JP2010249905A - Optical apparatus and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ビームを偏向させる(光ビームの反射方向を変化させることをいう)光学装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical device for deflecting a light beam (referring to changing the reflection direction of the light beam) and a method for manufacturing the same.
特許文献1に、図40に示す光学装置900が開示されている。光学装置900は、基板901と可動ミラー902が可撓梁903によって接続されている。櫛歯状の可動電極905は、可動ミラー902の上面近傍の側端部に設けられており、櫛歯状の固定電極904は、基板901側から可動電極905側に延びている。固定電極904の電極面と可動電極905の電極面は可動ミラー902が揺動する揺動軸と垂直となっている。可動ミラー902の上面の中央部にミラー906が設置されている。ミラー906は、可動電極905が形成されている部分の上面には設置されていない。基板901に対する可動ミラー902の角度(揺動角)を変えることによって、ミラー906に入射する光ビームを所定の方向に偏向させることができる。可動ミラー902の揺動角に応じて、固定電極904と可動電極905の電極面の対向面積は変化する。この対向面積に応じて得られる静電容量を計測することによって、可動ミラー902の揺動角を検出することができる。
Patent Document 1 discloses an
櫛歯状の可動電極と固定電極は、特許文献1のように、可動ミラーの揺動角を検出する装置として利用される。一方、固定電極と可動電極との間に電圧を印加し、両者の間に発生する静電力を可動ミラーを駆動するトルクとして利用することもできる。固定電極と可動電極とを静電駆動式アクチュエータの一部として利用することもできる。 The comb-like movable electrode and the fixed electrode are used as a device for detecting the swing angle of the movable mirror as disclosed in Patent Document 1. On the other hand, a voltage can be applied between the fixed electrode and the movable electrode, and the electrostatic force generated between them can be used as a torque for driving the movable mirror. The fixed electrode and the movable electrode can be used as a part of the electrostatic drive actuator.
特許文献1では、可動電極が可動ミラーの上面近傍の側端部に設けられているため、可動ミラーの表面に可動電極を設ける領域を確保しなければならない。可動ミラーの表面に可動電極を設ける領域を確保すると、ミラーを設ける領域の面積が小さくなり、開口率(基板面積に対するミラー面積の割合)が小さくなってしまう。 In Patent Document 1, since the movable electrode is provided at the side end near the upper surface of the movable mirror, a region for providing the movable electrode on the surface of the movable mirror must be secured. If a region for providing the movable electrode is secured on the surface of the movable mirror, the area of the region for providing the mirror is reduced, and the aperture ratio (ratio of the mirror area to the substrate area) is reduced.
そこで、本発明では、基板と、可撓梁と、可撓梁によって、基板から離反した位置で基板に対して揺動可能に支持されている可動ミラーと、可動ミラーの下方となる位置で、可動ミラーが揺動する揺動軸と電極面が垂直となるように基板上に設けられた固定電極と、その揺動軸と電極面が垂直となるように可動ミラーの下面に固定された可動電極とを備えている光学装置を提供する。 Therefore, in the present invention, the substrate, the flexible beam, the movable mirror supported by the flexible beam so as to be swingable with respect to the substrate at a position away from the substrate, and a position below the movable mirror, A fixed electrode provided on the substrate so that the electrode surface is perpendicular to an oscillation axis on which the movable mirror swings, and a movable fixed to the lower surface of the movable mirror so that the oscillation axis and the electrode surface are perpendicular to each other. An optical device comprising an electrode is provided.
ここで、「揺動」とは、所定の軸(揺動軸)の周りに限られた角度範囲内で回転することを指す。揺動軸の周りの単なる傾斜を含む。可動ミラーが揺動するとは、可動ミラーが揺動軸の周りに繰り返し揺動すること、および可動ミラーが揺動軸の周りに傾斜して停止することを含むものとする。 Here, “oscillation” refers to rotation within a limited angular range around a predetermined axis (oscillation axis). Includes a simple tilt around the swing axis. The phrase “the movable mirror swings” includes that the movable mirror repeatedly swings around the swing axis and that the movable mirror tilts around the swing axis and stops.
