JP2004198798A - 揺動体 - Google Patents

Abstract

【課題】精度よい反射が出来る揺動体を提供する。
【解決手段】トーションバーのねじり中心軸が反射面と実質同一面である揺動体を提供する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトーションバーに軸支された可動板を有する揺動体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は特許文献１に係る光偏向器の斜視図である。
【０００３】
上記光偏向器は絶縁性材料からなる基板２０３の上に可動ミラー２０１が形成されているシリコン薄板２００を重ね置きする構成をしている。
【０００４】
基板２０３には凹み２０８が設けてあり、凹みの底辺には可動ミラーの揺動支点となるミラー支持部（不図示）が配置されている。
【０００５】
また、可動ミラー２０１の真下にはミラー支持部を挟んで一対の駆動電極２０４、２０５が形成されている。
【０００６】
この一対の駆動電極とシリコン薄板２００とは所定の間隔を保つように基板２０３の上に対抗配置されている。
【０００７】
シリコン薄板２００は電気的に接地されている。従って、この駆動電極に交互に電圧を印加することで可動ミラー２０１は静電吸引力を交互に受けてトーションバー２０２を回転軸に揺動することができる。可動ミラー２０１は印加電圧の大きさに対応した回転角でトーションバー２０２の長軸の回りに回転揺動する。
【０００８】
図１１は上記光偏向器を構成している、可動ミラー２０１を有するシリコン薄板２００の斜視図である。
【０００９】
シリコン薄板２００は一対のトーションバー２０２とそのトーションバーに揺動自由に支持されている可動ミラー２０１とが枠部と一体形成されている。
【００１０】
可動ミラー２０１の反射面には光反射率の高い物質が表面にコーティング処理されていて反射能率を向上させている。
【００１１】
入射光線は可動ミラーのほぼ中央に照射され反射する。反射光線は可動ミラーの機械回転角θに対し２θで偏向される。
【００１２】
可動ミラー２０１と両トーションバー２０２は平坦なシリコンの薄板基板から枠部と一緒に一体形成される。なおこのような分野では可動ミラーの反射面は一体形成前のシリコン薄板基板の鏡面表面を利用するのが一般的である。
【００１３】
【特許文献１】
米国特許第４３１７６１１号（第３頁、第１図）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
可動ミラーが回転する回転軸中心２０７は両トーションバー２０２の断面中心またはその近傍が回転中心となる。
【００１５】
可動ミラーとトーションバーを一体形成すると可動ミラーの回転軸中心はシリコン薄板基板の厚み半分の位置となり同一平面上には存在しない。
【００１６】
本発明者はこの反射面と回転軸中心とが同一平面上になく離れていることが光偏向角の偏向ずれの原因として存在することに着目し、ミラーの回転角制御だけで高精度な光偏向ができる手段を考えた。
【００１７】
先の光偏向器の課題をより具体的に説明する。
【００１８】
図１２は図１１のシリコン薄板２００のＡ−Ａ’断面図で可動ミラー２０１の側面からの図を示している。本図は可動ミラーが静止した状態を実線で示し、可動ミラーを角度θだけ回転させた状態を点線で示してある。
【００１９】
可動ミラー２０１の光反射面が反射面２０９で、一体形成される前のシリコン単結晶の基板表面にあたる。表面には反射率の高い材料が表面コートされている。
【００２０】
可動ミラー２０１を軸支するのが両トーションバー２０２で、その断面中心が回転軸２０７となる。この回転軸を中心に可動ミラーは回転揺動する。
【００２１】
両トーションバー２０２の厚みは一体形成される前のシリコン単結晶基板の厚みであり、回転軸はその中心である。回転軸２０７と反射面２０９との距離は基板厚みの半分の距離ｔ／２が発生する。
【００２２】
よって、可動ミラーを回転させると反射面は回転中心から距離ｔ／２を保って回転軌跡を動くことになる。
【００２３】
