JP2006064751A - 静電アクチュエータおよび光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が単純で、起動時の回転トルクを得やすい。
【解決手段】ミラー１１１が形成された可動部材１０１は、２層構造（可動部材１３４、１３５、絶縁材１３６）であり、梁部材１０２も２層構造であり、保持部材１０４も２層構造（保持部材１３１、１３２、絶縁材１３３）である。櫛歯状電極１１４と１１５、櫛歯状電極１１２と１１３、櫛歯状電極１１８と１１９、櫛歯状電極１１６と１１７がかみ合うように形成される。コンタクト部１２５、１２２、電極１１６、１１４にＶ１、可動電極に０Ｖを印加することにより、可動部材１０１は時計方向に回転し、コンタクト部１２７、１２１、電極１１８、１１２にＶ２、可動電極に０Ｖを印加することにより、可動部材１０１は反時計方向に回転する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシニング技術を応用した微小光学系、ミラー走査装置に関し、デジタル複写機、及びレーザプリンタ等の書込系に用いられる光走査装置、バーコードリーダー等の読み取り装置、または投射型画像表示装置に好適な技術に関する。

従来の振動ミラーは、同一直線上に設けられた２本の梁で支持されたミラー基板を、ミラー基板に対向する位置に設けた電極との間の静電引力で、２本の梁をねじり回転軸として往復振動させている（例えば、非特許文献１を参照）。マイクロマシニング技術で形成されるこの振動ミラーは、従来のモーターを使ったポリゴンミラーの回転による光走査装置と比較して、構造が簡単で半導体プロセスでの一括形成が可能なため、小型化が容易で製造コストも低く、また単一の反斜面であるため複数面による精度のばらつきがなく、さらに往復走査であるため高速化にも対応できる等の効果が期待できる。

このような静電駆動の振動ミラーとしては、梁をＳ字型として剛性を下げ、小さな駆動力で大きな振れ角が得られるようにしたもの（例えば、特許文献１を参照）、梁の厚さをミラー基板、フレーム基板よりも薄くしたもの（例えば、特許文献２を参照）、固定電極をミラー部の振動方向に重ならない位置に配置したもの（例えば、特許文献３、非特許文献２を参照）、また、対向電極をミラーの振れの中心位置から傾斜させて設置することで、ミラーの振れ角を変えずに駆動電圧を下げたものがある（例えば、非特許文献３を参照）。

IBM J.Res.Develop Vol.24 (1980) The 13th Annual International Workshop on MEMS2000 (2000) 473-478 The 13th Annual International Workshop on MEMS2000 (2000) 645-650 特許第２９２４２００号公報 特開平７−９２４０９号公報 特許第３０１１１４４号公報

２本の梁で可動部材を両側から保持し、この梁をねじり回転軸として可動部材を静電引力により往復振動させる静電アクチュエータとしては、可動部材を一方の共通電極として、ねじり回転軸の両側にある駆動のための他方の２つの電極を、可動部材の平面側に対向させるものと、可動部材の端面側に対向させるものがある。

ここで、静電引力Ｗは、誘電率をε、印加電圧をＶ、電極間距離をｔ、電極面積をＳとすると次式で与えられる。
Ｗ＝０．５ε（Ｖ／ｔ）^２Ｓ
静電力引力を発生させる電極をミラー基板の端面側に対向させて形成した静電アクチュエータは構造が簡単で形成方法も容易であるが、可動部材の変位が大きくなると、電極間距離が大きくなり、静電引力が小さくなる欠点があった。また可動部材が静止している状態では、電圧を印加しても電極間に作用する静電引力が回転軸に対して鏡面対称で作用するので回転トルクとならないで、起動が困難であった。

本発明の目的は、上記の欠点を解消し構造が単純で、起動時の回転トルクを得やすい静電アクチュエータ及び光走査装置を提供することにある。

本発明は、可動部材が梁部材で保持部材と連結されており、静電引力により可動部材が変位する静電アクチュエータにおいて、静電引力を発生させる電極が多層構造に形成されていることを最も主要な特徴とする。

