JP2010085735A - Movable structure body, light scanning mirror using the same, and method of manufacturing the movable structure body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヒンジに軸支され揺動可能に構成された可動板を有する可動構造体とそれを用いた光走査ミラー及び可動構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a movable structure having a movable plate pivotally supported by a hinge and configured to be swingable, an optical scanning mirror using the movable structure, and a method of manufacturing the movable structure.
従来より、例えばバーコードリーダやプロジェクタ等の光学機器として、ミラー面が設けられた可動板を揺動させて、そのミラー面に入射した光ビーム等をスキャンする光走査ミラーを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。光走査ミラーとしては、例えば、マイクロマシニング技術を用いて成形される可動構造体を有する小型のものが知られている。このような可動構造体は、光走査ミラーとして用いられるときにミラー面が形成される可動板と、可動板を支持する固定フレームとを有している。可動板と固定フレームとは互いにヒンジにより連結されている。可動板は、例えば、可動板と固定フレームとの間に形成された互いに噛み合う一対の櫛歯電極により駆動される。櫛歯電極は、例えば互いの電極が数μｍ程度の間隔で噛み合うように形成されており、互いの電極間に電圧が印加されることにより静電力を発生する。可動板は、櫛歯電極が発生する駆動力により、ヒンジを捻りながら固定フレームに対し回動し、ヒンジを軸として揺動する。 2. Description of the Related Art Conventionally, optical devices such as barcode readers and projectors that use an optical scanning mirror that swings a movable plate provided with a mirror surface and scans a light beam incident on the mirror surface are known. (For example, refer to Patent Document 1). As a light scanning mirror, for example, a small one having a movable structure formed by using a micromachining technique is known. Such a movable structure has a movable plate on which a mirror surface is formed when used as an optical scanning mirror, and a fixed frame that supports the movable plate. The movable plate and the fixed frame are connected to each other by a hinge. The movable plate is driven by, for example, a pair of interdigitated electrodes formed between the movable plate and the fixed frame. The comb electrodes are formed, for example, such that the electrodes are engaged with each other at intervals of about several μm, and an electrostatic force is generated when a voltage is applied between the electrodes. The movable plate rotates with respect to the fixed frame while twisting the hinge by the driving force generated by the comb-tooth electrode, and swings about the hinge.
ところで、例えば２軸に揺動し２次元に光を走査可能な光走査ミラー等においては、走査線の数を増加させて高解像度の走査を行うため、一方の軸についての揺動の共振周波数を低くしたいという要望がある。揺動の共振周波数を低くする方法としては、ヒンジを細くするなどしてヒンジのねじり方向のばね定数を小さくすることが考えられる。しかしながら、ヒンジを細くすると、ヒンジの強度が不足し、光走査ミラーの耐衝撃性が損なわれる。また、ヒンジの剛性も不足するため、可動板が揺動以外の方向にも変位しやすくなり、正確に光走査を行うことができなくなる場合がある。 By the way, for example, in an optical scanning mirror that swings about two axes and can scan light in two dimensions, the number of scanning lines is increased to perform high-resolution scanning. There is a desire to lower the value. As a method for lowering the resonance frequency of oscillation, it is conceivable to reduce the spring constant in the torsion direction of the hinge, for example, by thinning the hinge. However, if the hinge is made thin, the strength of the hinge is insufficient, and the impact resistance of the optical scanning mirror is impaired. Further, since the rigidity of the hinge is insufficient, the movable plate is likely to be displaced in directions other than the swinging, and it may be impossible to perform optical scanning accurately.
なお、特許文献１には、可動板に例えば樹脂製の質量片を設けて、可動板の揺動の共振周波数を調整可能にすることが開示されている。しかしながら、このような質量片を設けて可動板の共振周波数を低くしようとすると、可動板の慣性モーメントを十分に大きくするために必要な質量片の体積が大きくなり過ぎ、光走査ミラーの小型化が困難になるという問題がある。
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、ヒンジの強度や剛性を確保しつつ、可動板の共振周波数を大幅に低くすることができる可動構造体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a movable structure that can significantly reduce the resonance frequency of the movable plate while ensuring the strength and rigidity of the hinge. .
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、可動板と、それぞれ前記可動板に一端部が接続され前記可動板の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジと、前記一対のヒンジのそれぞれの他端部が接続されており前記ヒンジを支持する固定フレームとを備え、前記可動板が、前記一対のヒンジをねじりながら前記固定フレームに対して揺動可能に構成されている可動構造体において、前記可動板の厚み方向の下面には、前記可動板の前記一対のヒンジ回りの慣性モーメントを大きくするために、金属膜又は金属構造体が形成されているものである。
In order to achieve the above object, the invention of
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記金属膜又は金属構造体の形状は、前記一対のヒンジにより構成される前記可動板の揺動軸を通り前記可動板に垂直な平面に対して対称であるものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the shape of the metal film or metal structure is a plane perpendicular to the movable plate that passes through the swing axis of the movable plate constituted by the pair of hinges. It is symmetrical with respect to it.
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記可動板の上面から前記金属膜又は金属構造体の下端部までの当該可動板の厚み方向の寸法は、前記可動板の上面から前記固定フレームの下端部までの寸法より短いものである。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the dimension in the thickness direction of the movable plate from the upper surface of the movable plate to the lower end of the metal film or metal structure is the same as that of the movable plate. It is shorter than the dimension from the upper surface to the lower end of the fixed frame.
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記可動板の前記一対のヒンジ回りの慣性モーメントが所望の値となるように、前記可動板の上面から前記金属膜又は金属構造体の下端部までの当該可動板の厚み方向の寸法が設定されているものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the metal film or the metal is formed from the upper surface of the movable plate so that the moment of inertia around the pair of hinges of the movable plate becomes a desired value. The dimension in the thickness direction of the movable plate up to the lower end of the structure is set.