そのため、一定角度で入射する光線は可動ミラーが静止のときは受光位置２０６ａであるが角度θだけ回転したときの受光位置は２０６ｂと位置の移動がおこる。
【００２４】
これにより本来、反射偏向する光の方向が２１０ａであるべきところが２１０ｂと偏向ずれを発生することになる。
【００２５】
可動ミラーの回転角θに対し反射光は２θで偏向するはずであるが、前述の理由で偏向ずれδを含んで偏向する。
【００２６】
この偏向ずれδは反射面と回転中心との距離（可動ミラーの厚み）によって変化し依存する。よって、可動ミラーの回転角の正確な位置制御だけで光偏向角が決まらない。
【００２７】
その偏向ずれδの影響として微小高精彩画像を描画させると周辺歪みやフォーカスずれが生じる。
【００２８】
更に発明者は考えた。単純にシリコン薄板２００を薄くして反射面と回転軸中心とを接近させる方法を考えてもみたが、あまり薄くすると回転モーメントにより可動ミラーの反射面が撓み画像歪みを生じることに気づいた。また、エッチング等によりシリコン薄板をより薄くする際、同時にトーションバー２０２も細くしてしまえばトーションバー長尺方向に対し垂直方向の振動も生じやすくなり高い精度での偏向を阻害することにもなってしまうことにも気づいた。
【００２９】
本発明は可動板の回転角制御だけで高精度な反射ができる揺動体を提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
よって本発明は、トーションバーと可動板と前記可動板に配置された反射面とを有する揺動体であって、前記トーションバーのねじり中心軸は前記反射面と実質同一面上に位置していることを特徴とする揺動体を提供する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本実施の形態は、トーションバーと可動板と前記可動板に配置された反射面とを有する揺動体であって、前記トーションバーのねじり中心軸は前記反射面と実質同一面上に位置していることを特徴とする揺動体に係る。
【００３２】
この反射面は、可動板面そのものであってもよいし、あるいは可動面とは別の部材で所定位置に貼り付けられていてもよい。
【００３３】
反射面は、可動板がえぐられた構造の領域内の面である。えぐられた構造とは凹部である。凹部は可動板自身をえぐって得られるものであっても、あるいは凹部の壁を構成する部材を可動板に設けることで得られても良い。
【００３４】
つまり本実施の形態に係る揺動体は、トーションバーと可動板と可動板に配置された反射面とを有する揺動体であって、反射面は可動板においてえぐられている領域に配置されている揺動体でもある。
【００３５】
トーションバーはその長尺方向に対する直交方向にある程度の肉厚がある。トーションバーのねじり中心軸とは、その直交方向においてねじり中心がトーションバーの長尺方向にそった軸のことであり、トーションバーそのもののことではない。そしてこのねじり中心軸が反射面と同一位置（前記直交方向において同一位置）である。
【００３６】
可動板はトーションバーに支持されている。例えばホトリソグラフィやエッチング等の半導体プロセス技術を用いれば、極めて微細な揺動体を得ることが出来る。本実施形態では、両者は一つのシリコン基板等の単結晶半導体をエッチング処理等することで一体に得られるものであるが、両者は一体でも別体でもよい。
【００３７】
本実施形態により、反射面をねじり中心軸に配置することができる。よって入射波あるいは反射波の制御において、可動板の肉厚に因る影響を軽減することができる。ねじり中心軸と反射面とは厳密な意味で完全同一の位置になくても良く実質同一であれば、異なる位置関係に両者がある場合とくらべて本発明の効果を達成することが出来る。
【００３８】
なお本実施形態に係る揺動体において、反射面はミラーであってもよい。その場合、光偏向器として本実施形態に係る揺動体を適用できる。光偏向器として適用した場合、画像を投射あるいは投影する表示装置（例えばディスプレイ）に本実施形態に係る揺動体を適用できる。あるいはまた複写機あるいはレーザービームプリンタ等の電子写真方式の画像形成装置の感光体に光を露光する露光装置としても適用することが出来る。