本発明（請求項１）の静電アクチュエータは、可動部材が梁部材で保持部材と連結されており、静電引力により可動部材が変位し、静電引力を発生させる電極が多層構造に形成されているので、高い静電トルクを得ることができる。

本発明（請求項２）の静電アクチュエータは、梁部材が可動部材の回転中心軸上に設けられ、保持部材上で可動部材の回転中心を軸とした回転対称の位置に静電引力を発生させる電極の一方が多層構造に形成されていて、静電引力を発生させる電極の他の一方は可動部材上で多層構造であるので、高い回転トルクを持つ、回転アクチュエータとして動作する。

本発明（請求項３）の静電アクチュエータは、可動部材上と保持部材上に形成された静電引力を発生させる電極が共に２層であるので形成工程を簡潔にできる。

本発明（請求項４）の静電アクチュエータは、可動部材上に形成された静電引力を発生させる多層電極が２層であり、保持部材上に形成された静電引力を発生させる多層電極が３層であるので、より高い回転トルクを発生できる。

本発明（請求項５）の静電アクチュエータは、静電引力を発生させる電極が櫛歯構造の電極であるので、静電引力を強く発生させ、より高い回転トルクを得ることができる。

本発明（請求項６）の静電アクチュエータは、可動部材がリブ構造を有しているので、可動部材を軽量化でき、低電圧で駆動できる。

本発明（請求項７）の静電アクチュエータは、可動部材、梁部材、及び保持部材は同一の基板より加工形成してなるので、寸法精度が良く、且つ変位精度を高くできる。

本発明（請求項８）の静電アクチュエータは、単結晶シリコンを材料として形成されているので、欠陥が少なく、アクチュエータの寿命を長くできる。

本発明（請求項９）に記載の光偏向装置は静電アクチュエータを使用しているので構造が単純で、偏向精度が高く寿命を長くできる。

本発明（請求項１０）の光偏向装置は、ミラー面が梁部材の中心と同一であるでの、反射ビームの形状変化の少ない光偏向装置とすることができる。

以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例１に係る光走査装置の構成を示す。図１（ａ）は光走査装置全体の正面図、図１（ｂ）は正面図中のＡ、Ａ’間に示される点線部の断面図、図１（ｃ）は正面図中のＢ、Ｂ’間に示される点線部の断面図、図１（ｄ）は正面図中Ｃ、Ｃ’間に示される点線部の断面図である。

可動部材１０１は、同一直線上に設けられた２本の梁部材１０２、１０３でその中央部分を支持されている。可動部材１０１は図１（ｂ）に示すように、第１の可動部材１３４が、絶縁材料１３６を介して、第２の可動部材１３５と一体の２層構造をなしている。

同様に梁部材１０２も図１（ｃ）に示すように、第１の梁部材１３７が、絶縁材料１３９を介して、第２の梁部材１３８と一体の２層構造をなしている。また梁部材１０３の構成は梁部材１０２と同じである。２本の梁部材１０２、１０３は、可動部材１０１が必要とする振れ角が得られるような剛性となるように断面寸法、形状、長さが設定され、可動部材１０１の外側に設けられた共通の保持部材１０４に固定されている。

可動部材１０１の梁に支持されていない両側の端面には静電引力を形成する電極として、第１の可動部材１３４中に櫛歯状電極１１３、１１５、第２の可動部材１３５中に櫛歯状電極１１７、１１９が保持部材１０４に近接対向して形成されている。可動部材１０１上には使用する光に対して十分な反射率をもつミラー１１１が形成されている。