請求項５の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記可動板の前記一対のヒンジ回りの慣性モーメントが所望の値となるような位置に、前記金属膜又は金属構造体が配置されているものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the metal film or the metal structure is disposed at a position where the moment of inertia around the pair of hinges of the movable plate becomes a desired value. It is what has been.
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項の発明において、前記金属層は、ポーラス構造であるものである。
The invention of
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項の発明において、前記金属層は、前記可動板に対し略垂直にスリットが設けられることにより形成された柱状構造を有しているものである。
The invention of
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７記載のいずれか一項に記載の可動構造体を有し、前記可動板の上面に、入射した光を反射するミラー面を設けたものである。 An eighth aspect of the invention includes the movable structure according to any one of the first to seventh aspects, wherein a mirror surface that reflects incident light is provided on an upper surface of the movable plate. is there.
請求項９の発明は、シリコン層−酸化膜層−金属層を有する３層基板を作製し、前記シリコン層を深掘りエッチングすることにより、当該シリコン層に、可動板と、それぞれ前記可動板に一端部が接続され前記可動板の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジと、前記一対のヒンジのそれぞれの他端部が接続されており前記ヒンジを支持する固定フレームとを形成する第１工程と、前記金属層をウェットエッチング又はドライエッチングすることにより、前記可動板の下方の金属層に、前記可動板の前記一対のヒンジ回りの慣性モーメントを大きくするための構造体を形成する第２工程とを有するものである。 According to the ninth aspect of the present invention, a three-layer substrate having a silicon layer, an oxide film layer, and a metal layer is manufactured, and the silicon layer is deeply etched to form a movable plate, a movable plate, and a movable plate, respectively. A pair of hinges, one end of which is connected to form one swing shaft of the movable plate, and a first frame which is connected to the other ends of the pair of hinges and supports the hinges. And a step of forming a structure for increasing the moment of inertia around the pair of hinges of the movable plate in the metal layer below the movable plate by performing wet etching or dry etching on the metal layer. It has a process.
請求項１０の発明は、請求項９の発明において、前記３層基板は、シリコン層と酸化膜層を有する基板に金属メッキを行うことにより作製されるものである。
The invention of claim 10 is the invention of
請求項１１の発明は、請求項９の発明において、前記３層基板は、共晶接合、ガラス接合、及び樹脂接合のうち少なくとも１つの接合方法を用いて作製されるものである。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the ninth aspect, the three-layer substrate is manufactured by using at least one bonding method among eutectic bonding, glass bonding, and resin bonding.
請求項１の発明によれば、金属膜又は金属構造体を可動板と一体に回動するように配置して可動板の一対のヒンジ回りの慣性モーメントを大きくするので、ヒンジの強度及び剛性を確保しつつ、可動板の共振周波数を低くすることができる。密度が高い金属膜又は金属構造体を用いて慣性モーメントを大きくすることができるので、可動構造体を小型化することができる。 According to the first aspect of the present invention, the metal film or the metal structure is arranged so as to rotate integrally with the movable plate to increase the moment of inertia around the pair of hinges of the movable plate. The resonance frequency of the movable plate can be lowered while ensuring. Since the moment of inertia can be increased using a metal film or metal structure having a high density, the movable structure can be reduced in size.
請求項２の発明によれば、金属膜又は金属構造体の重心の位置は、ヒンジにより構成される揺動軸付近に位置するので、可動板がヒンジ回りにスムーズに揺動する。
According to the invention of
請求項３の発明によれば、可動構造体を基板等に実装した状態で、金属膜又は金属構造体が実装面上に接触しないので、可動板がヒンジ回りに揺動可能である。従って、固定フレームの下方に設けるスペーサを薄くするか省くことができ、可動構造体の実装高さを低くすることができる。 According to the third aspect of the present invention, since the metal film or the metal structure does not contact the mounting surface in a state where the movable structure is mounted on the substrate or the like, the movable plate can swing around the hinge. Therefore, the spacer provided below the fixed frame can be thinned or omitted, and the mounting height of the movable structure can be lowered.
請求項４の発明によれば、可動板及び金属膜又は金属構造体のヒンジ回りの共振周波数を、所望の値に容易に設定することができる。比重が大きい金属膜又は金属構造体を用いるので、共振周波数をより広い範囲で設定することが可能になる。
According to the invention of
請求項５の発明によれば、上述と同様に、可動板及び金属膜又は金属構造体のヒンジ回りの共振周波数を、より広い範囲で、所望の値に容易に設定することができる。
According to the invention of
請求項６の発明によれば、金属層と可動板が設けられている層との熱膨張率が異なる場合でも、ポーラス構造により金属層の内部に発生する応力が一様に緩和されるので、可動構造体の変形が小さくなる。
According to the invention of
請求項７の発明によれば、金属層と可動板が設けられている層との熱膨張率が異なる場合でも、スリットが形成されていることにより金属層の内部に発生する応力が緩和されるので、可動構造体の変形が小さくなる。 According to the seventh aspect of the present invention, even when the thermal expansion coefficients of the metal layer and the layer provided with the movable plate are different, the stress generated in the metal layer is relieved by forming the slit. Therefore, the deformation of the movable structure is reduced.
請求項８の発明によれば、上述と同様に、光走査ミラーの耐衝撃性を保ちつつ、ミラー面の揺動の共振周波数を低くし、且つ、光走査ミラーを小型化することができる。 According to the eighth aspect of the invention, similarly to the above, while maintaining the shock resistance of the optical scanning mirror, the resonance frequency of the oscillation of the mirror surface can be lowered and the optical scanning mirror can be miniaturized.
