JP2002258173A - 光変調装置 - Google Patents

光変調装置

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JP2002258173A
JP2002258173A JP2001055695A JP2001055695A JP2002258173A JP 2002258173 A JP2002258173 A JP 2002258173A JP 2001055695 A JP2001055695 A JP 2001055695A JP 2001055695 A JP2001055695 A JP 2001055695A JP 2002258173 A JP2002258173 A JP 2002258173A
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JP
Japan
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light
modulation device
gap
mirror
crank
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JP2001055695A
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English (en)
Inventor
Seiichi Kato
静一 加藤
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 両端固定梁の構造の光変調装置において、駆
動電圧を低くすることを課題とする。 【解決手段】 基板102と、表面に光反射面を有した
両端固定梁101と、空隙105と、電極103とを有
し、且つ、両端固定梁101の一端に伸縮構造106を
有する。伸縮構造106は、狭い幅を有し、変位が容易
である。駆動電圧は低くなる。伸縮構造106は、梁の
変位量を増やし、光反射面の偏向角度を大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光変調装置に係り、
電子写真プロセスにおける光書き込みデバイスに適用さ
れる光変調装置に関する。
【0002】
【従来の技術】静電力を利用した光スイッチデバイスで
は片持ち梁を静電力で撓ませて光の反射方向を変えてス
イッチするデバイス、及びそれを用いた光変調システム
がK.E.Petersenにより1977年に発表されている(Applie
d Physics Letters,Vol.31, No.8, pp521〜pp523)。ま
たD.M.Bloomが回折格子を静電力で駆動して光スイッチ
する素子を発表している。(Optics Letters,Vol.7, N
o.9, pp688〜pp690)USPの国内対応出願は特願平9-5012
92、特願平9-501613及び特願平9-501293である。また、
関連する発明として、円筒状に変形する方法の特開2000
-2842がタ゛ニエル ケ゛ルハ゛ートらにより考案されている。特開平
09-096768では偏光スイッチの考案がある。
【0003】K.E.Petersenが発表した片持ち梁を利用し
た光スイッチは梁の安定性の確保が難しく、応答速度も
速くできない。またD.M.Bloomらによる特願平9-50129
2、特願平9-501613及び特願平9-501293に示される光ス
イッチ素子は入射光の波長が制限されるという欠点があ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本出願人は先に、上記
の欠点を解決し、梁の安定性を確保し、応答速度の早い
光変調装置を提案した。この光変調装置は、両端固定梁
という構造である。しかし、両端固定梁という構造か
ら、梁を変形させる静電力が大きい必要があり、駆動電
圧が高いという問題点を有していた。
【0005】そこで、本発明は、上記課題を解決した光
変調装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、基板
上に形成された電極と、この電極に空隙を介して、対応
するように光反射面を有した両端固定梁が保持され、こ
の両端固定梁を静電力で変形させ、光反射面に入射する
入射光束の反射方向を変えることで変調を行う光変調装
置であって、一方の固定部側に伸縮機構を具備する構成
としたものである。
【0007】伸縮機構は、幅が狭く、梁を変位し易くし
て、駆動電圧を低める。また、伸縮機構は、光反射面の
