JP2007017678A - 静電駆動型光偏向素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 低い周波数で駆動でき、衝撃耐性に優れ、小型で低コストの光偏向素子を提供する。
【解決手段】台座部品と、前記台座部品に固着または連続形成された不動部３と該不動部に両持ち梁部２により支持された可動部１とを有し、該可動部が電極機能を有する軟質樹脂部品と、前記可動部上に固着された反射板６と、前記可動部に対して所定の間隔をもって対向配置される固定電極を有し、前記台座部品に固着された固定電極部品とを備え、前記軟質樹脂部品は、シリコーンゴムより形成されている静電駆動型光偏向素子により前記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電駆動型光偏向素子に関し、特にその低周波駆動、衝撃耐性の改善、低コスト化に関するものである。

ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により製造される小型光偏向素子は、光偏向システムの小型化、低コスト化が実現できるため、種々の提案がなされ、試作・実用化が進んでいる。動作原理も静電駆動方式、電磁駆動方式、その他の方式など様々な種類のデバイスが存在する。たとえば、ガルバノメータの原理（可動コイル型電磁駆動）で動作する光偏向素子（ガルバノミラーともいう）は種々提案されており（特許文献１）、これらの光偏向素子は、半導体製造技術を流用したＭＥＭＳ製造技術で製造されている。

そして、これらの光偏向素子はたとえば図９に示すように、シリコンを両持ち梁１９の材料とした両持ち梁構造として構成される（特許文献２）。これは、半導体製造技術を基盤としたＭＥＭＳ製造技術はシリコン高精度加工能力に優れているため、また弾性材料であるシリコンは両持ち梁１９の材料として適しているためである。

ところが、近年、たとえば１００Ｈｚ以下の低い駆動周波数で動作する小型光偏向素子を実現したい要求、また携帯機器製品向けに衝撃耐性の優れた光偏向素子を低コストで実現したい要求が高まっており、シリコンを両持ち梁の材料とするには種々の問題が発生してきた。これらの問題を図１０ないし１１により説明する。

図１０、１１はシリコンを両持ち梁材料として低周波偏向を実現する場合に、光偏向素子の小型化が制約される問題を説明する図である。シリコンはヤング率が１３０ＧＰａ程度と大きく、１００Ｈｚ以下の低周波で動作させるためには、両持ち梁１９を長く、細く、薄く設計する必要があり、例えば、両持ち梁１９の長さ３ｍｍ以上、両持ち梁１９の幅０．０５ｍｍ以下、両持ち梁１９の厚さ０．０１ｍｍ以下などとすることにより低周波駆動が実現できると考えられる。しかし、このとき光偏向素子は図１０に示すように両持ち梁１９の長さによる制約のため素子の小型化に限界がある。素子の小型化を実現するために、図１１に示すように両持ち梁１９を折り曲げて設計する方法が考えられる。しかし、シリコンは１３０ＧＰａ程度のヤング率を有する硬質材料ではあるが、脆性材料であり、長く、細く、薄いシリコン製の両持ち梁は壊れやすく、生産性において問題となり、また製造しても落下させると両持ち梁が破損してしまうため、衝撃耐性が求められる携帯機器製品には適用できないなど、応用範囲にも制限を与える。また、シリコンは高価な材料であり、高価な半導体製造装置により加工されるため、低コスト化には限界がある。
このように、シリコンを両持ち梁の材料として、低周波駆動を実現できる光偏向素子を低コストで実現することは事実上不可能である。

低周波駆動を実現できる光偏向素子を低コストで実現する手法として、両持ち梁の材料にポリイミドを用いる手法が提案されている（特許文献３）。ポリイミドはヤング率が数ＧＰａ程度で低く、またシリコンのような脆性材料ではないため、駆動周波数が低くかつ衝撃耐性に優れる小型光偏向素子実現が期待できる。しかし、ポリイミドのヤング率は数ＧＰａ程度と制御範囲が狭く低周波駆動に限界があるなど、設計制約が大きいという問題があった。
特開２００２−２２８９５１号公報 特開平０７−１７５００５号公報 特開２００５−０９９０６３号公報

ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により製造される小型光偏向素子は、光偏向システムの小型化、低コスト化が実現できるため、種々のタイプのものの開発、実用化が進んでいる。これらの光偏向素子の多くは単結晶シリコンを梁材料とした両持ち梁構造となっており、光を反射させる鏡を有する可動部を、静電気力や電磁力により可動させ、光を偏向させる構造としている。

しかし、駆動周波数が低く、衝撃耐性に優れた小型光偏向素子を低コストで実現したい要求は強く、ヤング率が１３０ＧＰａ程度と大きく、脆性材料であるシリコンを梁材料とするには、素子サイズが大きくなることを余儀なくされたり、また十分な衝撃耐性を確保できなくなったりなど、種々の問題があった。これらの問題を解消するため、ポリイミドを梁材料とする提案もなされているが、ヤング率制御範囲が狭く低周波駆動に限界があるなど、やはり種々の問題があった。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、低い周波数で駆動でき、衝撃耐性に優れ、小型で低コストの光偏向素子を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するため、本発明では、静電駆動型光偏向素子を次の（１）ないし（８）のとおりに構成する。

（１）台座部品と、前記台座部品に固着または連続形成された不動部と該不動部に両持ち梁部により支持された可動部とを有し、該可動部が電極機能を有する軟質樹脂部品と、前記可動部上に固着された反射板と、前記可動部に対して所定の間隔をもって対向配置される固定電極を有し、前記台座部品に固着された固定電極部品とを備え、
前記軟質樹脂部品は、シリコーンゴムより形成されている静電駆動型光偏向素子。

（２）前記（１）に記載の静電駆動型光偏向素子において、
前記軟質樹脂部品は導電性シリコーンゴムより形成し、かつ前記固定電極部品の前記固定電極を２分割して形成する静電駆動型光偏向素子。

（３）前記（１）または（２）に記載の静電駆動型光偏向素子において、
前記軟質樹脂部品をモールド技術により形成する静電駆動型光偏向素子。

（４）前記（１）または（２）に記載の静電駆動型光偏向素子において、
前記軟質樹脂部品をパンチング技術により形成する静電駆動型光偏向素子。

（５）前記（１）ないし（４）のいずれかに記載の静電駆動型光偏向素子において、
前記反射板の母材はシリコン基板、あるいはガラス基板である静電駆動型光偏向素子。

（６）前記（１）ないし（５）のいずれかに記載の静電駆動型光偏向素子において、
前記反射板には穴あるいは凹みが形成されており、かつ前記軟質樹脂部品には突起が形成されており、前記反射板の穴あるいは凹みと、前記軟質樹脂部品の突起を重ね合わせて位置決めされる位置に、前記反射板を前記軟質樹脂部品に固着する静電駆動型光偏向素子。

（７）前記（１）ないし（６）のいずれかに記載の静電駆動型光偏向素子において、
前記軟質樹脂部品には穴あるいは凹みが形成されており、かつ前記台座部品には突起が形成されており、前記軟質樹脂部品の穴あるいは凹みと、前記台座部品の突起とを重ね合わせて位置決めされる位置に、前記軟質樹脂部品を前記台座部品に固着する静電駆動型光偏向素子。

（８）前記（１）ないし（７）のいずれかに記載の静電駆動型光偏向素子において、
前記固定電極部品には穴あるいは凹みが形成されており、かつ前記軟質樹脂部品には突起が形成されており、前記固定電極部品の穴あるいは凹みと、前記軟質樹脂部品の突起を重ね合わせて位置決めされる位置に、前記固定電極部品を前記軟質樹脂部品に固定する静電駆動型光偏向素子。

本発明によれば、軟質で、脆くない材料であるシリコーンゴムを、反射板を固着した可動部を支える両持ち梁の材料に適用できるため、低い駆動周波数で駆動でき、かつ衝撃耐性に優れる小型の静電駆動型光偏向素子を提供できる。

また、安価な材料であるシリコーンゴムを母材とし、かつ安価なプロセスであるモールド技術やパンチング技術が利用できるので、低コストの静電駆動型光偏向素子を容易に実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例により詳しく説明する。