請求項９の発明によれば、可動板の下面に金属製の構造体を設けた可動構造体を、エッチング等の簡易な工程により容易に作製することができ、可動構造体の製造コストを低減することができる。また、小型の可動構造体を比較的精度良く作製することができるので、可動構造体の製造時の良品率が高くなる。
According to the invention of
請求項１０の発明によれば、金属メッキを行って容易に３層基板を作製することができるので、可動構造体の製造コストをさらに低減することができる。 According to the invention of claim 10, since the three-layer substrate can be easily manufactured by performing metal plating, the manufacturing cost of the movable structure can be further reduced.
請求項１１の発明によれば、確実且つ容易に３層基板を作製することができるので、可動構造体の製造コストをさらに低減することができる。また、厚い金属層を有する３層基板を作製することができるので、当該金属層を適宜加工し可動構造体を作製することにより、可動板のヒンジ回りの共振周波数を大幅に低くすることができ、また、可動板の共振周波数をより広い範囲で設定することができる。 According to the eleventh aspect of the present invention, the three-layer substrate can be produced reliably and easily, so that the manufacturing cost of the movable structure can be further reduced. In addition, since a three-layer substrate having a thick metal layer can be manufactured, the resonance frequency around the hinge of the movable plate can be significantly lowered by appropriately processing the metal layer and manufacturing the movable structure. In addition, the resonance frequency of the movable plate can be set in a wider range.
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）、図２、及び図３は、本実施形態に係る光走査ミラー（可動構造体）の一例を示す。光走査ミラー１は、例えば、バーコードリーダ、外部のスクリーン等に画像を投影するプロジェクタ装置、又は光スイッチ等の光学機器に搭載される小型のものであり、外部の光源等（図示せず）から入射する光ビーム等をスキャン動作させる機能を有している。
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIGS. 1A, 1B, 2 and 3 show an example of an optical scanning mirror (movable structure) according to the present embodiment. The
先ず、光走査ミラー１の構成について以下に説明する。図１（ａ）に示すように、光走査ミラー１は、導電性を有するシリコン層２１０と金属層２３０とをシリコンの酸化膜（酸化膜層）２２０を介して接合して成る、３層基板２００から構成されている。酸化膜２２０は絶縁性を有しているので、シリコン層２１０と金属層２３０とは互いに絶縁されている。シリコン層２１０の厚みは、例えば３０μｍ程度であり、金属層２３０の厚みは、例えば４００μｍ程度である。また、３層基板２００の上面の一部には、シリコン層２１０と金属層２３０との間の酸化膜２２０と同様の酸化膜２２０が形成されている（図３に図示）。光走査ミラー１は、例えば、上面視で一辺が数ｍｍ程度の略正方形又は略矩形である直方体状の素子であり、金属層２３０の下面側に接合された例えばガラス基板製のスペーサ１１０を介して、基板Ｂ等に実装される。
First, the configuration of the
図１（ａ）に示すように、光走査ミラー１は、上面視で略矩形形状であり上面にミラー面２０が形成されたミラー部２と、ミラー部２の周囲を囲むように略矩形の環状に形成された可動フレーム３と、可動フレーム３の周囲を囲むように形成され、光走査ミラー１の側周部となる固定フレーム４とを有している。可動フレーム３と固定フレーム４とは、互いに並んで１つの軸を成すように、固定フレーム４の互いに対向する２側面から各面に直交するように形成された梁状の一対の第１ヒンジ５により連結されている。一方、ミラー部２と可動フレーム３とは、第１ヒンジ５の長手方向と直交する方向に、互いに並んで１つの軸を成すように形成された梁状の一対の第２ヒンジ６により連結されている。第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６は、それらそれぞれが成す軸が、上面視でミラー部２の重心位置を通過するように形成されている。第１ヒンジ５及び第２ヒンジの幅寸法は、例えば、それぞれ、５μｍ程度、３０μｍ程度である。ミラー部２は、第２ヒンジ６を揺動軸として、可動フレーム３に対して揺動可能に可動フレーム３に支持されている。一方、可動フレーム３は、第１ヒンジ５を揺動軸として、固定フレーム４に対して揺動可能に固定フレーム４に支持されている。すなわち、この光走査ミラー１において、ミラー部２と可動フレーム３とが、第１ヒンジ５により構成される軸回りに、固定フレーム４に対し揺動可能な可動板５０を構成している。ミラー部２は、第１ヒンジ５と第２ヒンジ６とによりそれぞれ構成される２つの揺動軸回りに、２次元的に揺動可能に構成されている。図１（ｂ）に示すように、可動フレーム３の下面には、可動フレーム３に接合され、可動フレーム３と一体に揺動可能に金属構造体９が設けられている。また、固定フレーム４には、３つの電圧印加部１０ａ，１０ｂ，１０ｃが設けられている。以下、第２ヒンジ６の長手方向をＸ方向と称し、第１ヒンジ５の長手方向をＹ方向と称し、Ｘ方向とＹ方向に直交する垂直な方向をＺ方向と称する。なお、ミラー部２、ミラー面２０、又は可動フレーム３等の形状は、矩形に限られず、円形等他の形状であってもよい。
As shown in FIG. 1A, the
この光走査ミラー１は、例えば静電力を駆動力としてミラー部２を揺動させるものである。可動フレーム３と固定フレーム４との間の第１ヒンジ５が形成されていない部位には、第１櫛歯電極７が形成されており、ミラー部２と可動フレーム３との間の第２ヒンジ６が形成されていない部位には、第２櫛歯電極８が形成されている。第１櫛歯電極７は、可動フレーム３のうちＸ方向に略直交する２側面にそれぞれ櫛歯形状に形成された電極３ｂと、固定フレーム４のうち電極３ｂに対向する部位にそれぞれ形成された電極４ａとが、一対に互いに噛み合うように配置されて構成されている。第２櫛歯電極８は、ミラー部２のうちＹ方向に略直交する２側面にそれぞれ櫛歯形状に形成された電極２ａと、可動フレーム３のうち電極２ａに対向する部位にそれぞれ櫛歯形状に形成された電極３ａとが、一対に互いに噛み合うように配置されて構成されている。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８において、電極３ｂ，４ａ間の隙間や、電極２ａ，３ａ間の隙間は、例えば、２μｍ乃至５μｍ程度の大きさとなるように構成されている。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８は、それぞれの電極３ｂ，４ａ間、又は電極２ａ，３ａ間に電圧が印加されることにより、電極３ｂ，４ａ間、又は電極２ａ，３ａ間に、互いに引き合う方向に作用する静電力を発生する。
