JP2002250890A - マイクロ構造体、マイクロ光偏向器、光走査型表示装置、及びそれらの製造方法 - Google Patents

マイクロ構造体、マイクロ光偏向器、光走査型表示装置、及びそれらの製造方法

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JP2002250890A
JP2002250890A JP2001047298A JP2001047298A JP2002250890A JP 2002250890 A JP2002250890 A JP 2002250890A JP 2001047298 A JP2001047298 A JP 2001047298A JP 2001047298 A JP2001047298 A JP 2001047298A JP 2002250890 A JP2002250890 A JP 2002250890A
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oscillator
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optical deflector
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Susumu Yasuda
進 安田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】揺動体の揺動方向以外の剛性を高く保つことが
できるマイクロ光偏向器等に適用できるマイクロ構造体
である。 【解決手段】マイクロ構造体は、基板１０６と、揺動体
１１０を有し、揺動体１１０は、基板１０６と揺動体１
１０間を繋ぐように伸びた３つ以上の平板バネなどのバ
ネ１０１〜１０４によって基板１０６に対して支持され
ている。複数のバネ１０１〜１０４は、その長軸の延長
線が共通平面内にあって１点で交わるように配置され、
最も撓みやすい方向が該共通平面に平行である様な形態
を有し、これにより、揺動体１１０が該共通平面に垂直
な軸回りに揺動自由に弾性支持される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシンな
いしマイクロ構造体の分野に関するものである。より詳
しくは、マイクロマシニング技術で作製する光偏向器等
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】機械要素を小型化しようとすると、体積
力よりも、表面力の占める割合が大きくなり、摩擦の影
響が通常の大きさの機械よりも大きくなることは良く知
られている。そのため、マイクロマシンの設計において
は、摺動部や回転部を極力少なくするように考慮するの
が一般的である。
【０００３】軸回りに揺動する部材を有する光偏向器の
従来例を説明する。図１２は、米国特許第４３１７６１
１号明細書に開示されたマイクロマシニング技術で作製
される静電光偏向器の斜視図を示している。図１３は、
その内部構造を説明するために、上記光偏向器を分解し
て表示した図である。また、図１４と図１５は、それぞ
れ、図１２の切断線１００３と１００６におけるシリコ
ン薄板１０２０の断面図を示している。
【０００４】上記光偏向器において、絶縁性材料からな
る基板１０１０には、凹み部１０１２が形成されてい
る。凹み部１０１２の底部には、一対の駆動電極１０１
４、１０１６およびミラー支持部１０３２が配置されて
いる。シリコン薄板１０２０には、トーションバー１０
２２、１０２４とミラー１０３０が一体に形成されてい
る。ミラー１０３０は、表面に光の反射率の高い物質が
コーティングされており、トーションバー１０２２、１
０２４により揺動自由に支持されている。そして、シリ
コン薄板１０２０は、駆動電極１０１４、１０１６と所
定の間隔を保つように基板１０１０上に対抗配置されて
いる。
【０００５】ここで、シリコン薄板１０２０は、電気的
に接地されている。従って、駆動電極１０１４、１０１
６に交互に電圧を印加することで、ミラー１０３０に静
電引力を作用させて、ミラー１０３０をトーションバー
１０２２、１０２４の長軸の回りに揺動させられる。
【０００６】トーションバー１０２２、１０２４の断面
形状は、図１５に示すような台形である。ところが、こ
の様な断面形状のトーションバーを有するマイクロ構造
体は、トーションバーが撓みやすいため、外部の振動を
拾ってしまったり、トーションバーの軸がぶれてしま
い、正確な駆動ができないという問題点があった。
【０００７】そのため、この様な光偏向器を光走査型デ
ィスプレイに適用した場合に、外部振動によって像がぶ
れたり、スポット形状が変化してしまうという問題点が
あった。これは、光走査型ディスプレイを持ち運び容易
な形態にした場合に、より大きな問題となる。
【０００８】また、図１６は、特開平１０−１９７８１
９号公報にて開示された共振型の光偏向器である。この
光偏向器において、ミラー２０１１は、２本のトーショ
ンバー２００１、２００２で支持枠２００６に対して揺
動自由に支持されている。このトーションバーの取り付
け部は、ミラー２０１１の重心からずれている。ミラー
２０１１、トーションバー２００１、２００２、及び支
持枠２００６は、シリコンウエハーをエッチングするこ
とで一体に形成される。支持枠２００６には圧電素子２
０２１が接合されている。
【０００９】本光偏向器において、圧電素子２０２１に
駆動電圧を加えると、圧電素子２０２１は伸縮を行い、
Z軸方向に振動する。この振動は支持枠２００６に伝達
される。ミラー２０１１は、トーションバーの取り付け
部が重心から外れているため、支持枠２００６がZ方向