保持部材１０４は図１（ｂ）に示すように、第１の保持部材１３１が、絶縁材料１３３を介して、第２の保持部材１３２と一体の２層構造をなしている。保持部材中、第１の保持部材１３１には櫛歯状電極１１４が、第１の可動部材１３４中の櫛歯状電極１１５とかみ合うように、また櫛歯状電極１１２が第１の可動部材中１３４中の櫛歯状電極１１３とかみ合うように形成されている。同様に第２の保持部材１３２には櫛歯状電極１１８が、第２の可動部材１３５中の櫛歯状電極１１９とかみ合うように、また櫛歯状電極１１６が第２の可動部材中１３５中の櫛歯状電極１１７とかみ合うように形成されている。

保持部材中、第１の保持部材１３１には櫛歯状電極１１２に電圧を印加するための電流経路１０６とコンタクト部１２１、及び櫛歯状電極１１４に電圧を印加するための電流経路１０５とコンタクト部１２２が形成されていて、この２つのコンタクト部は絶縁スリット１０７、１０８、１０９、１１０により互いに絶縁されている。加えて第１の保持部材１３１には可動部材中の櫛歯状電極１１３，１１５に電圧を印加するためのコンタクト部１２９が形成されている。

また第２の保持部材１３２には櫛歯状電極１１６に電圧を印加するための電流経路１２４とコンタクト部１２５、及び櫛歯状電極１１８に電圧を印加するための電流経路１２６とコンタクト部１２７が形成されていて、この２つのコンタクト部は絶縁スリット１４１、１４２、１４３、１４４により互いに絶縁されている図１（ｄ）。コンタクト部１２７の断面において、図１（ｄ）と同様に、電流経路１２４が電流経路１２６に相当し、絶縁スリット１４１、１４２が絶縁スリット１４３、１４４に相当する。

本発明の静電アクチュエータの駆動方法及び動作を図２を用いて説明する。図中の電源Ｖ１に電圧を印加すると（電極２１４、２１６＝Ｖ１、可動電極＝０Ｖ）、静電引力は２層構成の可動部材中の電極と、２層構成の保持部材中の電極の内、２１３−２１６間、２１７−２１６間、２１９−２１４間及び、２１５−２１４間に作用する。このうち可動部材１０１を梁部材を軸として回転する方向に作用する回転モーメントＭの大小関係はＭ（２１３−２１６）＞Ｍ（２１７−２１６）であり、またＭ（２１９−２１４）＞Ｍ（２１５−２１４）である。さらにＭ（２１３−２１６）とＭ（２１９−２１４）は可動部材を断面図中で時計方向に回転させるトルクとして作用する。したがって電圧を印加することにより可動部材は断面図中で、時計方向に回転変位する。

また、図中の電源Ｖ２に電圧を印加すると（電極２１２、２１８＝Ｖ２、可動電極＝０Ｖ）、静電引力は２層構成の可動部材中の電極と、２層構成の保持部材中の電極の内、２１７−２１２間、２１３−２１２間、２１５−２１８間及び、２１９−２１８間に作用する。このうち可動部材を梁部材を軸として回転する方向に作用する回転モーメントＭの大小関係はＭ（２１７−２１２）＞Ｍ（２１３−２１２）であり、またＭ（２１５−２１８）＞Ｍ（２１９−２１８）である。さらにＭ（２１７−２１２）とＭ（２１５−２１８）は可動部材を断面図中で反時計方向に回転させるトルクとして作用する。したがって電圧を印加することにより可動部材は断面図中で、反時計方向に回転変位する。

本発明の実施例１における光走査装置の製造方法を図３を用いて説明する。可動部材、梁部材、保持部材の形成には高精度の微細加工が容易で導電性材料として使用できる低抵抗の単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板を用いた。

