JP2002321197A - Micro structural body, micromechanical sensor, microactuator, microoptical polariscope, optical scanning display and manufacruring method thereof - Google Patents

Micro structural body, micromechanical sensor, microactuator, microoptical polariscope, optical scanning display and manufacruring method thereof

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JP2002321197A
JP2002321197A JP2001279383A JP2001279383A JP2002321197A JP 2002321197 A JP2002321197 A JP 2002321197A JP 2001279383 A JP2001279383 A JP 2001279383A JP 2001279383 A JP2001279383 A JP 2001279383A JP 2002321197 A JP2002321197 A JP 2002321197A
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torsion
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英正 水谷
Yasuhiro Shimada
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microstructure having an oscillating element which is vibration freely supported by a torsion spring that is difficult to twist vertical or parallel direction for the oscillating element. SOLUTION: The microstructure has a substrate 120 and an oscillating element 130. The oscillating element 130 is elastically and oscillation freely supported by torsion springs 128 and 129 for the substrate 120. The torsion springs 128 and 129 have at least a part whose cross sectional shape of a face vertical to the long axis inclines for the plane of the flat oscillating element 130.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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、軸回りに揺動する部材を有するマイクロ力学量
センサ、マイクロアクチュエータ、マイクロ光偏向器等
に関するものである。
[0001] The present invention relates to the field of micromachines or microstructures. More specifically, the present invention relates to a micro-mechanical quantity sensor, a micro-actuator, a micro-optical deflector and the like having a member swinging around an axis.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art It is well known that when an attempt is made to reduce the size of a mechanical element, the ratio of surface force becomes larger than that of body force, and the influence of friction becomes larger than that of a machine having a normal size. For this reason, in designing a micromachine, it is common to consider to minimize the sliding portion and the rotating portion.

【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23は、米国特許第431761
1号明細書に開示された光偏向器の斜視図を示してい
る。図24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25と図
26は、それぞれ、図23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。
A conventional example of an optical deflector having a member that swings around an axis will be described. FIG. 23 shows U.S. Pat.
FIG. 1 shows a perspective view of an optical deflector disclosed in the specification of Japanese Patent Application Laid-open No. 1-No. FIG. 24 is an exploded view of the optical deflector for explaining its internal structure. FIGS. 25 and 26 are cut lines 1003 and 1006 in FIG. 23, respectively.
10 shows a cross-sectional view of the silicon thin plate 1020 in FIG.

【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。
In the above optical deflector, a recess 1012 is formed in a substrate 1010 made of an insulating material. A pair of drive electrodes 101 is provided at the bottom of the recess 1012.
4, 1016 and a mirror support 1032 are arranged. The silicon thin plate 1020 has a torsion bar 10
22, 1024 and the mirror 1030 are integrally formed. The mirror 1030 has a surface coated with a substance having high light reflectance, and has a torsion bar 1022,
024 for free swinging. The silicon thin plate 1020 is disposed on the substrate 1010 so as to keep a predetermined distance from the drive electrodes 1014 and 1016.

【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。
Here, the silicon thin plate 1020 is electrically grounded. Therefore, the drive electrodes 1014, 101
6 by applying a voltage alternately, an electrostatic attraction is applied to the mirror 1030, and the mirror 1030 is swung around the major axis of the torsion bar 1022, 1024.

【0006】トーションバー1022、1024の断面
形状は、図26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。
The sectional shape of the torsion bars 1022, 1024 is trapezoidal as shown in FIG. However, such a microstructure having a torsion bar having such a cross-sectional shape has a problem in that the torsion bar is easily bent, so that external vibration is picked up or the axis of the torsion bar is shaken, so that accurate driving cannot be performed. was there.

【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。
Therefore, when such an optical deflector is applied to an optical scanning display, there is a problem that an image is blurred or a spot shape is changed by external vibration. This becomes a greater problem when the optical scanning display is made in a portable form.

【0008】そこで、トーションバーを撓みにくくする
ために、次のような構造が提案されている。図27は、
10th International Conference on Solid-State Senso
rs and Actuators (Transducers ’99) pp.1002-1005に
て開示されたハードディスクヘッド用ジンバルである。
このジンバルは、ハードディスクヘッド用サスペンショ
ンの先端に取り付けられ、磁気ヘッドにロールとピッチ
の動きを弾性的に許容させるためのものである。ジンバ
ル2020は、内側にロールトーションバー2022、
2024で回転自由に支持された支持枠2031を有し
ている。また、支持枠2031の内側には、ピッチトー
ションバー2026、2028で回転自由に支持された
ヘッド支持体2030が形成されている。ロールトーシ
ョンバー2022、2024とピッチトーションバー2
026、2028のねじれの軸(図27の直交する鎖線
参照)は、互いに直交しており、それぞれ、ヘッド支持
体2030のロールとピッチの動きを担当している。
In order to make the torsion bar hard to bend, the following structure has been proposed. FIG.
10th International Conference on Solid-State Senso
rs and Actuators (Transducers '99) A gimbal for a hard disk head disclosed in pp. 1002-1005.
The gimbal is attached to the tip of the suspension for the hard disk head, and allows the magnetic head to elastically allow the roll and pitch to move. The gimbal 2020 has a roll torsion bar 2022 inside,
A support frame 2031 that is rotatably supported at 2024 is provided. A head support 2030 rotatably supported by pitch torsion bars 2026 and 2028 is formed inside the support frame 2031. Roll torsion bar 2022, 2024 and pitch torsion bar 2
The torsional axes of 026 and 2028 (see the orthogonal chain lines in FIG. 27) are orthogonal to each other, and are responsible for the roll and pitch movement of the head support 2030, respectively.

【0009】図28は、図27中の切断線2006にお
ける断面図である。図28に示すように、トーションバ
ー2022の断面形状はT字形状をしており、また、ジ
ンバル2020はリブを有する構造になっている。
FIG. 28 is a cross-sectional view taken along section line 2006 in FIG. As shown in FIG. 28, the torsion bar 2022 has a T-shaped cross section, and the gimbal 2020 has a structure having ribs.

【0010】図29を用いて、本ジンバルの作製工程を
説明する。先ず、型取り用シリコンウエハー2091
に、ICP-RIE(誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチ
ング)のようなエッチング法を用いて、垂直エッチング
を行う(a)。この型取り用シリコンウエハー2091
は、再利用が可能である。次に、型取り用シリコンウエ
ハー2091の上に、シリコン酸化膜とリン酸化ガラス
からなる犠牲層2092を成膜する(b)。続いて、構
造体となるポリシリコン層2093を成膜する(c)。
そして、このポリシリコン層2093のパターニングを
行う(d)。最後に、犠牲層2092を除去し、パター
ニングされたパッド2095にエポキシ樹脂2094で
ポリシリコン層2093を接着する(e)。
The manufacturing process of the gimbal will be described with reference to FIG. First, a silicon wafer 2091 for molding is used.
Next, vertical etching is performed using an etching method such as ICP-RIE (inductively coupled plasma-reactive ion etching) (a). This molding silicon wafer 2091
Can be reused. Next, a sacrifice layer 2092 made of a silicon oxide film and phosphoric glass is formed on the silicon wafer 2091 for molding (b). Subsequently, a polysilicon layer 2093 to be a structure is formed (c).
Then, the polysilicon layer 2093 is patterned (d). Finally, the sacrificial layer 2092 is removed, and the polysilicon layer 2093 is bonded to the patterned pad 2095 with the epoxy resin 2094 (e).

【0011】この様にして作製されたT字断面を有する
トーションバーは、円断面や長方形断面のような断面形
状を有するトーションバーと比べて、断面二次極モーメ
ントJが小さいわりに、断面二次モーメントIが大きい
という特徴がある。そのため、比較的ねじれやすい割り
に、撓みにくいトーションバーを提供できる。つまり、
ねじれ方向に十分なコンプライアンスを確保しながら、
ねじれの軸に垂直な方向には剛性の高いトーションバー
を提供できる。
The torsion bar having a T-shaped cross section manufactured as described above has a smaller secondary moment of area J than a torsion bar having a cross-sectional shape such as a circular cross section or a rectangular cross section. There is a feature that the moment I is large. Therefore, it is possible to provide a torsion bar that does not easily bend, although it is relatively easy to twist. That is,
While ensuring sufficient compliance in the torsional direction,
A rigid torsion bar can be provided in the direction perpendicular to the axis of twist.

【0012】また、必要なコンプライアンスや許容ねじ
れ角を得るための長さが短いトーションバーを提供でき
るため、より小型化できるという利点もある。
Further, since a torsion bar having a short length for obtaining necessary compliance and an allowable torsion angle can be provided, there is an advantage that the size can be further reduced.

【0013】こうして、このT字断面を有するトーショ
ンバーを用いることで、ロール、ピッチ方向に十分なコ
ンプライアンスを持ち、その他の方向には十分な剛性を
有し、より小型化が可能なマイクロジンバルを提供でき
る。
Thus, by using the torsion bar having the T-shaped cross section, a micro gimbal which has sufficient compliance in the roll and pitch directions, has sufficient rigidity in other directions, and can be made more compact. Can be provided.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】しかし、このマイクロ
構造体には、次のような問題点があった。 1.T字形状断面を有するトーションバーは、捩れたと
きに図28の2050の部分において応力の集中が生じ
るために壊れやすい。 2.T字形状断面を有するトーションバーは、ねじりの
中心と重心軸の中心が一致していない。そのため、揺動
時にねじれの軸に垂直な方向の加振力を生じてしまう。
そのため、駆動時に不要な動きが生じてしまう。 3.ポリシリコンは、単結晶シリコンに比べて内部損失
が大きいため、機械的なQ値が低くなってしまう。その
ため、機械的な共振を利用して駆動する際に、振動振幅
を大きくできない。また、損失が大きいためエネルギー
効率が低い。
However, this microstructure has the following problems. 1. The torsion bar having a T-shaped cross section is fragile when twisted because stress concentration occurs at a portion 2050 in FIG. 2. In a torsion bar having a T-shaped cross section, the center of the torsion does not coincide with the center of the center of gravity axis. Therefore, an exciting force in a direction perpendicular to the axis of the torsion is generated at the time of swinging.
Therefore, unnecessary movement occurs during driving. 3. Since the internal loss of polysilicon is larger than that of single crystal silicon, the mechanical Q value is reduced. Therefore, when driving utilizing mechanical resonance, the vibration amplitude cannot be increased. In addition, energy efficiency is low due to large loss.

【0015】本発明の目的は、この様な問題点を解決し
た、軸回りに揺動する部材を有するマイクロ力学量セン
サ、マイクロアクチュエータ、マイクロ光偏向器等に適
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。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve such a problem and to provide a micro-mechanical sensor or micro-actuator having a member swinging about an axis, a micro-actuator, a micro-machine or a micro-structure which can be applied to a micro optical deflector and the like. It is to provide a manufacturing method.

【0016】[0016]

【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、少なくとも一
つ以上の平板状の揺動体を有し、前記揺動体が1本以上
のトーションスプリングによって前記基板に対して弾性
的に揺動自由に支持されているマイクロ構造体であっ
て、前記トーションスプリングは、その長軸に垂直な面
の断面形状の少なくとも一部が、前記平板状の揺動体の
平面に対して傾斜していることを特徴とする。トーショ
ンスプリングの長軸に垂直な面での断面形状(本明細書
ではトーションスプリングの断面形状或いは横断面形状
とも言う)を、平板状の揺動体の平面(マイクロ光偏向
器ではここに反射面などが形成される)に対して傾斜し
た部分を有するように形成することにより、揺動体の平
面に対して垂直、平行方向へ撓みにくい構造を効果的に
実現できる。
A microstructure according to the present invention for solving the above-mentioned problems has a substrate and at least one or more plate-shaped oscillators, and the oscillator has at least one oscillator. A torsion spring is a microstructure elastically supported by the substrate so as to freely swing freely, wherein the torsion spring has at least a part of a cross-sectional shape perpendicular to a major axis of the microstructure. Characterized by being inclined with respect to the plane of the oscillator. The cross-sectional shape in a plane perpendicular to the major axis of the torsion spring (also referred to as the cross-sectional shape or transverse cross-sectional shape of the torsion spring in this specification) is changed to the plane of a plate-shaped oscillator (the micro-optical deflector includes a reflecting surface or the like). Is formed so as to have a portion that is inclined with respect to the plane of the oscillating body.

【0017】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。上記の基本構成では、前記
トーションスプリングのねじり中心軸が前記平板状の揺
動体の重心付近を通る様に容易にできる。トーションス
プリングのねじれの軸中心が揺動体の重心付近を通過す
る構成とすることにより、揺動体を安定にねじり振動可
能となる。トーションスプリングのねじれの軸中心と揺
動体の重心が一致していないと、揺動体のねじり振動に
伴って、この不一致のために、ねじれの軸に垂直な方向
に加振力が加わって不要な振動や変位が生じ易い。した
がって、ねじれの軸中心が揺動体の重心付近を通過する
構成とすることにより、マイクロ光偏向器等のマイクロ
構造体の不要振動を低減できる。
Based on this basic configuration, the following more specific forms are possible. With the above basic configuration, the torsion spring can be easily made to pass through the vicinity of the center of gravity of the plate-shaped oscillating body. By configuring the torsion spring torsion axis center to pass near the center of gravity of the oscillator, the oscillator can be stably torsional vibrated. If the center of the torsion spring's torsion axis does not match the center of gravity of the oscillating body, this inconsistency will occur due to the torsional vibration of the oscillating body. Vibration and displacement are likely to occur. Therefore, unnecessary vibration of a micro structure such as a micro optical deflector can be reduced by using a configuration in which the center of the torsion passes near the center of gravity of the oscillator.

