JP2007298624A - Ｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、薄型で、安価であり、且つ製造が容易であるＭＥＭＳデバイスを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明のＭＥＭＳデバイス１は、フレーム１１と該フレーム１１に対して揺動可能に支持された揺動部材１２とを備えたＭＥＭＳデバイス１であって、前記フレーム１１及び前記揺動部材１２は、１枚の高抵抗基板１０から形成され、前記フレーム１１に、前記高抵抗基板１０よりも電気抵抗が低い固定電極が形成され、揺動部材１２に、前記高抵抗基板１０よりも電気抵抗が低い可動電極が形成され、前記固定電極と前記可動電極との間に、交流電圧が印加されることによって生じる静電力によって前記揺動部材１２が揺動するように構成されたことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、交流電圧を印加することによって生じる静電力によって駆動する揺動部材を備えたＭＥＭＳデバイスに関する。

近年、レーザを用いたプリンタ、複写機、プロジェクタ等に使用されるレーザ光走査装置など各種装置の小型化が要請されている。このような要請により、近年では、各種装置に用いられる部品に、シリコンなどの半導体製造プロセス等における技術を応用して種々の機械要素の小型化を実現するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて作製されるＭＥＭＳデバイスが採用され始めている。

このようなＭＥＭＳデバイスとして、例えば、プリンタのレーザ光走査装置に用いられ、レーザ光の反射方向を逐次変動させて、レーザ光を走査するＭＥＭＳデバイスを挙げることができる。具体的に説明すれば、当該ＭＥＭＳデバイスは、フレームと、フレームに対して揺動可能に支持された揺動部材とを備えている。このフレームと揺動部材とには、静電力を利用して揺動部材を揺動させるための電極がそれぞれ形成されている。フレームと揺動部材とにそれぞれ形成された各電極間に交流電圧が印加されると、フレームと揺動部材との間に静電力が生じて揺動部材が揺動する。揺動している揺動部材にレーザ光を出射すれば、レーザ光の反射方向が逐次変動し、レーザ光が走査される。

このようなＭＥＭＳデバイスは、１枚のシリコンフレームをＭＥＭＳ技術等を用いて加工して作製されるため、ＭＥＭＳデバイスを構成する各部品は導電性を有する。しかしながら、フレームと揺動部材とに形成された電極間に交流電圧を印加して静電力を生じさせるためには、これらの電極間を絶縁しなければならない。そこで、従来では、フレームと揺動部材とに形成された電極を物理的に完全に分離して、上記の電極間を絶縁している。そして、このように分離されたフレームと揺動部材とを支持するために、従来では、ガラス基板上に、これらを載置する構成を採っている。

しかし、ガラス基板上に揺動部材とフレームとを載置する構成を採ると、ＭＥＭＳデバイスがガラス基板とシリコン基板との２層構造となり、ＭＥＭＳデバイスの厚みが厚くなる。また、揺動部材とフレームとをガラス基板上に載置する構成にすると、ガラス基板を必要とする分、ＭＥＭＳデバイスの製造コストが上昇すると共に、２層構造となる分、製造工程が複雑化するという問題もある。

本発明は、薄型で、安価であり、且つ製造が容易であるＭＥＭＳデバイスを提供することを課題とする。

本発明は、かかる従来技術の問題を解決するべくなされたものであり、特許請求の範囲の請求項１に記載の如く、フレームと該フレームに対して揺動可能に支持された揺動部材とを備えたＭＥＭＳデバイスであって、前記フレーム及び前記揺動部材は、１枚の高抵抗基板から形成され、前記フレームに、前記高抵抗基板よりも電気抵抗が低い固定電極が形成され、揺動部材に、前記高抵抗基板よりも電気抵抗が低い可動電極が形成され、前記固定電極と前記可動電極との間に、交流電圧が印加されることによって生じる静電力によって前記揺動部材が揺動するように構成されたことを特徴とするＭＥＭＳデバイスを提供する。

本発明のＭＥＭＳデバイスは、フレームと該フレームに対して揺動可能に支持された揺動部材とが１枚の高抵抗基板から形成されている。そして、フレームに、高抵抗基板よりも電気抵抗が低い固定電極が形成され、揺動部材に、高抵抗基板よりも電気抵抗が低い可動電極が形成されている。フレームと揺動部材とが１枚の高抵抗基板から形成されているため、固定電極と可動電極とは高抵抗基板を介して連結されるので、固定電極と可動電極との間に交流電圧が印加されても、固定電極と可動電極との間で高抵抗基板を伝った電流が殆ど発生しない。