図１、２、３は実施例１である“静電駆動型光偏向素子”の構成を示す図であり、図１は静電駆動型光偏向素子の上面図であり、図２、３はその断面図である。なお、シリコーンゴムで形成された軟質樹脂部品５における周辺部分が不動部３であり、この不動部３に両持ち梁２により支持され、反射板６を固着する部分が可動部１である。

製造された台座部品１４の上面側に軟質樹脂部品５を固着し、前記軟質樹脂部品５の上面側に反射板６を固着し、前記台座部品１４の下面側に固定電極部品１１を固着することにより、図１、２、３に示す静電駆動型光偏向素子が構成される。

前記台座部品１４は、モールド技術によりシリコーンゴムを成形することにより容易に形成でき、たとえば、枠幅１ｍｍ、外枠の一辺長は５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの形状である。モールド前のシリコーンゴム前駆体内に金属粒子や炭素粒子を混合することにより前記台座部品は導電性を有するようにしている。前記台座部品１４は硬く変形が少ないことが好ましく、加硫制御によりヤング率が１０ＭＰａ程度となるよう制御した。

本実施例１では、シリコーンゴムを台座部品１４の材料として適用したが、導電性プラスチックや半導体製造技術により穴あけ加工したシリコン基板やサンドブラスト技術により穴あけ加工したセラミック基板などでも良い。また、本実施例１では、シリコーンゴムの成形方法としてモールド技術を適用したが、パンチング技術により成形しても構わない。

前記軟質樹脂部品５は、モールド技術によりシリコーンゴムを成形することにより容易に形成でき、前記台座部品１４と同様に導電性を有するようにしており、導電性接着剤を介して前記台座部品１４と前記軟質樹脂部品５は電気的に導通されている。また、加硫制御により、前記軟質樹脂部品５はヤング率が１０ｋＰａ程度となるよう制御した。本実施例１では、シリコーンゴムの成形方法としてモールド技術を適用したが、パンチング技術により成形しても構わない。

前記反射板６は、２００ミクロン厚さのガラス基板１３上に反射膜１２となる金膜を蒸着により１．０ミクロンの厚さ堆積した後、ガラス基板１３をダイシング技術により所望のサイズに切り出すことにより形成でき、たとえば一辺２ｍｍの正方形の形状である。本実施例１では、前記反射板６の基板としてガラス基板１３を用いているが、シリコン基板などでも良い。

前記固定電極部品１１は、シリコン基板８を半導体製造技術により加工することにより形成できる。たとえば６００ミクロン厚さのシリコン基板８上に、フォトリソグラフィー技術により所望のレジストパターンを形成し、前記レジストをエッチングマスクとして弗酸と硝酸と酢酸の混合水溶液などによりシリコン基板８を２ミクロン深さエッチングしてシリコン基板の段差１０を形成した後、熱酸化によりシリコン酸化膜２７を１ミクロン厚さ形成し、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術により前記シリコン酸化膜２７上に固定電極７となるアルミニウムや金などの固定電極配線１５をパターニングし、ダイシング技術により所望のサイズに切り出すことにより形成でき、たとえば６ｍｍ×７ｍｍで良い。

本実施例１では、固定電極基板としてシリコン基板８を適用したが、ガラス基板などを用いても良い。また、ポリイミドなどからなる既存のフレキシブル基板製造技術によっても前記固定電極部品は容易に実現できる。

また、本実施例１では、台座部品１４と軟質樹脂部品５を別々に形成したが、複数の金型を用いて連続形成しても良い。

前記台座部品１４の上面側に前記軟質樹脂部品５を導電性接着剤１７などにより固着し、前記軟質樹脂部品５の上面側に前記反射板６を固着し、前記台座部品１４の下面側に前記固定電極部品１１を固着することにより構成される素子において、たとえば前記導電性の前記軟質樹脂部品５の可動電極パッド４をアース電位に固定すると、導電性シリコーンゴムにより形成した前記台座部品１４を介して、前記可動部１を有する前記軟質樹脂部品５をアース電位に固定できる。前記軟質樹脂部品５の前記可動部１は導電性を有しているため、可動電極としての機能を備えている。