【0018】前記トーションスプリングの長軸に垂直な
面の断面形状が、そのねじり中心軸を含む面に対して対
称形状を有する様にも容易にできる。トーションスプリ
ングの断面形状を、揺動体の平面に対して傾斜した部分
を有するように形成し、更に、対称とすることにより、
ねじれの軸中心にねじり易く、ねじれの軸に垂直な方向
には更に撓みにくい構造とすることができる。
The sectional shape of a plane perpendicular to the major axis of the torsion spring can be easily made to have a symmetrical shape with respect to the plane including the torsion center axis. By forming the cross-sectional shape of the torsion spring so as to have a portion inclined with respect to the plane of the oscillating body, and by further making it symmetric,
A structure that is easy to twist around the axis of the torsion and that is more difficult to bend in the direction perpendicular to the axis of the torsion can be obtained.

【0019】前記トーションスプリングの材質は、好適
にはシリコン単結晶などの単結晶材料からなる。こうす
れば、内部損失を小さくできてエネルギー効率が高い揺
動機構を実現できる。また、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)単結晶シリコンを使用するの
が好適である。(100)シリコン単結晶基板を用い
て、前記トーションスプリングの傾斜面をシリコン単結
晶の(111)面である様にも容易にできる。
The material of the torsion spring is preferably made of a single crystal material such as silicon single crystal. This makes it possible to realize a swing mechanism that can reduce internal loss and have high energy efficiency. In addition, by using a single crystal material as a material, a structure having a high mechanical Q value can be realized. As the single crystal material, it is preferable to use single crystal silicon that is easily available and has excellent mechanical properties (that is, it is relatively lightweight but has excellent physical strength, durability, and life). Using a (100) silicon single crystal substrate, the inclined surface of the torsion spring can be easily made to be the (111) plane of silicon single crystal.

【0020】また、前記単結晶材料が(100)シリコ
ン単結晶基板であり、トーションスプリングが異方性エ
ッチングで形成されて、その外面を画する該(100)
基板面に対する斜面が(111)面である様にできる。
この際、前記基板或いは揺動体に繋がるトーションスプ
リングの付け根部の外面を画する(100)基板面に対
する面も、(111)面である様にできる。(111)
面は高精度且つ滑らかに形成されるので、作製されたト
ーションスプリングは破断し難いものとなる。更に、ト
ーションスプリングの付け根部分の面も(111)斜面
とすれば、ここへの応力集中が緩和できて、トーション
スプリングの信頼性を高められる。
Further, the single crystal material is a (100) silicon single crystal substrate, and a torsion spring is formed by anisotropic etching to define an outer surface thereof.
The slope with respect to the substrate surface can be set to be the (111) plane.
At this time, the surface with respect to the (100) substrate surface, which defines the outer surface of the base of the torsion spring connected to the substrate or the oscillating body, may be the (111) surface. (111)
Since the surface is formed with high precision and smoothness, the manufactured torsion spring is difficult to break. Furthermore, if the surface of the root portion of the torsion spring is also a (111) slope, stress concentration there can be reduced, and the reliability of the torsion spring can be increased.

【0021】典型的には、前記基板、揺動体、トーショ
ンスプリングは、共通のシリコン単結晶、水晶などの単
結晶材料基板からエッチングなどで一体的に形成され得
る。
Typically, the substrate, the oscillator, and the torsion spring can be integrally formed by etching or the like from a single crystal material substrate such as a common silicon single crystal or quartz.

【0022】トーションスプリングの断面形状として
は、V或いは逆V字状、X字状、ノの字状、ハ或いは逆
ハの字状などの形状がある。V字状、X字状、ハの字状
は後述の実施例ではほぼ左右対称になっているが、必要
であれば、左右非対称な断面形状としてもよい。
The cross-sectional shape of the torsion spring has a shape such as a V or inverted V shape, an X shape, a square shape, a square shape or an inverted square shape. The V-shape, the X-shape, and the C-shape are substantially symmetrical in the embodiments described later, but may be asymmetrical if necessary.

【0023】前記トーションスプリングの角部(急峻な
楔部分など)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もよい。
The corners (steep wedges and the like) of the torsion spring may be lightly rounded by isotropic etching to reduce stress concentration there.

【0024】前記揺動体を支持する2組以上のトーショ
ンスプリングの断面形状を、夫々揺動体を挟んで対向す
るトーションスプリングについて異なる形状としてもよ
い。このことで、ねじれのコンプライアンスを十分に保
ちながら、ねじれの軸に垂直な方向に更に撓みにくい構
造とすることができる。すなわち、この構造では、揺動
体を挟んで対向する夫々のトーションスプリングの撓み
やすい方向が異なっているため、マイクロ光偏向器等の
マイクロ構造体では不要となる揺動体のこの方向への振
動や変位を低減することができる。
The cross-sectional shape of the two or more sets of torsion springs that support the oscillator may be different for the torsion springs that face each other with the oscillator interposed therebetween. This makes it possible to provide a structure that is less likely to bend in a direction perpendicular to the axis of the twist while sufficiently maintaining the compliance of the twist. That is, in this structure, the directions in which the torsion springs opposed to each other with the oscillator interposed therebetween are easy to bend. Therefore, the oscillation or displacement of the oscillator in this direction, which is unnecessary in a micro structure such as a micro optical deflector, becomes unnecessary. Can be reduced.

【0025】更に、揺動体を挟んで対向するトーション
スプリングの断面形状を、該対向するトーションスプリ
ングのねじり中心軸を含む面(この面は、典型的には、
該対向するトーションスプリングのねじり中心軸を含み
該揺動板の平面に平行な面であり、後述する各変形例で
はこうなっている)に対して互いに対称に配置してもよ
い。このことにより、互いのトーションスプリングの撓
みやすい方向を対称に交差させることができる。したが
って、ねじれの軸に垂直方向に撓みにくい構造とするこ
とが効果的にでき、上記対向するトーションスプリング
を異なる形状とする形態の好ましい形態となる。
Further, the cross-sectional shape of the torsion spring opposed to the rocking body is set to a plane including the torsion center axis of the opposed torsion spring (this plane is typically
It is a plane including the torsion center axis of the opposing torsion spring and parallel to the plane of the rocking plate, and this is the case in each of the modified examples described later). This allows the directions in which the torsion springs are easily bent to intersect symmetrically. Therefore, it is possible to effectively make the structure hard to bend in the direction perpendicular to the axis of the torsion, which is a preferable form in which the opposed torsion springs have different shapes.

【0026】マイクロ構造体の形態としては、前記揺動
体が一つであり、直線に沿って伸びた一つないし一対の
トーションスプリングによって該揺動体が前記基板に対
して弾性的に略該直線の回りに揺動自由に支持されてい
る形態を採り得る。一対のトーションスプリングの形態
は後述の実施例に説明されているが、揺動体が充分軽量
で一つのトーションスプリングで支障なく揺動自由に支
持され得る場合には、こうした形態も用途に応じて使用
できる。
As the form of the microstructure, there is one rocking body, and the rocking body is elastically moved relative to the substrate by one or a pair of torsion springs extending along a straight line. It can take a form supported around a free swing. The form of the pair of torsion springs is described in the following embodiment. However, if the rocking body is sufficiently lightweight and can be freely rocked and supported by one torsion spring, such a form may be used depending on the application. it can.

【0027】他のマイクロ構造体の形態としては、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、各直線に沿って伸びた一対のトーシ
ョンスプリングによって、その外側の揺動体或いは前記
基板に対して弾性的に略該各直線の回りに揺動自由に支
持されている形態も採り得る。2つの揺動体が入れ子式
に配置された例は図27に示されている。必要であれ
ば、3つ以上の揺動体が入れ子式に配置された形態も実
現できる。前記各直線が互いに成す角度は、典型的には
90度であるが(図27の例参照)、これも、必要であ
れば90度以外の角度であってもよい。
As another form of the microstructure, there are a plurality of the rockers, the plurality of rockers are nested, and each rocker is formed by a pair of torsion springs extending along each straight line. It is also possible to adopt a form in which the outer swinging body or the substrate is elastically supported to be able to swing freely around each of the straight lines. An example in which two oscillators are nested is shown in FIG. If necessary, a form in which three or more rockers are nested can be realized. The angle formed by the straight lines is typically 90 degrees (see the example in FIG. 27), but may be an angle other than 90 degrees if necessary.

【0028】更なる他のマイクロ構造体の形態として
は、前記揺動体が複数であり、該複数の揺動体がトーシ
ョンスプリングを介在させて直列的に配置され、最も外
側の揺動体が前記基板にトーションスプリングを介在さ
せて支持されている形態も採り得る。例えば、比較的小
質量の揺動体をトーションスプリングを介在させて比較
的大質量の揺動体で挟み、両側の大質量の揺動体をトー
ションスプリングを介在させて基板に繋げ、これら3つ
のトーションスプリングを一直線に沿って伸びる形態と
して、この形態において、大質量の揺動体の駆動で小質
量の揺動体を間接的に駆動する。いずれにせよ、本発明
のマイクロ構造体は、トーションスプリングの断面形状
の少なくとも一部が、平板状の揺動体の平面に対して傾
斜していることに特徴があり、その形態は用途に応じて
種々のものであり得る。
As still another form of the microstructure, the plurality of oscillators are arranged in series with a torsion spring interposed therebetween, and the outermost oscillator is attached to the substrate. A form supported by a torsion spring may be employed. For example, a relatively small mass oscillator is interposed between relatively large mass oscillators with a torsion spring interposed, and the large mass oscillators on both sides are connected to a substrate with a torsion spring interposed therebetween, and these three torsion springs are connected. As a form extending along a straight line, in this form, a large-mass oscillator is indirectly driven by driving a large-mass oscillator. In any case, the microstructure of the present invention is characterized in that at least a part of the cross-sectional shape of the torsion spring is inclined with respect to the plane of the plate-shaped oscillator, and the form depends on the application. It can be various.

【0029】更に、上記問題点を解決するための本発明
のマイクロ力学量センサは、上記のマイクロ構造体と、
基板と揺動体の相対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変位を検出するものが
ある。その具体例としては、特開平8−145717、
特開2000−65664、特開2000−29243
4号公報などに開示されている。
Further, a micro mechanical quantity sensor according to the present invention for solving the above-mentioned problems, comprises the above-mentioned micro structure,
It is characterized by having a displacement detecting means for detecting a relative displacement between the substrate and the oscillator. As the displacement detecting means, a conventionally known means can be used. For example, there is a means for detecting a relative change between the substrate and the oscillating body by detecting a change in capacitance by a voltage change. Specific examples thereof include JP-A-8-145717,
JP-A-2000-65664, JP-A-2000-29243
No. 4 and the like.

【0030】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、前記揺動体を前記基板に対して相対的に駆動する駆
動手段を有することを特徴とする。前記駆動手段として
は、固定コアと、該固定コア(軟磁性体で形成される)
を周回するコイルと、前記揺動体に接合された可動コア
(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)からなる電磁アクチュエータであったり、静電
引力を利用するものであったりする。
Further, a microactuator according to the present invention for solving the above-mentioned problems has a feature in that the microactuator has the above-mentioned microstructure and driving means for driving the oscillating body relative to the substrate. . As the driving means, a fixed core and the fixed core (made of a soft magnetic material)
And a movable core (made of a soft magnet or a hard magnet permanent magnet) joined to the oscillating body. The driving principle is different between the two, and in the former, the magnetic pole of the soft magnetic body is fixed. However, when a magnetic flux is generated in the fixed core, a driving force is generated in which the soft magnetic material is attracted into the magnetic flux in a direction in which the cross-sectional area of the soft magnetic material that cuts off the magnetic flux of the magnetic circuit increases, and is released from the magnetic flux when the magnetic flux disappears. On the other hand, in the latter case, the magnetic pole of the hard magnetic material is fixed, and the magnetic actuator (magnetic force (attractive force or repulsive force) between the fixed core and the movable core or between the magnetic poles is a driving force). , Or may utilize electrostatic attraction.

【0031】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、揺動
体を基板に対して相対的に駆動する駆動手段と、前記揺
動体に設けられた光偏向子を有することを特徴とする。
駆動手段については、上で述べた通りである。光偏向子
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。
Further, a micro optical deflector according to the present invention for solving the above problems is provided with the micro structure, driving means for driving the oscillating body relative to the substrate, and provided on the oscillating body. It is characterized by having a light deflector provided.
The driving means is as described above. As the light deflector, there is a light reflection surface or a diffraction grating.
One beam can be deflected as a plurality of beams (diffraction light).

【0032】更に、上記問題点を解決するための本発明
の光走査型ディスプレイは、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、前記光源
の変調と前記マイクロ光偏向器の揺動体の動作を制御す
る制御手段を有することを特徴とする。
Further, an optical scanning type display according to the present invention for solving the above-mentioned problems comprises a micro-optical deflector, a light source capable of modulation (such as a semiconductor laser), modulation of the light source, and micro-light deflection. It has a control means for controlling the operation of the rocking body of the vessel.

【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、(100)単結晶シリ
コン基板の両面にマスク層を成膜する工程と、前記両面
のマスク層を前記揺動体とトーションスプリングの形態
に応じてパターニングする工程と、前記(100)シリ
コン基板をアルカリ溶液などを用いて異方性エッチング
する工程を含むことを特徴とする。
Further, a method for manufacturing a microstructure according to the present invention for solving the above-mentioned problems includes a step of forming a mask layer on both surfaces of a (100) single-crystal silicon substrate; The method includes a step of patterning according to the form of the oscillator and the torsion spring, and a step of anisotropically etching the (100) silicon substrate using an alkaline solution or the like.

【0034】これらのマイクロ構造体の製造方法におい
て、前記トーションバー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。
In the method of manufacturing these microstructures, the corners of the torsion bar may be lightly isotropically etched to round the corners, thereby reducing stress concentration there.