The
ミラー部２、可動フレーム３、固定フレーム４等は、３層基板２００を、後述するようにマイクロマシニング技術等を用いて加工することにより形成されている。以下に、光走査ミラー１の各部位について、３層基板２００の各層の構造も含めて説明する。
The
ミラー部２及び可動フレーム３は、シリコン層２１０に形成されている。ミラー面２０は、例えばアルミニウム製の薄膜であり、ミラー部２の上面に外部から入射する光ビームを反射可能に形成されている。ミラー面２０の材質はアルミニウムに限られず、例えば、用いる光ビームの種類に応じて、適宜適当な金属の金属膜をミラー面として用いることができる。ミラー部２は、第２ヒンジ６を通る垂直平面（ｚｘ平面に平行な平面）に対し略対称形状に形成されており、第２ヒンジ６回りにスムーズに揺動するように構成されている。図３に示すように、可動フレーム３には、シリコン層２１０に、シリコン層２１０の上端から下端まで連通し、酸化膜２２０に到達するような溝形状の空隙を構成するトレンチ１０１ａが形成されている。トレンチ１０１ａが形成されていることにより、可動フレーム３は、第１ヒンジ５の一方と接続され電極３ａ及び電極３ｂと一体となる部位と、２つの第２ヒンジ６を支持する軸支部３ｃ及び軸支部３ｃに導通部３ｄを介して接続され、第１ヒンジ５の他方に軸支される軸支部３ｅから成る部位と、導通部３ｄにミラー部２の中央部に関し上面視で略点対称となる形状に形成された３つのバランス部３ｆとの５つの部位に分割されている。トレンチ１０１ａは、シリコン層２１０を分離しているので、これらの５つの部位は、互いに絶縁されている。なお、バランス部３ｆは、形成されていなくてもよい。
The
金属構造体９は、可動フレーム３の下方（ｚ方向）の酸化膜２２０及び金属層２３０により構成されている。金属構造体９には、トレンチ１０１ａにより分割された可動フレーム３の５つの部位が共に接合されている。換言すると、金属構造体９は、可動フレーム３のうちトレンチ１０１ａが形成されている部位の下方に、シリコン層２１０に接合されたまま形成されている。このように金属構造体９に５つの部位が共に接合されていることにより、可動フレーム３と金属構造体９とが、第１ヒンジ５を揺動軸として一体に揺動可能に構成されている。図１（ｂ）に示すように、本実施形態において、金属構造体９は、可動フレーム３の下面のうち電極３ａ，３ｂを除く部位を略覆うように、平面視で第１ヒンジ５に対し略対称形状となる環状に形成されている。また、金属構造体９の金属層２３０からなる部位の厚みは、固定フレーム４の金属層２３０からなる部位の厚みと略同程度に形成されている。このように、金属構造体９は、第１ヒンジ５により構成される可動板５０の揺動軸を通り可動板５０に垂直な平面（ｙ−ｚ平面に平行な平面）に対し略対称な形状に形成されており、金属構造体９の重心の位置は、第１ヒンジ５により構成される揺動軸に平面視で略一致している。また、可動フレーム３のトレンチ１０１ａは、バランス部３ｆを形成するために、第１ヒンジ５を通る垂直平面に対し略対称となる位置及び形状に設けられている。従って、金属構造体９を含む可動板５０の重心の位置は、第１ヒンジ５により構成される揺動軸に、平面視で略一致している。これにより、金属構造体９を含む可動板５０は、第１ヒンジ５回りにスムーズに揺動し、光走査ミラー１によるスキャンがより適正に行われる。
The
固定フレーム４は、シリコン層２１０、酸化膜２２０、及び金属層２３０により構成されている。固定フレーム４の下面には、スペーサ１１０が設けられており、光走査ミラー１が例えば基板Ｂ上に実装された状態では、金属構造体９の下方にスペーサ１１０の厚み分の空隙ができるように構成されている。これにより、光走査ミラー１の動作時に、可動フレーム３と金属構造体９とが第１ヒンジ５回りに揺動可能とされている。
The fixed
固定フレーム４の上面には、３つの電圧印加部１０ａ，１０ｂ，１０ｃが、互いに並んで形成されている。固定フレーム４には、トレンチ１０１ａと同様に、シリコン層２１０を複数の部位に分割するように、トレンチ１０１ｂが形成されている。図２において、シリコン層２１０の互いに電気的に絶縁されている部位には、それぞれ互いに異なる模様を付して示す。トレンチ１０１ｂは、固定フレーム４のシリコン層２１０を、電圧印加部１０ａ，１０ｂ，１０ｃとそれぞれ略同電位となる、互いに絶縁された３つの部位に分割している。このうち、電圧印加部１０ａと同電位となる部位は、第１ヒンジ５のうち、可動フレーム３のうち軸支部３ｅに接続された、電圧印加部１０ａから離れた一方の部位を支持する軸支部４ｄを有している。電圧印加部１０ａと軸支部４ｄとは、トレンチ１０１ｂが形成されていることにより幅が細く形成された導通部４ｅにより接続されている。また、電圧印加部１０ｂと略同電位となる部位は、第１ヒンジ５の他方を支持する軸支部４ｆを有している。電圧印加部１０ｃと略同電位となる部位は、固定フレーム４のうち電圧印加部１０ａ，１０ｂと同電位となる上記の２つの部位を除いた部位であり、この部位に電極４ａが形成されている。本実施形態では、上記のようにトレンチ１０１ａ，１０１ｂが形成されていることにより、シリコン層２１０には、電圧印加部１０ａが形成され電極２ａと略同電位となる部位と、電圧印加部１０ｂが形成され可動フレーム３側の電極３ａ，３ｂと略同電位となる部位と、電圧印加部１０ｃが形成され固定フレーム４側の電極４ａと略同電位となる部位との、３つの部位が設けられている。各電圧印加部１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、外部から電位を変更可能であり、これらの各電圧印加部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの電位を変更することにより、第１櫛歯電極７と第２櫛歯電極８を駆動して光走査ミラー１を駆動可能である。なお、シリコン層２１０の下方には酸化膜２２０及び金属層２３０が接合されており、トレンチ１０１ｂはシリコン層２１０にのみ形成されているので、固定フレーム４全体は一体に構成されている。
On the upper surface of the fixed
次に、光走査ミラー１の動作について説明する。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８は、それぞれ、いわゆる垂直静電コムとして動作し、ミラー部２は、第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８が所定の駆動周波数で駆動力を発生することにより駆動される。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８は、例えば、電極３ａ，３ｂが基準電位に接続された状態で、電極２ａ、及び電極４ａの電位をそれぞれ周期的に変化させることにより駆動され、静電力を発生する。この光走査ミラー１においては、第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８それぞれが、例えば矩形波形状の電圧が印加されて周期的に駆動力を発生するように構成されている。