【００３９】
他にも本実施形態に係る揺動体は、反射面を音波を反射させる揺動体として適用できる。
【００４０】
あるいは本実施形態に係る揺動体は、加速度センサとして適用できる。
【００４１】
また網膜へ画像を直接描画する際に本実施形態に係る揺動体を適用した光偏向器を用いることが出来る。
【００４２】
また本実施形態に係る揺動体は、光スイッチ（例えば大量の光導波路の高速光スイッチ）や分析機器、バイオ、ナノテクノロジーへの応用することが出来る。
【００４３】
また本実施形態に係る揺動体は、静電力あるいは電磁力等で揺動するトルクを得ることが出来る。
【００４４】
例えば硬磁性体を可動板に配置し、揺動体の外にコイル等の磁束発生手段を設ける構成等を挙げることが出来る。この構成の場合、揺動体にはコイルを設けなくて済む。この構成により電磁力で可動板が揺動できる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
第２の実施形態に係る揺動体は光偏向器に関する。それ以外は第１の実施の形態と同じである。図１は光偏向器を説明するための斜視図で、光偏向器の要部となる偏向ミラー１２０の拡大図である。
【００４６】
偏向ミラーはシリコン単結晶基板１００の単体からウエットによる化学選択エッチング加工により形成する。シリコン単結晶基板の結晶面方位は（１００）面で、基板の両表面は平坦に鏡面処理したものを使う。
【００４７】
偏向ミラー１２０は可動ミラー１０１となる部分とその両端に可動ミラーを軸支し捻りバネと機能する一対のトーションバー１０２が枠部と一緒に一体形成される。
【００４８】
可動ミラー１０１の中央には、底辺が反射面１０９となる窪み１１０を設ける。
【００４９】
窪みの深さは底辺の反射面が回転軸と一致するようにシリコン単結晶基板の厚みの半分、または近傍の位置までとする。窪みの底辺には入射光線を能率良く反射する物質をコーティングする。
【００５０】
図２は光偏向器の動作を説明するための図で、図１の可動ミラー１０１のＡ−Ａ’断面図である。可動ミラー１０１の静止状態を実線で示し、角度θだけ回転させた状態を点線で示してある。
【００５１】
可動ミラー１０１の回転軸１０７と反射面１０９が同一平面上にあるので、入射光線の受光位置１０６が安定する。そのため、可動ミラーの回転角θに対し偏向角２θの関係を正確に維持し高い精度で偏向することができる。ミラー回転軸と反射面が同一平面にあることで回転軸と反射面間に存在する距離による偏向ずれδを含むことがなくなる。
【００５２】
可動ミラーの厚みが偏向精度に影響を与えなくなり、可動ミラーの角度制御のみで高い精度の光偏向が可能となる。
【００５３】
上記の光偏向ミラー１２０の一体形成の製造方法について、図３と図４を用いて述べる。
【００５４】
図３（ａ）〜（ｃ）は異方性エッチングでの加工を説明する図である。
【００５５】
異方性エッチングはリソグラフィで形成した２次元のマスクパターンから、アスペクト比（エッチング深さ／穴の開口径）が大きい３次元構造を製作するに必要な技術である。特にウエットプロセスによる科学的な異方性エッチングは、被加工物である単結晶材料の結晶方位によるエッチング速度の違いを利用するものです。（１００）面をＫＯＨでエッチングすると、（１００）面に対して（１１１）面はエッチング速度が１／２００と遅いため（１１１）面が現れるとその方向へのエッチングが進み難く、（１００）面の底面だけがエッチングされる。
【００５６】
（ａ）の窪み形成ではマスク開口距離Ｗ１に対して基板厚みの半分までエッチングすると、表面（１００）面に対し５４．７°の傾斜面に（１１１）面が現れる。そのため、利用できる底辺の距離はＷ２で計算できる。また、開口距離がｗ３と小さい場合は基板厚みの半分までとどかずＶ溝が形成される。このときのＶ溝深さはｄで計算できる。
【００５７】
基板両面を選択エッチングで貫通形成するには（ｃ）貫通形成に示すように正確に位置合せしたマスク開口部を両面に設ける。はじめはＶ溝が両面から進むがＶ溝が繋がった時点からエッチングは側面方向へ進み新たな（１１１）面で停止する。このときの側面方向の凹み量もｗ４で予め計算ができる。本実施形態での設計は上記の知見を持って行なわれた。