【0035】[0035]

【作用】本発明のマイクロ構造体の作用について説明す
る。本発明のマイクロ構造体においては、上述したよう
に、トーションスプリングの断面形状を、揺動体の平面
(マイクロ光偏向器では、ここに反射面などの偏向子が
設けられる)に対して傾斜した部分を有するように形成
することにより、揺動体の平面(マイクロ光偏向器の反
射面)に対して垂直、平行方向へ撓みにくい構造を効果
的に実現することができる。例えば、マイクロ光偏向器
においては、揺動体の反射面の形成されない面(すなわ
ち反射面形成面の反対面や揺動体の側面)にアクチュエ
ータの機能素子(例えば、静電駆動型アクチュエータの
場合は、平行に対向する平板電極)を形成するため、反
射面に対して、垂直、平行方向への不要発生力に起因す
る振動や変位が生じ易い。したがって、トーションスプ
リングの断面形状に傾斜した部分を形成することで、簡
単な構造で該垂直、平行方向の撓みに対する剛性を高く
し、マイクロ光偏向器の不要振動を低減することができ
る。
The operation of the microstructure of the present invention will be described. In the microstructure of the present invention, as described above, the cross-sectional shape of the torsion spring is inclined with respect to the plane of the oscillating body (in a micro-optical deflector, a deflector such as a reflection surface is provided here). With such a configuration, it is possible to effectively realize a structure that is hardly bent in directions perpendicular and parallel to the plane of the oscillator (reflection surface of the micro optical deflector). For example, in a micro-optical deflector, a functional element of an actuator (for example, in the case of an electrostatically driven actuator, Since the plate electrodes (parallel electrodes facing in parallel) are formed, vibration and displacement due to unnecessary force in the perpendicular and parallel directions are likely to occur with respect to the reflection surface. Therefore, by forming an inclined portion in the sectional shape of the torsion spring, rigidity against the vertical and parallel deflections can be increased with a simple structure, and unnecessary vibration of the micro optical deflector can be reduced.

【0036】[0036]

【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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings to clarify the embodiments of the present invention.

【0037】[実施例1]図1は、本発明の実施例1のマ
イクロ光偏向器を説明するための斜視図である。図2
は、内部構造を説明するために、上記マイクロ光偏向器
を分解して示した図である。図3は、本実施例のマイク
ロ光偏向器の動作を説明するための図2の切断線109
における断面図である。図4は、本実施例の特徴である
トーションスプリングの構造を説明するための断面図で
あり、図1の切断線106におけるシリコン単結晶薄板
120の断面を示している。
Embodiment 1 FIG. 1 is a perspective view for explaining a micro optical deflector according to Embodiment 1 of the present invention. FIG.
FIG. 2 is an exploded view of the micro optical deflector for describing an internal structure. FIG. 3 is a cutting line 109 of FIG. 2 for explaining the operation of the micro optical deflector of the present embodiment.
FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the structure of the torsion spring which is a feature of the present embodiment, and shows a cross section of the silicon single crystal thin plate 120 taken along a cutting line 106 in FIG.

【0038】実施例1のマイクロ光偏向器において、ガ
ラス基板110には、凹み部112が形成されている。
凹み部112の底部には、一対の駆動電極114、11
6および三角柱状のミラー支持部132が配置されてい
る。ミラー支持部132は、可能であれば、無くしても
よい。シリコン単結晶薄板120には、バルクマイクロ
マシニング技術により、トーションスプリング128、
129とミラー130が、一体に形成されている。本実
施例の特徴であるトーションスプリング128、129
は、図4に示すように、断面形状が左右対称なV字形状
になっている。これは、一つの内角が289.4°の7
角形であり、ミラー130の平面に対して傾斜した2つ
の断面形状部を有する。
In the micro optical deflector of the first embodiment, a concave portion 112 is formed in a glass substrate 110.
A pair of drive electrodes 114 and 11 are provided at the bottom of the recess 112.
6 and a triangular prism-shaped mirror support 132 are arranged. The mirror support 132 may be omitted if possible. The silicon single crystal thin plate 120 is provided with a torsion spring 128 by bulk micromachining technology.
129 and the mirror 130 are integrally formed. The torsion springs 128 and 129 which are features of the present embodiment.
Has a V-shaped symmetrical cross section as shown in FIG. This is because one interior angle is 289.4 ° 7
It is rectangular and has two cross-sectional shapes inclined with respect to the plane of the mirror 130.

【0039】ミラー130は、平板の表面に光の反射率
の高い物質がコーティングされて形成されており、V字
形状のトーションスプリング128、129によりこの
長軸の回りに揺動自由に支持されている。そして、シリ
コン単結晶薄板120は、ミラー130が駆動電極11
4、116と所定の間隔を保つようにガラス基板110
上に対抗配置されている(図3)。トーションスプリン
グ128、129の長軸に沿ったミラー130の下面は
図3に示す様にミラー支持部132の頂線部に接してい
て、該頂線部に沿う揺動軸の回りでミラー130が揺動
可能になっている。
The mirror 130 is formed by coating the surface of a flat plate with a substance having a high light reflectance, and is supported by V-shaped torsion springs 128 and 129 so as to swing freely around its long axis. I have. Then, the mirror 130 is connected to the drive electrode 11 by the silicon single crystal thin plate 120.
The glass substrate 110 is kept at a predetermined distance from
It is located above (FIG. 3). The lower surface of the mirror 130 along the major axis of the torsion springs 128 and 129 is in contact with the top line of the mirror support 132 as shown in FIG. 3, and the mirror 130 rotates around the pivot axis along the top line. Swingable.

【0040】シリコン単結晶薄板120は、電気的に接
地されている。従って、駆動電極114、116に交互
に電圧を印加することで、ミラー130に静電引力を作
用させて上記揺動軸の回りにミラー130を揺動させる
ことができる。駆動力は静電引力に限らず、磁気力など
を使うこともできる。この場合は、駆動電極の代わりに
電磁石を設置してミラー130の下面に硬磁性体材料の
磁石を固定するなどの構成をとることになる。
The silicon single crystal thin plate 120 is electrically grounded. Therefore, by alternately applying a voltage to the drive electrodes 114 and 116, an electrostatic attraction is applied to the mirror 130, and the mirror 130 can be swung around the swing axis. The driving force is not limited to the electrostatic attractive force, but may be a magnetic force or the like. In this case, an electromagnet is provided instead of the driving electrode, and a magnet made of a hard magnetic material is fixed to the lower surface of the mirror 130.

【0041】上記光偏向器の作製法について、図6と図
7を用いて、以下に詳しく述べる。図6(a)〜(e)
は図1の切断線106における断面を表し、図7(a)
〜(e)は、図2の切断線109における断面を表して
いる。
The method of manufacturing the above optical deflector will be described in detail below with reference to FIGS. 6 (a) to 6 (e)
Represents a cross section taken along a cutting line 106 in FIG. 1, and FIG.
(E) shows a cross section taken along the cutting line 109 in FIG.

【0042】先ず、図6に沿ってシリコン単結晶薄板1
20の加工について述べる。
First, as shown in FIG.
The processing of No. 20 will be described.

【0043】1.シリコン単結晶薄板120の両面に、
マスク層150(例えば、SiO2や低圧化学気相成長法で
作製した窒化シリコン等)を成膜する。シリコン単結晶
薄板120には、(100)基板を使用する。そして、
フォトリソグラフィ技術で、マスク層150のパターニ
ングを行う(a)。図6中、基板120上面側、下面側
には、それぞれ、幅Wの一つの開口と幅Wの二つの
開口が形成される。幅Wの二つの開口の間のストライ
プ状のマスク層150は、幅Wの開口の中心線に対応
して伸びている。幅WはV字形状のトーションスプリ
ング128、129の最上部開口の幅にほぼ設定され、
幅Wの二つの開口の間のストライプ状のマスク層15
0の幅はV字形状のトーションスプリング128、12
9の最底部の幅にほぼ設定される。
1. On both sides of the silicon single crystal thin plate 120,
A mask layer 150 (for example, SiO 2 or silicon nitride manufactured by a low-pressure chemical vapor deposition method) is formed. As the silicon single crystal thin plate 120, a (100) substrate is used. And
The mask layer 150 is patterned by photolithography (a). In Figure 6, the substrate 120 upper surface, a lower surface side, respectively, two openings are formed in one opening and the width W b of width W a. Striped mask layer 150 between the two openings having a width W b extends corresponds to the center line of the aperture width W a. Width W a is approximately set to the width of the top opening of the torsion spring 128 and 129 of the V-shape,
Width W striped mask layer 15 between the two openings of b
The width of 0 is V-shaped torsion spring 128, 12
9 is set almost at the bottom width.

【0044】2.KOHのようなアルカリ溶液である異方
性エッチング溶液を用いて、シリコン単結晶薄板120
の両面からエッチングを行う。シリコンの異方性エッチ
ングは、(100)面で速く進み、(111)面で遅く
進むため、エッチングは、まず、掘り進むにつれて開口
部が狭くなるように進行する(b、c)。このとき、エ
ッチング部の側面は滑らかな(111)面となる。
2. Using an anisotropic etching solution which is an alkaline solution such as KOH, a silicon single crystal thin plate 120 is used.
Etching is performed from both sides. Since the anisotropic etching of silicon proceeds quickly on the (100) plane and proceeds slowly on the (111) plane, the etching first proceeds such that the opening becomes narrower as the hole is dug (b, c). At this time, the side surface of the etched portion becomes a smooth (111) surface.

【0045】3.Wの幅を有する開口部においては、
基板120を貫通するまでエッチングが進行するが、W
の幅を有する開口部においては、基板120を貫通す
る手前でエッチングが止りV字形状のトーションスプリ
ング128、129の底部が形成される(d)。図5に
示すように、(111)面は、(100)面に対して、
54.7度の角度を有するため、開口部の幅wとV溝の
深さdの関係は、d=w/2・ tan54.7°である。従って、上
記のようにV字形状のトーションスプリング128、1
29が形成される為に、W<2t/tan54.7°、W>2t
/tan54.7°の関係を満たしている。ここで、tはシリコ
ン単結晶薄板120の厚みである。
3. In the opening having a width of W b,
The etching proceeds until it penetrates the substrate 120.
In the opening having the width a , the etching is stopped shortly before penetrating the substrate 120, and the bottom portions of the V-shaped torsion springs 128 and 129 are formed (d). As shown in FIG. 5, the (111) plane is different from the (100) plane.
Since it has an angle of 54.7 degrees, the relationship between the width w of the opening and the depth d of the V-groove is d = w / 2 · tan54.7 °. Therefore, as described above, the V-shaped torsion springs 128, 1
In order to 29 is formed, W a <2t / tan54.7 ° , W b> 2t
Satisfies the relationship of /tan54.7°. Here, t is the thickness of the silicon single crystal thin plate 120.

【0046】この様に、上面からのエッチングは、基板
120の下面に達する前にすべての面が(111)面に
なりエッチングがストップするため、V字状の溝が形成
される。下面からのエッチングは、基板120を貫通す
るまで進行し、マスク層150でストップする。
As described above, in the etching from the upper surface, before reaching the lower surface of the substrate 120, all the surfaces become (111) planes and the etching is stopped, so that a V-shaped groove is formed. The etching from the lower surface proceeds until the etching penetrates the substrate 120 and stops at the mask layer 150.

【0047】この際、ミラー130の回りの他のエッチ
ング貫通部も形成されるように、下面側のマスク層15
0のパターニングが行われている。また、(111)面
は高精度且つ滑らかに形成されるので、作製されたV字
形状のトーションスプリング128、129は破断し難
いものとなる。更に、上記異方性エッチングにより、ト
ーションスプリング128、129の付け根部分のV溝
の面(図2(a)に128a、129aで示す)も図2
(b)に示すように(111)斜面となるので、ここへ
の応力集中が緩和できて、トーションスプリングの信頼
性を高め、ミラーの光偏向角を大きくできる。
At this time, the mask layer 15 on the lower surface side is formed so that another etching penetration portion around the mirror 130 is also formed.
0 patterning is performed. Further, since the (111) plane is formed with high precision and smoothness, the formed V-shaped torsion springs 128 and 129 are not easily broken. Further, due to the anisotropic etching, the surfaces of the V-grooves at the roots of the torsion springs 128 and 129 (shown as 128a and 129a in FIG. 2A) are also shown in FIG.
Since the (111) slope is formed as shown in (b), stress concentration on the slope can be reduced, the reliability of the torsion spring can be increased, and the light deflection angle of the mirror can be increased.

【0048】4.上記異方性エッチング後、ガスや酸に
より等方性エッチングを行い、V溝の急峻な楔部分やト
ーションスプリングの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。
4. After the anisotropic etching, isotropic etching may be performed with a gas or an acid to round the sharp wedge portion of the V-groove or the corner of the torsion spring. In this way, stress concentration on these portions can be reduced.

【0049】5.次に、マスク層150を除去する
(e)。 6.最後に、ミラー130を洗浄し、表面に光反射膜を
成膜する。
5. Next, the mask layer 150 is removed (e). 6. Finally, the mirror 130 is washed, and a light reflection film is formed on the surface.

【0050】続いて、図7に沿ってガラス基板110の
加工法について述べる。 1.ガラス基板110の両面にマスク層151(レジス
ト等)を成膜する(a)。
Next, a method of processing the glass substrate 110 will be described with reference to FIG. 1. A mask layer 151 (resist or the like) is formed on both surfaces of the glass substrate 110 (a).

【0051】2.マスク層151をパターニングする
(b)。三角柱状のミラー支持部132と凹み部112
がエッチングで形成される様にパターニングする。 3.凹み部112の深さが25μmになるように、エッ
チングを行う(c)。このとき、三角柱状のミラー支持
部132が形成される。
2. The mask layer 151 is patterned (b). Triangular prism shaped mirror support 132 and recess 112
Is patterned so as to be formed by etching. 3. Etching is performed so that the depth of the concave portion 112 becomes 25 μm (c). At this time, a mirror support 132 having a triangular prism shape is formed.