厚さ５０ｕｍの両面研磨された２枚のシリコン基板３３１、３３２を厚さ５μｍのシリコン酸化膜３３３を介して接合し、ＳＯＩ基板とした。このＳＯＩ基板からシリコンの微細加工技術として知られる、フォトリソグラフィーとドライエッチングの手法を用いて、２層構成の保持部材３０４（２ｍｍ×２ｍｍ）、２層構成の梁部材３０２、３０３（幅２０μｍ、長さ５００μｍ）、２層構成の可動部材３０１（１ｍｍ×１ｍｍ）、２層構成の櫛歯状電極３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７、３１８、３１９（長さ１００μｍ、間隔５μｍ、ピッチ５０μｍ）、基板３３１中に絶縁スリット部３０７、３０８、３０９、３１０（幅５μｍ）コンタクト部形成のための貫通穴３２８，３２９，３４０（５００μｍ×５００μｍ）を形成した。また基板３３２中にも、基板３３１中の絶縁スリット部（３０７、３０８、３０９、３１０）と同様の図示しない絶縁スリット部（３４１〜３４４）（幅５μｍ）を形成した（図３（ａ））。

次に、酸化膜３３３が表面に現れている部分のうち絶縁スリット部３０７、３０８、３０９、３１０、３４１、３４２、３４３、３４４を除く部分の酸化膜（図中点線部）をドライエッチングの手法で除去した（図３（ｂ））。

最後に、コンタクト部３２１、３２２、３２５、３２７、３２９、３３０（３００μｍ×３００μｍ）と可動部材上にミラー部３１１（８００μｍ×８００μｍ）を形成して（図３（ｃ））、本発明の光走査装置が完成した。

図４は、本発明の実施例２に係る光走査装置の構成を示す。図４（ａ）は光走査装置全体の正面図、図４（ｂ）は正面図中のＡ、Ａ’間に示される点線部の断面図、図４（ｃ）は正面図中のＢ、Ｂ’間に示される点線部の断面図、図４（ｄ）は正面図中Ｃ、Ｃ’間に示される点線部の断面図である。実施例２は、リブ構造を除いて基本的に実施例１と同様である。

可動部材４０１は同一直線上に設けられた２本の梁部材４０２、４０３でその中央部分を支持されている。可動部材４０１は図４（ｂ）に示すように、第１の可動部材４３４が、絶縁材料４３６を介して、第２の可動部材４３５と一体の２層構造をなしている。

同様に梁部材４０２も図４（ｃ）に示すように、第１の梁部材４３７が、絶縁材料４３９を介して、第２の梁部材４３８と一体の２層構造をなしている。また梁部材４０３の構成は梁部材４０２と同じである。２本の梁部材４０２、４０３は、可動部材が必要とする振れ角が得られるような剛性となるように断面寸法、形状、長さが設定され、可動部材の外側に設けられた共通の保持部材４０４に固定されている。

可動部材の梁に支持されていない両側の端面には静電引力を形成する電極として、第１の可動部材４３４中に櫛歯状電極４１３、４１５、第２の可動部材４３５中に櫛歯状電極４１７、４１９が保持部材４０４に近接対向して形成されている。可動部材４０１上には使用する光に対して十分な反射率をもつミラー４１１が形成されている。また可動部材のミラーが形成されていない面にはリブ構造４２０が形成されている。

保持部材４０４は図４（ｂ）に示すように、第１の保持部材４３１が、絶縁材料４３３を介して、第２の保持部材４３２と一体の２層構造をなしている。保持部材中、第１の保持部材４３１には櫛歯状電極４１４が、第１の可動部材４３４中の櫛歯状電極４１５とかみ合うように、また櫛歯状電極４１２が第１の可動部材中４３４中の櫛歯状電極４１３とかみ合うように形成されている。同様に第２の保持部材４３２には櫛歯状電極４１８が、第２の可動部材４３５中の櫛歯状電極４１９とかみ合うように、また櫛歯状電極４１６が第２の可動部材中４３５中の櫛歯状電極４１７とかみ合うように形成されている。

保持部材４０４中、第１の保持部材４３１には櫛歯状電極４１２に電圧を印加するための電流経路４０６とコンタクト部４２１、及び櫛歯状電極４１４に電圧を印加するための電流経路４０５とコンタクト部４２２が形成されていて、この２つのコンタクト部は絶縁スリット４０７、４０８、４０９、４１０により互いに絶縁されている。加えて第１の保持部材４３１には可動部材中の櫛歯状電極４１３，４１５に電圧を印加するためのコンタクト部４２９が形成されている。