Next, the operation of the
上述のように形成されたミラー部２や可動フレーム３は、一般に多くの場合、その成型時に内部応力等が生じることにより、静止状態でも厳密には水平姿勢ではなく、きわめて僅かであるが傾いている。そのため、例えば第１櫛歯電極７が駆動されると、静止状態からであっても、ミラー部２に略垂直な方向の駆動力が加わり、ミラー部２が、第２ヒンジ６を回転軸として第２ヒンジ６を捻りながら回動する。そして、第２櫛歯電極８の駆動力を、ミラー部２が電極２ａ，３ａが完全に重なりあうような姿勢になったときに解除すると、ミラー部２は、その慣性力により、第２ヒンジ６を捻りながら回動を継続する。そして、ミラー部２の回動方向への慣性力と、第２ヒンジ６の復元力とが等しくなったとき、ミラー部２のその方向への回動が止まる。このとき、第２櫛歯電極８が再び駆動され、ミラー部２は、第２ヒンジ６の復元力と第２櫛歯電極８の駆動力により、それまでとは逆の方向への回動を開始する。ミラー部２は、このような第２櫛歯電極８の駆動力と第２ヒンジ６の復元力による回動を繰り返して、第２ヒンジ６回りに揺動する。可動フレーム３も、ミラー部２の回動時と略同様に、第１櫛歯電極７の駆動力と第１ヒンジ５の復元力による回動を繰り返し、第１ヒンジ５回りに、金属構造体９と一体に揺動する。このように可動フレーム３が揺動するとき、金属構造体９を含む可動板５０が一体として揺動するため、ミラー部２の姿勢が変化する。これにより、ミラー部２は、２次元的な揺動を繰り返す。
In many cases, the
第２櫛歯電極８は、ミラー部２と第２ヒンジ６により構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数の電圧が印加されて駆動される。また、第１櫛歯電極７は、ミラー部２、可動フレーム３及び金属構造体９と第１ヒンジ５とにより構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数の電圧が印加されて駆動される。これにより、ミラー部２が共振現象を伴って駆動され、その揺動角が大きくなる。なお、第１櫛歯電極７や第２櫛歯電極８の電圧の印加態様や駆動周波数は、上述に限られるものではなく、例えば、駆動電圧が正弦波形で印加されるように構成されていてもよい。また、電極３ａ，３ｂの電位が、電極２ａ及び電極４ａの電位と共に変化するように構成されていてもよい。
The second comb-
本実施形態において、金属構造体９は、可動板５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントを大きくするために設けられている。光走査ミラー１において、金属構造体９を含む可動板５０又はミラー部２を一様の厚さの直方体で近似した場合、金属構造体９を含む可動板５０の揺動の共振周波数や、ミラー部２の揺動の共振周波数は、それぞれ、第１ヒンジ５又は第２ヒンジ６のばね定数をＫ、金属構造体９を含む可動板５０又はミラー部２の質量をｍ、可動板５０又はミラー部２のそれぞれの回転軸に直交する方向の辺の長さをＬ、金属構造体９を含む可動板５０又はミラー部２の揺動の慣性モーメントをｉとすると、次式のように表される。
In the present embodiment, the
上記数式から分かるように、可動板５０の可動フレーム３は、金属構造体９と一体に回動するので、第１ヒンジ５回りに回動する部位の質量が、金属構造体９が設けられていない場合と比べて増加する。そのため、ミラー部２の第２ヒンジ６回りの慣性モーメントと比べて、可動板５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが大幅に大きくなる。また、上記数式から分かるように、上面視で第１ヒンジ５の片側部の金属構造体９の重心の位置が第１ヒンジ５から離れるほど、金属構造体９を含む可動板５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが大きくなる。本実施形態では、このことを利用し、金属構造体９の位置は、金属構造体９を含む可動板５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが、第１ヒンジ５のばね定数や、ミラー部２の第２ヒンジ５回りの共振周波数等を鑑みて設定された所望の値となるように設定されている。なお、金属構造体９の位置の設定にあっては、可動板５０の上面から金属構造体９の下端部までの厚み方向（ｚ方向）の寸法（以下、金属構造体９の厚み方向寸法と称する）が可動板５０の上面から固定フレーム４の下端部までの厚み方向の寸法と同じようになるように構成していることを前提にして金属構造体９の位置を定めればよい。
As can be seen from the above formula, the
ここで、金属構造体９としては、例えば、タングステン合金を用いることが望ましい。すなわち、本実施形態において、可動板５０を構成するシリコン層２１０と金属構造体９を構成する金属層２３０との材質が異なるところ、互いの熱膨張率の差が小さい方が、温度の変化に伴う変形が小さくなる。また、上述より、密度が高い方が、同じ体積で可動板５０の共振周波数を下げる効果が大きくなる。そこで、例えば、金、銀、銅、スズ、モリブデン、ロジウム等の金属と比較して、密度が高く、且つ、シリコン層２１０を構成するシリコンの熱膨張率（２．４［１０−６／Ｋ］程度）と熱膨張率が近い（４．５［１０−６／Ｋ］程度）材料であるタングステンを含む合金を金属構造体９の材質として選択するのが好適である。本実施形態においては、例えば、後述のように、ニッケル−タングステン（Ｎｉ−Ｗ）合金を、めっき法により金属層２３０として形成する。このとき、金属層２３０をいわゆるポーラスめっきとして形成することにより、金属層２３０を、微細な空孔を多数含むように形成している。このように金属層２３０を多数の空孔を含むポーラス構造とすることにより、金属層２３０とシリコン層２１０との熱膨張率が異なることにより金属層２３０の内部に応力が生じても、その応力が一様に緩和される。そのうえ、金属層２３０は、比較的シリコン層２１０と熱膨張率が近いニッケル−タングステン合金により構成されているので、温度変化に伴い光走査ミラー１の変形が大きくなることを防止することができる。
Here, as the
以下に、図４乃至図１０を参照し、光走査ミラー１の製造工程について説明する。なお、図４乃至図１０は、図３に示した部位と略同一の部位についての断面図である。本実施形態において、光走査ミラー１は、基本的に、３層基板２００を作製し、そのシリコン層２１０に可動板５０等を形成する第１工程と、可動板５０の下方の金属層２３０に、金属構造体９を形成する第２工程とを経て製造される。
Hereinafter, the manufacturing process of the
第１工程においては、先ず、酸素および水素雰囲気の拡散炉中で、シリコン層２１０を成すシリコン基板の上下両表面に酸化膜２２０を形成する（図４）。そして、その下面に下地金属をスパッタリングにより付着させ、その上で、ニッケル−タングステン合金からなる金属層２３０を、めっき法により生成する。これにより、シリコン層２１０−酸化膜２２０−金属層２３０を有する３層基板２００が作製される（図５）。タングステン自体は単独では水溶液中から析出しないが、ニッケルなどの鉄系金属とは誘起共析するという特性を有しているため、このようにしてタングステンを含む金属層２３０を形成することができる。このとき、本実施形態では、めっき被膜中に欠陥を形成することにより、金属層２３０を多数の空孔を含んだ状態で形成する。なお、シリコン層２１０の厚みは極めて薄いため、例えば比較的厚いシリコン基板と酸化膜２２０と金属層２３０との３層を有する基板を形成した後、当該シリコン基板を研磨して所望の厚みのシリコン層２１０とし、３層基板２００を作製してもよい。
