JP2007058107A - Micromirror element and movable structure - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To rock a mirror part without providing a pre-offset displacement between comb-shaped electrodes. <P>SOLUTION: The offset displacement is formed between the interdigital electrodes 5 on the side mirror part 2 and on the side of frame part 3 by applying an electric voltage on a piezoelectric element 6 when the mirror part 2 is rocked with the interdigital electrodes 5. Thus, mirror part 2 is rocked without providing the pre-offset displacement between interdigital electrodes 5. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、光通信分野や光学計測機器分野に適用して好適な光ビームの光路を切り替えるマイクロミラー素子及びマイクロミラー素子やモーションセンサに適用して好適な可動構造に関する。   The present invention relates to a micromirror element that switches an optical path of a light beam suitable for application to the field of optical communication and optical measurement equipment, and a movable structure suitable for application to a micromirror element and a motion sensor.

従来のマイクロミラー素子は、ミラー面において入射光を所望の角度方向に反射するミラー部と、ミラー部の外周部に形成された略四角形状の枠体からなるフレーム部と、ミラー部をフレーム部に吊り下げ支持する連結部と、ミラー部の側壁部分とこの側壁部分と対向するフレームの側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部を揺動する櫛歯電極とを備える(特許文献1,2参照)。そしてこのような構成によれば、ミラー部を低電力で揺動することが可能となる。
特開2004−13099号公報(図1参照) 特開平9−101474号公報(図1参照)
A conventional micromirror element includes a mirror part that reflects incident light in a desired angular direction on a mirror surface, a frame part that is formed on the outer peripheral part of the mirror part and is formed of a substantially rectangular frame, and the mirror part is a frame part. The mirror unit is configured to be engaged with a connecting part that is suspended and supported, and a side wall part of the mirror part and a side wall part of the frame that faces the side wall part, and uses an electrostatic force generated by applying a voltage. (See Patent Documents 1 and 2). And according to such a structure, it becomes possible to rock | fluctuate a mirror part with low electric power.
JP 2004-13099 A (see FIG. 1) Japanese Patent Laid-Open No. 9-101474 (see FIG. 1)

しかしながら、従来のマイクロミラー素子では、初期動作時に、ミラー部側の櫛歯電極とフレーム側の櫛歯電極との間にオフセット変位を形成する必要があるが、櫛歯電極間にオフセット変位を形成するための半導体プロセスは難易度が高いためにオフセット変位を形成することは非常に難しい。   However, in the conventional micromirror element, it is necessary to form an offset displacement between the comb-shaped electrode on the mirror side and the comb-shaped electrode on the frame side during the initial operation, but the offset displacement is formed between the comb-shaped electrodes. Therefore, it is very difficult to form the offset displacement because the semiconductor process is difficult.

本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、櫛歯電極間に予めオフセット変位を設けることなくミラー部(可動部)を揺動可能なマイクロミラー素子及び可動構造を提供することにある。   The present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a micromirror element and a movable structure capable of swinging a mirror portion (movable portion) without providing an offset displacement in advance between comb electrodes. Is to provide.

本発明に係るマイクロミラー素子及び可動構造では、櫛歯電極によりミラー部(可動部)を揺動する際にミラー部(可動部)側とフレーム部側の櫛歯電極間にオフセット変位を形成する圧電素子が連結部に設けられている。   In the micromirror element and the movable structure according to the present invention, when the mirror part (movable part) is swung by the comb-tooth electrode, an offset displacement is formed between the comb-tooth electrodes on the mirror part (movable part) side and the frame part side. A piezoelectric element is provided at the connecting portion.