よって、本発明のＭＥＭＳデバイスでは、従来のように、固定電極と可動電極とを物理的に分離する必要がなく、固定電極と可動電極とをガラス基板で支持する２層構造を採る必要がない。そのため、本発明のＭＥＭＳデバイスは、薄く形成することが可能であると共に、ガラス基板が不要であるため、製造コストが低く、また、製造が容易である。

なお、本発明に係る高抵抗基板とは、体積抵抗率が、｛ギャップ長（μｍ）×２０｝（Ω−ｃｍ）以上、好ましくは、｛ギャップ長（μｍ）×１００｝（Ω−ｃｍ）以上を有する基板であり、材質は特に限定されるものでない。ここで、ギャップ長とは、固定電極と可動電極との最短の間隔である。このように、高抵抗基板の体積抵抗率をギャップ長に比例させるのは、ギャップ長が大きい場合は、固定電極と可動電極との間に大きな交流電圧を印加することで、揺動部材を揺動させることができる大きさの静電力を発生させるためである。これは、固定電極と可動電極との間に生じる静電力が、ギャップ長に反比例し、固定電極と可動電極との間に印加する電圧に比例することによる。

また、高抵抗基板の体積抵抗率をギャップ長（μｍ）の２０倍とすると、例えばギャップ長が１０μｍの場合、高抵抗基板の体積抵抗率は２００（Ω−ｃｍ）となる。ここで、例えば、高抵抗基板の厚みを２００μｍとし、高抵抗基板の固定電極と可動電極との間の幅を２００μｍとし、固定電極と可動電極との距離を３ｍｍとすると、固定電極と可動電極との間の抵抗値は、１５０ＫΩとなる。ギャップ長が１０μｍの場合、揺動部材を揺動させるためには、固定電極と可動電極とに２００Ｖ程度の交流電圧の印加が必要となる。２００Ｖの交流電圧を印加すると、高抵抗基板の固定電極と可動電極との間の抵抗値が１５０ＫΩであるので、高抵抗基板の固定電極と可動電極との間での消費電力は、｛２００（Ｖ）｝×｛２００（Ｖ）／１５０（ｋΩ）｝＝０．２６（Ｗ）と僅かである。よって、高抵抗基板の体積抵抗率をギャップ長（μｍ）の２０倍以上とすると、高抵抗基板の固定電極と可動電極との間に交流電流が流れることによる電力の消費量が僅かであり、発熱も実用上問題のない程度に抑えることができる。

上記の固定電極は、例えば、前記フレーム表面に設けられた金属膜で形成し、上記の可動電極は、例えば、前記揺動部材表面に設けられた金属膜で形成することができる。

また、前記固定電極は、前記フレームに不純物が注入されて設けられた、前記高抵抗基板よりも電気抵抗が低い不純物層で形成し、前記可動電極は、前記揺動部材に不純物が注入されて設けられた、前記高抵抗基板よりも電気抵抗が低い不純物層で形成することもできる。

本発明によれば、薄型で、安価であり、且つ製造が容易であるＭＥＭＳデバイスを提供することができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態についてレーザプリンタに適用する場合を例に挙げて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳデバイスを具備するレーザ光走査装置の概略構成図である。図１に示すように、レーザ光走査装置１００は、ＭＥＭＳアクチュエータ１０１と、後述するように本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１が具備するマイクロミラーに向けてレーザ光Ｌを出射するレーザ光源（本実施形態ではレーザダイオード）１０２とを備えている。その他、本実施形態に係るレーザ光走査装置１００は、レーザ光源１０２から出射されたレーザ光Ｌを平行光にするためのコリメータレンズ１０３と、前記マイクロミラーにおけるレーザ光の反射光Ｌ’を感光体Ｐ上で結像させるためのｆθレンズ１０４及びシリンドリカルレンズ１０５とを備えている。以上の構成を有するレーザ光走査装置１００において、ＭＥＭＳアクチュエータ１０１が具備するマイクロミラーを揺動させることにより、レーザ光源１０２から出射したレーザ光Ｌの反射光Ｌ’が感光体Ｐでプリント幅分だけ走査されることになる。