偏向角を大きくする。
【0008】請求項2の発明は、請求項1の光変調装置
において、上記光反射面を有する梁に対応する該空隙の
形状が非平行である構成としたものである。
【0009】空隙を非平行にした構成は、更に駆動電圧
を低める。
【0010】請求項3の発明は、請求項1および請求項2
に記載の光変調装置において、該空隙深さ最大位置が鏡
の端に近い構成としたものである。鏡の偏向角を空隙形
状で最も大きくすることが可能となる。
【0011】請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3の
うち何れか一項記載の光変調装置において、伸縮機構
は、複数の腕からなるクランク形状を有する構成とした
ものである。梁の幅以内で伸びの大きな伸縮機構を形成
することが可能となる。
【0012】請求項5の発明は、請求項4記載の光変調
装置において、クランクの長腕が鏡の形成された梁に平
行である構成としたものである。クランクの長い腕を鏡
の形成された梁に平行にすることで、変形量が大きくと
れ、隣の梁に影響しないように出来る。
【0013】請求項6の発明は、請求項4記載の光変調
装置において、クランクの長い腕の一本が他の腕より長
い構成としたものである。クランクの長い腕の一本を他
の腕より長い構成することで、梁の伸び量が増し、梁の
変位量が増加する。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の構成と動作を実施例を用
いて説明する。
【0015】本発明の第1実施例になる光変調装置の構
造を図1に示す。図1は本発明の光変調装置の断面図と平
面図である。
【0016】図中、101は表面に光反射面を有した両端
固定梁である。特に鏡材を梁材と別に積層する場合は鏡
材を特に108と示した。
【0017】102は梁を保持する基板、103は梁を駆動す
る電極である。104は電極103を保護する保護膜、105は
基板と両端固定梁の間に形成した空隙である。
【0018】両端固定梁101,108に作用する静電力は空
隙105を介して梁に対向して形成された電極103を用い、
梁と電極間に電圧を印加することにより梁を撓ませる静
電力を発生させる。図2(A),(B)に示すように、
静電力で変位した梁の光反射面角度が変化し、反射光が
偏向され、光反射面に入射する入射光束の反射方向を変
えることで光変調が行われる。図2(A)は非駆動状態
を示し、図2(B)は駆動された状態を示す。光を偏向
する鏡の変位する側の端を空隙の最大深さの位置に近く
することで、同じ深さの空隙で鏡の変位を最も大きくす
ることができる。
【0019】本発明の構造は両端は固定であるが、一方
の固定部側に梁の変位を容易にする伸縮機構106を設け
ことを特徴としている。伸縮機構としてクランク機構を
使用する。両端固定梁の一方の固定部を構成する伸縮機
構106は、反対側の固定部の幅より狭い幅を有する。よ
って、伸縮機構106は、梁が変位しやすくなり、駆動電
圧を低めることが可能となる。また、偏向角が大きくな
る。偏向角が大きいと、電子写真の書き込みなどで、光
をレンズ系で偏向素子に集光した場合、反射した光は広
がるため偏向角が大きいほど、光の遮断状態での迷光を
抑制でき有利になる。
【0020】図3は、伸縮機構106の概念図を示す。
図3に示すように、クランクは例えばA、B、Cの3本以上
の長い腕でとそれらをつなぐ節D、Eにより構成され
る。それぞれの梁が変形しそれぞれの梁の伸びやたわみ
が総合されるので、1本の場合よりも大きく変形するこ
とができる。また、もう一つの特徴として、節D、Eで
ねじれ変形が生じるので水平方向への伸びが大きくな
る。
【0021】図4は、別の例の伸縮機構106Aを示
す。一本の長い梁C1を有する。梁のうち1本でも長く
すると節でのねじれがより少なくなりより全体の変形が
しやすい。
【0022】図5は、更に別の例の伸縮機構106Bを
示す。複数のクランクを組み合わせた複数段の構成であ
る。複数のクランクが組み合わされていることによっ
て、伸びはいっそう大きくできる。即ち、梁の伸び量を
増やし、梁の変位量を増加して、梁の偏向角は大きくな
る。
【0023】図6は、本発明の第2実施例になる光変調
装置の構造を示す。
【0024】空隙溝幅90μm、梁幅20μm空隙最大深さ
15μmで、60μの範囲に幅6μmで3本梁からなる伸縮機
構を形成し、5.8μmの伸びが確保でき、偏向角30°が
えられた。また、図6に示すように伸縮機構の腕を鏡の
形成された梁の幅の中央に接続することで、クランクが