【0052】4.マスク層151を除去し、凹み部11
2に所定のパターンの駆動電極114、116を形成す
る(d)。
4. The mask layer 151 is removed, and the recess 11 is removed.
2, drive electrodes 114 and 116 having a predetermined pattern are formed (d).

【0053】5.図1に示すようなマイクロ光偏向器の
形態になるように、シリコン単結晶薄板120とガラス
基板110を接合する(e)。
5. The silicon single crystal thin plate 120 and the glass substrate 110 are joined so as to form a micro optical deflector as shown in FIG. 1 (e).

【0054】以上のように、本実施例の製造方法によれ
ば、異方性エッチングを1度行うだけで、V字形状断面
を有するトーションスプリング128、129を製造す
ることができる。図4に示すように断面がV字形状にな
っている本実施例の光偏向器のトーションスプリング1
28(129)は、従来のT字形状断面のトーションバ
ーと同様に、ねじれやすくて、撓みにくい構造となって
いる。また、トーションスプリング128、129の断
面形状は、平板状の揺動体の平面(ミラー130)に対
して傾斜した交差した2つの部分を有するので、揺動体
の平面に対して垂直、平行方向へ撓みにくい構造となっ
ている。更に、本実施例によれば、単結晶シリコンをト
ーションスプリングの素材に使用することで、ポリシリ
コンに比べて機械的なQ値が大きなマイクロ構造体を実
現できる。
As described above, according to the manufacturing method of this embodiment, the torsion springs 128 and 129 having the V-shaped cross section can be manufactured only by performing the anisotropic etching once. As shown in FIG. 4, the torsion spring 1 of the optical deflector of this embodiment having a V-shaped cross section.
28 (129) has a structure that is easy to be twisted and hardly bends, like the conventional T-shaped torsion bar. Also, since the cross-sectional shape of the torsion springs 128 and 129 has two portions that intersect with the plane (mirror 130) of the plate-shaped oscillating body and is inclined, the torsion springs 128 and 129 bend in the directions perpendicular and parallel to the plane of the oscillating body. It has a difficult structure. Furthermore, according to the present embodiment, a microstructure having a larger mechanical Q value than polysilicon can be realized by using single crystal silicon as a material of the torsion spring.

【0055】更に、本実施例によれば、単結晶材料をト
ーションスプリング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。また、本実施例の製造方法を用いること
で、比較的容易に本実施例のマイクロ構造体を製造する
ことができる。
Further, according to the present embodiment, by using a single crystal material for the material of the torsion spring, it is harder to break and the size can be reduced, and the vibration amplitude is large and the energy efficiency is high when driven by resonance. A micro optical deflector can be realized. Further, by using the manufacturing method of this embodiment, the microstructure of this embodiment can be manufactured relatively easily.

【0056】上記実施例1の変形例を説明する。図8
(a)は、本変形例のマイクロ光偏向器を説明するため
の斜視図である。トーションスプリング628、629
は基板面およびシリコンの(111)面で囲まれたV字
状断面或いは逆V字状断面を有している。反射面の形成
されたミラー630及び枠体620の側面形状は、シリ
コンの(111)面が露出した形状となるが、図8では
簡単のために反射面に対して垂直な側面として描いてあ
る。このことは、他の図でも同様である。
A modification of the first embodiment will be described. FIG.
(A) is a perspective view for explaining the micro optical deflector of this modification. Torsion springs 628, 629
Has a V-shaped cross section or an inverted V-shaped cross section surrounded by the substrate surface and the (111) plane of silicon. The side surfaces of the mirror 630 and the frame body 620 on which the reflection surface is formed have a shape in which the (111) plane of silicon is exposed. However, in FIG. . This is the same in other drawings.

【0057】本変形例のマイクロ光偏向器は、上記実施
例1と異なり、2組のトーションスプリング628、6
29の断面形状が図8(b)に示す如く異なることを特
徴としている。これにより、ねじれ易く、より撓みにく
い構造を提供することができる。また、ねじれ共振駆動
時に、一方のトーションプリング628または629の
構造に起因して発生する撓み振動等の不要な運動モード
や外乱による影響を他方のトーションプリング629ま
たは628の構造で相殺することができ、駆動安定性を
向上させられる。
The micro optical deflector of this modification is different from the first embodiment in that two sets of torsion springs 628 and 6 are provided.
29 is characterized in that the cross-sectional shape is different as shown in FIG. Thereby, it is possible to provide a structure that is easily twisted and hardly bends. Further, at the time of torsional resonance driving, the influence of unnecessary motion modes such as flexural vibration generated due to the structure of one torsion spring 628 or 629 or the influence of disturbance can be offset by the structure of the other torsion spring 629 or 628. The driving stability can be improved.

【0058】詳細には、図8(b)に示すように、トー
ションスプリング628、629のA−A’断面の形状
とB−B’断面の形状とが互いに基板面(トーションス
プリング628、629のねじり中心軸を含んでミラー
630の平面に平行な面)に対して対称な形状になって
いる。また、ミラー630の重心が2組のトーションス
プリング628、629のねじり回転軸と一致してお
り、さらに、駆動安定性を向上させることができる。
More specifically, as shown in FIG. 8B, the shape of the torsion springs 628 and 629 in the AA ′ section and the shape in the BB ′ section are mutually aligned on the substrate surface (the torsion springs 628 and 629). It is symmetrical with respect to the plane parallel to the plane of the mirror 630 (including the torsion center axis). Further, the center of gravity of the mirror 630 coincides with the torsional rotation axes of the two sets of torsion springs 628 and 629, and the driving stability can be further improved.

【0059】本変形例によるマイクロ光偏向器は、実施
例1と同様に、シリコン基板を結晶異方性エッチングを
用いて加工することにより作製する。図6で説明した作
製プロセスを用いればよいが、他方のトーションスプリ
ングを形成する方のマスク層150は図6のパターンと
は上下逆にする。この様に、異方性エッチングを1度行
うだけで、偏平断面を有する部分を上下逆に組み合わせ
たトーションスプリング628、629を容易に製造す
ることができる。
The micro optical deflector according to the present modification is manufactured by processing a silicon substrate using crystal anisotropic etching, as in the first embodiment. Although the manufacturing process described with reference to FIG. 6 may be used, the mask layer 150 on which the other torsion spring is formed is turned upside down from the pattern of FIG. As described above, the torsion springs 628 and 629 in which the portions having the flat cross section are combined upside down can be easily manufactured only by performing the anisotropic etching once.

【0060】本変形例により、プロセスが容易で、2組
のトーションスプリングの断面形状が互いに異なること
により、それぞれのトーションスプリングに起因する駆
動時の外乱等の影響を相殺させられるマイクロ光偏向器
を実現できる。
According to this modification, a micro optical deflector which can easily process and cancel out the influence of disturbance at the time of driving caused by the respective torsion springs because the two torsion springs have different sectional shapes is provided. realizable.

【0061】[実施例2]図9は、本発明の実施例2のマ
イクロ光偏向器を説明するための斜視図である。図10
は、内部構造を説明するために、上記マイクロ光偏向器
を分解して示した図である。図11は、図9の切断線1
06におけるシリコン単結晶薄板120の断面を示して
いる。図10の切断線109における断面図は図3と同
じである。
Embodiment 2 FIG. 9 is a perspective view illustrating a micro optical deflector according to Embodiment 2 of the present invention. FIG.
FIG. 2 is an exploded view of the micro optical deflector for describing an internal structure. FIG. 11 shows a section line 1 in FIG.
6 shows a cross section of the silicon single crystal thin plate 120 at 06. A cross-sectional view taken along a cutting line 109 in FIG. 10 is the same as FIG.

【0062】実施例2のマイクロ光偏向器においても、
ガラス基板110には、凹み部112が形成されてい
る。凹み部112の底部には、一対の駆動電極114、
116および三角柱状のミラー支持部132が配置され
ている。シリコン単結晶薄板120には、バルクマイク
ロマシニング技術により、トーションスプリング12
2、124とミラー130が、一体に形成されている。
本実施例の特徴であるトーションスプリング122、1
24は、図11に示すように、断面形状がX字形状にな
っている。この形状は、図11より明らかなように、4
つの内角が180度よりも大きい12角形であり、ま
た、回転対称形状である。更に、ミラー130の平面に
対して傾斜した交差した断面形状部を有する。
In the micro optical deflector of the second embodiment,
A recess 112 is formed in the glass substrate 110. At the bottom of the recess 112, a pair of drive electrodes 114,
116 and a triangular prism-shaped mirror support 132 are arranged. The torsion spring 12 is applied to the silicon single crystal thin plate 120 by bulk micromachining technology.
2, 124 and the mirror 130 are integrally formed.
The torsion springs 122, 1
24 has an X-shaped cross section as shown in FIG. This shape, as is clear from FIG.
It is a dodecagon having two interior angles larger than 180 degrees and a rotationally symmetric shape. Further, it has a cross-sectional shape portion that intersects and is inclined with respect to the plane of the mirror 130.

【0063】ミラー130は、平板の表面に光の反射率
の高い物質がコーティングされて形成されており、X字
形状のトーションスプリング122、124によりこの
長軸の回りに揺動自由に支持されている。そして、シリ
コン単結晶薄板120は、ミラー130が駆動電極11
4、116と所定の間隔を保つようにガラス基板110
上に対抗配置されている。トーションスプリング12
2、124の長軸に沿ったミラー130の下面はミラー
支持部132の頂線部に接していて、該頂線部に沿う揺
動軸の回りでミラー130が揺動可能になっている。
The mirror 130 is formed by coating the surface of a flat plate with a substance having a high light reflectance, and is supported by the X-shaped torsion springs 122 and 124 so as to swing freely around its long axis. I have. Then, the mirror 130 is connected to the drive electrode 11 by the silicon single crystal thin plate 120.
The glass substrate 110 is kept at a predetermined distance from
It is located above. Torsion spring 12
The lower surface of the mirror 130 along the long axis of the mirror 124 is in contact with the top line of the mirror support 132, and the mirror 130 can swing around a swing axis along the top line.

【0064】シリコン単結晶薄板120は、電気的に接
地されている。従って、駆動電極114、116に交互
に電圧を印加することで、ミラー130に静電引力を作
用させて上記揺動軸の回りにミラー130を揺動させる
ことができる。
The silicon single crystal thin plate 120 is electrically grounded. Therefore, by alternately applying a voltage to the drive electrodes 114 and 116, an electrostatic attraction is applied to the mirror 130, and the mirror 130 can be swung around the swing axis.

【0065】上記光偏向器の作製法について、図13を
用いて、以下に詳しく述べる。図7の工程は本実施例で
も用いられる。図13(a)〜(g)は図9の切断線1
06における断面を表し、図7(a)〜(e)は、図1
0の切断線109における断面を表している。
The method of manufacturing the above-mentioned optical deflector will be described in detail with reference to FIG. The process of FIG. 7 is also used in this embodiment. 13 (a) to 13 (g) are cut lines 1 in FIG.
6 (a) to 7 (e) show a cross section at 06.
The cross section at the section line 109 of 0 is shown.

【0066】図13に沿ってシリコン単結晶薄板120
の加工について述べる。
As shown in FIG.
Is described.

【0067】1.シリコン単結晶薄板120の両面に、
マスク層150(例えば、SiO2や低圧化学気相成長法で
作製した窒化シリコン等)を成膜する。シリコン単結晶
薄板120には、(100)基板を使用する。そして、
フォトリソグラフィ技術で、マスク層150のパターニ
ングを行う(a)。このパターニングに使用するマスク
パターンを図12に示す。図12に示すマスクパターン
は、トーションスプリング122、124とミラー13
0の外形に沿ってWaの幅を有する開口部191が形成さ
れており、また、幅Wのトーションスプリングの長手
方向の中心線に沿ってWgの幅を有する開口部190が形
成されている。
1. On both sides of the silicon single crystal thin plate 120,
A mask layer 150 (for example, SiO 2 or silicon nitride manufactured by a low-pressure chemical vapor deposition method) is formed. As the silicon single crystal thin plate 120, a (100) substrate is used. And
The mask layer 150 is patterned by photolithography (a). FIG. 12 shows a mask pattern used for this patterning. The mask pattern shown in FIG.
0 of the opening 191 having a width of W a is formed along the outer shape and an opening 190 having a width of W g is formed along the longitudinal center line of the torsion spring of a width W b ing.

【0068】2.KOHのようなアルカリ溶液である異方
性エッチング溶液を用いて、シリコン単結晶薄板120
の両面からエッチングを行う。シリコンの異方性エッチ
ングは、(100)面で速く進み、(111)面で遅く
進むため、エッチングは、まず、掘り進むにつれて開口
部が狭くなるように進行する(b)。
2. Using an anisotropic etching solution which is an alkaline solution such as KOH, a silicon single crystal thin plate 120 is used.
Etching is performed from both sides. Since the anisotropic etching of silicon proceeds rapidly on the (100) plane and proceeds slowly on the (111) plane, the etching first proceeds such that the opening becomes narrower as the digging proceeds (b).

【0069】3.Wgの幅を有する開口部190において
は、基板120の中央に達する前にすべての面が(11
1)面になりエッチングがストップするため、V字状の
溝(図11に示す様に、深さdgで、幅Wgである)が形成
される。また、Waの幅を有する開口部191において
は、基板120を貫通するまでエッチングが進行する
(c)。図5に示すように、(111)面は、(10
0)面に対して、54.7度の角度を有するため、開口
部の幅wとV溝の深さdの関係は、d=w/2・tan54.7°で
ある。従って、ここでは、Wg <2t/tan54.7°、Wa >2t
/tan54.7°の関係を満たしている。ここで、tはシリコ
ン単結晶薄板120の厚みである。
3. In the opening 190 having a width of W g , before reaching the center of the substrate 120, all surfaces are (11).
1) Since the surface is formed and the etching is stopped, a V-shaped groove (a depth d g and a width W g as shown in FIG. 11) is formed. Further, in the opening 191 having a width of Wa, the etching proceeds until it penetrates the substrate 120 (c). As shown in FIG. 5, the (111) plane is (10)
Since it has an angle of 54.7 degrees with respect to the 0) plane, the relationship between the width w of the opening and the depth d of the V-groove is d = w / 2 · tan54.7 °. Accordingly, where, W g <2t / tan54.7 ° , W a> 2t
Satisfies the relationship of /tan54.7°. Here, t is the thickness of the silicon single crystal thin plate 120.