に振動することで、回転モーメントを受ける。この圧電
素子２０２１の駆動周波数をミラー２０１１の共振周波
数の近辺に設定することで、大きな偏向角をとることが
できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】これら従来の光偏向器
においては以下のような問題点があった。まず、偏向角
を大きくしようとすると、トーションバーに作用する最
大応力を材料の許容応力内に収めるために、トーション
バーを長くする必要がある。しかし、トーションバーを
長くすると、トーションバーの長軸に垂直な方向の剛性
が低くなってしまい、振動等の外乱の影響を受けやすく
なってしまうという問題点があった。
【００１１】また、これら従来の光偏向器の駆動力発生
源は、ミラーに対して回転モーメントを生じるだけでな
く、トーションバーの撓む方向にも力を発生する。この
ことを、以下で詳しく説明する。
【００１２】まず、米国特許第４３１７６１１号明細書
に開示された構造においては、駆動するためにミラー１
０３０と駆動電極１０１６の間に電圧を印加すると、図
１７（ａ）に示すように、トーションバーからＬ離れた
場所に静電引力Ｆが作用する。すると、図１７（ｂ）に
示すように、トーションバー１０２２と１０２４に、右
回りのモーメントＦ×Ｌと下向きの力Ｆが作用する。
【００１３】また、特開平１０−１９７８１９号公報に
て開示された光偏向器においては、図１８（ａ）に示す
ように、圧電素子２０２１でミラー２０１１に加速度ａ
を生じさせると、ミラー２０１１には、単位長さあたり
ｍａの慣性力が作用する。ここで、ｍは、ミラー２０１
１単位長さあたりの質量である。Ｌ１＜Ｌ２だとする
と、図１８（ｂ）に示すように、トーションバー２００
１と２００２には、右回りのモーメントｍａＬ2 2／２−
ｍａＬ1 2／２と、下向きの力ｍａ（Ｌ１＋Ｌ２）が作用
する。
【００１４】つまり、これら従来の光偏向器において
は、駆動時にトーションバーをねじる方向に作用するモ
ーメントと同時に、トーションバーが撓む方向に力が作
用する。そのため、トーションバーが撓み、その結果、
光の偏向角や光路長が変動してしまうことで正確な光偏
向が行えないという問題点があった。
【００１５】また、特開平１０−１９７８１９号公報に
て開示された光偏向器においては、トーションバーのね
じれの中心と重心がずれているために、高速駆動時に振
動が生じてしまうという問題点もあった。
【００１６】本発明の目的は、この様な問題点に鑑み、
揺動体の揺動方向以外の剛性を高く保つことができるマ
イクロ光偏向器、マイクロ力学量センサ、マイクロアク
チュエータ等に適用できるマイクロマシンないしマイク
ロ構造体、その製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めの本発明のマイクロ構造体は、基板と、少なくとも１
つの揺動体を有し、前記揺動体は、前記基板と揺動体間
を繋ぐように伸びた少なくとも３つ以上の複数のバネに
よって前記基板に対して支持されており、前記複数のバ
ネは、その長軸の延長線が共通平面内にあって１点で交
わるように配置され、最も撓みやすい方向が該共通平面
に平行である様な形態を有し、これにより、前記揺動体
が該共通平面に垂直な軸回りに揺動自由に弾性支持され
ていることを特徴とする。３つ以上の複数のバネが必要
なのは、２つ以下では前記共通平面が一義的に決まらず
運動が不安定になるからである。前記バネは、典型的に
は、前記共通平面に垂直な平面を持つ１枚の平板バネで
ある。前記揺動体の前記共通平面に垂直な方向の動きを
確実に防止する必要がある場合や、バネの断面が方形、
円形などでバネが前記共通平面に垂直な方向にも撓む傾
向にある様な場合には、例えば、前記１点を通り前記共
通平面に垂直な方向に前記揺動体から軸棒を出し、これ
を回動自由に軸受けで支えるという様な構造も採り得
る。しかし、この方法は構成が複雑になるので、前記バ
ネとしては、上記したような平板バネを用いるのが好ま
しい。
【００１８】この基本構成に基づいて、以下の如きより
具体的な形態が可能である。前記複数のバネの長軸の延
長線が前記揺動体の慣性主軸で交わるように配置されて
いる様にするのが好適である。こうすれば、高速駆動時
に揺動体の振動の生じないマイクロ構造体を確実に実現
できる。
【００１９】前記複数のバネと揺動体は、単結晶シリコ
ン、水晶などの共通の単結晶材料基板から一体に形成さ
れ得る。典型的には、前記基板、複数のバネ、揺動体
は、共通の単結晶シリコン基板からエッチングなどで一
体的に形成され得る。素材として単結晶材料を使用する
ことで、機械的なＱ値の高い構造を実現することができ
る。単結晶材料としては、入手の容易で機械特性に優れ
た（すなわち、比較的軽量でありながら物理的強度、耐
性、寿命に優れた）単結晶シリコンが好ましい。
【００２０】前記複数のバネと前記揺動体は、単結晶シ
リコン基板やポリシリコン基板などの平板状基板をICP-
RIE（誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチング）法
などを用いて深堀りエッチングすることで形成されて、
その外面を画する面が該平板状基板面とこの面に対する
垂直面から成る様にもできる。
【００２１】前記複数のバネの角部は、ガスや酸により
等方性エッチングで軽く丸くされて、そこへの応力集中
が緩和されてもよい。こうすれば、これらの部分への応
力集中を緩和できる。
【００２２】前記複数のバネと揺動体は、電気メッキ法
により、金属材料にて一体に形成されてもよい。
【００２３】マイクロ構造体の形態としては、典型的に
は、前記揺動体が一つであり、３つ或いは４つのバネに