大きく変形した場合でも、梁のねじれを防止できる。
【0025】図7は、本発明の第3実施例になる光変調
装置の構造を示す。
【0026】空隙溝幅100μm、梁幅20μm、空隙最大深
さ22μmで、図7のようにクランクを二段にした伸縮機
構を用いた場合は、12μmの伸びが確保でき、偏向角45
°がえられた。また、図7に示すように伸縮機構の腕を
鏡の形成された梁の幅の中央に接続することで、クラン
クが大きく変形した場合でも、梁のねじれを防止でき
る。
【0027】次に上記の光変調装置の製造工程について
説明する。第1実施例、第2実施例、第3実施例とも平
面的形状のみ異なるので製造工程は同様である。
【0028】図8(A)乃至(E)、図9、図10、図1
1、図12は、例えば、基板をSi基板、梁にSiNを用いた
場合の工程図を示す。図9は図8(E)の次の工程の状
態を示す。図10は図9の次の工程の状態、図11は図
10の次の工程の状態、図12は図11に続く最終工程
の状態を示す。
【0029】梁長90μm、梁幅20μm、空隙最大深さ15μ
mである。
【0030】梁101は単結晶シリコン、多結晶シリコ
ン、又は窒化シリコンの薄膜で形成されている。
【0031】また、梁101は鏡材になるCrやNiなどの金
属薄膜を用いることも可能である。単結晶シリコンで形
成した両端固定張りは欠陥が少なく、寿命が長い。また
多結晶シリコンで形成した梁はCVD等の手法を用いるこ
とが出来るのでコストが低く出来る。また窒化シリコン
の薄膜で形成した梁は窒化シリコン薄膜の引っ張り応力
の作用によりスイッチングの応答速度を速めることが出
来る。
【0032】ここではSiNシリコン窒化膜を例にしてい
る。
【0033】先ず、図8(A)示すように、Si基板102
に有機フォトレジストで空隙となる溝をパターン形成。
SF6ガスのRIE(リアクティブ・イオン・エッチング)で
ドライエッチングして、溝を掘る。溝に傾斜を形成する
場合、フォトマスクに階調を設け、レジストパターンの
厚さ方向に傾斜を形成する。 RIEを行うと、フォトマス
クの階調にしたがった構造がSi基板の溝に転写される。
【0034】溝が深い場合はRIEの際に基板温度を-40℃
程度以下の低温にするので側面への広がりを抑制でき
る。次に基板と個別電極を絶縁するため、酸化して溝を
1μm程度の熱酸化膜201で覆う。
【0035】次に、図8(B)示すように、例えばTiN
などの導体薄膜をスパッタ法で成膜する。
【0036】個別電極パターンを有機レジストのフォト
リソグラフィでパターンニングし、Cl2ガスでRIEにより
エッチングして個別電極103を形成する。パッシベーシ
ョン膜104となるSiNをSiH4とNH3の混合ガスの熱CVD法で
形成する。
【0037】次に、図8(C)示すように、犠牲層202
となる酸化膜をPH3、B2H2、SiH4とN20の混合ガスの熱CV
Dを行い成膜する。1000℃でリフロー処理を行いより平
坦化する。
【0038】次に、図8(D)示すように、CMP(ケミ
カル・メカニカル・ポリシング)技術を用い研磨して平
坦化する。
【0039】次に、図8(E)示すように、SiH4とNH3
の混合ガスの熱CVD法で梁101となるSiN膜203を成膜す
る。
【0040】次に、図9示すように、梁の平面形状を有
機レジストのフォトリソグラフィでパターンニングし、
CHF3のRIEでエッチングしSiNの梁の形状を製作する。こ
n場合、本発明の変位を容易にする伸縮機構106の構造
は平面的であるのでマスクパターンの設計により図1、
図6、図7の構造を同様に製作できる。このようにして
梁101を形成する。空隙に埋められた犠牲層がエッチン
グ用のスリット204により露出する。
【0041】次に、図10示すように、鏡材となる金属
薄膜、例えばCrをスパッタ法で成膜し、フォトリソグラ
フィで有機レジストをパターンニングし、Cl2とO2の混
合ガスのRIEでエッチングし鏡108を形成する。
【0042】次に、図11示すように、フォトリソグラ
フィで個別電極パッドのパターンを有機レジストで形成
し、CHF3のRIEでSiNをエッチングし、個別電極パッド1
09を開口する。
【0043】最後に、図12示すように、ふっ酸により
犠牲層酸化膜をスリット204を介しエッチングし除去し
犠牲層を除去する。梁は犠牲層がなくなったので空間に
浮き、空隙が完成される。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1の発明
は、基板上に形成された電極と、この電極に空隙を介し
て、対応するように光反射面を有した両端固定梁が保持