【0070】4.開口部191の上下からの穴が貫通し
たあとは、エッチングは側方に進んでいく(d、e)。
4. After the holes from above and below the opening 191 have penetrated, the etching proceeds to the side (d, e).

【0071】5.(111)面に到達して、エッチング
がストップする。このときトーションスプリング12
2、124の断面はX字形状になる(f)。図11に示
す様に、このX字断面の側部のV溝の深さはkbで、幅はt
である。この際、(111)面は高精度且つ滑らかに形
成されるので、作製されたX字形状のトーションスプリ
ング122、124は破断し難いものとなる。更に、上
記異方性エッチングにより、トーションスプリング12
2、124の付け根部分のV溝の面(図10(a)に1
22a、124aで示す)も図10(b)に示すように
(111)斜面となるので、ここへの応力集中が緩和で
きて、トーションスプリングの信頼性を高め、ミラーの
光偏向角を大きくできる。
5. The etching reaches the (111) plane and stops. At this time, the torsion spring 12
The cross section of 2, 124 becomes X-shaped (f). As shown in FIG. 11, the depth of the V-groove at the side of the X-shaped cross section is k b and the width is t.
It is. At this time, since the (111) plane is formed with high precision and smoothness, the manufactured X-shaped torsion springs 122 and 124 are difficult to break. Furthermore, the torsion spring 12
The surface of the V-groove at the base of 2, 124 (1 in FIG. 10A)
22a and 124a) also have a (111) slope as shown in FIG. 10 (b), so that stress concentration can be reduced, the reliability of the torsion spring can be increased, and the light deflection angle of the mirror can be increased. .

【0072】6.上記異方性エッチング後、ガスや酸に
より等方性エッチングを行い、V溝の急峻な楔部分やト
ーションスプリングの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。
6. After the anisotropic etching, isotropic etching may be performed with a gas or an acid to round the sharp wedge portion of the V-groove or the corner of the torsion spring. In this way, stress concentration on these portions can be reduced.

【0073】7.次に、マスク層150を除去する
(g)。 8.最後に、ミラー130を洗浄し、表面に光反射膜を
成膜する。
7. Next, the mask layer 150 is removed (g). 8. Finally, the mirror 130 is washed, and a light reflection film is formed on the surface.

【0074】ガラス基板110の加工法については、図
7に沿って述べた実施例1の説明と同じである。
The method for processing the glass substrate 110 is the same as that described in the first embodiment with reference to FIG.

【0075】以上のように、本実施例の製造方法によれ
ば、異方性エッチングを1度行うだけで、X字形状断面
を有するトーションスプリング122、124を製造す
ることができる。図11に示すように断面がX字形状に
なっている本実施例の光偏向器のトーションスプリング
122(124)は、断面二次極モーメントJが小さい
割に、断面二次モーメントIが大きいという特徴があ
る。また、その横断面形状が回転対称形状なので、揺動
時にねじれの軸に垂直な方向の加振力が生じないマイク
ロ構造体を実現できる。更に、トーションスプリング1
22、124の断面形状は、平板状の揺動体の平面(ミ
ラー130)に対して傾斜した交差した部分を有するの
で、揺動体の平面に対して垂直、平行方向へ更に撓みに
くい構造となっている。
As described above, according to the manufacturing method of this embodiment, the torsion springs 122 and 124 having the X-shaped cross section can be manufactured only by performing the anisotropic etching once. As shown in FIG. 11, the torsion spring 122 (124) of the optical deflector of this embodiment having an X-shaped cross section has a large secondary moment of area I, despite a small secondary moment of area J. There are features. In addition, since the cross-sectional shape is rotationally symmetric, a microstructure that does not generate an exciting force in the direction perpendicular to the axis of torsion when swinging can be realized. Furthermore, torsion spring 1
The cross-sectional shapes of the cross-sections 22 and 124 have crossing portions that are inclined with respect to the plane (mirror 130) of the plate-shaped oscillator, so that the structure is more difficult to bend in the directions perpendicular and parallel to the plane of the oscillator. I have.

【0076】本実施例によっても、単結晶シリコンをト
ーションスプリングの素材に使用することで、ポリシリ
コンに比べて、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、機械的なQ値が大きなマイクロ構造体を実現でき
る。
Also according to the present embodiment, by using single crystal silicon as the material of the torsion spring, it is harder to break and more compact than polysilicon,
A microstructure having a large vibration amplitude and high energy efficiency and a large mechanical Q value when driven by resonance can be realized.

【0077】また、揺動したときにトーションスプリン
グの軸に垂直な方向に振動しにくいので、精度が高いマ
イクロ光偏向器を実現でき、機械的なQ値が高いために
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。更に、本実施例
の製造方法を用いることで、比較的容易にX字形状の断
面を有するトーションスプリングを製造することができ
る。
Further, it is difficult to vibrate in the direction perpendicular to the axis of the torsion spring when swinging, so that a highly accurate micro optical deflector can be realized. A micro optical deflector with a large amplitude and high energy efficiency can be realized. Further, by using the manufacturing method of this embodiment, a torsion spring having an X-shaped cross section can be manufactured relatively easily.

【0078】上記実施例2の変形例を説明する。図14
(a)は、本変形例のマイクロ光偏向器を説明するため
の斜視図である。トーションスプリング728、729
は、基板面720およびシリコンの(111)面で囲ま
れた偏平断面を有している。
A modification of the second embodiment will be described. FIG.
(A) is a perspective view for explaining the micro optical deflector of this modification. Torsion springs 728, 729
Has a flat cross section surrounded by the substrate surface 720 and the (111) plane of silicon.

【0079】本変形例のマイクロ光偏向器は、上記実施
例2と異なり、2組のトーションスプリング728、7
29の断面形状が異なることを特徴としている。これに
より、ねじり易く、更に撓みにくい構造を提供すること
ができる。また、ねじれ共振駆動時に、一方のトーショ
ンバー構造に起因して発生する撓み振動等の不要な運動
モードや外乱による影響を他方のトーションバー構造で
相殺することができ、駆動安定性を向上させられる。
The micro optical deflector of this modification is different from the second embodiment in that two sets of torsion springs 728 and 7 are provided.
29 is characterized in that it has a different cross-sectional shape. Thereby, it is possible to provide a structure that is easily twisted and hardly bends. Further, at the time of torsional resonance drive, unnecessary motion modes such as flexural vibration generated due to one torsion bar structure and the influence of disturbance can be canceled by the other torsion bar structure, and the drive stability can be improved. .

【0080】詳細には、図14(b)に示すように、ト
ーションバー728のA−A‘断面の形状とトーション
バー729のB−B’断面の形状とが互いに基板面72
0(ミラー730の面でもある。より正確には、トーシ
ョンバー728、729のねじり中心軸を含んでミラー
730の平面に平行な面)に対して対称な図形になって
いる。また、2組のトーションバー728、729の重
心(ミラー730の重心でもある)がねじり回転軸と一
致しており、さらに、駆動安定性を向上させることがで
きる。
More specifically, as shown in FIG. 14B, the shape of the torsion bar 728 taken along the line AA ′ and the shape of the torsion bar 729 taken along the line BB ′ correspond to the substrate surface 72.
0 (also the plane of the mirror 730; more precisely, a plane parallel to the plane of the mirror 730 including the torsion bar 728, 729 torsion center axis). In addition, the center of gravity of the two sets of torsion bars 728 and 729 (which is also the center of gravity of the mirror 730) coincides with the torsional rotation axis, and the driving stability can be further improved.

【0081】本変形例によるマイクロ光偏向器は、上記
実施例2と同様に、シリコン基板を結晶異方性エッチン
グを用いて加工することにより作製される。図15は作
製プロセスを示す断面図である。
The micro optical deflector according to the present modification is manufactured by processing a silicon substrate using crystal anisotropic etching, as in the second embodiment. FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing process.

【0082】まず、面方位(100)の単結晶シリコン
基板720の両面に低圧化学気相成長法を用いて窒化シ
リコンよりなるマスク層731、732を形成する(図
15(a)参照)。次に、フォトリソグラフィーおよび
CFガスを用いたドライエッチング法によりマスク層
731、732のパターニングを行なう(図15(b)
参照)。ここでは、基板720の上下面でトーションバ
ーの幅の分だけマスク層が残され、これら残されたマス
ク層部分はトーションバーの傾斜に応じて左右にずれて
いる。次に、100℃に加熱した30%の水酸化カリウ
ム水溶液を用いてシリコン720の結晶異方性エッチン
グを行なう(図15(c)参照)。さらに、このエッチ
ングを継続することにより基板720を貫通させる(図
15(d)参照)。この際のエッチング方向は図示の通
りである。さらに、上記のエッチングを継続することに
より、側面がSi(111)面よりなる板バネ状のトー
ションバー728または729が形成される(図15
(e)参照)。ミラー730を挟んだ反対側の他方のト
ーションバー729または728も同時に形成される
が、この部分ではマスク層は図15とは上下逆にした態
様でパターニングされて異方性エッチングが行われてい
る。
First, mask layers 731 and 732 made of silicon nitride are formed on both surfaces of a single crystal silicon substrate 720 having a plane orientation of (100) by low pressure chemical vapor deposition (see FIG. 15A). Next, the mask layers 731 and 732 are patterned by photolithography and dry etching using CF 4 gas (FIG. 15B).
reference). Here, the mask layer is left on the upper and lower surfaces of the substrate 720 by the width of the torsion bar, and these remaining mask layer portions are shifted left and right according to the inclination of the torsion bar. Next, silicon 720 is subjected to crystal anisotropic etching using a 30% aqueous potassium hydroxide solution heated to 100 ° C. (see FIG. 15C). Further, the substrate 720 is penetrated by continuing this etching (see FIG. 15D). The etching direction at this time is as shown in the figure. Further, by continuing the above-mentioned etching, a leaf spring-like torsion bar 728 or 729 having a Si (111) side surface is formed (FIG. 15).
(E)). The other torsion bar 729 or 728 on the opposite side of the mirror 730 is also formed at the same time. In this portion, the mask layer is patterned in an upside down manner from FIG. 15 and anisotropically etched. .

【0083】ここで、マスク層は除去してもよい。ま
た、反射面の表面に反射膜を成膜してもよい。以上のよ
うに、本変形例の製造方法によれば、異方性エッチング
を1度行うだけで、偏平断面を有するトーションバー7
28、729を組み合わせたトーションスプリングを容
易に製造することができる。
Here, the mask layer may be removed. Further, a reflection film may be formed on the surface of the reflection surface. As described above, according to the manufacturing method of this modification, the torsion bar 7 having a flat cross section can be obtained only by performing the anisotropic etching once.
28 and 729 can be easily manufactured.

【0084】本変形例により、次の様なマイクロ光偏向
器を提供することができる。ここでは、2組のトーショ
ンスプリングがそれぞれ一枚の板バネ状という簡単な構
造であり、プロセスが容易であり、2組のトーションス
プリングの断面形状が互いに異なることにより、ねじり
易く更に撓みにくい構造を有し、かつ、それぞれのトー
ションスプリングに起因する駆動時の外乱等の影響を相
殺させることができる。更に、2組のトーションバーの
重心とねじり回転軸とを容易に一致させることができ、
駆動を安定させることが容易にでき、トーションバーに
応力集中部分がなく、破壊しにくい構造になっている。
According to this modification, the following micro optical deflector can be provided. Here, the two sets of torsion springs have a simple structure in which each is a single leaf spring, and the process is easy. It is possible to cancel the influence of disturbance at the time of driving caused by each torsion spring. Furthermore, the center of gravity of the two sets of torsion bars and the torsional rotation axis can be easily matched,
Driving can be easily stabilized, and the torsion bar has no stress concentration portion and has a structure that is hard to break.

【0085】[実施例3]図16は、本発明の実施例3の
マイクロ光偏向器を説明するための斜視図である。図1
7は、内部構造を説明するために、上記マイクロ光偏向
器を分解して示した図である。図18は、図16の切断
線106におけるシリコン単結晶薄板120の断面を示
し、本実施例の特徴であるトーションスプリングの構造
を説明するための断面図である。図17の切断線109
における断面図は図3と同じである。
Third Embodiment FIG. 16 is a perspective view for explaining a micro optical deflector according to a third embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 7 is an exploded view of the micro optical deflector for explaining the internal structure. FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a cross section of the silicon single crystal thin plate 120 taken along a cutting line 106 in FIG. 16 and illustrating a structure of a torsion spring which is a feature of the present embodiment. Cutting line 109 in FIG.
Is the same as FIG.

【0086】実施例3のマイクロ光偏向器においても、
ガラス基板110には、凹み部112が形成されてい
る。凹み部112の底部には、一対の駆動電極114、
116および三角柱状のミラー支持部132が配置され
ている。シリコン単結晶薄板120には、バルクマイク
ロマシニング技術により、トーションスプリング12
8、129とミラー130が、一体に形成されている。
本実施例の特徴であるトーションスプリング128、1
29は、偏平トーションバー122、123;124、
125が図18に示す様に2本ずつ組になって、断面形
状が逆ハの字形状に配置されることで構成されている。
In the micro optical deflector of the third embodiment,
A recess 112 is formed in the glass substrate 110. At the bottom of the recess 112, a pair of drive electrodes 114,
116 and a triangular prism-shaped mirror support 132 are arranged. The torsion spring 12 is applied to the silicon single crystal thin plate 120 by bulk micromachining technology.
8, 129 and the mirror 130 are integrally formed.
The torsion spring 128, 1
29 is a flat torsion bar 122, 123;
As shown in FIG. 18, two sets 125 are arranged in pairs, and the cross-sectional shape is arranged in an inverted C shape.