よって揺動体が前記共通平面に垂直な軸回りに揺動自由
に弾性支持される。この形態は後述の実施例に説明され
ている。
【００２４】前記揺動体が複数であり、該複数の揺動体
が入れ子式に配置され、各揺動体が、その外側の揺動体
或いは前記基板に対して、夫々の複数のバネによって規
定される共通平面に垂直な軸回りに揺動自由に弾性支持
されている形態も採り得る。前記垂直な軸は、互いに９
０度などの角度を成して交差している。
【００２５】更に、上記問題点を解決するための本発明
のマイクロ光偏向器は、上記のマイクロ構造体と、前記
揺動体に設けられた光反射手段と、前記基板に対して前
記揺動体を相対的に回転変位させる回転変位アクチュエ
ータを有することを特徴とする。単結晶材料をバネの素
材に使用することで、より壊れにくく、より小型化が可
能で、共振駆動したときに振動振幅が大きくエネルギー
効率の高いマイクロ光偏向器を実現できる。
【００２６】前記回転変位アクチュエータは、揺動体に
結合された可動コアと、基板に結合された固定コア（軟
磁性体で形成される）と、該固定コアを周回するコイル
からなる電磁アクチュエータ（図１の実施例参照）であ
ったりする。前記揺動体に接合された可動コアは軟磁性
体或いは硬磁性体の永久磁石で形成されたりする。両者
では駆動原理が異なり、前者では、軟磁性体の磁極は決
まっておらず、固定コアに磁束が発生する時には磁気回
路の磁束を切る軟磁性体の断面積の増す方向に磁束内へ
軟磁性体が吸引される駆動力が起こり、磁束消滅時には
それから解放されるのに対して、後者では、硬磁性体の
磁極は決まっており、固定コアと可動コアの異或いは同
磁極間の磁力（吸引力或いは反発力）が駆動力である。
【００２７】また、前記回転変位アクチュエータは、前
記揺動体に結合された可動電極と、前記基板に結合され
た固定電極とからなる静電アクチュエータ（図８の実施
例参照）であったり、前記バネに結合された圧電素子
（図６の実施例参照）であったりする。
【００２８】前記回転変位アクチュエータの駆動周波数
が、前記揺動体の揺動の共振周波数近辺であれば、共振
でより大きな揺動角を得ることができる。
【００２９】前記光反射手段としては、光反射面或いは
回折格子があり、後者では１つのビームを複数のビーム
（回折光）として偏向することもできる。
【００３０】更に、上記問題点を解決するための本発明
の回転加速度測定などをするマイクロ力学量センサは、
上記のマイクロ構造体と、前記基板と揺動体の相対回転
変位を検出する変位検出手段を有することを特徴とす
る。変位検出手段としては、従来公知のものを使用でき
て、例えば、静電容量の変化を電圧変化で検知して基板
と揺動体の相対回転変位を検出するものがある。例え
ば、基板側と揺動体側に扇状の金属部を設けておいて、
これらの対向面積が変化して静電容量の変化するのを検
知すればよい。静電容量の変化を電圧変化で検知する具
体例としては、特開平８−１４５７１７、特開２０００
−６５６６４、特開２０００−２９２４３４号公報など
に開示されている。
【００３１】更に、上記問題点を解決するための本発明
のマイクロアクチュエータは、上記のマイクロ構造体
と、前記基板に対して前記揺動体を相対的に回転変位さ
せる回転変位アクチュエータを有することを特徴とす
る。回転変位アクチュエータの例は上記した通りであ
る。
【００３２】更に、上記問題点を解決するための本発明
の光走査型表示装置は、上記のマイクロ光偏向器と、変
調可能な光源（半導体レーザなど）と、該光源の変調と
マイクロ光偏向器の揺動体の回転変位を制御する制御手
段を有することを特徴とする。
【００３３】更に、上記問題点を解決するための本発明
のマイクロ構造体の製造方法は、単結晶シリコン基板な
どの材料基板の面にマスク層を成膜する工程と、前記面
のマスク層を前記揺動体とバネと基板の形態に応じてパ
ターニングする工程と、前記材料基板をICP-RIEなどを
用いて深堀りエッチングする工程とを含むことを特徴と
する。
【００３４】このマイクロ構造体の製造方法において、
前記バネの角部を軽く等方性エッチングして、そこを丸
くし、そこへの応力集中を緩和してもよい。
【００３５】更に、上記問題点を解決するための本発明
のマイクロ構造体の他の製造方法は、基板の上に種電極
を成膜する工程と、種電極の上に犠牲層を成膜し、基板
に固定される部分の形態に応じて犠牲層をパターニング
する工程と、種電極と犠牲層の上に厚膜レジスト層を成
膜し、基板上に形成されるパーツの部分の形態に応じて
厚膜レジスト層をパターニングする工程と、厚膜レジス
ト層を型として、種電極層の上に金属層を電解メッキす
る工程と、厚膜レジスト層、犠牲層、種電極層の順に除
去を行う工程とを含むことを特徴とする。
【００３６】
【作用】本発明のマイクロ光偏向器などのマイクロ構造
体の動作について、具体例を用いて以下に説明する。図
３は、本発明のマイクロ構造体の原理を説明する図であ
る。この具体例では、揺動体９１０が４本の平板バネ９
０１〜９０４で弾性支持されている。それらの平板バネ
の延長線は１点で交わるように配置されている。既に述
べたように、平板バネの枚数は４枚に限られるものでは
なく、３枚以上なら何枚でもよい。
【００３７】本発明のマイクロ構造体においては、図４
に示すような形状にバネが変形することで、揺動体の揺
動運動を許容することができる。
【００３８】図５は、本発明の揺動体９１０と1本の平
板バネ９０１をモデル化した図である。図に示したよう
に、揺動体がφ回転したとすると、平板バネの揺動体側
の端の変位角θ1と変位y1は、以下で与えられる。 	θ1＝φ y１＝rRφ rR：揺動体半径
【００３９】一方、一端を固定した平板バネの自由端