In the first step, first,
次に、シリコン層２１０の上面に形成された酸化膜２２０の表面のうち、可動板５０や第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６等の形状に、フォトリソグラフィにより、レジスト１３２ｂをパターニングする。その後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により酸化膜２２０のうちレジスト１３２ｂにマスクされていない部位を除去し、シリコン層２１０のうち可動板５０等が形成されない部位を露出させる（図６）。レジスト１３２ｂは、酸素プラズマ中で除去する。その後、シリコン層２１０上面には、例えばアルミニウムをスパッタリングすることにより、アルミニウム膜を形成する。アルミニウム膜は、例えば厚みが５００ｎｍ程度になるように形成される。そして、フォトリソグラフィによりレジスト１３２ｃをパターニングした後にＲＩＥを行い、アルミニウム膜のうちミラー面２０及び電圧印加部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ以外の部位を除去する（図７）。これにより、ミラー面２０及び電圧印加部１０ａ，１０ｂ，１０ｃが形成される。
Next, the resist 132b is patterned by photolithography in the shape of the
ミラー面２０及び電圧印加部１０ａ，１０ｂ，１０ｃを形成した後、レジスト１３２ｃを除去し、シリコン層２１０上の酸化膜２２０等の表面にレジスト１３２ｄをパターニングする。その後、Ｄ−ＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）を行い、シリコン層２１０のうち上面が露出している部位を深掘りエッチングする。酸化膜２２０のエッチングレートは、シリコン層２１０のエッチングレートの１パーセント未満であるため、シリコン層２１０の表面の酸化膜２２０および酸化膜２２０はほとんどエッチングされない。これにより、シリコン層２１０に、可動板５０、第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６、第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８等となる形状が形成される。これと同時に、可動板５０となる部位にはトレンチ１０１ａが形成され、固定フレーム４となる部位には、トレンチ１０１ｂが形成される（図８）。レジスト１３２ｄは、酸素プラズマ中で除去しておく。
After forming the
次に、第２工程を行う。第２工程は、例えば、表面側であるシリコン層２１０の上面を保護のためレジスト１３２ｅで覆って行われる。第２工程では、金属層２３０に対して、金属構造体９及び固定フレーム４に相当する部分を残すようにウェットエッチングを行う。その後、光走査ミラー１の下方に露出する酸化膜２２０を、ＲＩＥにより除去する（図９）。これにより、可動板５０やミラー部２が、第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６を介して揺動可能になる。また、これにより、トレンチ１０１ａの下方に、酸化膜２２０と金属層２３０とで構成された金属構造体９が、トレンチ１０１ａにより絶縁分離された可動フレーム３の複数の部位が共に接合された状態で形成される。その後、レジスト１３２ｅを除去することにより、光走査ミラー１が完成する。なお、光走査ミラー１とスペーサ１１０とは例えば接着又は陽極接合等により接合される。そして、光走査ミラー１は、必要に応じて上面に保護基板（図示せず）等が接合されてパッケージ化された後、基板Ｂに実装可能になる。
Next, the second step is performed. The second step is performed, for example, by covering the upper surface of the
なお、第２工程において、金属層２３０をドライエッチングすることにより、金属層に金属構造体９及び固定フレーム４を形成してもよい。また、第１工程において、両面に酸化膜２２０を形成したシリコン層２１０に、接合面に金属メッキを形成し、そのメッキと金属層２３０とを接合させる共晶接合や、低融点ガラスを用いたガラス接合や、接着剤等を用いた樹脂接合により金属層２３０を接合して３層基板２００を作製してもよい。このように３層基板２００を作製することにより、容易に３層基板を作製することができ、製造コストを低減することができる。また、厚い金属層２３０を有する３層基板を作製することができるので、当該金属層２３０を適宜加工し光走査ミラー１を作製することにより、可動板５０のヒンジ回りの共振周波数を大幅に低くすることができ、また、可動板５０の共振周波数をより広い範囲で設定することができる。
In the second step, the
このように、本実施形態においては、ミラー部２の第２ヒンジ６回りの揺動の共振周波数に比べて、金属構造体９を含む可動板５０の第１ヒンジ５回りの揺動の共振周波数を極めて低くすることができる。換言すると、従来の半導体構造と比較して、金属構造体９を設けることにより、可動板５０の共振周波数を保ったままで光走査ミラー１の素子サイズを小さくして光走査ミラー１の製造コストを低減したり、第１ヒンジ５の幅寸法又は厚み寸法を大きくして第１ヒンジ５の強度や剛性を確保し、光走査ミラー１の耐衝撃性を向上させたり適正に光走査可能にすることができる。特に、樹脂製等の質量片を設ける場合と比較して、比較的密度が高いニッケル−タングステン合金等からなる金属構造体９を用いるので、光走査ミラー１をさらに小型化することができる。また、金属構造体９の位置を可動板５０の慣性モーメントが所望の値になるように設定することにより、金属構造体９を含む可動板５０の第１ヒンジ５回りの揺動の共振周波数を、光走査ミラー１として求められる仕様等に容易に合致させることができる。特に、この光走査ミラー１では、比較的密度が高いニッケル−タングステン合金を、金属構造体９として用いているので、共振周波数は、より広い範囲で設定することが可能になる。
Thus, in the present embodiment, the resonance frequency of the oscillation around the
このように、ミラー部２の揺動の共振周波数に比べて可動板５０の揺動の共振周波数を大幅に低くすることにより、可動板５０が１往復揺動する間のミラー部２の揺動の往復回数が多くなる。従って、例えば光走査ミラー１で光線を縦横２次元走査させて画像を投影表示させるような場合に、投影画像の走査線の数を増加させ、より高解像度の画像を表示させることができる。なお、金属構造体９は、可動板５０のストッパとしても機能する。すなわち、光走査ミラー１に外部から衝撃等が加わって可動板５０が下方に変位しても、金属構造体９が実装面等に当接することにより、可動板５０の変位が制限される。これにより、第１ヒンジ５の破損が防止され耐衝撃性が向上するという効果が生じる。