【0087】ミラー130は、平板の表面に光の反射率
の高い物質がコーティングされて形成されており、トー
ションスプリング128、129により揺動自由に支持
されている。そして、シリコン単結晶薄板120は、ミ
ラー130が駆動電極114、116と所定の間隔を保
つようにガラス基板110上に対抗配置されている。ト
ーションスプリング128、129のねじり軸に沿った
ミラー130の下面はミラー支持部132の頂線部に接
していて、該頂線部に沿う揺動軸の回りでミラー130
が揺動可能になっている。
The mirror 130 is formed by coating the surface of a flat plate with a substance having a high light reflectance, and is supported by torsion springs 128 and 129 so as to swing freely. The silicon single crystal thin plate 120 is disposed on the glass substrate 110 so that the mirror 130 keeps a predetermined distance from the drive electrodes 114 and 116. The lower surface of the mirror 130 along the torsion axis of the torsion springs 128, 129 is in contact with the top line of the mirror support 132, and the mirror 130 rotates around the pivot axis along the top line.
Can be swung.

【0088】シリコン単結晶薄板120は、電気的に接
地されている。従って、駆動電極114、116に交互
に電圧を印加することで、ミラー130に静電引力を作
用させて上記揺動軸の回りにミラー130を揺動させる
ことができる。これらの構成は上記の実施例1、2と同
じである。
The silicon single crystal thin plate 120 is electrically grounded. Therefore, by alternately applying a voltage to the drive electrodes 114 and 116, an electrostatic attraction is applied to the mirror 130, and the mirror 130 can be swung around the swing axis. These configurations are the same as those in the first and second embodiments.

【0089】本実施例の光偏向器の作製法について、図
19を用いて、以下に詳しく述べる。図7の工程は本実
施例でも用いられる。図19(a)〜(e)は図16の
切断線106における断面を表し、図7(a)〜(e)
は、図17の切断線109における断面を表している。
The method of manufacturing the optical deflector of this embodiment will be described in detail below with reference to FIG. The process of FIG. 7 is also used in this embodiment. FIGS. 19A to 19E show cross sections taken along a cutting line 106 in FIG. 16, and FIGS.
Represents a cross section taken along a cutting line 109 in FIG.

【0090】図19に沿ってシリコン単結晶薄板120
の加工について述べる。 1.シリコン単結晶薄板120の両面に、マスク層15
0(例えば、SiO2や低圧化学気相成長法で作製した窒化
シリコン等)を成膜する。シリコン単結晶薄板120に
は、(100)基板を使用する。そして、フォトリソグ
ラフィ技術で、マスク層150のパターニングを行う
(a)。このマスクパターンは、トーションスプリング
128、129の部分では、基板120上面側と下面側
にそれぞれ幅Wと幅Wのストライプ状開口が形成され
ている。幅Wのストライプ状開口はストライプ状マス
ク層150を挟んで一対形成され、幅Wのストライプ
状開口は該ストライプ状マスク層に対応する上面個所に
1つ形成されている。幅Wは2つのトーションバー1
22、123;124、125の最上部の間隔に設定さ
れ、幅Wの二つの開口の間のストライプ状のマスク層
150の幅は2つのトーションバー122、123;1
24、125の最底部の間隔に設定される。このマスク
パターンでは、ミラー130の外形に沿って適当な幅の
開口部も基板120上面側に形成されている。
As shown in FIG.
Is described. 1. The mask layer 15 is formed on both sides of the silicon single crystal thin plate 120.
0 (for example, SiO 2 or silicon nitride produced by low-pressure chemical vapor deposition). As the silicon single crystal thin plate 120, a (100) substrate is used. Then, the mask layer 150 is patterned by photolithography (a). This mask pattern is the portion of the torsion spring 128 and 129, a stripe-shaped opening of each of the substrate 120 upper and lower side width W a width W b are formed. Striped opening of width W b is formed as a pair across a stripe-shaped mask layer 150, the stripe-shaped opening having a width W a is formed one on top location corresponding to the stripe-shaped mask layer. Width W a is of two torsion bars 1
22,123; 124,125 is set to the interval of the top, the width W b of the width of the stripe-shaped mask layer 150 between the two openings of two torsion bars 122 and 123; 1
24 and 125 are set at the lowest interval. In this mask pattern, an opening having an appropriate width is also formed on the upper surface of the substrate 120 along the outer shape of the mirror 130.

【0091】2.KOHのようなアルカリ溶液である異方
性エッチング溶液を用いて、シリコン単結晶薄板120
の両面からエッチングを行う。シリコンの異方性エッチ
ングは、(100)面で速く進み、(111)面で遅く
進むため、エッチングは、まず、掘り進むにつれて開口
部が狭くなるように進行する(b、c)。
2. Using an anisotropic etching solution which is an alkaline solution such as KOH, a silicon single crystal thin plate 120 is used.
Etching is performed from both sides. Since the anisotropic etching of silicon proceeds quickly on the (100) plane and proceeds slowly on the (111) plane, the etching first proceeds such that the opening becomes narrower as the hole is dug (b, c).

【0092】3.両面から基板120を貫通するまでエ
ッチングが進行し、マスク層150でストップする
(d)。図5に示すように、シリコンの(111)面
は、(100)面に対して、54.7度の角度を有する
ため、開口部の幅wとV溝の深さdの関係は、d=w/2・ta
n54.7°である。従って、基板120を貫通するために
は、W、W>2t/tan54.7°の関係を満たす必要があ
る。ここで、tはシリコン単結晶薄板120の厚みであ
る。
3. The etching proceeds until it penetrates the substrate 120 from both sides, and stops at the mask layer 150 (d). As shown in FIG. 5, since the (111) plane of silicon has an angle of 54.7 degrees with respect to the (100) plane, the relationship between the width w of the opening and the depth d of the V groove is d = w / 2 ・ ta
n54.7 °. Therefore, in order to penetrate the substrate 120, it is necessary to satisfy the W a, the relationship W b> 2t / tan54.7 °. Here, t is the thickness of the silicon single crystal thin plate 120.

【0093】この際、(111)面は高精度且つ滑らか
に形成されるので、作製された逆ハの字断面形状のトー
ションスプリング128、129は破断し難いものとな
る。更に、上記異方性エッチングにより、トーションス
プリング128、129の付け根部分のV溝の面(図1
7(a)に128a、129aで示す)も図17(b)
(図17(a)の切断線190におけるシリコン単結晶
薄板120の断面図)に示すように(111)斜面とな
るので、ここへの応力集中が緩和できて、トーションス
プリングの信頼性を高め、ミラーの光偏向角を大きくで
きる。
At this time, since the (111) plane is formed with high accuracy and smoothness, the formed torsion springs 128 and 129 having the inverted C-shaped cross section are hard to be broken. Further, the surface of the V-groove at the root of the torsion springs 128 and 129 by the anisotropic etching (FIG. 1)
7 (a) are indicated by 128a and 129a).
As shown in (cross-sectional view of the silicon single crystal thin plate 120 at the cutting line 190 in FIG. 17A), the (111) slope is formed, so that stress concentration can be reduced, and the reliability of the torsion spring is improved. The light deflection angle of the mirror can be increased.

【0094】4.上記異方性エッチング後、ガスや酸に
より等方性エッチングを行い、トーションスプリングの
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。
4. After the anisotropic etching, isotropic etching may be performed with a gas or an acid to round the corners of the torsion spring. In this way, stress concentration on these portions can be reduced.

【0095】5.次に、マスク層150を除去する
(e)。 6.最後に、ミラー130を洗浄し、表面に光反射膜を
成膜する。
5. Next, the mask layer 150 is removed (e). 6. Finally, the mirror 130 is washed, and a light reflection film is formed on the surface.

【0096】ガラス基板110の加工法については、図
7に沿って述べた実施例1の説明と同じである。
The method for processing the glass substrate 110 is the same as that described in the first embodiment with reference to FIG.

【0097】以上のように、本実施例の製造方法によれ
ば、異方性エッチングを1度行うだけで、偏平断面を有
するトーションバー122、123;124、125を
逆ハの字形状に組み合わせたトーションスプリング12
8、129を製造することができる。
As described above, according to the manufacturing method of this embodiment, the torsion bars 122, 123; 124, and 125 having a flat cross section are combined in an inverted C shape by performing the anisotropic etching only once. Torsion spring 12
8, 129 can be manufactured.

【0098】図18に示すように、本実施例の光偏向器
のトーションスプリング128(129)においては、
2本の偏平トーションバー122(124)と123
(125)が、互いに70.6°の角度を持って配置さ
れている。つまり、偏平トーションバーの最も撓みやす
い(曲げ剛性が低い)方向が、平行にならないように組
み合わされているため、トーションスプリング全体とし
て、曲げ剛性が高い構造となっている。更に、トーショ
ンスプリング128、129の断面形状は、平板状の揺
動体の平面(ミラー130)に対して傾斜した交差した
2つの部分を有するので、揺動体の平面に対して垂直、
平行方向へ更に撓みにくい構造となっている。
As shown in FIG. 18, in the torsion spring 128 (129) of the optical deflector of this embodiment,
Two flat torsion bars 122 (124) and 123
(125) are arranged at an angle of 70.6 ° to each other. That is, since the directions in which the flat torsion bar is most likely to be bent (low bending rigidity) are combined so as not to be parallel, the torsion spring as a whole has a structure with high bending rigidity. Further, since the cross-sectional shape of the torsion springs 128 and 129 has two portions which intersect with the plane of the flat rocking body (mirror 130), they are perpendicular to the plane of the rocking body.
It has a structure that is less likely to bend in the parallel direction.

【0099】本実施例によれば、T字断面のトーション
バーと異なり、大きな応力集中が生じないので、同じね
じりばね定数、同じ長さのトーションスプリングを考え
たときに、より壊れにくいマイクロ構造体を実現でき
る。また、本実施例によれば、同じ許容ねじり角で考え
ると、T字断面のトーションバーと比べて、より小型化
が可能なマイクロ構造体を実現できる。更に、単結晶シ
リコンを素材に使用することで、ポリシリコンに比べて
機械的なQ値が大きなマイクロ構造体を実現できる。
According to the present embodiment, unlike a torsion bar having a T-shaped cross section, a large stress concentration does not occur, so that a microstructure that is more difficult to break when a torsion spring having the same torsion spring constant and the same length is considered. Can be realized. Further, according to the present embodiment, a microstructure that can be further reduced in size as compared with a torsion bar having a T-shaped cross section can be realized when considering the same allowable torsion angle. Further, by using single crystal silicon as a material, a microstructure having a larger mechanical Q value than polysilicon can be realized.

【0100】そして、本実施例によれば、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
が大きいマイクロ光偏向器を実現できる。更に、本実施
例の製造方法を用いることで、比較的容易に本発明のマ
イクロ構造体を製造することができる。
According to the present embodiment, it is possible to realize a micro optical deflector that is harder to break, can be made more compact, and has a large vibration amplitude when driven by resonance. Further, by using the manufacturing method of this embodiment, the microstructure of the present invention can be manufactured relatively easily.

【0101】実施例3の変形例を図20を用いて説明す
る。図20は、本発明の実施例3の変形例のマイクロ光
偏向器を説明するための斜視図(a)及び断面図(b)
である。この変形例では、トーションバーは基板面およ
びシリコンの(111)面で囲まれた偏平断面を有して
おり、これが逆ハ及びハの字状に2枚組み合わされてト
ーションスプリング528、529となっている。図2
0でも、反射面530及び枠体520の側面形状は、シ
リコンの(111)面が露出した形状となるが、簡単の
ために反射面530に対して垂直な側面として描いてあ
る。
A modification of the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a perspective view (a) and a cross-sectional view (b) illustrating a micro optical deflector according to a modification of the third embodiment of the present invention.
It is. In this modification, the torsion bar has a flat cross section surrounded by the substrate surface and the (111) plane of silicon, and the two torsion springs 528 and 529 are combined in an inverted C shape and a C shape. ing. FIG.
Even if it is 0, the side surface shape of the reflection surface 530 and the frame 520 is a shape in which the (111) plane of silicon is exposed, but is drawn as a side surface perpendicular to the reflection surface 530 for simplicity.

【0102】本変形例のマイクロ光偏向器は、図20
(b)に示すように、トーションバーのA−A’断面の
形状とB−B’断面の形状とが、基板面(より正確に
は、該対向するトーションスプリングのねじり中心軸を
含み反射面530に平行な面)に対して互いに対称な形
状になっている。これにより、ねじれ共振駆動時に、一
方のトーションバー構造に起因して発生する撓み振動等
の不要な運動モードや外乱による影響を他方のトーショ
ンバー構造で相殺することができ、駆動安定性を向上さ
せることができる。
The micro optical deflector of this modification is similar to that of FIG.
As shown in (b), the shape of the cross section AA ′ and the shape of the cross section BB ′ of the torsion bar correspond to the substrate surface (more precisely, the reflection surface including the torsion center axis of the opposed torsion spring). (Plane parallel to 530). Thereby, at the time of torsional resonance driving, unnecessary motion modes such as flexural vibration generated due to one torsion bar structure and the influence of disturbance can be canceled by the other torsion bar structure, and drive stability is improved. be able to.

【0103】本変形例によるマイクロ光偏向器では、上
記実施例3と同様に(他方のトーションバー構造につい
て図19のマスク層150のパターンを変える(上下を
逆にする)のみでよい)、異方性エッチングを1度行う
だけで、偏平断面を有するトーションバーを組み合わせ
たトーションスプリング528、529を容易に製造す
ることができる。
In the micro optical deflector according to this modification, similar to the third embodiment (only the pattern of the mask layer 150 shown in FIG. 19 is changed (upside down) for the other torsion bar structure). By performing the isotropic etching only once, the torsion springs 528 and 529 combining the torsion bars having a flat cross section can be easily manufactured.