ここで、前記固定電極部品１１に形成された一対の固定電極の片側たとえば７−１に固定電極パッド９−１を介して低周波交流電圧を印加する（すなわち固定電極パッド９−１と可動電極パッド４の間に低周波交流電圧を印加する）と、前記軟質樹脂部品５の可動部１と前記電圧の印加された前記片側の固定電極７−１の間には周期的に静電引力が発生し両持ち梁２の弾性力と相まって、前記軟質樹脂部品５の可動部１は前記両持ち梁２を中心として両方向に回動し、前記軟質樹脂部品５に固着された前記反射板６が回動し、反射板６により反射光を周期的に偏向することができる。

また、一対の固定電極７の片側たとえば７−１に固定電極パッド９−１を介して直流電圧を印加すると、前記軟質樹脂部品５の可動部１と前記電圧の印加された前記片側の固定電極７−１の間には連続的に静電引力が発生し、前記可動部１は前記両持ち梁２を中心として一方の方向に回動し、前記軟質樹脂部品５に固着された前記反射板６が回動し、反射板６により反射光を一方の方向に連続的に偏向することができる。また、他方の固定電極７−２に固定電極パッド９−２を介して直流電圧を印加すると、前記軟質樹脂部品５の可動部１と前記電圧の印加された前記片側の固定電極７−２の間には連続的に静電引力が発生し、前記可動部１は前記両持ち梁２を中心として他方の方向に回動し、前記軟質樹脂部品５に固着された前記反射板６が回動し、反射板６により反射光を他方の方向に連続的に偏向することができる。

固定電極への印加電圧は、交流、直流に限らず、パルス電圧であってもよい。
このようにして、本実施例１の静電駆動型光偏向素子は駆動される。

本実施例１では、固定電極を両持ち梁２を中心として２分割しているが、これに限らず、可動電極を２分割する、あるいは固定電極、可動電極の両方をそれぞれ２分割する形で実施することができる。

本実施例１によれば、軟質で非脆性材料であるシリコーンゴムを両持ち梁材料に適用できるため、低周波で駆動でき、かつ衝撃耐性に優れる光偏向素子を容易に実現できる。また、安価なシリコーンゴム材料を母材として、モールド技術やパンチング技術などの低コスト加工技術により形成できるため、安価な光偏向素子を提供できる。

また、周知のとおり、シリコーンゴムなどのゴム材料は、含有される硫黄の比率を制御するなどにより、そのヤング率を１ｋＰａ程度から１０ＭＰａ程度まで広範囲にわたり制御できるため、たとえば、硫黄含有率を制御するだけで部品の幾何学設計を変更することなく、系の共振周波数を変更することができるため、フォトマスクや金型などの作成費用を削減でき、また製品開発期間を短縮できる。

なお、軟質樹脂部品５を絶縁性とし、表面に可動電極を固着する形で実施することもできる。この場合、可動電極パッドと可動電極を適宜の手段で接続する必要がある。

図５ないし８は実施例２である“静電駆動型光偏向素子”の構成を示す図であり、図５は静電駆動型光偏向素子の上面図であり、図６、７、８はその断面図である。反射板６、軟質樹脂部品５、台座部品１４、固定電極部品１１のそれぞれに、固着位置決め用凹凸２８を備えている。

前記反射板６に形成された穴は実施例１と同様の手法で形成した反射板６にサンドブラスト技術やレーザ加工技術を適用することにより容易に実現できる。

前記台座部品１４、および前記軟質樹脂部品５は、実施例１と同様、シリコーンゴムをモールド技術により成形して形成され、前記軟質樹脂部品５の上面側には前記反射板６に形成された穴に対応する位置に突起が形成されている（図８参照）。また、前記台座部品１４の底面側には固定電極部品１１の上面側に形成された凹みに対応する位置に突起が形成されている（図７参照）。

固定電極部品１１に形成された凹みは実施例１と同様の手法で形成した固定電極部品にサンドブラスト技術やレーザ加工技術を適用することにより容易に形成できる。

本実施例２によれば、反射板６と軟質樹脂部品５、台座部品１４と固定電極部品１１をそれぞれ固着するときに、位置決め用の凹凸２８を利用できるため、固着アライメント精度を向上でき、光偏向素子の性能バラツキを低減できる。本実施例２では示していないが、台座部品１４と軟質樹脂部品５の固着部においても同様の位置決め用凹凸２８を形成するとより性能バラツキを低減できる静電駆動型光偏向素子を形成できることは言うまでも無い。