ＭＥＭＳアクチュエータ１０１は、ＭＥＭＳデバイス１と、交流電源２とを備えている。

図２は、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１の平面図である。図２に示すように、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１は、フレーム１１と該フレーム１１に対して揺動可能に支持された揺動部材１２とを備えており、フレーム１１及び揺動部材１２は、１枚の高抵抗基板１０から形成されている。高抵抗基板１０は、体積抵抗率が｛ギャップ長（μｍ）×２０｝（Ω−ｃｍ）以上、好ましくは、｛ギャップ長（μｍ）×１００｝（Ω−ｃｍ）以上の基板とされる。ここで、ギャップ長とは、後述する固定電極と可動電極との最短の間隔である。高抵抗基板１０の材質は、例えば、シリコン等を用いることができる。

フレーム１１は、高抵抗基板１０の外周部を形成し、内側に揺動部材１２を配置するための開口１１ａが形成されている。フレーム１１は、Ｙ軸方向（図２参照）の両端部に形成された第１端子形成部１８と、Ｘ軸方向（図２参照）の両端部のＹ軸方向中央部に形成された第２端子形成部１９と、第１端子形成部１８と第２端子形成部１９とを連結する絶縁連結部２０とを備えている。この絶縁連結部２０は、交流電源２により交流電圧が第１端子形成部１８に形成される第１端子（詳細は後述する）と第２端子形成部１９に形成される第２端子（詳細は後述する）との間に印加された際に、当該絶縁連結部２０を介して第１端子と第２端子との間に発生する電流を小さく抑えることが可能な形状に形成されている。具体的には、図２に示すように、絶縁連結部２０は、略Ｓ字状に細長く形成され、第１端子形成部１８と第２端子形成部１９との間の抵抗が大きくなるように形成されている。さらに、フレーム１１の第２端子形成部１９は、開口１１ａの内側に向かってＸ軸方向に延びる固定櫛歯部１７が開口１１ａのＸ軸方向両側に設けられている。

揺動部材１２は、開口１１ａ内に、揺動軸（Ｙ軸方向に平行な軸）周りに揺動可能にフレーム１１に支持されている。揺動部材１２は、中央に、平面視矩形状の台座部１３が形成されている。台座部１３の揺動軸方向両端部には、それぞれサスペンションビーム１４が形成されており、台座部１３は、サスペンションビーム１４によって揺動軸周りに揺動可能に支持されている。各サスペンションビーム１４のＹ軸方向端部（台座部１３に接続されている側と反対側の端部）は、４本の曲線状に形成されたヒンジ１５を介して、フレーム１１の第１端子形成部１８に接続されている。また、サスペンションビーム１４のＸ軸方向の両端部には、Ｘ軸方向に延びる可動櫛歯部１６が形成されており、当該可動櫛歯部１６は、固定櫛歯部１７とＹ軸方向に交互に配置されている。

以上の構成の高抵抗基板１０の固定櫛歯部１７の表面には、高抵抗基板１０よりも電気抵抗が低い固定電極が形成され、可動櫛歯部１６の表面には、高抵抗基板１０よりも電気抵抗が低い可動電極が形成されている。かかる固定電極及び可動電極は、固定櫛歯部１７及び可動櫛歯部１６の表面に金属膜を設けることで形成されている。なお、図２においては、説明の便宜上、高抵抗基板１０の金属膜が設けられる部分が点線で囲われている。

さらに、図２に示すように、揺動部材１２の可動櫛歯部１６以外の部分と、第１端子形成部１８との表面にも金属膜が設けられている。即ち、本実施形態では、揺動部材１２全体の表面に金属膜が設けられている。このように、揺動部材１２の可動櫛歯部１６以外の部分と第１端子形成部１８との表面に金属膜が設けられることで、金属膜の第１端子形成部１８の表面に設けられた部分（以下、第１端子という）と可動電極とが導通する。第１端子は、交流電源２から導出されたリード線（図示しない）が導電性接着剤等によって接着されており、交流電圧が交流電源２によって印加可能とされている。従って、可動電極は、第１端子を介して交流電源２と導通し、交流電源２によって交流電圧が印加可能とされている。また、可動電極が、フレーム１１上に形成される第１端子と導通しているため、交流電源２から導出されたリード線を揺動しない第１端子に接続することで、可動電極と交流電源２とを導通させることができる。よって、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１は、揺動部材１２の揺動によりリード線の接続が外れたり、リード線によって揺動部材１２の揺動が妨げられたりする恐れがない。

また、第２端子形成部１９の表面にも金属膜が設けられている。このように、第２端子形成部１９と固定櫛歯部１７との表面に金属膜が設けられることで、金属膜の第２端子形成部１９の表面に設けられた部分（以下、第２端子という）と固定電極とが導通する。第２端子は、交流電源２から導出されたリード線（図示しなし）が導電性接着剤等によって接着されており、第１端子と極性が反対の交流電圧が交流電源２によって印加可能とされている。従って、固定電極は、第２端子を介して交流電源２と導通し、交流電源２によって可動電極に印加される交流電圧と極性が反対の交流電圧が印加可能とされている。