に、力Ｆと曲げモーメントＭが働いたときの、自由端の
変位角θ2と変位y2は、以下で与えられる。 	θ2＝−lR ２/(２EI)・F+lR/(EI)・M 	y2＝lR ３/(３EI)・F−lR ２/(２EI)・M
【００４０】ここで、lRは平板バネの長さ、Eはヤング
率、Iは平板バネの断面２次モーメントである。Iは、以
下で与えられる。 	I=tRbR ３/12 bR：平板バネ厚 	tR：平板バネ高
【００４１】θ1とθ2、y1とy2がそれぞれ等しいという
条件から、以下が得られる。 M=[EbR ３(2lR+3rR)tR]/6lR ２・φ F=[EbR ３(lR+2rR)tR]/2lR ３・φ
【００４２】これらから、1枚の平板バネから揺動体に
作用する反作用モーメントMtotalは以下となる。 	Mtotal=−M−rF=−kRφ 	kR=[Eb3(l2+3lr+3r2)t]/3l3 ここで、kRは、ねじりバネ定数である。
【００４３】また、平板バネの揺動体端と固定端の応力
をそれぞれσ1、σ２とすると 	σ1=M/Z=6/tRbR ２・M=[EbR(2lR+3rR)]/lR ２・φ 	σ２=(M−FlR)/Z=6/tRbR ２・(M−FlR)=−[EbR(lR+3
rR)]/lR ２・φ であるので、応力は平板バネの揺動体端で最大になるこ
とがわかる。 	σmax=σ1=[EbR(2lR+3rR)]/lR ２・φ
【００４４】また、揺動体の慣性モーメントIm、平板バ
ネの本数をｎとすると、共振周波数fは、以下で与えら
れる。 	ｆ=1/2π・(nkθ/Im)1/2
【００４５】本発明のマイクロ構造体は、この様な関係
式を考慮して、用途に応じて具体的な設計が行なわれ
る。本発明のマイクロ光偏向器などのマイクロ構造体
は、平板バネなどのバネの最も撓みやすい方向が基板に
水平な方向であるので、他の方向には剛性が高い構造に
なっている。すなわち、本発明によれば、揺動体の揺動
方向以外の剛性が高いマイクロ光偏向器等を提供するこ
とができる。
【００４６】また、本発明のマイクロ構造体において
は、典型的には、揺動体は複数の平板バネの長軸の延長
線の交点を中心として揺動するように弾性的に支持され
る。そのため、より望ましくは、複数の平板バネの長軸
の延長線の交点を揺動体の慣性主軸に一致させること
で、高速駆動時に振動の生じないマイクロ光偏向器等を
実現できる。
【００４７】また、より望ましくは、揺動体に純粋な偶
力をかけることで、より正確な駆動が可能なマイクロ光
偏向器等のマイクロ構造体を提供できる。更に、より望
ましくは、前記揺動体の揺動の共振周波数近辺で回転変
位アクチュエータを駆動することで、より大きなマイク
ロ光偏向器の偏向角を得ることができる。
【００４８】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を明
らかにすべく、図面を参照しつつ実施例を説明する。
【００４９】［実施例１］図１は、本発明の実施例１の
電磁型光偏向器を説明するために分解して示した図であ
る。
【００５０】本実施例の光偏向器において、揺動体１１
０の一面（手前の側面）には光の反射率が高い物質がメ
ッキされており、ミラー１１１となっている。ほぼ立方
体状の揺動体１１０は、４つの平行に伸びた辺において
支持体１０６に４本の平板バネ１０１〜１０４で揺動自
由に弾性的に支持されている。平板バネ１０１〜１０４
の長軸は共通の平面内にあって、その延長線は、揺動体
１１０の慣性主軸と直角に１点で交わるように配置され
ている。また、平板バネ１０１〜１０４の面は、該共通
の面に対して垂直になっている。
【００５１】これら揺動体１１０、支持体１０６、平板
バネ１０１〜１０４は、シリコンウェハ（単結晶シリコ
ン或いはポリシリコンであり、面方位は問わない）をIC
P-RIE法等の方法で、深堀りエッチングすることよっ
て、一体に形成される。本実施例においては、１ｍｍ厚
のシリコンウェハを加工して作製した。ミラー１１１の
寸法は１ｍｍ角とし、平板バネ１０１〜１０４の長さを
２ｍｍ、厚さを４０μｍとした。深堀りエッチング後
に、ガスや酸により等方性エッチングを行い、角部の角
を丸くしてもよい。こうすれば、これらの部分への応力
集中を緩和できる。
【００５２】揺動体１１０の下側には、図１と図２で示
すような形状のパーマロイで作られた可動磁極１３０が
結合されている。可動磁極１３０を包み込む様に断面Ｃ
字形状の固定コア１３４が設けられ、固定コア１３４に
は、コイル１３５が周回されており、このコア１３４の
両端には固定磁極１３１と１３２が結合されている。こ
の固定磁極１３１と１３２は、可動磁極１３０を挟み込
むようにして配置されている。そして、支持体１０６と
固定コア１３４は、基台１２０に結合されている。
【００５３】可動磁極１３０及び固定磁極１３１と１３
２は、２００μｍ厚のパーマロイ板を機械加工すること
で作製し、可動磁極１３０は、揺動体１１０の底面に接
着した。
【００５４】図２を用いて、本実施例の光偏向器の動作
を説明する。コイル１３５に電流を流さない状態におい
ては、図２（ａ）に示すように、可動磁極１３０は、固
定磁極１３１と１３２に対して或る角度を持って静止し
ている。コイル１３５に電流を流すと、コア１３４が励
磁され、固定磁極１３１、１３２間に磁束が生じる（図
２（ｂ））。図２（ｂ）においては、便宜上固定磁極１
３１と１３２がそれぞれS極とN極に励磁されている様子
を図示している。すると、可変リラクタンスモータと同
様の原理によって、可動磁極１３０に回転モーメントが
生じ、回転変位が生じる。この回転変位の速度を揺動体
１１０の共振周波数の近辺に設定すると（上述の共振周
波数ｆの関係式参照）、揺動体１１０が共振を起こす。