本発明では、可動電極は可動ミラーの下面に固定されており、固定電極は可動ミラーの下方となる位置で基板上に設けられている。可動ミラーの下方となる位置で固定電極と可動電極は対向する。このため、可動電極を設ける領域を基板の表面に設ける必要がない。基板面積に対してミラー面積を大きく取ることができ、開口率を大きくすることができる。 In the present invention, the movable electrode is fixed to the lower surface of the movable mirror, and the fixed electrode is provided on the substrate at a position below the movable mirror. The fixed electrode and the movable electrode face each other at a position below the movable mirror. For this reason, it is not necessary to provide the area | region which provides a movable electrode in the surface of a board | substrate. The mirror area can be made larger than the substrate area, and the aperture ratio can be increased.
本発明の光学装置は、導電性の表面層と、導電性の裏面層と、表面層と裏面層との間に設けられた絶縁性の中間層とを備えた積層体から一体に形成されていてもよい。この場合、可動ミラーは表面層を含んでおり、固定電極は裏面層を含んでおり、可動電極は裏面層を含んでいる。可動電極は、中間層によって可動ミラーに固定されている。 The optical device of the present invention is integrally formed from a laminate including a conductive surface layer, a conductive back surface layer, and an insulating intermediate layer provided between the surface layer and the back surface layer. May be. In this case, the movable mirror includes a surface layer, the fixed electrode includes a back surface layer, and the movable electrode includes a back surface layer. The movable electrode is fixed to the movable mirror by an intermediate layer.
上記の積層体から一体に形成された光学装置は、可動ミラーと可撓梁とを表面層に形成する第1工程と、固定電極と可動電極とを裏面層に形成する第2工程と、固定電極と可動ミラーとの間の中間層を取り除く第3工程とを含む製造方法によって製造することができる。 An optical device integrally formed from the above laminate includes a first step of forming a movable mirror and a flexible beam on a surface layer, a second step of forming a fixed electrode and a movable electrode on a back surface layer, It can be manufactured by a manufacturing method including a third step of removing an intermediate layer between the electrode and the movable mirror.
上記の第3工程においては、例えばエッチングによって固定電極と可動ミラーとの間の中間層を取り除いて固定電極と可動ミラーとを離反させる。このため、上記の積層体から一体に形成された光学装置では、可動電極の電極面に垂直な方向の幅は、固定電極の電極面に垂直な方向の幅よりも大きく設計されることが好ましい。このようにすれば、第3工程において固定電極と可動ミラーとの間の中間層が除去される条件でエッチングを行っても、可動ミラーと可動電極とを固定する中間層は残り、可動ミラーと可動電極とが固定された状態を確保することができる。 In the third step, the intermediate layer between the fixed electrode and the movable mirror is removed by etching, for example, and the fixed electrode and the movable mirror are separated from each other. For this reason, in the optical device formed integrally from the above laminate, the width in the direction perpendicular to the electrode surface of the movable electrode is preferably designed to be larger than the width in the direction perpendicular to the electrode surface of the fixed electrode. . In this way, even if etching is performed under the condition that the intermediate layer between the fixed electrode and the movable mirror is removed in the third step, the intermediate layer for fixing the movable mirror and the movable electrode remains, and the movable mirror and A state where the movable electrode is fixed can be secured.