以上、説明したように、本実施例によれば、軟質で、脆くない材料であるシリコーンゴムを、反射板を固着した可動部を支える両持ち梁の材料に適用できるため、低い駆動周波数で駆動でき、かつ衝撃耐性に優れる小型の静電駆動型光偏向素子を提供できる。

また、安価な材料であるシリコーンゴムを母材とし、かつ安価なプロセスであるモールド技術やパンチング技術が利用できるので、低コストの静電駆動型光偏向素子を容易に実現できる。

また、位置決め用の凹凸を利用できるため、固着アライメント精度を向上でき、光偏向素子の性能バラツキを低減できる。

実施例１の構成を示す上面図 実施例１の構成を示すＡ−Ａ断面図 実施例１の構成を示すＢ−Ｂ断面図 実施例１の構成を示すＣ−Ｃ断面図 実施例２の構成を示す上面図 実施例２の構成を示すＤ−Ｄ断面図 実施例２の構成を示すＥ−Ｅ断面図 実施例２の構成を示すＦ−Ｆ断面図 従来の光偏向素子の構成を示す上面図 従来の光偏向素子の構成を示す上面図 従来の光偏向素子の構成を示す上面図

符号の説明

１ 可動部
２ 両持ち梁部
３ 不動部
５ 軟質樹脂部品
６ 反射板
７−１ 固定電極
７−２ 固定電極
１４ 台座部品

Claims (8)

1. 台座部品と、前記台座部品に固着または連続形成された不動部と該不動部に両持ち梁部により支持された可動部とを有し、該可動部が電極機能を有する軟質樹脂部品と、前記可動部上に固着された反射板と、前記可動部に対して所定の間隔をもって対向配置される固定電極を有し、前記台座部品に固着された固定電極部品とを備え、
   前記軟質樹脂部品は、シリコーンゴムより形成されていることを特徴とする静電駆動型光偏向素子。
2. 請求項１に記載の静電駆動型光偏向素子において、
   前記軟質樹脂部品は導電性シリコーンゴムより形成し、かつ前記固定電極部品の前記固定電極を２分割して形成することを特徴とする静電駆動型光偏向素子。
3. 請求項１または２に記載の静電駆動型光偏向素子において、
   前記軟質樹脂部品をモールド技術により形成することを特徴とする静電駆動型光偏向素子。
4. 請求項１または２に記載の静電駆動型光偏向素子において、
   前記軟質樹脂部品をパンチング技術により形成することを特徴とする静電駆動型光偏向素子。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の静電駆動型光偏向素子において、
   前記反射板の母材はシリコン基板、あるいはガラス基板であることを特徴とする静電駆動型光偏向素子。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の静電駆動型光偏向素子において、
   前記反射板には穴あるいは凹みが形成されており、かつ前記軟質樹脂部品には突起が形成されており、前記反射板の穴あるいは凹みと、前記軟質樹脂部品の突起を重ね合わせて位置決めされる位置に、前記反射板を前記軟質樹脂部品に固着することを特徴とする静電駆動型光偏向素子。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の静電駆動型光偏向素子において、
   前記軟質樹脂部品には穴あるいは凹みが形成されており、かつ前記台座部品には突起が形成されており、前記軟質樹脂部品の穴あるいは凹みと、前記台座部品の突起とを重ね合わせて位置決めされる位置に、前記軟質樹脂部品を前記台座部品に固着することを特徴とする静電駆動型光偏向素子。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の静電駆動型光偏向素子において、
   前記固定電極部品には穴あるいは凹みが形成されており、かつ前記軟質樹脂部品には突起が形成されており、前記固定電極部品の穴あるいは凹みと、前記軟質樹脂部品の突起を重ね合わせて位置決めされる位置に、前記固定電極部品を前記軟質樹脂部品に固定することを特徴とする静電駆動型光偏向素子。

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