【００５８】
図４（ａ）〜（ｇ）は第１の実施の形態の光偏向ミラーを製造する工程で、図１のシリコン単結晶基板のＡ−Ａ’断面図を示している。本実施の形態ではシリコン単結晶基板から可動ミラーと２本のトーションバー、それに反射面を有する可動ミラーの窪みをウエットによる化学選択エッチングで一体形成する工程である。
【００５９】
図１の偏向ミラー１２０の製造方法を図４で説明する。
【００６０】
（ａ）使用するシリコン単結晶基板２００は結晶面方位が（１００）面のものを用いた。
【００６１】
シリコン単結晶基板２００の両面には耐アルカリ性のエッチングマスクを形成する。
【００６２】
たとえば、熱酸化で形成する酸化シリコン膜、または、低圧化学気相成長法で形成した窒化シリコン膜等である。膜を形成した後に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術によりパターニングを施してマスク２０１、２０２を形成する。
【００６３】
マスク２０１は表面からエッチングを制御するマスクで、中央にミラーの窪み形成用の開口部を開け、その両脇にはミラーやトーションバーを単結晶基板から分離形成するための開口部が設けてある。
【００６４】
マスク２０２は裏面からのエッチングを制御するマスクで、分離用の開口部だけが開けられている。両マスクは正確な位置合わせがされている。
【００６５】
（ｂ）次に、ミラー中央の窪み２０６を先に形成するため、窪み形成用以外の開口部を別のマスク２０３，２０４で塞いだ。マスクにはゴム系のＯＢＣ（東京応化）、または、ＨＩＭＡＬ（日立化成）を用いた。
【００６６】
（ｃ）その後、窪み２０６の加工をウエットによる異方性エッチングでおこなった。エッチング溶液として、ＫＯＨは３０％で９０〜１００℃、または、ＴＭＡＨは２２％９０℃の条件で浸漬エッチングした。エッチング時にＫＯＨは多量に発砲するが平坦面が得やすい。一方、ＴＭＡＨは温度を下げると発砲が少なくなる傾向がある。
【００６７】
窪みの深さは時間で制御する。予め実験で求めたエッチングレートから計算し、窪みの底がシリコン単結晶基板２００の厚みの半分の位置になるまでエッチングする。
【００６８】
（ｄ）つぎに、開口部を塞いでいたマスク２０３，２０４を溶剤で除去し、新たに形成された窪み２０６に保護用のマスク２０５をする。
【００６９】
（ｅ）トーションバーと可動ミラーを形成するためにシリコン単結晶基板をアルカリ溶液に浸漬し、シリコン単結晶基板の両面から異方性エッチングを行い、可動ミラーおよびトーションバーをシリコン単結晶基板から分離し一体形成する。
【００７０】
（ｆ）シリコン単結晶基板を基に可動ミラー、窪み、トーションバー、枠部を一体形成することができたので、マスク２０１，２０２、２０６を溶剤、ドライエッチング等で除去する。
【００７１】
（ｇ）つぎに、窪み２０６の底辺に光反射率を向上させるためアルミニューム等の高反射率の反射膜２０８を真空蒸着、スパッタ等により薄膜形成をおこなった。
【００７２】
以上、選択エッチング液と複数のエッチングマスクを用いて光偏向ミラーの製造法を示した。しかし、本発明の特徴であるミラー反射面と可動軸とを同一平面上に形成することができれば製造法は基本的には問わない。例えば、フッ酸溶液での陽極酸化による多孔質形成層を形成し基板とのエッチングレートの差を利用して、窪み２０６の形成も可能である。
【００７３】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る揺動体はミラーチップが可動板である可動ミラーに組み込み固定された光偏向器に係る。それ以外は第１あるいは第２の実施の形態と同じである。図５は本実施形態に係る光偏向器を説明するための斜視図で、光偏向器の要部となる偏向ミラー１３０の拡大図である。
【００７４】
偏向ミラーはシリコン単結晶基板１００の単体からウエットによる化学選択エッチング加工により形成する。シリコン単結晶基板の結晶面方位は（１００）面で、基板の両表面は平坦に鏡面処理したものを使う。
【００７５】
