆動電圧＋Ｖ１、−Ｖ１、＋Ｖ２、−Ｖ２の大小関係は、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜の関係を満たせば良い。ただし、｜Ｖ１｜と｜Ｖ２｜が近い電圧値をとると、これら２つの駆動電圧の時間比率を変化させた時の静電力の変化が小さいため、ミラー２３０の角度制御が困難になる。駆動電圧＋Ｖ２、−Ｖ２は、浮遊電荷の影響を抑えることを目的とする電圧であるため、浮遊電荷相当の電圧値以上であれば良い。

また、４値の駆動電圧を印加する順番はどのようになってもよい。例えば図１３に示すように、＋Ｖ１、＋Ｖ２、−Ｖ１、−Ｖ２の順でもよいし、＋Ｖ１、−Ｖ１、＋Ｖ２、−Ｖ２の順でもよい。

また、本参考例では、第１の区間の電位差の絶対値と第２の区間の電位差の絶対値が共に｜Ｖ１｜で等しく、第４の区間の電位差の絶対値と第５の区間の電位差の絶対値が共に｜Ｖ２｜で等しい。しかし、第１の区間の電位差の絶対値と第２の区間の電位差の絶対値は等しいことが望ましいが、一致していなくてもよく、同様に第４の区間の電位差の絶対値と第５の区間の電位差の絶対値は等しいことが望ましいが、一致していなくてもよい。一致していなくても同様の効果を得ることができる。

次に、本参考例でのミラー２３０の傾斜角の制御方法について説明する。本参考例のように４値の駆動電圧を用いてミラー２３０の傾斜角を制御する場合は、例えば電極３４０ａに駆動電圧＋Ｖ１又は−Ｖ１を印加している区間と駆動電圧＋Ｖ２又は−Ｖ２を印加している区間との時間比率をＰＲａとしたとき、この時間比率ＰＲａの範囲を０から１とすればよい。

図１４（Ａ）はＰＲａ＝１のときの電極３４０ａへの駆動電圧を示す波形図、図１４（Ｂ）はＰＲａ＝０．５のときの電極３４０ａへの駆動電圧を示す波形図、図１４（Ｃ）はＰＲａ＝０のときの電極３４０ａへの駆動電圧を示す波形図である。図１４（Ｃ）に示すようにＰＲａ＝０のときは駆動電圧は＋Ｖ２又は−Ｖ２のみとなり、ＰＲａ＝０．５のときは駆動電圧＋Ｖ１又は−Ｖ１を印加している区間と駆動電圧＋Ｖ２又は−Ｖ２を印加している区間の時間幅が等しくなり、ＰＲａ＝１のときは駆動電圧は＋Ｖ１又は−Ｖ１のみとなる。制御方法に関しては第１参考例で用いたＰＷａと同様の方法を用いればよい。

ミラー２３０を実際に制御する際には、駆動電圧印加部４０１が以下のような処理を行う。つまり、駆動電圧印加部４０１は、ミラー２３０の所望の傾斜角に対応する駆動電圧の振幅及び時間幅の値をテーブル４０２から取得して、取得した振幅及び時間幅の駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する。

［第３参考例］
次に、本発明の第３参考例について説明する。第２参考例で説明した４値の駆動電圧を実現するためには、スイッチング素子を利用することで実現可能であるが、素子数を減らすためには、ミラー２３０に電圧を加える方法がある。本参考例においてもミラー制御装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１、図２、図３の符号を用いて本参考例の動作を説明する。

本参考例のミラー電圧印加部４００は、枠部２１０とトーションバネ２１１ａ，２１１ｂと可動枠２２０とトーションバネ２２１ａ，２２１ｂとを介してミラー２３０に図１５（Ａ）に示すような振幅Ｖ２の矩形波電圧を印加する。

一方、駆動電圧印加部４０１は、ミラー２３０に印加した矩形波と同じ周波数で位相を反転させた駆動電圧を印加する。図１５（Ｂ）は、本参考例において電極３４０ａ〜３４０ｄのいずれかに印加する駆動電圧の１例を示す波形図である。駆動電圧の振幅は（Ｖ１−Ｖ２）とする。この結果、駆動電圧を印加した電極とミラー２３０との間の実効的な電位差は、図１５（Ｃ）に示すようになる。この電位差は、ミラー２３０を接地電位にして電極に図１２、図１３のような駆動電圧を印加する場合に生じる電位差と同等である。