また、可動電極の電極面に垂直な方向に延在するベース部を可動電極が備えており、ベース部の可動電極の電極面に垂直な方向の幅を固定電極の電極面に垂直な方向の幅よりも大きく設計してもよい。上記と同様に、第3工程において可動ミラーと可動電極とが固定された状態を確保できる。 In addition, the movable electrode includes a base portion extending in a direction perpendicular to the electrode surface of the movable electrode, and a width in a direction perpendicular to the electrode surface of the movable electrode in the base portion is set in a direction perpendicular to the electrode surface of the fixed electrode. You may design larger than a width | variety. Similarly to the above, it is possible to secure a state where the movable mirror and the movable electrode are fixed in the third step.
また、固定電極の上部には、切欠部が設けられていてもよい。固定電極の上部に切欠部が設けられていれば、可動ミラーが揺動時に固定電極に当接しにくくなる。可動ミラーの揺動可能な角度を大きくすることができる。 In addition, a cutout portion may be provided on the fixed electrode. If the notch is provided in the upper part of the fixed electrode, it becomes difficult for the movable mirror to come into contact with the fixed electrode when swinging. The swingable angle of the movable mirror can be increased.
本発明の光学装置は、第1の固定電極と可動電極との組合せと、第2の固定電極と可動電極との組合せとを含んでいてもよい。可動ミラーが基板に対して所定の揺動角で揺動する場合に、第1の固定電極と可動電極との組合せによって得られる第1の対向電極面の面積と、第2の固定電極と可動電極との組合せによって得られる第2の対向電極面の面積とは、互いに異なるようにしてもよい。 The optical device of the present invention may include a combination of the first fixed electrode and the movable electrode and a combination of the second fixed electrode and the movable electrode. When the movable mirror swings at a predetermined swing angle with respect to the substrate, the area of the first counter electrode surface obtained by the combination of the first fixed electrode and the movable electrode, and the second fixed electrode and the movable mirror are movable. You may make it mutually differ from the area of the 2nd counter electrode surface obtained by a combination with an electrode.
このようにすれば、対向する電極面の面積の差を利用した静電容量検出や駆動トルク制御を行うことができる。例えば、第1の対向電極面によって得られる静電容量と、第2の対向電極面によって得られる静電容量との差分を求めることによって、揺動角の検出結果に同相ノイズの影響を低減することができる。 By doing so, it is possible to perform capacitance detection and drive torque control using the difference in the area of the opposing electrode surfaces. For example, by obtaining the difference between the capacitance obtained by the first counter electrode surface and the capacitance obtained by the second counter electrode surface, the influence of common-mode noise on the detection result of the swing angle is reduced. be able to.
本発明によれば、固定電極と可動電極とが可動ミラーの下方に設けられるため、可動電極を設ける領域を基板の表面に設ける必要がない。基板面積に対してミラー面積を大きく取ることができ、開口率を大きくすることができる。 According to the present invention, since the fixed electrode and the movable electrode are provided below the movable mirror, it is not necessary to provide a region for providing the movable electrode on the surface of the substrate. The mirror area can be made larger than the substrate area, and the aperture ratio can be increased.
以下に説明する実施例の主要な特徴を以下に列記する。
(特徴1)固定電極は、枠状の基板の側面に固定されている。
The main features of the embodiments described below are listed below.
(Feature 1) The fixed electrode is fixed to the side surface of the frame-shaped substrate.