偏向ミラー１３０は可動ミラー１０１となる部分とその両端に可動ミラーを軸支し捻りバネと機能する一対のトーションバー１０２が枠部と一緒に一体形成される。
【００７６】
可動ミラー１０１の中央には反射面１０９を有するミラーチップ１１３が嵌め込み可能な開口部が設けてあり、そこにミラーチップを組み込み接着固定した。ミラーチップの反射面はシリコン基板の厚み半分の位置に合せてあり、反射面と回転軸が同一平面上になるように設計する。ミラーチップ１１３は別工程で加工され、反射面は平坦に鏡面加工した後、入射光線を能率良く反射するアルミニューム等の物質をコーティングする。
【００７７】
図６は第３の本実施の形態の可動ミラー部の断面で図５のＡ−Ａ’断面図である。
【００７８】
可動ミラーの中央に嵌め込まれたミラーチップ１１３の反射面１１４はトーションバー１０２（点線表示）の断面中心である回転軸１０７と同一平面に位置するように接着材１１７で固定される。
【００７９】
可動ミラー１０１の回転軸１０７と反射面１０９が同一平面上にあるため、入射光線に対する反射面上の受光位置が安定する。そのため、可動ミラーの回転角θに対し偏向角２θの関係を正確に維持し高い精度で偏向することができる。ミラー回転軸と反射面が同一平面になることで回転軸と反射面間に存在する距離による偏向ずれδを含むことがなくなる。
【００８０】
可動ミラーの厚みが偏向精度に影響を与えなくなり、可動ミラーの角度制御のみで高い精度の光偏向が可能となる。
【００８１】
上記の光偏向ミラー１３０の一体形成の製造方法について、図９を用いて述べる。
【００８２】
図９（ａ）〜（ｅ）は第３の実施の形態の光偏向ミラーを製造する工程で、図５のシリコン単結晶基板１００のＡ−Ａ’断面図を示している。本実施の形態ではシリコン単結晶基板から可動ミラー１０１と２本のトーションバー１０２、それに反射面を有するミラーチップ１１３を嵌め込む開口部をウエットによる化学選択エッチングで一体形成する工程である。
【００８３】
図５の偏向ミラー１３０の製造方法を図９で説明する。
【００８４】
（ａ）使用するシリコン単結晶基板２００は結晶面方位が（１００）面のものを用いた。
【００８５】
シリコン単結晶基板の両面には耐アルカリ性のエッチングマスクを形成する。
【００８６】
たとえば、熱酸化で形成する酸化シリコン膜、または、低圧化学気相成長法で形成した窒化シリコン膜等である。膜を形成した後に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術によりパターニングを施してマスク２０１、２０２を形成する。
【００８７】
マスク２０１、２０２はシリコン単結晶基板２００の両面からエッチングを制御するマスクで、シリコン単結晶基板を両面よりエッチングし貫通させる。マスクの中央開口部はミラーチップ２１０を嵌め込むための穴を開けるもので、その両脇の開口部はトーションバーを単結晶基板から分離形成するためのものである。
【００８８】
（ｂ）次に、シリコン単結晶基板をエッチング溶液に浸漬して異方性エッチングでおこなった。エッチング溶液は、ＫＯＨは３０％で９０〜１００℃、または、ＴＭＡＨは２２％９０℃の条件で浸漬エッチングした。エッチング時にＫＯＨは多量に発砲するが平坦面が得やすい。一方、ＴＭＡＨは温度を下げると発砲が少なくなる傾向がある。
【００８９】
（ｃ）基板形状は予め実験で求めたエッチングレートから求め、エッチング時間で制御し、基板を貫通するまでエッチングする。
【００９０】
（ｄ）エッチング終了後、マスク２０１，２０２を溶剤で除去し洗浄する。
【００９１】
トーションバー及び開口した可動ミラー部が形成され、偏向ミラー１３０の基本部分が完成する。
【００９２】
（ｅ）つぎに、別工程（不図示）で加工したミラーチップの反射面上にアルミニュウ―ム等の反射膜を真空蒸着装置またはスパッタ装置で成膜し、予め嵌め込み用に開口させてある稼動ミラーの中央に嵌め込み接着固定する。ミラーチップの形状寸法は選択エッチング加工での（１００）面と（１１１）面の角度が５４．７°であること、および最終的にミラーチップの反射面が可動ミラーの回転中心となる基板の厚み半分の位置にくるように設計した。