され、この両端固定梁を静電力で変形させ、光反射面に
入射する入射光束の反射方向を変えることで変調を行う
光変調装置において、一方の固定部側に伸縮機構を具備
し、両端固定梁の一方の固定部の幅を他方より狭めた構
成であるため、狭めた固定部側で梁が変位しやすくな
り、駆動電圧を低めることが出来る。また、偏向角を大
きくすることが出来る。
【0045】請求項2の発明は、空隙を非平行にした構
成であるため、更に駆動電圧を低めることが出来る。
【0046】請求項3の発明は、鏡の端が空隙の最も深
い部分の位置に近いようにした構成であるため、鏡の偏
向角を空隙形状で最も大きくすることが出来る。また、
空隙内の最も傾斜の大きいスロープの長さと鏡の長さが
近いと寸法の効率がよい。
【0047】請求項4の発明は、複数の腕からなるクラ
ンクを伸縮機構に使用した構成であるため、梁の幅以内
で伸びの大きな伸縮機構を形成することが出来る。ま
た、電子写真の書き込み系に使用した場合に梁の幅が解
像度に相当するため幅の狭い梁の製作に有効であるよう
に出来る。
【0048】請求項5の発明によれば、梁の伸び量を増
やし、梁の変位量を増加して、梁の偏向角を大きくする
ことが出来る。クランクの長い腕を鏡の形成された梁に
平行にすることで変形量を大きくとれ、隣の梁に影響し
ない動きに出来る。
【0049】請求項6の発明によれば、梁の伸び量を増
やし、梁の変位量を増加して、梁の偏向角を大きくする
ことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の光変調装置を示す図であ
る。
【図2】図1の光変調装置の動作を示す図である。
【図3】図1の光変調装置の伸縮機構の概念図である。
【図4】別の例の伸縮機構を示す図である。
【図5】更に別の例の伸縮機構を示す図である。
【図6】本発明の第2実施例になる光変調装置を示す図
である。
【図7】本発明の第3実施例になる光変調装置を示す図
である。
【図8】光変調装置の製造工程を示す図である。
【図9】図8(E)の次の製造工程を示す図である。
【図10】図9の次の製造工程を示す図である。
【図11】図10の次の製造工程を示す図である。
【図12】図11の次の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
101 両端固定梁 102 基板 103 電極 105 空隙 106、106A、106B 伸縮構造 108 鏡材

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に形成された電極と、この電極に
    空隙を介して、対応するように光反射面を有した両端固
    定梁が保持され、この両端固定梁を静電力で変形させ、
    光反射面に入射する入射光束の反射方向を変えることで
    変調を行う光変調装置であって、一方の固定部側に伸縮
    機構を具備する構成としたことを特徴とする光変調装
    置。
  2. 【請求項2】 請求項1の光変調装置において、上記光
    反射面を有する梁に対応する該空隙の形状が非平行であ
    る構成としたことを特徴とする光変調装置。
  3. 【請求項3】 請求項1および請求項2に記載の光変調装
    置において、該空隙深さ最大位置が鏡の端に近い位置で
    ある構成としたことを特徴とする光変調装置。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至請求項3のうち何れか一項記
    載の光変調装置において、伸縮機構は、複数の腕からな
    るクランク形状を有する構成であることを特徴とする光
    変調装置。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の光変調装置において、ク
    ランクの長腕が鏡の形成された梁に平行である構成とし
    たことを特徴とした光変調装置。
  6. 【請求項6】 請求項4記載の光変調装置において、ク
    ランクの長い腕の一本が他の腕より長い構成としたこと
    を特徴とする光変調装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004101427A1 (ja) * 2003-05-15 2004-11-25 Nikon Corporation マイクロアクチュエータ、光学装置、可変光減衰器及び光スイッチ

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