このように高抵抗基板１０に設けられる金属膜は、例えば銅の無電解めっきによって設けることが可能である。

なお、金属膜が設けられる表面とは、図２に現れる高抵抗基板１０の上面のみの場合、上下両面、又は、上下両面及び側面のいずれを意味するものであってもよい。

図２に示すように、第１端子形成部１８と、第２端子形成部１９とを連結する絶縁連結部２０には、金属膜が設けられていない。従って、第１端子及び第２端子とは、高抵抗基板１０の絶縁連結部２０を介して連結されるため、第１端子及び第２端子間に交流電圧が印加されても、第１端子及び第２端子間に電流が殆ど発生しない。よって、第１端子及び第２端子に交流電圧が印加されると、絶縁連結部２０を介して第１端子及び第２端子間に発生する電流によって交流電源２の電力が消費されることなく、固定電極と可動電極とに電位差が生じて、固定電極と可動電極との間に静電力が生じる。このように、絶縁連結部２０を介して第１端子及び第２端子間に電流が発生することが抑えられることにより、絶縁連結部２０が発熱することも防止される。

また、揺動部材１２の台座部１３の上面に設けられた金属膜には、レーザ光源１０２から出射されたレーザ光Ｌを反射するための光反射層が形成される。光反射層の形成は、例えば、台座部１３上面に設けられた金属膜にアルミ膜を蒸着等によって設けることで行うことができる。

交流電源２によって、第１端子及び第２端子に交流電圧が印加されて、固定電極と可動電極との間に静電力が生じると、サスペンションビーム１４がヒンジ１５の弾性力に抗しながら揺動軸周りに揺動することになる。この揺動により、光反射層が設けられた台座部１３（マイクロミラー）が揺動し、台座部１３の揺動によって、レーザ光源１０２から出射されたレーザ光の反射方向が変動し、レーザ光Ｌの反射光Ｌ’によって感光ドラムが走査される。

なお、本実施形態では、小さな静電力により大きな振幅で台座部１３を揺動させるために、台座部１３の揺動に共振現象を利用している。共振現象を利用するために、本実施形態では、交流電源２によって印加される交流電圧の周波数を、台座部１３の共振周波数の２倍としている。このように、共振周波数の２倍の周波数の交流電圧を印加すると、台座部１３が台座部１３の共振周波数で揺動する。

以上のように、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１は、絶縁連結部２０を介して第１端子及び第２端子間で電流が殆ど発生しない。よって、従来のように、固定電極と可動電極とを物理的に分離して、これらをガラス基板で支持する２層構造を採る必要がない。よって、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１は、薄く形成することが可能であると共に、ガラス基板が不要であるため、製造コストが低く、また、製造が容易である。

次に、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの具体的な製造方法について説明する。まず、エッチング等などのＭＥＭＳ技術を用いて１枚の高抵抗基板１０を加工して、フレーム１１と揺動部材１２とを形成する。次いで、絶縁連結部２０の表面（上面、下面、側面を含む）全体に、レジストを塗布し、高抵抗基板１０を銅浴に漬け、高抵抗基板１０に銅の無電解めっきを施す。このように、絶縁連結部２０にレジストを塗布して銅浴に漬けて銅の無電解めっきを行うと、レジストの塗布された高抵抗基板１０の上面、下面、側面の全てに金属膜が析出する。めっき後に、絶縁連結部２０に塗布したレジスト及びレジスト表面に析出した金属膜を除去する。これにより、高抵抗基板１０に、固定電極、可動電極、第１端子、第２端子、絶縁連結部２０が形成される。このように、絶縁連結部２０にレジストを塗布して高抵抗基板１０をめっきし、絶縁連結部２０のレジストを除去することで、金属膜の設けられない絶縁連結部２０を形成することができる。そして、最後に、台座部１３の上面にアルミ膜を蒸着して光反射層を形成することによって、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１が完成する。このように製造された本実施形態のＭＥＭＳデバイス１はセラミック製又はプラスチック製のパッケージに封止された状態で提供される。

本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１は、固定電極と可動電極とをガラス基板で支持する必要がないので、固定電極と可動電極とをガラス基板に載置する工程が不要である。従って、固定電極と可動電極とをガラス基板に載置する工程において、固定電極と可動電極との位置合わせ等の工程も不要である。よって、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１は、製造が容易である。