以下、本発明の実施例1について、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施例の光学装置100の平面図であり、ミラー106が設けられる表面側を示している。図2は、図1の裏面側を示す図である。図3は、図1のIII−III線断面図であり、図4は、図1のIV−IV線断面図である。図1等に示すA軸、B軸は、互いに直交する座標軸を示している。
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view of the
図1〜図4に示すように、光学装置100は、基板101と、1対の可撓梁103a、103bと、可撓梁103a、103bによって揺動可能に支持されている可動ミラー102と、可動ミラー102の表面に設けられたミラー106と、基板101に固定された固定電極104c〜104fと、可動ミラー102の下面に固定された可動電極105とを備えている。1対の可撓梁103a、103bは、基板101と可動ミラー102とを接続している。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
可動電極105は、可動ミラー102の下面に固定されている。可動ミラー102と可動電極105とは実質的に剛体であり、全体として一体に運動する。1対の可撓梁103a、103bは細長くてしなやかであり、比較的容易に捩れる。可動ミラー102と可動電極105の各部と、それらが相互に接続する接続箇所は、可撓梁103a、103bに対して著しく剛性が高い。可動ミラー102と可動電極105との相対的変位角は、可撓梁103a、103bの捩れ角に対して著しく小さい。可動ミラー102と可動電極105は図1に示すA軸を揺動軸として揺動する。可動電極105は、揺動軸に対して対称となるように設置されている。
The
基板101には、固定電極104c〜104fが設けられており、基板101から可動電極105に向かって延びている。固定電極104c〜104fは、可動ミラー102の揺動軸に対して対称となる位置に1対ずつ設けられている。固定電極104c〜104fは、それぞれ可動電極105の両脇となる位置に1対ずつ配置されている。固定電極104c〜104fと、可動電極105との電極間距離(電極面に垂直な方向(A軸方向)の距離)は、全て等しい。図2、図3に示すように、可動電極105の電極面115に垂直な方向(A軸方向)の幅はW2である。図2、図4に示すように、固定電極104c〜104fは、形状、大きさは全て同じであり、固定電極104c〜104fの電極面114c〜114fに垂直な方向(A軸方向)の幅はW1である。図2〜図4からも明らかなように、幅W2は、幅W1よりも大きい(W2>W1)。基板101の上表面には、固定電極104c〜104fと導通する固定電極用コンタクトパッド121、可動電極105と導通する可動電極用コンタクトパッド122が設けられている。
The
本実施例においては、電磁駆動式アクチュエータによって可動ミラー102を揺動させる。可動ミラー102の内部には、可動ミラー102の外周に沿って駆動コイルが配線されており、基板101の上面には、駆動コイルの始端および終端と導通する駆動コイル用コンタクトパッド123aおよび123bが設けられている。駆動コイル用コンタクトパッド123aは、駆動信号生成装置(図示しない)に接続されており、駆動コイル用コンタクトパッド123bは、接地されている。光学装置100は、さらに、図1に示すB軸方向に平行な磁界Bを発生させる磁性体(図示しない)を備えている。磁界B中で、駆動信号生成装置によって駆動電圧Vdを印加すると、駆動コイルをA軸方向に流れる電流によってローレンツ力が発生し、可動ミラー102に作用する。これによって、可撓梁103a、103bが捻れ、可動ミラー102と可動電極105とが一体となって、A軸を揺動軸として揺動する。尚、本実施例では、駆動信号生成装置から出力される駆動信号は、直流、交流、三角波、矩形波などの電圧信号であるが、駆動信号生成装置から直流、交流、三角波、矩形波などの電流信号を出力してもよい。
In this embodiment, the
可動ミラー102と可動電極105は、図1に示すA軸を揺動軸として揺動する。図1〜4に示すように、固定電極104c〜104fの電極面114c〜114fおよび可動電極105の電極面115は、可撓梁103a、103bの長手方向に垂直であり、可動ミラー102の面とも垂直となっている。すなわち、固定電極104c〜104fの電極面114c〜114f、および可動電極105の電極面115は、可動ミラー102の揺動軸(A軸)と垂直となっている。これによって、可動ミラー102と可動電極105が揺動しても、電極面114c〜114fおよび電極面115に垂直な方向の距離を変化させることなく、電極面114c〜114fと電極面115との対向面積のみを変化させることができる。