この状態で、ミラー１１１に光線を入射し、光を走査す
る。
【００５５】本実施例の共振型光偏向器は、ミラーの揺
動方向以外の剛性が高いため、従来のトーションバー方
式の共振型光偏向器に比べて、振動等の外乱の影響を受
けにくいという特徴がある。
【００５６】また、本光偏向器においては、コイル１３
５に通電して回転モーメントを生じさせたときに、純粋
な偶力が生じるため、従来よりも正確な光偏向が可能に
なる。また、本光偏向器においては、揺動の中心が揺動
体１１０の慣性主軸と一致しているので、高速駆動時に
も振動が生じない。
【００５７】［実施例２］図６は、本発明の実施例２の
圧電型光偏向器を説明するための斜視図である。図７は
その動作を説明する図である。
【００５８】本実施例の圧電型光偏向器において、直方
体状の揺動体２１０には、その外面にミラー２１１が接
合されている。また、揺動体２１０は、支持体２０６に
３本の平板バネ２０１〜２０３で揺動自由に弾性的に支
持されている。平板バネ２０１と２０２は、ミラー２１
１の接合された揺動体２１０の外面と平行に伸び、平板
バネ２０３は、ミラー２１１の接合された外面と反対側
の揺動体２１０の面の中央部から伸びている。平板バネ
２０１〜２０３の平面は、１点で交わるこれらの長軸で
規定される平面に対して垂直になっている。これらの揺
動体２１０、支持体２０６、平板バネ２０１〜２０３
は、シリコンウェハをICP-RIE法等の方法で、深堀りエ
ッチングすることよって、一体に形成される。本実施例
においては、７５０μｍ厚のシリコンウェハを使用し、
平板バネ２０１〜２０３の長軸方向の長さを２ｍｍ、厚
さを１００μｍとした。
【００５９】また、２本の平板バネ２０１と２０２の支
持体２０６に連結されている側には、図６に示すような
配置で、圧電素子２２１と２２２が接着されている。こ
れらの圧電素子は、電圧を印加すると、図６中のＸ軸の
方向に伸縮するようになっている。
【００６０】本実施例の光偏向器において、圧電素子２
２１と２２２に交互に電圧を印加して伸縮動作を起こさ
せると、図７に示すように、揺動体２０６は支持体２０
６に対して回転変位を起こす。この回転変位の速度を揺
動体２１０の共振周波数の近辺に設定すると、揺動体２
１０が共振を起こし、圧電素子２２１と２２２の変位量
よりも大きく揺動する。この状態で、ミラー２１１に光
線を入射すると、光を走査することができる。
【００６１】本実施例の共振型光偏向器も、ミラーの揺
動方向以外の剛性が高いため、従来よりも振動等の外乱
の影響を受けにくいという特徴がある。また、本光偏向
器においては、圧電素子を駆動して回転モーメントを生
じさせたときに、平板バネ２０１〜２０３の長軸の交わ
る１点を通りこれらの長軸で規定される平面に対して垂
直な軸の回りにほぼ純粋な偶力が生じるため（図７参
照）、従来よりも正確な光偏向が可能になる。尚、この
実施例では、該垂直な軸と揺動体２１０の慣性主軸は若
干ずれているがその量は小さいので実用上は問題ない。
必要なら、若干作製が面倒になるが深堀りエッチングの
際のパターニングを変えて、ミラー２１１の接合される
揺動体２１０の面を図６で示す位置より外に出して平板
バネ２０１と２０２が揺動体２１０の両側面の中央部か
ら伸びる様にし、上記垂直な軸と揺動体２１０の慣性主
軸を正確に一致させてもよい。
【００６２】［実施例３］第３実施例の静電光偏向器を
図８乃至図１０を用いて説明する。図８と図９は、それ
ぞれ、第３実施例の静電光偏向器の上面図と側面図であ
り、図１０は図８の切断線における断面図である。
【００６３】第３実施例において、平板状のシリコン基
板３０６の上には、平板バネアンカー３３１〜３３４
と、固定電極アンカー３２１、３２２が固定されてい
る。平板バネアンカー３３１〜３３４には、それぞれ平
板バネ３０１〜３０４の一端が固定されている。平板バ
ネ３０１〜３０４は、その幅方向が基板３０６の面に垂
直になるように設置されている。そして、平板バネ３０
１〜３０４は、その長手方向の延長線が一点で交わるよ
うになっていて、これらの線で規定される平面が基板３
０６の面と平行になっている。平板バネ３０１〜３０４
の他端は、揺動体３１０を揺動自由に支持している。揺
動体３１０の慣性主軸は、上記延長線が交わる一点を通
りこれらの線で規定される上記平面に垂直な軸（後記の
揺動の中心軸である）と一致している。平板バネ３０１
〜３０４は、すべて同寸法で、長さが１ｍｍ、幅が２０
０μｍ、厚さが５０μｍである。
【００６４】固定電極アンカー３２１と３２２は、それ
ぞれ固定電極３２３と３２４をシリコン基板３０６に対
して支持している。固定電極３２３、３２４には、それ
ぞれくし型固定電極３２５と３２６が結合されている。
揺動体３１０には、くし型可動電極３１２と３１３が結
合されている。そして、くし型固定電極３２５と３２６
は、それぞれ、くし型可動電極３１２と３１３と噛み合
うように配置されている。
【００６５】また、揺動体３１０には、その慣性主軸に
当該ミラーの中心線を合わせてミラー３１１が垂直に連
結されている。ミラー３１１の寸法は、５００μｍ角と
した。
【００６６】この様に、平板バネアンカー３３１〜３３
４と、固定電極アンカー３２１、３２２のみが、シリコ
ン基板３０６に結合されており、他のパーツは、シリコ
ン基板３０６に接触しないように支持されている。
【００６７】電圧源３５０は、くし型固定電極３２５、
３２６とくし型可動電極３１２、３１３の間に電圧を印
加するように電気的に結合されている。電圧源３５０に
よって、くし型固定電極３２５、３２６とくし型可動電
極３１２、３１３の間に電圧を印加すると、それぞれの
間に静電引力が作用する。すると、揺動体３１０に対し
て、上記慣性主軸である揺動の中心軸の回りに回転モー