本発明に係るマイクロミラー素子及び可動構造によれば、櫛歯電極によりミラー部(可動部)を揺動する際に圧電素子に電圧を印加することによりミラー部(可動部)側とフレーム部側の櫛歯電極間にオフセット変位を形成することができるので、櫛歯電極間に予めオフセット変位を設けることなくミラー部(可動部)を揺動させることができる。   According to the micromirror element and the movable structure according to the present invention, when the mirror part (movable part) is swung by the comb-teeth electrode, a voltage is applied to the piezoelectric element so that the mirror part (movable part) side and the frame part side are applied. Since the offset displacement can be formed between the comb-tooth electrodes, the mirror portion (movable portion) can be swung without providing the offset displacement between the comb-tooth electrodes in advance.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となるマイクロミラー素子の構成について説明する。   Hereinafter, the configuration of a micromirror element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明の実施形態となるマイクロミラー素子1は、図1に示すように、ミラー面において光ビームを所望の角度で反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部2と、ミラー部2の外周部に形成されたフレーム部3と、フレーム部3に対しミラー部2を移動及び位置保持する撓みバネ部4と、ミラー部2の側壁部分とこの側壁部分と対向するフレーム部3の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部2を揺動する櫛歯電極5とを備え、撓みバネ部4の表面には圧電素子6が設けられている。   As shown in FIG. 1, a micromirror element 1 according to an embodiment of the present invention includes a mirror unit 2 that switches a light path of a light beam by reflecting the light beam at a desired angle on a mirror surface, and an outer periphery of the mirror unit 2. A frame part 3 formed on the frame part, a bending spring part 4 for moving and holding the mirror part 2 relative to the frame part 3, a side wall part of the mirror part 2 and a side wall part of the frame part 3 facing the side wall part And a comb-tooth electrode 5 that swings the mirror portion 2 using an electrostatic force generated by applying a voltage, and a piezoelectric element 6 is provided on the surface of the bending spring portion 4. It has been.

上記圧電素子6は、圧電素子用電極7に電圧が印加されるのに応じて、図2(a)に示す状態から図2(b)に示す状態に変形し、ミラー部2側とフレーム部3側の櫛歯電極5間にオフセット変位を形成する。このような構成によれば、初期動作時に櫛歯電極5間に0.5°のオフセット変位を形成することにより、共振時に櫛歯電極5間に約15°の変位量を形成することができる。なお、図2は図1に示すA方向から撓みバネ部4を見た図である。   The piezoelectric element 6 is deformed from the state shown in FIG. 2 (a) to the state shown in FIG. 2 (b) in response to a voltage applied to the piezoelectric element electrode 7, and the mirror part 2 side and the frame part are deformed. An offset displacement is formed between the three comb electrodes 5. According to such a configuration, by forming an offset displacement of 0.5 ° between the comb-tooth electrodes 5 during the initial operation, a displacement amount of about 15 ° can be formed between the comb-tooth electrodes 5 during resonance. . 2 is a view of the flexure spring portion 4 as viewed from the direction A shown in FIG.

なお、本実施形態では、ミラー部2を揺動する際、フレーム部3側の櫛歯電極5に給電電極8a,8bを介して電圧が印加される。また、ミラー部2は、撓みバネ部4を介してGND電極9と接続され、接地電位に保たれている。また、フレーム部3の給電電極8a,8bとGND電極9間には絶縁部9が形成され、給電電極8a,8bに印加された電圧が撓みバネ部4を介してミラー部2に印加されないように構成されている。   In this embodiment, when the mirror unit 2 is swung, a voltage is applied to the comb-teeth electrode 5 on the frame unit 3 side via the power supply electrodes 8a and 8b. Further, the mirror part 2 is connected to the GND electrode 9 via the bending spring part 4 and is kept at the ground potential. Further, an insulating portion 9 is formed between the feeding electrodes 8a and 8b and the GND electrode 9 of the frame portion 3 so that the voltage applied to the feeding electrodes 8a and 8b is not applied to the mirror portion 2 via the bending spring portion 4. It is configured.

また、本実施形態では、ミラー部2のミラー面には、使用する光ビームの波長に応じた金属がコーティングされている。また、本実施形態では、ミラー部2は、光ビームの光路を切り替えるために使用することとするが、ミラー部2の静電容量の変化を検出することによりモーションセンサとしての利用も可能である。   In this embodiment, the mirror surface of the mirror unit 2 is coated with a metal corresponding to the wavelength of the light beam to be used. In the present embodiment, the mirror unit 2 is used for switching the optical path of the light beam. However, the mirror unit 2 can be used as a motion sensor by detecting a change in the capacitance of the mirror unit 2. .