また第２の保持部材４３２には櫛歯状電極４１６に電圧を印加するための電流経路４２４とコンタクト部４２５、及び櫛歯状電極４１８に電圧を印加するための図示しない電流経路４２６とコンタクト部４２７が形成されていて、この２つのコンタクト部は絶縁スリット４４１、４４２、図示しない絶縁スリット４４３、４４４により互いに絶縁されている（図４（ｄ））。

図５は、本発明の実施例２に係る光走査装置の構成を示す。図５（ａ）は光走査装置全体の正面図、図５（ｂ）は正面図中のＡ、Ａ’間に示される点線部の断面図である。

本実施例では、可動部材中５０１上に形成されたミラー５１１は２層構成の可動部材の１層を除去し、中央の絶縁膜状に形成されている。その他の部分は実施例１と同様である。

図６は、本発明の実施例４に係る光走査装置の構成を示す。図６（ａ）は光走査装置全体の正面図、図６（ｂ）は正面図中のＡ、Ａ’間に示される点線部の断面図である。

本実施例では、保持部材は３層構成である。そして、保持部材の第３層目６４１においても、櫛歯状電極６４２、６４３とそれらに電圧を印加するためのコンタクト部６４４，６４５が形成されている。その他の部分は実施例１と同様である。

本発明の実施例１に係る光走査装置の構成を示す。 本発明の静電アクチュエータの駆動方法及び動作を説明する図である。 本発明の実施例１における光走査装置の製造方法を説明する図である。 本発明の実施例２に係る光走査装置の構成を示す。 本発明の実施例３に係る光走査装置の構成を示す。 本発明の実施例４に係る光走査装置の構成を示す。

符号の説明

１０１ 可動部材
１０２、１０３ 梁部材
１０４ 保持部材
１１１ ミラー
１１３〜１１９ 櫛歯状電極
１２１、１２２ コンタクト部
１０７〜１１０ 絶縁スリット

Claims (10)

1. 可動部材が梁部材で保持部材と連結され、静電引力により可動部材が変位する静電アクチュエータにおいて、静電引力を発生させる電極は多層構造に形成されていることを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 請求項１記載の静電アクチュエータにおいて、梁部材は可動部材の回転中心軸上に設けられ、保持部材上で可動部材の回転中心を軸とした回転対称の位置に静電引力を発生させる電極の一方が多層構造に形成されていて、静電引力を発生させる電極の他の一方は可動部材上で多層構造に形成されていることを特徴とする静電アクチュエータ。
3. 請求項１または２記載の静電アクチュエータにおいて、可動部材上と保持部材上に形成された静電引力を発生させる電極は、共に２層であることを特徴とする静電アクチュエータ。
4. 請求項１または２記載の静電アクチュエータにおいて、可動部材上に形成された静電引力を発生させる多層電極は２層であり、保持部材上に形成された静電引力を発生させる多層電極は３層であることを特徴とする静電アクチュエータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、静電引力を発生させる電極は櫛歯構造の電極であること特徴とする静電アクチュエータ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、可動部材はリブ構造を有していることを特徴とする静電アクチュエータ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、可動部材、梁部材、及び保持部材は同一の基板より加工形成してなることを特徴とする静電アクチュエータ。
8. 請求項７記載の静電アクチュエータは単結晶シリコンを材料として形成されていることを特徴とする静電アクチュエータ。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の静電アクチュエータにおいて、可動部材の表面にはミラー部材が形成され、ミラー部材に入射した光線を梁部材を軸とした回転方向に偏向走査することを特徴とする光走査装置。
10. 請求項９記載の光走査装置において、ミラー面は梁部材の中心と同一であることを特徴とする光走査装置。

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