メントが生じる。くし型可動電極３１２、３１３に作用
する静電引力は、大きさが同じで向きが逆なので、純粋
な偶力のみが生じる。
【００６８】平板バネアンカー３３１〜３３４等のパー
ツは、電気メッキを用いてシリコン基板３０６上に一括
で作製される。図８の切断線３８０における断面図であ
る図１０を用いて、本実施例のマイクロ静電光偏向器の
作製方法を説明する。
【００６９】１．先ず、シリコン基板３０６の上に種電
極３６０を成膜する（ａ）。本実施例においては、種電
極３６０として金を１μｍ蒸着した。
【００７０】２．次に、種電極３６０の上に犠牲層３６
１を成膜し、平板バネアンカー３３１〜３３４と固定電
極アンカー３２１、３２２の部分の犠牲層３６１を除く
様なパターニングを行う（ｂ）。本実施例では、犠牲層
３６１としてリン酸ガラス（ＰＳＧ：Phospho-Silica G
lass）を５μｍ成膜した。
【００７１】３．続いて、厚膜レジスト層３６２を成膜
し、各パーツの部分の厚膜レジスト層３６２を除く様な
パターニングを行う（ｃ）。本実施例では、厚膜レジス
ト層３６２としてMicroChem社製ＳＵ−８を２５０μｍ
成膜した。
【００７２】４．厚膜レジスト層３６２を型として、種
電極層３６０の上に金属層３６３を電解メッキする
（ｄ）。本実施例では、ニッケルを２０５μｍメッキ
し、平板バネ３０１〜３０４の幅が２００μｍになるよ
うにした。
【００７３】５．厚膜レジスト層３６２、犠牲層３６
１、種電極層３６０の順に除去を行う（ｅ）。その後、
揺動体３１０に空いている穴にミラー３１１を挿入し、
固定する。
【００７４】本実施例によれば、揺動体３１０が、Ｚ軸
（上記慣性主軸）回りの回転方向に十分なコンプライア
ンスを有し、他の軸回りには十分高い剛性を有する構造
を実現できるので、振動等の外乱に強いマイクロ光偏向
器を提供できる。
【００７５】また、本実施例によれば、静電力を用いて
駆動する際に、揺動体３１０に純粋な偶力が生じるの
で、従来よりも正確な光偏向を行うことができる。ま
た、高速駆動時に振動が生じないので、従来よりも正確
な光偏向を行うことができる。
【００７６】[実施例４]図２０は、実施例４の光走査型
ディスプレイを説明する図である。Ｘ光偏向器４０１と
Ｙ光偏向器４０２は、実施例１などの光偏向器と同様の
ものである。コントローラ４０９は、Ｘ光偏向器４０１
とＹ光偏向器４０２を制御して、レーザ光線４１０をラ
スター状に走査し、表示する情報に応じてレーザ発振器
４０５を変調することで、スクリーン４０７上に画像を
２次元的に表示する。
【００７７】本発明の光偏向器を光走査型ディスプレイ
に適用することで、エネルギー効率が高い光走査型ディ
スプレイを実現することができる。
【００７８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
マイクロ光偏向器などのマイクロ構造体において、揺動
体の揺動方向のコンプライアンスを確保して、他の方向
の剛性を高く保つことができる。
【００７９】また、高速駆動時に、振動の生じにくいマ
イクロ構造体を提供できる。また、ミラー部に回転モー
メントを生じさせる際に、他方向への力を生じないた
め、偏向角や光路長が変動しにくいマイクロ光偏向器を
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の電磁型光偏向器を説明するための分
解斜視図である。
【図２】実施例１の電磁型光偏向器の動作を説明する図
である。
【図３】具体例を用いて本発明の作用を説明する図であ
る。
【図４】具体例を用いて本発明の作用を説明する図であ
る。
【図５】本発明の原理を説明する図である。
【図６】実施例２の圧電型光偏向器を説明するための斜
視図である。
【図７】実施例２の圧電型光偏向器の動作を説明する図
である。
【図８】実施例３の静電型光偏向器を説明するための上
面図である。
【図９】実施例３の静電型光偏向器を説明するための側
面図である。
【図１０】実施例３の静電型光偏向器の作製方法を説明
する断面図である。
【図１１】実施例４の光走査型ディスプレイを説明する
図である。
【図１２】従来の静電光偏向器を説明する斜視図であ
る。
【図１３】従来の静電光偏向器を説明する分解図であ
る。
【図１４】従来の静電光偏向器を説明する断面図であ
る。
【図１５】従来の静電光偏向器を説明するトーションバ
ー部分の断面図である。
【図１６】従来の圧電光偏向器を説明する斜視図であ
る。
【図１７】従来の静電光偏向器の問題点を説明する図で
ある。
【図１８】従来の圧電光偏向器の問題点を説明する図で
ある。
【符号の説明】
１０１〜１０４、２０１〜２０３、３０１〜３０４、９
０１〜９０４平板バネ １０６、２０６、３０６	 基板 １１０、２１０、３１０、９１０	 揺動体 １１１、２１１、３１１	 ミラー １２０	 基台 １３０	 可動磁極 １３１、１３２	 固定磁極 １３４	 固定コア １３５	 コイル ２２１、２２２	 圧電素子 ３１２、３１３	 くし型可動
電極 ３２１、３２２	 固定電極ア
ンカー ３２３、３２４	 固定電極 ３２５、３２６	 くし型固定
電極 ３３１〜３３４	 平板バネア
ンカー ３５０ 電圧源 ３６０ 種電極 ３６１ 犠牲層 ３６２ 厚膜レジスト
層 ３６３ 金属層 ４０１ Ｘ光偏向器 ４０２ Ｙ光偏向器 ４０５ レーザ発振器 ４０７ スクリーン ４０９ コントローラ ４１０ レーザ光線 １０１０ 絶縁性基板 １０１４、１０１６ 駆動電極 １０２０ シリコン薄板 １０２２、１０２４、２００１、２００２トーションバ
ー １０３０、２０１１ ミラー １０３２ ミラー支持部 ２００６ 支持枠 ２０２１ 圧電素子