【００９３】
以上、選択エッチング液と複数のエッチングマスクを用いて本実施の形態の光偏向ミラーの製造法を示した。しかし、本発明の特徴であるミラー反射面と可動軸とを同一平面上に構成できれば製造法は基本的には問わない。
【００９４】
図７、８は可動ミラーに組み込むミラーチップの例である。ミラーチップは別工程でつくる為に材料を代えて機能を容易に付加することが出来る。図７は低コストなガラス材１１５を用いると共に可動ミラーの重心が回転軸１０７に接近するようにミラーチップの反射面裏側を削り落とした実施の形態である。
【００９５】
図８は可動ミラーを電磁駆動する場合に有効な構成である。ミラーチップ材を硬磁性材料にして帯磁させることで固定コイル（不図示）との間に電磁力を働かせて可動ミラーを効率良く電磁駆動することが可能になる。
【００９６】
【発明の効果】
本発明の揺動体は、可動板の回転角制御だけで高精度な反射ができる揺動体を提供することが出来る。
【００９７】
より具体的には、本発明の光偏向器によれば、一本以上のトーションバーによって弾性的に揺動自由に支持されている光偏向器において、揺動する可動ミラーの反射面と回転中心とを同一平面にすることで、入射光線を反射面上の回転中心にあてることができる。よって、可動ミラーの厚みによる偏向ずれがなくなり可動ミラーの回転角制御だけで高い精度の光偏向が可能となる。
【００９８】
微小高精細画像の描画では周辺画像歪みやフォーカスずれ等を削減することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の光偏向器を説明するための斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の光偏向器を説明するための可動ミラー断面図である。
【図３】シリコン単結晶基板の異方性エッチング法を説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の可動ミラー製造方法を説明する工程図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の光偏向器を説明するための斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の光偏向器を説明するための可動ミラー断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の光偏向器に用いるミラーチップを説明するための斜視図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の光偏向器に用いる着磁ミラーチップを説明するための斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態の可動ミラー製造方法を説明する工程図である。
【図１０】一般の光偏向器を説明するための斜視図である。
【図１１】一般の光偏向器を説明するための可動ミラーである。
【図１２】一般の光偏向器を説明するための可動ミラー断面図である。
【符号の説明】
１００、２００、 シリコン単結晶基板
１０１、２０１、２０７、 可動ミラー
１０２、２０２、 トーションバー
１０６、２０６、２０６ａ、２０６ｂ、受光位置
１０７、２０７、 回転軸
１０９、２０９、 反射面
１１０、２０６、 窪み
１１１、１１１ａ、２１０，２１０ａ、２１０ｂ、 反射光
１１３、 ミラーチップ
１１４、２０８、 反射膜
１１５、 ガラス
１１６、 フェライト
１１７、 接着剤
１２０，１３０、 偏向ミラー
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６，２０７、 マスクｎ
２００、 シリコン薄板
２０３、 基板
２０４、２０５、 駆動電極
２０８、 凹み

Claims (1)

1. トーションバーと可動板と前記可動板に配置された反射面とを有する揺動体であって、
   前記トーションバーのねじり中心軸は前記反射面と実質同一面上に位置していることを特徴とする揺動体。

Images