【0104】本変形例においては、プロセスが容易であ
り、2組のトーションスプリングの断面形状が互いに異
なることにより、上述した様にそれぞれのトーションス
プリングに起因する駆動時の外乱等の影響を相殺させる
ことができ、トーションバーに応力集中部分がなく、破
壊しにくい構造となったマイクロ光偏向器を実現するこ
とができる。
In this modification, the process is easy, and the cross-sectional shapes of the two sets of torsion springs are different from each other, thereby canceling out the influence of disturbance at the time of driving caused by the respective torsion springs as described above. This makes it possible to realize a micro optical deflector having a structure in which the torsion bar has no stress concentration portion and is hardly broken.

【0105】[実施例4]図21は、本発明の実施例4の
マイクロ光偏向器を説明するための概略斜視図を示して
いる。本実施例のマイクロ光偏向器においても、シリコ
ン単結晶薄板には、バルクマイクロマシニング技術によ
り、上記実施例ないし変形例で説明したようなトーショ
ンスプリング(不図示)とミラー330が、一体に形成
されている。ミラー330の端には、軟磁性体材料から
なる可動コア341が固定されている。ミラー330
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、トーションスプリングによりその長軸であるねじ
り軸の回りに揺動自在に支持されている。
[Fourth Embodiment] FIG. 21 is a schematic perspective view for explaining a micro optical deflector according to a fourth embodiment of the present invention. Also in the micro optical deflector of this embodiment, the torsion spring (not shown) and the mirror 330 as described in the above embodiment or the modification are integrally formed on the silicon single crystal thin plate by the bulk micromachining technology. ing. A movable core 341 made of a soft magnetic material is fixed to an end of the mirror 330. Mirror 330
Has a surface coated with a substance having a high light reflectance, and is supported by a torsion spring so as to be swingable around a torsion axis which is its long axis.

【0106】一方、ガラス基板(不図示)の上には、軟
磁性体材料からなる固定コア342が配置されており、
この固定コア342をコイル(不図示)が周回してい
る。そして、シリコン単結晶薄板とガラス基板は、可動
コア341と固定コア342のほぼ平行に対向する面
が、所定の間隔を保つように接合されている。すなわ
ち、ミラー330が揺動するときに、これら対向する面
がほぼ平行状態を保ったままその重なり面積(可動コア
341が、固定コア342に発生した磁束を切る断面
積)が変化する様になっている。可動コア341と固定
コア342で2つの間隙を含む閉じた直列磁気回路が形
成される。
On the other hand, on a glass substrate (not shown), a fixed core 342 made of a soft magnetic material is arranged.
A coil (not shown) orbits the fixed core 342. Then, the silicon single crystal thin plate and the glass substrate are joined such that the surfaces of the movable core 341 and the fixed core 342 that are substantially parallel to each other are kept at a predetermined interval. That is, when the mirror 330 oscillates, the overlapping area (the cross-sectional area of the movable core 341 that cuts off the magnetic flux generated in the fixed core 342) changes while these opposing surfaces remain substantially parallel. ing. The movable core 341 and the fixed core 342 form a closed series magnetic circuit including two gaps.

【0107】本実施例の光偏向器の動作について説明す
る。コイルに通電すると、固定コア342が励磁され
る。図21では、固定コア342の図中手前側がN極
に、奥側がS極に励磁されている様子を表している。す
ると、可動コア341は、上記対向面の重なり面積が増
す方向(固定コア342で発生した磁束路に吸引される
方向)、即ち図21の矢印の方向に引き付けられる。可
動コア341と固定コア342は、上記対向面の重なり
面積が増加できる様に非通電時には高さが異なる状態で
配置されているので、トーションスプリングの回りに左
回りの回転モーメントが生じる。ミラー330の共振周
波数に合わせてコイルへの通電をON/OFFすると、
ミラー330がトーションスプリングの回りに共振を起
こす。この状態でミラー330に光線を入射すること
で、光の走査を行うことができる。
The operation of the optical deflector of this embodiment will be described. When the coil is energized, the fixed core 342 is excited. FIG. 21 illustrates a state where the near side of the fixed core 342 in the figure is excited to the N pole and the far side is excited to the S pole. Then, the movable core 341 is attracted in the direction in which the overlapping area of the facing surfaces increases (the direction in which the movable core 341 is attracted to the magnetic flux path generated in the fixed core 342), that is, the direction of the arrow in FIG. Since the movable core 341 and the fixed core 342 are arranged at different heights when power is not supplied so that the overlapping area of the opposing surfaces can be increased, a counterclockwise rotational moment is generated around the torsion spring. When energization of the coil is turned ON / OFF in accordance with the resonance frequency of the mirror 330,
The mirror 330 resonates around the torsion spring. In this state, light rays can enter the mirror 330 to perform light scanning.

【0108】[実施例5]図22は、実施例5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、上記実施例ないし変形例の光偏向
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。
[Embodiment 5] FIG. 22 is a view for explaining an optical scanning display of Embodiment 5. The X light deflector 401 and the Y light deflector 402 are the same as the light deflectors of the above-described embodiments and the modifications. The controller 409 controls the X light deflector 401 and the Y light deflector 402 to scan the laser beam 410 in a raster shape and modulate the laser oscillator 405 in accordance with the information to be displayed.
The image is displayed two-dimensionally on the top.

【0109】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、精細な画像を形成できエネルギー効
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。
By applying the optical deflector of the present invention to an optical scanning display, an optical scanning display which can form a fine image and has high energy efficiency can be realized.

【0110】[0110]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
揺動体を支持するトーションスプリングの断面形状を、
平板状の揺動体の平面に対して傾斜した部分を有するよ
うに形成したので、トーションスプリングが揺動体の平
面に対して垂直、平行方向へ撓みにくくなり、揺動体の
正確な揺動運動を可能にしたマイクロ構造体を効果的に
実現できる。また、その材質を単結晶材料にすれば、ね
じれ易く撓みにくいトーションスプリングを持ち機械的
なQ値が大きなマイクロ構造体を提供することができ
る。また、機械的なQ値が高いためにノイズが少なく、
感度の高い、力学量センサを提供できる。また、機械的
なQ値が高いため、共振駆動したときに振幅が大きく、
また、エネルギー効率の高いマイクロアクチュエータを
提供できる。また、機械的なQ値が高いため、共振駆動
したときに振幅が大きく、また、エネルギー効率の高い
マイクロ光偏向器を提供できる。
As described above, according to the present invention,
The cross-sectional shape of the torsion spring supporting the oscillator
Since the torsion spring is formed so as to have an inclined part with respect to the plane of the flat rocking body, it is difficult for the torsion spring to bend in the vertical and parallel directions to the plane of the rocking body, enabling accurate rocking movement of the rocking body The microstructure can be effectively realized. Further, if the material is a single crystal material, it is possible to provide a microstructure having a large mechanical Q value having a torsion spring that is easily twisted and hardly bends. In addition, there is little noise due to the high mechanical Q value,
A highly sensitive dynamic quantity sensor can be provided. Also, since the mechanical Q value is high, the amplitude is large when driven by resonance,
Further, a microactuator with high energy efficiency can be provided. Further, since the mechanical Q value is high, it is possible to provide a micro optical deflector having a large amplitude when driven by resonance and having high energy efficiency.

【0111】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、精細な画像を形成できる光走査型デ
ィスプレイも提供できる。更に、本発明の製造方法を用
いることで、本発明のマイクロ構造体、マイクロ光偏向
器、マイクロ力学量センサ及びマイクロアクチュエータ
を比較的容易に製造することができる。
By applying the optical deflector of the present invention to an optical scanning display, an optical scanning display capable of forming a fine image can be provided. Furthermore, by using the manufacturing method of the present invention, the micro structure, the micro optical deflector, the micro mechanical quantity sensor, and the micro actuator of the present invention can be manufactured relatively easily.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例1の光偏向器を説明するための
斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view illustrating an optical deflector according to a first embodiment of the present invention.

【図2】実施例1の光偏向器を説明するための分解図
(a)、及びトーションバーの縦断面図(b)である。
FIGS. 2A and 2B are an exploded view for explaining an optical deflector according to a first embodiment, and a longitudinal sectional view of a torsion bar. FIGS.

【図3】実施例1等の光偏向器を説明するための断面図
である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an optical deflector according to the first embodiment and the like.

【図4】実施例1の光偏向器を説明するためのトーショ
ンバーの部分の横断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a torsion bar for explaining the optical deflector according to the first embodiment.

【図5】シリコンの異方性エッチングを説明する図であ
る。
FIG. 5 is a diagram illustrating anisotropic etching of silicon.

【図6】実施例1の光偏向器のシリコン単結晶薄板の作
製プロセスを説明する図である。
FIG. 6 is a view for explaining a process for producing a silicon single crystal thin plate of the optical deflector of Example 1.

【図7】実施例1等の光偏向器のガラス基板の作製プロ
セスを説明する図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a process for manufacturing a glass substrate of the optical deflector according to Example 1 and the like.

【図8】本発明の実施例1の変形例の光偏向器を説明す
るための斜視図(a)、及びトーションスプリングの断
面図(b)である。
FIGS. 8A and 8B are a perspective view for explaining an optical deflector according to a modification of the first embodiment of the present invention, and a cross-sectional view of a torsion spring.

【図9】本発明の実施例2の光偏向器を説明するための
斜視図である。
FIG. 9 is a perspective view illustrating an optical deflector according to a second embodiment of the present invention.

【図10】実施例2の光偏向器を説明するための分解図
(a)、及びトーションスプリングの縦断面図(b)で
ある。
FIGS. 10A and 10B are an exploded view for explaining an optical deflector according to a second embodiment, and a longitudinal sectional view of a torsion spring; FIGS.

【図11】実施例2の光偏向器を説明するためのトーシ
ョンスプリングの部分の横断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view of a portion of a torsion spring for explaining an optical deflector according to a second embodiment.

【図12】実施例2の光偏向器を説明するための平面図
である。
FIG. 12 is a plan view illustrating an optical deflector according to a second embodiment.

【図13】実施例2の光偏向器のシリコン単結晶薄板の
作製プロセスを説明する図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating a process for producing a silicon single crystal thin plate of the optical deflector according to the second embodiment.

【図14】本発明の実施例2の変形例の光偏向器を説明
するための斜視図(a)、及びトーションスプリングの
断面図(b)である。
FIGS. 14A and 14B are a perspective view for explaining an optical deflector according to a modification of the second embodiment of the present invention, and a cross-sectional view of a torsion spring.

【図15】実施例2の変形例の光偏向器のシリコン単結
晶薄板の作製プロセスを説明する図である。
FIG. 15 is a diagram illustrating a process for manufacturing a silicon single crystal thin plate of an optical deflector according to a modification of the second embodiment.

【図16】本発明の実施例3の光偏向器を説明するため
の斜視図である。
FIG. 16 is a perspective view illustrating an optical deflector according to a third embodiment of the present invention.

【図17】実施例3の光偏向器を説明するための分解図
(a)、及びトーションスプリングの縦断面図(b)で
ある。
17A is an exploded view for explaining the optical deflector according to the third embodiment, and FIG.

【図18】実施例3の光偏向器を説明するためのトーシ
ョンスプリングの部分の横断面図である。
FIG. 18 is a cross-sectional view of a part of a torsion spring for explaining an optical deflector according to a third embodiment.

【図19】実施例3の光偏向器のシリコン単結晶薄板の
作製プロセスを説明する図である。
FIG. 19 is a diagram illustrating a process for manufacturing a silicon single crystal thin plate of the optical deflector according to the third embodiment.

【図20】本発明の実施例3の変形例の光偏向器を説明
するための斜視図(a)、及びトーションスプリングの
断面図(b)である。
FIGS. 20A and 20B are a perspective view for explaining an optical deflector according to a modification of the third embodiment of the present invention, and a cross-sectional view of a torsion spring; FIGS.

【図21】実施例4の光偏向器の動作原理を説明する概
略斜視図である。
FIG. 21 is a schematic perspective view illustrating the operation principle of the optical deflector according to the fourth embodiment.

【図22】本発明の実施例5の光走査型ディスプレイを
説明する図である。
FIG. 22 is a diagram illustrating an optical scanning display according to a fifth embodiment of the present invention.

【図23】従来の光偏向器を説明するための斜視図であ
る。
FIG. 23 is a perspective view for explaining a conventional optical deflector.

【図24】従来の光偏向器を説明するための分解図であ
る。
FIG. 24 is an exploded view for explaining a conventional optical deflector.

【図25】従来の光偏向器を説明するための断面図であ
る。
FIG. 25 is a cross-sectional view for explaining a conventional optical deflector.

【図26】従来の光偏向器を説明するためのトーション
バーの部分の断面図である。
FIG. 26 is a sectional view of a portion of a torsion bar for explaining a conventional optical deflector.

【図27】従来のハードディスク用ジンバルを説明する
上面図である。
FIG. 27 is a top view illustrating a conventional hard disk gimbal.

【図28】従来のハードディスク用ジンバルを説明する
ための断面図である。
FIG. 28 is a cross-sectional view for explaining a conventional hard disk gimbal.