本参考例では、電極に印加する駆動電圧＋（Ｖ１−Ｖ２）の時間幅と駆動電圧−（Ｖ１−Ｖ２）の時間幅を制御することにより、ミラー２３０の傾きを変えることできる。
こうして、本参考例では、第２参考例と同様の効果を得ることができる。ミラー２３０に印加する矩形波電圧は、第１の区間（図１５（Ｃ）の例では電位差が＋Ｖ１の区間）と第４の区間（図１５（Ｃ）の例では電位差が＋Ｖ２の区間）で電圧値が等しく、第２の区間（図１５（Ｃ）の例では電位差が−Ｖ１の区間）と第５の区間（図１５（Ｃ）の例では電位差が−Ｖ２の区間）で電圧値が等しい。電極への駆動電圧は、第１の区間において＋（Ｖ１−Ｖ２）、第２の区間において−（Ｖ１−Ｖ２）、第４、第５の区間において０である。

また、本参考例では、ミラー２３０には固定の矩形波を印加するだけでよいため、例えば１つ以上のミラー２３０をアレイ状に並べて使用する場合などは、全てのミラー２３０に同様の矩形波を入れればよいため、スイッチング素子の数を減らすことができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態においてもミラー制御装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１、図２、図３の符号を用いて本実施の形態の動作を説明する。本実施の形態では、ミラー２３０のドリフトを抑制する方法として、正負の駆動電圧の時間比率を調整する方法を用いる。

ミラー２３０を所望の角度に回動させるには、図１６（Ａ）に示すように電極に印加する正負の駆動電圧の時間比率を１：１にすればよい。しかし、図１６（Ａ）に示した駆動電圧の印加状態でしばらくすると、正電圧と負電圧における特性の違いから、電極３４０ａ〜３４０ｄとミラー２３０との間に存在する浮遊容量（例えば絶縁層３１１）に電荷が溜まる可能性がある。

そこで、本実施の形態の駆動電圧印加部４０１は、図１６（Ｂ）に示すように正負の駆動電圧の時間比率を変える。図１６（Ｂ）の例では、正の駆動電圧の印加時間を短くし、負の駆動電圧の印加時間を長くしている。このとき、正の駆動電圧の印加時間と負の駆動電圧の印加時間の合計は、時間比率の変化前後で変えない方が望ましい。何故ならば、駆動電圧の印加時間が変わってしまうことは、電極とミラー２３０との間に発生する静電力が変わってしまうこと、すなわちミラー２３０の傾斜角が変化してしまうことを意味するからである。

正負の駆動電圧の時間比率を１：１から変化させると、より長い時間印加している方の極性の浮遊電荷が集まりやすくなる。そこで、本実施の形態では、正の駆動電圧の印加時間を負の駆動電圧の印加時間より短くしたり、逆に長くしたりして、正負の駆動電圧の時間比率を適宜変化させることにより、どちらの極性の浮遊電荷も集まらないようにすることが可能となり、ミラー２３０のドリフトの発生を抑制することができる。

なお、正負の駆動電圧の時間比率を変化させる方法は、駆動電圧の振幅でミラー２３０の傾斜角を制御する第１の実施の形態に適用することもできるし、駆動電圧のデューティー比でミラー２３０の傾斜角を制御する第１参考例に適用することもできるし、４値の駆動電圧を用いる第２参考例に適用することもできる。第１の実施の形態、第１参考例、第２参考例の場合、第１の区間の増大と第２の区間の減少とが生じるか、あるいは第１の区間の減少と第２の区間の増大とが生じるように、第１の区間と第２の区間の時間比率を調節すればよい。加えて第２参考例の場合は、第４の区間の増大と第５の区間の減少とが生じるか、あるいは第４の区間の減少と第５の区間の増大とが生じるように、第４の区間と第５の区間の時間比率を調節すればよい。
また、第１の実施の形態、第１参考例、第２参考例、第３参考例、第２の実施の形態を適宜組み合わせてもよいことは言うまでもない。