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１３年２月２３日（２００１．２．２
３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３８】図５は、本発明の揺動体９１０と1本の平
板バネ９０１をモデル化した図である。図に示したよう
に、揺動体がφ回転したとすると、平板バネの揺動体側
の端の変位角θ1と変位y1は、以下で与えられる。θ1 ＝φ y１＝rRφ rR：揺動体半径
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３９】一方、一端を固定した平板バネの自由端
に、力Ｆと曲げモーメントＭが働いたときの、自由端の
変位角θ2と変位y2は、以下で与えられる。θ2 ＝−lR ２/(２EI)・F+lR/(EI)・My2 ＝lR ３/(３EI)・F−lR ２/(２EI)・M
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４０】ここで、lRは平板バネの長さ、Eはヤング
率、Iは平板バネの断面２次モーメントである。Iは、以
下で与えられる。I =tRbR ３/12 bR：平板バネ厚tR ：平板バネ高
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４２】これらから、1枚の平板バネから揺動体に
作用する反作用モーメントMtotalは以下となる。Mtotal =−M−rF=−kRφkR =[Eb3(l2+3lr+3r2)t]/3l3 ここで、kRは、ねじりバネ定数である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４３】また、平板バネの揺動体端と固定端の応力
をそれぞれσ1、σ２とするとσ1 =M/Z=6/tRbR ２・M=[EbR(2lR+3rR)]/lR ２・φσ２ =(M−FlR)/Z=6/tRbR ２・(M−FlR)=−[EbR(lR+3rR)]
/lR ２・φ であるので、応力は平板バネの揺動体端で最大になるこ
とがわかる。σmax =σ1=[EbR(2lR+3rR)]/lR ２・φ
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４４】また、揺動体の慣性モーメントIm、平板バ
ネの本数をｎとすると、共振周波数fは、以下で与えら
れる。ｆ =1/2π・(nkθ/Im)1/2
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】符号の説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【符号の説明】 １０１〜１０４、２０１〜２０３、３０１〜３０４、９
０１〜９０４平板バネ １０６、２０６、３０６ 基板 １１０、２１０、３１０、９１０ 揺動体 １１１、２１１、３１１ ミラー１２０ 基台１３０ 可動磁極 １３１、１３２ 固定磁極１３４ 固定コア１３５ コイル ２２１、２２２ 圧電素子 ３１２、３１３ くし型可動電
極 ３２１、３２２ 固定電極アン
カー ３２３、３２４ 固定電極 ３２５、３２６ くし型固定電
極 ３３１〜３３４ 平板バネアン
カー ３５０ 電圧源 ３６０ 種電極 ３６１ 犠牲層 ３６２ 厚膜レジスト
層 ３６３ 金属層 ４０１ Ｘ光偏向器 ４０２ Ｙ光偏向器 ４０５ レーザ発振器 ４０７ スクリーン ４０９ コントローラ ４１０ レーザ光線 １０１０ 絶縁性基板 １０１４、１０１６ 駆動電極 １０２０ シリコン薄板 １０２２、１０２４、２００１、２００２トーションバ
ー １０３０、２０１１ ミラー １０３２ ミラー支持部 ２００６ 支持枠 ２０２１ 圧電素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 7/182 Ｇ０２Ｂ 26/08 Ｅ 26/08 7/18 Ｚ

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板と、少なくとも１つの揺動体を有し、
    前記揺動体は、前記基板と揺動体間を繋ぐように伸びた
    少なくとも３つ以上の複数のバネによって前記基板に対
    して支持されており、前記複数のバネは、その長軸の延
    長線が共通平面内にあって１点で交わるように配置さ
    れ、最も撓みやすい方向が該共通平面に平行である様な
    形態を有し、これにより、前記揺動体が該共通平面に垂
    直な軸回りに揺動自由に弾性支持されていることを特徴
    とするマイクロ構造体。
  2. 【請求項２】前記バネは平板バネであることを特徴とす
    る請求項１に記載のマイクロ構造体。
  3. 【請求項３】前記複数のバネの長軸の延長線が前記揺動
    体の慣性主軸で交わるように配置されていることを特徴
    とする請求項１または２に記載のマイクロ構造体。
  4. 【請求項４】前記複数のバネと前記揺動体が共通の単結
    晶材料基板から一体に形成されていることを特徴とする
    請求項１乃至３の何れかに記載のマイクロ構造体。
  5. 【請求項５】前記複数のバネと前記揺動体が、エッチン
    グ加工により、単結晶シリコンから一体に形成されてい
    ることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ構造体。
  6. 【請求項６】前記複数のバネと前記揺動体が、平板状基
    板を深堀りエッチングすることで形成されて、その外面
    を画する面が該平板状基板面とこの面に対する垂直面か