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となるマイクロミラー素子1では、撓みバネ部4の表面に圧電素子6を設け、櫛歯電極5を用いてミラー部2(可動コム)を揺動する際に、初期動作(時間T=−T1〜0)として、図3(a)及び図4(a)に示すように圧電素子用電極7を介して圧電素子6に電圧を印加することにより、撓みバネ部4を変形させ、ミラー部2側とフレーム部3側の櫛歯電極5間にオフセット変位を形成する。   As is clear from the above description, in the micromirror element 1 according to the embodiment of the present invention, the piezoelectric element 6 is provided on the surface of the bending spring part 4, and the mirror part 2 (movable comb) is formed using the comb-teeth electrode 5. When swinging, as an initial operation (time T = −T1 to 0), a voltage is applied to the piezoelectric element 6 via the piezoelectric element electrode 7 as shown in FIGS. 3 (a) and 4 (a). As a result, the bending spring portion 4 is deformed, and an offset displacement is formed between the comb electrode 5 on the mirror portion 2 side and the frame portion 3 side.

そして、オフセット変位を形成した後、圧電素子6への電圧印加を停止し、電圧を印加する電極を給電電極8aと給電電極8bとの間で切り替えることにより、電圧を印加する櫛歯電極5を左側の櫛歯電極(固定コム(L))と右側の櫛歯電極(固定コム(R)との間で切り替え、ミラー部2を揺動させる(図3(b),(c)及び図4(b),(c)参照)。   Then, after forming the offset displacement, the voltage application to the piezoelectric element 6 is stopped, and the electrode to which the voltage is applied is switched between the power supply electrode 8a and the power supply electrode 8b. Switching between the left comb-tooth electrode (fixed comb (L)) and the right comb-tooth electrode (fixed comb (R)), the mirror unit 2 is swung (FIGS. 3B, 3C and 4). (See (b) and (c)).

すなわち、本発明の実施形態となるマイクロミラー素子1によれば、櫛歯電極5によりミラー部2を揺動する際に圧電素子6に電圧を印加することによりミラー部2側とフレーム部3側の櫛歯電極5間にオフセット変位を形成するので、櫛歯電極5間に予めオフセット変位を設けることなくミラー部2を揺動させることができる。またこの結果、複雑な半導体プロセスを用いることなくマイクロミラー素子を製造できるので、マイクロミラー素子の生産性や歩留まりを向上させることができる。   That is, according to the micromirror element 1 according to the embodiment of the present invention, when the mirror part 2 is swung by the comb electrode 5, a voltage is applied to the piezoelectric element 6 so that the mirror part 2 side and the frame part 3 side are applied. Since the offset displacement is formed between the comb-teeth electrodes 5, the mirror part 2 can be swung without providing the offset displacement between the comb-teeth electrodes 5 in advance. As a result, since the micromirror element can be manufactured without using a complicated semiconductor process, the productivity and yield of the micromirror element can be improved.

なお、上記実施形態において、図5に示すように、ミラー部2と対向する基板11を設け、基板11のミラー部2との対向面側に電極12を設けるようにしてもよい。このような構成によれば、電極11に電圧を印加し、静電力を発生させることにより、初期動作時にミラー部2の揺動を補助したり、ミラー部2の揺動の大きさを大きくしたりすることができる。また、図6に示すように、フレーム部3の外周部に追加フレーム部13を設け、フレーム部3と追加フレーム部13とをバネ部14により連結するようにしてもよい。このような構成によれば、ミラー部2を2軸方向に揺動させることができる。   In the above embodiment, as shown in FIG. 5, a substrate 11 facing the mirror unit 2 may be provided, and an electrode 12 may be provided on the surface of the substrate 11 facing the mirror unit 2. According to such a configuration, a voltage is applied to the electrode 11 to generate an electrostatic force, thereby assisting the swing of the mirror unit 2 during the initial operation or increasing the size of the swing of the mirror unit 2. Can be. In addition, as shown in FIG. 6, an additional frame portion 13 may be provided on the outer peripheral portion of the frame portion 3, and the frame portion 3 and the additional frame portion 13 may be connected by a spring portion 14. According to such a configuration, the mirror unit 2 can be swung in the biaxial direction.

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。   As mentioned above, although embodiment which applied the invention made by the present inventors was described, this invention is not limited by the description and drawing which make a part of indication of this invention by this embodiment. That is, it should be added that other embodiments, examples, operation techniques, and the like made by those skilled in the art based on the above-described embodiments are all included in the scope of the present invention.