As described above, the resonance frequency of the swing of the
なお、上記数式からわかるように、金属構造体９の位置に限らず、金属構造体９の厚みが大きいほど、金属構造体９を含む可動板５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが大きくなる。これを鑑み、例えば、上述とは異なり、金属構造体９を可動板５０に対し所定の位置に配置する必要がある場合には、可動板５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが所望の値になるように金属構造体９の厚み方向寸法を調整してもよい。同様に、金属構造体９の厚み方向寸法と配置位置とを共に慣性モーメントの値を鑑みて調整したりしてもよい。このようにしても、上述と同様に、金属構造体９を含む可動板５０の第１ヒンジ５回りの揺動の共振周波数を、広い範囲で、光走査ミラー１として求められる仕様等に容易に合致させることができる。
As can be seen from the above formula, the moment of inertia around the
図１０は、例えば、本実施形態の一変形例に係る光走査ミラー２１を示す。光走査ミラー２１の可動板５０には、光走査ミラー１の金属構造体９とは厚みが異なる金属構造体２９が設けられており、金属構造体２９の金属層２３０からなる部位の厚みが、固定フレーム４の金属層２３０からなる部位の厚みよりも薄く形成されているものである。光走査ミラー２１のその他の部位の構成は光走査ミラー１と同様である。この場合、金属構造体２９の質量は金属構造体９の質量よりも小さいので、光走査ミラー２１の可動板５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントは光走査ミラー１の可動板５０のそれよりも小さくなる。この光走査ミラー１では、可動板５０の上面から金属構造体２９の下端部までの厚み方向の寸法が、可動板５０の上面から固定フレーム４の下端部までの寸法より短いので、図に示すように光走査ミラー２１をそのまま基板Ｂ上に実装しても、その実装面と金属構造体２９の下端部との間には空間ができる。すなわち、光走査ミラー２１を基板Ｂ等の平面上に実装した状態で、金属構造体２９が実装面上に接触せず、可動板５０が第１ヒンジ５回りに揺動可能である。従って、スペーサ１１０等を固定フレーム４の下方に設ける必要が無く、光走査ミラー２１の実装高さを低くすることができる。
FIG. 10 shows an
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図１１（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る光走査ミラー３１を示す。光走査ミラー３１は、上述の第１実施形態の光走査ミラー１とは異なり、金属層２３０がポーラス構造ではない点と、金属層２３０にスリット３９ａが形成されており、可動フレーム３の下方に、金属構造体９に替えて、多数の柱状構造３９ｂを有する金属構造体３９が形成されている点とが相違する。図に示すように、スリット３９ａは、金属層２３０の下面全体に、格子状に、可動板５０に対し略垂直に彫り込まれて形成されている。スリット３９ａは、例えば、上述の第１実施形態と同様に、一旦酸化膜２２０の下面に下面が平坦な金属層２３０を形成した後、その金属層２３０をエッチング等により彫り込むことにより形成することができる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIGS. 11A and 11B show an
このように、第２実施形態においては、金属層２３０の下面にスリット３９ａが形成されているので、シリコン層２１０と金属層２３０とで熱膨張率が異なることにより可動フレーム３や固定フレーム４において発生する応力が緩和される。特に、スリット３９ａが格子状に形成されていることにより、熱膨張率が異なることにより発生する応力が、可動フレーム３や固定フレーム４の全体で一様に緩和されるので、その応力による光走査ミラー３１の変形をより小さくすることができる。
Thus, in the second embodiment, since the
なお、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、可動板の下面に形成する金属構造体や金属膜として用いる金属は、タングステン合金に限られず、光走査ミラーの製造方法等に応じて適宜選択することができる。また、光走査ミラーは、上記実施形態のような２軸ジンバル型のものではなく、例えばミラー面が形成された可動板を一対のヒンジで固定フレームに支持した構造を有する１軸に揺動可能なものであってもよい。この場合であっても、ヒンジの強度や剛性を確保した状態で、可動板に同様に金属膜又は金属構造体を設けて可動板のヒンジ回りの慣性モーメントを大きくしたり、可動板の揺動周波数を広い範囲で容易に調整することができる。ストッパを、可動板の揺動軸に向けて突出するように保護基板上に形成することにより、同様に、光走査ミラーの耐衝撃性を向上させることができる。 In addition, this invention is not limited to the structure of the said embodiment, A various deformation | transformation is possible suitably in the range which does not change the meaning of invention. For example, the metal structure formed on the lower surface of the movable plate and the metal used as the metal film are not limited to the tungsten alloy, and can be appropriately selected according to the manufacturing method of the optical scanning mirror. In addition, the optical scanning mirror is not of the biaxial gimbal type as in the above-described embodiment. For example, the optical scanning mirror can swing on a single axis having a structure in which a movable plate having a mirror surface is supported by a fixed frame with a pair of hinges. It may be anything. Even in this case, with the strength and rigidity of the hinge secured, a metal film or metal structure is similarly provided on the movable plate to increase the moment of inertia around the hinge of the movable plate, or the movable plate can be swung. The frequency can be easily adjusted in a wide range. Similarly, the impact resistance of the optical scanning mirror can be improved by forming the stopper on the protective substrate so as to protrude toward the swing axis of the movable plate.