本発明は、ミラー制御装置、および複数のミラー制御装置を２次元的に配置したミラーアレイに適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図である。 図１のミラー制御装置の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るミラー制御装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態において電極に印加する駆動電圧の１例を示す波形図である。 本発明の第１参考例において電極に印加する駆動電圧の１例を示す波形図である。 本発明の第１参考例の効果を説明するための図である。 本発明の第１参考例におけるミラーの傾斜角の制御方法を説明するための駆動電圧の波形図である。 本発明の第１の実施の形態および第１参考例において駆動電圧として交流電圧を用いる場合の問題点を説明するための図である。 光スイッチにおいて入出力ポート間のパスの接続を行った場合の出力光のパワーと駆動電圧の周波数との関係を示す図である。 本発明の第１参考例において電極に印加する駆動電圧の１例を示す波形図、およびこの駆動電圧を印加した電極とミラーとの間に発生する静電力を示す図である。 本発明の第１参考例において浮遊電荷による駆動電圧の増加分を示す図、およびこの駆動電圧を印加した電極とミラーとの間に発生する静電力を示す図である。 本発明の第２参考例において電極に印加する駆動電圧の１例を示す波形図である。 本発明の第２参考例において電極に印加する駆動電圧の他の例を示す波形図である。 本発明の第２参考例におけるミラーの傾斜角の制御方法を説明するための駆動電圧の波形図である。 本発明の第３参考例においてミラーに印加する電圧と電極に印加する駆動電圧の１例を示す波形図、およびこの電圧印加から生じる電極とミラーとの間の実効的な電位差を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における駆動電圧の調整方法を説明する波形図である。

符号の説明

１００…ミラー制御装置、２００…ミラー基板、２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ…トーションバネ、２２０…可動枠、２３０…ミラー、３００…電極基板、３４０ａ〜３４０ｄ…電極、４００…ミラー電圧印加部、４０１…駆動電圧印加部、４０２…テーブル。

Claims (4)

1. 回動可能に支持されたミラーと、
   このミラーから離間して配置された複数の電極と、
   駆動電圧を印加した電極と前記ミラーとの電位差が正電位である第１の区間と前記電位差が負電位である第２の区間とが少なくとも生じるように、前記駆動電圧として交流電圧を前記ミラーの所望の傾斜角に応じて生成して前記電極に印加する駆動電圧印加手段とを備え、
   前記駆動電圧印加手段は、前記駆動電圧として前記ミラーの所望の傾斜角に応じた振幅を有する矩形波の交流電圧を、前記電位差の平均直流成分が前記電極毎に略零となるように生成し、前記ミラーの傾斜角の正方向の力を発生する第１の電極と前記傾斜角の負方向の力を発生する第２の電極に対して、回転する方向の力を発生する電極への駆動電圧の振幅をもう一方の電極への駆動電圧の振幅よりも大きくするように変化させて前記電極に前記駆動電圧を同時に印加することを特徴とするミラー制御装置。
2. 請求項１記載のミラー制御装置において、
   前記駆動電圧印加手段は、前記第１の区間の増大と前記第２の区間の減少とが生じるか、あるいは前記第１の区間の減少と前記第２の区間の増大とが生じるように、前記第１の区間と前記第２の区間の時間比率を変化させることを特徴とするミラー制御装置。
3. 請求項１記載のミラー制御装置において、
   各区間の時間幅は、前記ミラーの傾斜動作の共振周波数の逆数より短いことを特徴とするミラー制御装置。
4. 請求項１記載のミラー制御装置において、
   前記駆動電圧印加手段は、前記ミラーの傾斜角の正方向の力を発生する第１の電極と前記傾斜角の負方向の力を発生する第２の電極に対して、前記第１の電極への駆動電圧の振幅と前記第２の電極への駆動電圧の振幅とを、固定値を中心に前記傾斜角に応じて差動的に変化させることを特徴とするミラー制御装置。

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