【図29】従来のハードディスク用ジンバルの作製プロ
セスを説明する図である。
FIG. 29 is a view for explaining a process of manufacturing a conventional hard disk gimbal.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

110 ガラス基板 112 凹み部 114、116 駆動電極 120、620、720 シリコン単結晶薄板 122、123、124、125、128、129、5
28、529、628、629、728、729
トーションスプリング(トーションバー) 122a、124a、128a、129a トーシ
ョンスプリングの付け根部の斜面 130、330、630、730 ミラー 132 ミラー支持部 150、731、732 マスク層 190、191 開口部 341 可動コア 342 固定コア 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 2020 ジンバル 2022、2024 ロールトーションバー 2026、2028 ピッチトーションバー 2030 ヘッド支持体 2031 支持枠 2091 型取り用シリコンウェハー 2092 犠牲層 2093 ポリシリコン層 2094 エポキシ樹脂 2095 パッド
110 glass substrate 112 recess 114, 116 drive electrode 120, 620, 720 silicon single crystal thin plate 122, 123, 124, 125, 128, 129, 5
28, 529, 628, 629, 728, 729
Torsion spring (torsion bar) 122a, 124a, 128a, 129a Slope at the base of torsion spring 130, 330, 630, 730 Mirror 132 Mirror support 150, 731, 732 Mask layer 190, 191 Opening 341 Movable core 342 Fixed core 401 X light deflector 402 Y light deflector 405 Laser oscillator 407 Screen 409 Controller 410 Laser beam 1010 Insulating substrate 1014, 1016 Driving electrode 1020 Silicon thin plate 1022, 1024, 2001, 2002 Torsion bar 1030, 2011 Mirror 1032 Mirror support 2020 Gimbal 2022, 2024 Roll torsion bar 2026, 2028 Pitch torsion bar 2030 Head support 2031 Support frame 20 91 Silicon wafer for molding 2092 Sacrificial layer 2093 Polysilicon layer 2094 Epoxy resin 2095 Pad

───────────────────────────────────────────────────── 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 26/08 G02B 26/10 104Z 26/10 104 7/18 Z (72)発明者 廣瀬 太 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 八木 隆行 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 水谷 英正 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 島田 康弘 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 Fターム(参考) 2H041 AA12 AB14 AC04 AZ01 AZ08 2H043 AE16 AE18 BB05 BC08 2H045 AB06 AB10 AB16 AB73 2H049 AA06 AA37 AA44 AA50 AA68 AA69 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G02B 26/08 G02B 26/10 104Z 26/10 104 7/18 Z (72) Inventor Futa Hirose Ota, Tokyo 3-30-2 Shimomaruko-ku, Canon Inc. (72) Inside the Canon Takayuki Yagi 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (72) Inventor Hidemasa Mizutani 3-chome Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo No. 30-2 Canon Inc. (72) Inventor Yasuhiro Shimada 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo F-term (reference) 2H041 AA12 AB14 AC04 AZ01 AZ08 2H043 AE16 AE18 BB05 BC08 2H045 AB06 AB10 AB16 AB73 2H049 AA06 AA37 AA44 AA50 AA68 AA69

Claims (30)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板と、少なくとも一つ以上の平板状の揺
動体を有し、前記揺動体が1本以上のトーションスプリ
ングによって前記基板に対して弾性的に揺動自由に支持
されているマイクロ構造体において、前記トーションス
プリングは、その長軸に垂直な面の断面形状の少なくと
も一部が、前記平板状の揺動体の平面に対して傾斜して
いることを特徴とするマイクロ構造体。
1. A micro-computer comprising: a substrate; and at least one plate-shaped oscillating body, wherein the oscillating body is elastically supported by the at least one torsion spring such that the oscillating body is freely swingable. In the structure, the torsion spring is characterized in that at least a part of a cross-sectional shape of a surface perpendicular to a major axis thereof is inclined with respect to a plane of the plate-shaped oscillator.
【請求項2】前記トーションスプリングのねじり中心軸
が前記平板状の揺動体の重心付近を通ることを特徴とす
る請求項1記載のマイクロ構造体。
2. The microstructure according to claim 1, wherein a torsional center axis of said torsion spring passes near a center of gravity of said plate-shaped oscillator.
【請求項3】前記トーションスプリングの長軸に垂直な
面の断面形状が、そのねじり中心軸を含む面に対して対
称形状を有することを特徴とする請求項1または2記載
のマイクロ構造体。
3. The microstructure according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of a plane perpendicular to a major axis of the torsion spring has a symmetrical shape with respect to a plane including the torsion center axis.
【請求項4】前記トーションスプリングの材質が単結晶
材料からなることを特徴とする請求項1、2または3記
載のマイクロ構造体。
4. The microstructure according to claim 1, wherein said torsion spring is made of a single crystal material.
【請求項5】前記単結晶材料がシリコン単結晶であるこ
とを特徴とする請求項4記載のマイクロ構造体。
5. The microstructure according to claim 4, wherein said single crystal material is a silicon single crystal.
【請求項6】前記トーションスプリングの傾斜面がシリ
コン単結晶の(111)面であることを特徴とする請求
項5記載のマイクロ構造体。
6. The microstructure according to claim 5, wherein the inclined surface of the torsion spring is a (111) plane of silicon single crystal.
【請求項7】前記基板、揺動体、トーションスプリング
が共通の単結晶材料基板から一体的に形成されているこ
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。
7. The microstructure according to claim 1, wherein the substrate, the oscillator, and the torsion spring are integrally formed from a common single crystal material substrate.
【請求項8】前記単結晶材料が(100)基板であり、
トーションスプリングが異方性エッチングで形成され
て、その外面を画する該(100)基板面に対する斜面
が(111)面であることを特徴とする請求項5、6ま
たは7記載のマイクロ構造体。
8. The single crystal material is a (100) substrate,
The microstructure according to claim 5, 6 or 7, wherein the torsion spring is formed by anisotropic etching, and a slope of the torsion spring with respect to the (100) substrate surface that defines the outer surface is a (111) surface.
【請求項9】前記基板或いは揺動体に繋がるトーション
スプリングの付け根部の外面を画する該(100)基板
面に対する面が(111)面であることを特徴とする請
求項8記載のマイクロ構造体。
9. The microstructure according to claim 8, wherein a surface with respect to the (100) substrate surface, which defines an outer surface of a base portion of a torsion spring connected to the substrate or the oscillator, is a (111) surface. .
【請求項10】前記トーションスプリングの横断面形状
がV或いは逆V字状、X字状、ノの字状、またはハ或い
は逆ハの字状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。
10. The torsion spring according to claim 1, wherein the torsion spring has a V-shaped cross section, an inverted V-shaped cross section, an X-shaped cross section, a U-shaped cross section, or a C-shaped or inverted C-shaped cross section. The microstructure according to any one of the above.
【請求項11】前記トーションスプリングの角部が等方
性エッチングで軽く丸くされて、前記トーションスプリ
ングの角部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10の何れかに記載のマイクロ構造
体。
11. The torsion spring according to claim 1, wherein the corners of the torsion spring are lightly rounded by isotropic etching to reduce stress concentration on the corners of the torsion spring. 3. The microstructure according to claim 1.
【請求項12】前記揺動体を支持する2組以上のトーシ
ョンスプリングの断面形状を、夫々揺動体を挟んで対向
するトーションスプリングについて異なる形状とするこ
とを特徴とする請求項1乃至11の何れかに記載のマイ
クロ構造体。
12. A cross-sectional shape of at least two sets of torsion springs for supporting said oscillating body is different from each other with respect to torsion springs opposed to each other across said oscillating body. 3. The microstructure according to claim 1.
【請求項13】前記揺動体を挟んで対向するトーション
スプリングの断面形状を、該対向するトーションスプリ
ングのねじり中心軸を含む面に対して互いに対称に配置
することを特徴とする請求項12記載のマイクロ構造
体。
13. The torsion spring according to claim 12, wherein the cross-sectional shapes of the torsion springs opposed to each other with the rocking member interposed therebetween are symmetrical with respect to a plane including the torsion center axis of the opposed torsion springs. Micro structure.
【請求項14】該揺動板を挟んで対向するトーションス
プリングの断面形状を、該対向するトーションスプリン
グのねじり中心軸を含み該揺動板の平面に平行な面に対
して互いに対称に配置することを特徴とする請求項13
記載のマイクロ構造体。
14. A cross-sectional shape of the torsion springs opposed to each other with the rocking plate interposed therebetween is symmetrically arranged with respect to a plane including a torsion center axis of the opposed torsion springs and parallel to a plane of the rocking plate. 14. The method according to claim 13, wherein
The described microstructure.
【請求項15】前記揺動体が一つであり、直線に沿って
伸びた一つないし一対のトーションスプリングによって
該揺動体が前記基板に対して弾性的に略該直線の回りに
揺動自由に支持されていることを特徴とする請求項1乃
至14の何れかに記載のマイクロ構造体。
15. An oscillator according to claim 1, wherein said oscillator is elastically movable relative to said substrate by one or a pair of torsion springs extending along a straight line. The microstructure according to claim 1, wherein the microstructure is supported.
【請求項16】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、各直線に沿って
伸びた一対のトーションスプリングによって、その外側
の揺動体或いは前記基板に対して弾性的に略該各直線の
回りに揺動自由に支持されていることを特徴とする請求
項1乃至14の何れかに記載のマイクロ構造体。
16. A plurality of said rocking bodies, said plurality of rocking bodies being arranged in a nested manner, and each rocking body is formed by a pair of torsion springs extending along each straight line, and the rocking body on the outer side thereof or said rocking body. The microstructure according to any one of claims 1 to 14, wherein the microstructure is elastically supported on the substrate so as to freely swing around each of the straight lines.
【請求項17】前記各直線が互いに角度を成して伸びて
いることを特徴とする請求項16記載のマイクロ構造
体。
17. The microstructure according to claim 16, wherein said straight lines extend at an angle to each other.
【請求項18】前記角度が90度であることを特徴とす
る請求項17記載のマイクロ構造体。
18. The microstructure according to claim 17, wherein said angle is 90 degrees.
【請求項19】前記揺動体が複数であり、該複数の揺動
体がトーションバーを介在させて直列的に配置され、最
も外側の揺動体が前記基板にトーションバーを介在させ
て支持されていることを特徴とする請求項1乃至14の
何れかに記載のマイクロ構造体。
19. A plurality of oscillators are arranged in series with a torsion bar interposed therebetween, and the outermost oscillator is supported by the substrate with a torsion bar interposed therebetween. The microstructure according to any one of claims 1 to 14, wherein:
【請求項20】請求項1乃至19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。
20. A micro mechanical quantity sensor comprising: the micro structure according to claim 1; and a displacement detecting means for detecting a relative displacement between the substrate and the oscillator.
【請求項21】請求項1乃至19の何れかに記載のマイ
クロ構造体と、前記揺動体を前記基板に対して相対的に
駆動する駆動手段を有することを特徴とするマイクロア
クチュエータ。
21. A microactuator comprising: the microstructure according to claim 1; and driving means for driving the oscillator relative to the substrate.
【請求項22】前記駆動手段が、固定コアと、該固定コ
アを周回するコイルと、前記揺動体に接合された可動コ
ア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21記載のマイクロアクチュエータ。
22. A micro-actuator according to claim 21, wherein said driving means is an electromagnetic actuator comprising a fixed core, a coil surrounding said fixed core, and a movable core joined to said oscillator. .
【請求項23】請求項1乃至19の何れかに記載のマイ
クロ構造体と、前記揺動体を前記基板に対して相対的に
駆動する駆動手段と、前記揺動体に設けられた光偏向子
を有することを特徴とするマイクロ光偏向器。
23. A microstructure according to claim 1, wherein said microstructure comprises a driving means for driving said oscillator relative to said substrate, and a light deflector provided on said oscillator. A micro optical deflector comprising:
【請求項24】前記トーションスプリングの長軸に垂直
な面の断面形状の一部が、前記光偏向子の形成される面
に対して傾斜していることを特徴とする請求項23記載
のマイクロ光偏向器。
24. The micro-micrometer according to claim 23, wherein a part of a cross-sectional shape of a surface perpendicular to a major axis of the torsion spring is inclined with respect to a surface on which the light deflector is formed. Optical deflector.
【請求項25】前記駆動手段が、固定コアと、該固定コ
アを周回するコイルと、前記揺動体に接合された可動コ
ア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23または24記載のマイクロ光偏向器。
25. An electromagnetic actuator according to claim 23, wherein said driving means is an electromagnetic actuator comprising a fixed core, a coil surrounding said fixed core, and a movable core joined to said oscillator. Micro optical deflector.
【請求項26】前記光偏向子が、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23、24または25
記載のマイクロ光偏向器。
26. The light deflector is a light reflecting surface or a diffraction grating.
The micro optical deflector as described.
【請求項27】請求項23乃至26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動作を制御する制御
手段を有することを特徴とする光走査型ディスプレイ。
27. A micro-optical deflector according to claim 23, a light source capable of modulation, and control means for controlling modulation of said light source and operation of an oscillator of said micro-optical deflector. An optical scanning type display characterized by the above-mentioned.
【請求項28】請求項8乃至10の何れかに記載のマイ
クロ構造体の製造方法であって、(100)単結晶シリ
コン基板の両面にマスク層を成膜する工程と、前記両面
のマスク層を前記揺動体とトーションスプリングの形態
に応じてパターニングする工程と、前記(100)シリ
コン基板を異方性エッチングする工程を含むことを特徴
とするマイクロ構造体の製造方法。
28. The method for manufacturing a microstructure according to claim 8, wherein a mask layer is formed on both surfaces of the (100) single crystal silicon substrate, and the mask layers on both surfaces are formed. Patterning according to the form of said oscillator and torsion spring, and anisotropically etching said (100) silicon substrate.
【請求項29】前記異方性エッチングをアルカリ溶液を
用いて行うことを特徴とする請求項28記載のマイクロ
構造体の製造方法。
29. The method according to claim 28, wherein the anisotropic etching is performed using an alkaline solution.
【請求項30】前記トーションスプリングの角部を軽く
等方性エッチングして、前記トーションスプリングの角
部を丸くし、前記トーションスプリングの角部への応力
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
28または29記載のマイクロ構造体の製造方法。
30. The method according to claim 30, further comprising the step of lightly and isotropically etching the corners of the torsion spring to round the corners of the torsion spring to reduce stress concentration on the corners of the torsion spring. The method for producing a microstructure according to claim 28 or 29.
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