さらにまた、本発明は、ミラー面を有し光を走査する光走査ミラーに限られず、一対のヒンジにより固定フレームに対し揺動可能に構成された可動板を有する可動構造体に広く適用可能である。すなわち、可動板にヒンジ回りの慣性モーメントを大きくするために金属膜又は金属構造体を設けることにより、ヒンジの強度や剛性を確保しつつ、可動板の共振周波数を大幅に低くすることができる。 Furthermore, the present invention is not limited to an optical scanning mirror having a mirror surface and scanning light, but can be widely applied to a movable structure having a movable plate configured to be swingable with respect to a fixed frame by a pair of hinges. is there. That is, by providing the movable plate with a metal film or a metal structure to increase the moment of inertia around the hinge, the resonance frequency of the movable plate can be significantly lowered while ensuring the strength and rigidity of the hinge.
１，２１，３１ 光走査ミラー（可動構造体）
４ 固定フレーム
５ 第１ヒンジ（ヒンジ）
９，２９，３９ 金属構造体
２０ ミラー面
３９ａ スリット
３９ｂ 柱状構造
５０ 可動板
２００ ３層基板
２１０ シリコン層
２２０ 酸化膜（酸化膜層）
２３０ 金属層
1, 21, 31 Optical scanning mirror (movable structure)
4 fixed
9, 29, 39
230 Metal layer
Claims (11)
前記可動板が、前記一対のヒンジをねじりながら前記固定フレームに対して揺動可能に構成されている可動構造体において、
前記可動板の厚み方向の下面には、前記可動板の前記一対のヒンジ回りの慣性モーメントを大きくするために、金属膜又は金属構造体が形成されていることを特徴とする可動構造体。 A movable plate, a pair of hinges each having one end connected to the movable plate and constituting one swing shaft of the movable plate, and the other ends of the pair of hinges are connected to support the hinge And a fixed frame to
In the movable structure in which the movable plate is configured to be swingable with respect to the fixed frame while twisting the pair of hinges,
A movable structure characterized in that a metal film or a metal structure is formed on the lower surface in the thickness direction of the movable plate in order to increase the moment of inertia around the pair of hinges of the movable plate.
前記可動板の上面に、入射した光を反射するミラー面を設けたことを特徴とする光走査ミラー。 The movable structure according to any one of claims 1 to 7,
An optical scanning mirror characterized in that a mirror surface for reflecting incident light is provided on the upper surface of the movable plate.
前記金属層をウェットエッチング又はドライエッチングすることにより、前記可動板の下方の金属層に、前記可動板の前記一対のヒンジ回りの慣性モーメントを大きくするための構造体を形成する第２工程とを有することを特徴とする可動構造体の製造方法。 A three-layer substrate having a silicon layer, an oxide film layer, and a metal layer is manufactured, and the silicon layer is deeply etched to connect the movable plate to the movable plate, and one end of each movable plate is connected to the movable plate. A first step of forming a pair of hinges constituting one swing shaft of the plate, and a fixed frame to which the other ends of the pair of hinges are connected to support the hinges;
Forming a structure for increasing the moment of inertia around the pair of hinges of the movable plate in the metal layer below the movable plate by performing wet etching or dry etching on the metal layer; A method for manufacturing a movable structure, comprising:
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| CN113366368A (en) * | 2019-02-06 | 2021-09-07 | 三菱电机株式会社 | MEMS mirror device and method of manufacturing the same |
-
2008
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