本発明の実施形態となるマイクロミラー素子の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the micromirror element used as embodiment of this invention. 図1に示すA方向から見た撓みバネ部と圧電素子の断面図である。It is sectional drawing of the bending spring part and piezoelectric element seen from the A direction shown in FIG. 図1に示すマイクロミラー素子の動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating operation | movement of the micromirror element shown in FIG. ミラー部を揺動させる際の電圧印加のタイミングチャート図である。It is a timing chart figure of voltage application at the time of rocking a mirror part. 図1に示すマイクロミラー素子の応用例の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the application example of the micromirror element shown in FIG. 図1に示すマイクロミラー素子の応用例の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the application example of the micromirror element shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:マイクロミラー素子
2:ミラー部
3:フレーム部
4:撓みバネ部
5:櫛歯電極
6:給電電極
7:GND電極
8:絶縁部
9:ガイド部
11:基板
12:電極
13:追加フレーム部
14:バネ部
1: Micromirror element 2: Mirror part 3: Frame part 4: Deflection spring part 5: Comb electrode 6: Feed electrode 7: GND electrode 8: Insulating part 9: Guide part 11: Substrate 12: Electrode 13: Additional frame part 14: Spring part

Claims (4)

光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部と、
前記ミラー部の外周部に形成されたフレーム部と、
前記フレーム部に対し前記ミラー部を移動及び位置保持する連結部と、
前記ミラー部の側壁部分と当該側壁部分と対向するフレーム部の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部を揺動する櫛歯電極とを備え、
前記連結部には、前記櫛歯電極によりミラー部を揺動する際にミラー部側とフレーム部側の櫛歯電極間にオフセット変位を形成する圧電素子が設けられていることを特徴とするマイクロミラー素子。
A mirror unit that switches the optical path of the light beam by reflecting the light beam;
A frame part formed on the outer periphery of the mirror part;
A connecting part that moves and holds the mirror part relative to the frame part;
A comb-shaped electrode that is provided so as to mesh with a side wall portion of the mirror portion and a side wall portion of the frame portion facing the side wall portion, and swings the mirror portion using an electrostatic force generated by applying a voltage. And
The connecting portion is provided with a piezoelectric element that forms an offset displacement between the mirror portion side and the frame portion side comb electrode when the mirror portion is swung by the comb tooth electrode. Mirror element.
請求項1に記載のマイクロミラー素子であって、
前記ミラー部と対向する基板を備え、当該基板の前記ミラー部との対向面側には前記櫛歯電極に電圧を印加するための電極が設けられていることを特徴とするマイクロミラー素子。
The micromirror device according to claim 1,
A micromirror element comprising a substrate facing the mirror portion, and an electrode for applying a voltage to the comb-tooth electrode is provided on a surface of the substrate facing the mirror portion.
請求項1又は請求項2に記載のマイクロミラー素子であって、
前記フレーム部の外周部に形成された追加フレーム部を備え、フレーム部と追加フレーム部はバネ部により連結されていることを特徴とするマイクロミラー素子。
The micromirror device according to claim 1 or 2,
A micromirror element comprising an additional frame portion formed on an outer peripheral portion of the frame portion, wherein the frame portion and the additional frame portion are connected by a spring portion.
揺動可能な可動部と、
前記可動部の外周部に形成されたフレーム部と、
前記フレーム部に対し前記可動部を移動及び位置保持する連結部と、
前記可動部の側壁部分と当該側壁部分と対向するフレーム部の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用して可動部を揺動する櫛歯電極とを備え、
前記連結部には、前記櫛歯電極により可動部を揺動する際に可動部側とフレーム部側の櫛歯電極間にオフセット変位を形成する圧電素子が設けられていることを特徴とする可動構造。
A swingable movable part;
A frame portion formed on an outer peripheral portion of the movable portion;
A connecting portion that moves and holds the movable portion relative to the frame portion;
A comb-shaped electrode that is provided so as to mesh with a side wall portion of the movable portion and a side wall portion of the frame portion facing the side wall portion, and swings the movable portion using an electrostatic force generated when a voltage is applied. And
The movable portion characterized in that the connecting portion is provided with a piezoelectric element that forms an offset displacement between the comb-shaped electrodes on the movable portion side and the frame portion side when the movable portion is swung by the comb-shaped electrodes. Construction.
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