なお、本実施形態においては、電気抵抗の低い金属膜により固定電極、可動電極、第１端子、第２端子の形成、及び、可動電極と第１端子との導通、固定電極と第２端子との導通を実現しているが、金属膜に代えて、電気抵抗の低い層を高抵抗基板１０に設けることで、これらを実現することも可能である。電気抵抗の低い層は、例えば、ボロン等の不純物を高抵抗基板１０に注入して、不純物が注入された部分の電気抵抗を下げて、高抵抗基板１０に不純物層を形成することで設けることができる。

従って、高抵抗基板１０の固定櫛歯部１７、可動櫛歯部１６を含む揺動部材１２全体、第１端子形成部１８、第２端子形成部１９の表面に不純物を注入して、これらの部分の表面に不純物層を形成すると、高抵抗基板１０よりも電気抵抗が低い固定電極及び可動電極を形成でき、さらに、第１端子、第２端子の形成、及び、可動電極と第１端子との導通、固定電極と第２端子との導通が実現される。

また、揺動部材１２のヒンジ１５は、揺動部材１２の揺動の度に捩れ、そのため、ヒンジ１５の表面に金属膜を形成すると、金属膜が疲労により剥離する恐れがある。しかし、不純物層は、ヒンジ１５に捩れが生じても、これが原因で剥離したり、破壊されたりする恐れがないので、例えば、ヒンジ１５にのみ不純物層を形成し、固定櫛歯部１７、ヒンジ部１５以外の揺動部材１２、第１端子形成部１８、第２端子形成部１９、固定櫛歯部１７及び第２端子形成部１９の間の部分の表面に金属膜を形成して、固定電極、可動電極、第１端子、第２端子の形成、及び、可動電極と第１端子との導通、固定電極と第２端子との導通を実現してもよい。

本実施形態のＭＥＭＳデバイスの変形例として、図３に示す構成を挙げることができる。図３に示すように、本変形例におけるＭＥＭＳデバイス１は、サスペンションビーム１４の揺動部材１３と接続されている側からヒンジ１５側に向かって細長状の開口１４ａがＸ軸方向中央に形成されている。この開口１４ａ内には、第２ヒンジ１５Ａ及び固定部１５Ｂが形成されている。

第２ヒンジ１５Ａは、細長状に形成されて長手方向をＹ軸方向に向けて配置されており、一端が揺動部材１３に接続され、他端が固定部１５Ｂに固定され、固定部１５Ｂに対して揺動部材１３を揺動軸周りに揺動可能に支持している。固定部１５Ｂは、上記したセラミックス製又はプラスチック製などのパッケージに支持されて、パッケージに固定される部材である。

このように、揺動部材１３を揺動可能に支持する部材を多く設けることで、揺動部材を揺動させたときに発生する捩じり応力を多数の部材に分散させることができ、１つの部材に掛かる応力を抑えることができる。そのため、揺動部材を大きな角度で揺動させても、揺動部材１３を支持する部材の破損を防止可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳデバイスを具備するレーザ光走査装置の概略構成図である。 図２は、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの平面図である。 図３は、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの変形例の平面図である。

符号の説明

１ ＭＥＭＳデバイス
１０ 高抵抗基板
１１ フレーム
１２ 揺動部材
１６ 固定櫛歯部
１７ 可動櫛歯部
１８ 第１端子形成部
１９ 第２端子形成部
２０ 絶縁連結部

Claims (3)

1. フレームと該フレームに対して揺動可能に支持された揺動部材とを備えたＭＥＭＳデバイスであって、
   前記フレーム及び前記揺動部材は、１枚の高抵抗基板から形成され、
   前記フレームに、前記高抵抗基板よりも電気抵抗が低い固定電極が形成され、
   揺動部材に、前記高抵抗基板よりも電気抵抗が低い可動電極が形成され、
   前記固定電極と前記可動電極との間に、交流電圧が印加されることによって生じる静電力によって前記揺動部材が揺動するように構成されたことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
2. 前記固定電極は、前記フレーム表面に設けられた金属膜で形成され、前記可動電極は、前記揺動部材表面に設けられた金属膜で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 前記固定電極は、前記フレームに不純物が注入されて設けられた、前記高抵抗基板よりも電気抵抗が低い不純物層で形成され、前記可動電極は、前記揺動部材に不純物が注入されて設けられた、前記高抵抗基板よりも電気抵抗が低い不純物層で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
   

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