    ら成ることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載
    のマイクロ構造体。
  7. 【請求項７】前記複数のバネの角部が等方性エッチング
    で軽く丸くされて、そこへの応力集中が緩和されている
    ことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のマイ
    クロ構造体。
  8. 【請求項８】前記複数のバネと前記揺動体が、電気メッ
    キ法により、金属材料にて一体に形成されていることを
    特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の構造体。
  9. 【請求項９】前記揺動体が一つであることを特徴とする
    請求項１乃至８の何れかに記載のマイクロ構造体。
  10. 【請求項１０】前記複数のバネが３つ或いは４つである
    ことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載のマイ
    クロ構造体。
  11. 【請求項１１】前記揺動体が複数であり、該複数の揺動
    体が入れ子式に配置され、各揺動体が、その外側の揺動
    体或いは前記基板に対して、夫々の複数のバネによって
    規定される共通平面に垂直な軸回りに揺動自由に弾性支
    持されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れ
    かに記載のマイクロ構造体。
  12. 【請求項１２】前記垂直な軸が互いに角度を成して交差
    していることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ
    構造体。
  13. 【請求項１３】前記角度が９０度であることを特徴とす
    る請求項１２に記載のマイクロ構造体。
  14. 【請求項１４】請求項１乃至１３の何れかに記載のマイ
    クロ構造体と、前記揺動体に設けられた光反射手段と、
    前記基板に対して前記揺動体を相対的に回転変位させる
    回転変位アクチュエータを有することを特徴とするマイ
    クロ光偏向器。
  15. 【請求項１５】前記回転変位アクチュエータが、前記揺
    動体に結合された可動コアと、前記基板に結合された固
    定コアと、該固定コアを周回するコイルからなる電磁ア
    クチュエータであることを特徴とする請求項１４に記載
    のマイクロ光偏向器。
  16. 【請求項１６】前記回転変位アクチュエータが、前記揺
    動体に結合された可動電極と、前記基板に結合された固
    定電極とからなる静電アクチュエータであることを特徴
    とする請求項１４に記載のマイクロ光偏向器。
  17. 【請求項１７】前記回転変位アクチュエータが、前記バ
    ネに結合された圧電素子であることを特徴とする請求項
    １４に記載のマイクロ光偏向器。
  18. 【請求項１８】前記回転変位アクチュエータの駆動周波
    数が、前記揺動体の揺動の共振周波数近辺であることを
    特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載のマイ
    クロ光偏向器。
  19. 【請求項１９】前記光反射手段が、光反射面或いは回折
    格子であることを特徴とする請求項１４乃至１８のいず
    れかに記載のマイクロ光偏向器。
  20. 【請求項２０】請求項１乃至１３の何れかに記載のマイ
    クロ構造体と、前記基板と前記揺動体の相対回転変位を
    検出する変位検出手段を有することを特徴とするマイク
    ロ力学量センサ。
  21. 【請求項２１】請求項１乃至１３の何れかに記載のマイ
    クロ構造体と、前記基板に対して前記揺動体を相対的に
    回転変位させる回転変位アクチュエータを有することを
    特徴とするマイクロアクチュエータ。
  22. 【請求項２２】請求項１４乃至１９の何れかに記載のマ
    イクロ光偏向器と、変調可能な光源と、前記光源の変調
    と前記マイクロ光偏向器の揺動体の回転変位を制御する
    制御手段を有することを特徴とする光走査型表示装置。
  23. 【請求項２３】請求項６に記載のマイクロ構造体の製造
    方法であって、材料基板の面にマスク層を成膜する工程
    と、前記面のマスク層を前記揺動体とバネと基板の形態
    に応じてパターニングする工程と、前記材料基板を深堀
    りエッチングする工程とを含むことを特徴とするマイク
    ロ構造体の製造方法。
  24. 【請求項２４】前記バネの角部を軽く等方性エッチング
    して、そこを丸くし、そこへの応力集中を緩和する工程
    を更に含むことを特徴とする請求項２３に記載のマイク
    ロ構造体の製造方法。
  25. 【請求項２５】請求項８に記載のマイクロ構造体の製造
    方法であって、基板の上に種電極を成膜する工程と、該
    種電極の上に犠牲層を成膜し、該基板に固定される部分
    の形態に応じて該犠牲層をパターニングする工程と、該
    種電極と犠牲層の上に厚膜レジスト層を成膜し、該基板
    上に形成されるパーツの部分の形態に応じて該厚膜レジ
    スト層をパターニングする工程と、該厚膜レジスト層を
    型として、前記種電極層の上に金属層を電解メッキする
    工程と、前記厚膜レジスト層、犠牲層、種電極層の順に
    除去を行う工程とを含むことを特徴とするマイクロ構造
    体の製造方法。
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