The
図5、図6は、図1のV−V線断面から見た固定電極104cと可動電極105を模式的に示す図である。図5は、可動ミラー102が基板101に対して揺動していない状態を示しており、図6は、可動ミラー102が基板101に対して揺動した状態を示している。図6では、固定電極104c、104dが設置されている側の可動ミラー102の部分が上方に変位し、固定電極104e、104fが設置されている側の可動ミラー102の部分が下方に変位している。
5 and 6 are diagrams schematically showing the fixed
本実施例においては、可動ミラー102が揺動していない時は、図5に示すように、固定電極104cの電極面114cと可動電極105の電極面115との対向面積はゼロである。図6に示すように、固定電極104c、104dが設置されている側の可動ミラー102の部分が上方に変位すると、固定電極104c、104dの間に可動電極105が入り込む。これによって、固定電極104c、104dの電極面114c、114dと可動電極105の電極面115とが対向し、対向電極面117が得られる。
In the present embodiment, when the
本実施例では、固定電極104c〜104fは、可動ミラー102の揺動軸(A軸)について対称となる位置に1対ずつ設けられているため、可動ミラー102が上記と逆の方向に揺動する場合には、固定電極104e、104fの電極面114e、114fと可動電極105の電極面115とが対向し、同様に対向電極面を得ることができる。
In this embodiment, the fixed
本実施例では、光学装置100は、可動ミラー102が基板101に対して揺動する揺動角θを検出する検出装置を備えており、固定電極104c〜104f、可動電極105は、その一部として利用される。検出装置は、図7に示す変換装置140をさらに含んでいる。変換装置140は、容量−電圧変換部141と、揺動角演算部142と、表示部143とを備えている。容量−電圧変換部141は、固定電極104c〜104fの電極面114c〜114fと可動電極105の電極面115とが対向することによって得られるコンデンサC(θ)の静電容量を、電圧として出力する。揺動角演算部142は、容量−電圧変換部141によって検出された静電容量C(θ)から、可動ミラー102の揺動角θを算出し、表示部143に出力する。表示部143では、揺動角θ等がディスプレイ等に表示される。尚、表示部143は、変換装置140に含まれていなくてもよい。例えば、変換装置140と別に設置された表示装置に対して揺動角θ等を出力してもよい。
In this embodiment, the
容量−電圧変換部141では、例えば、図8に示すようなチャージアンプ方式の回路を用いることができる。これによってコンデンサC(θ)の静電容量を出力電圧Voutに変換する。図8に示すように、容量−電圧変換部141は、参照信号生成器(入力Vr)と、出力端末(出力Vout)と、容量を検出するコンデンサC(θ)と、配線による寄生容量Cpと、オペアンプと、オペアンプに並列接続されたディスチャージ用の抵抗Rおよび帰還容量Cfとを備えている。コンデンサC(θ)は、固定電極104c〜104fの電極面114c〜114fと可動電極105の電極面115とが対向することによって得られるコンデンサC(θ)を示している。出力端末から出力される出力電圧Voutを測定することによって、下記の式(1)を用いてコンデンサC(θ)の容量を検出することができる。
In the capacitance-
揺動角演算部142では、容量−電圧変換部141からの出力電圧Voutから、可動ミラー102の揺動角を導出する。揺動角の導出方法の一例として、出力電圧Voutを用いて揺動角θを算出する方法について、図9、図10を用いて説明する。図9は、図5において、xy座標軸を設定したものであり、図10は、図6において、xy座標軸を設定したものである。以下、固定電極104c〜104fおよびその電極面114c〜114fについては添え字を省略する。
The swing
図9に示す可動ミラー102が静止している状態では、電極面114と電極面115とは対向しない。可動ミラー102が揺動し、可動ミラー102と一体となって可動電極105が変位して、図10に示すように、可動電極105が固定電極104側に突き出るように移動すると、四角形ABCDによって表される対向電極面117が得られる。対向電極面117の面積Sは、可動ミラー102の揺動角θの関数であり、可動電極105と固定電極104とによって検出される静電容量は、対向電極面117の面積Sに比例する。従って、可動電極105と固定電極104とによって検出される静電容量を測定することによって、対向電極面117の面積Sを求めることができ、揺動角θを求めることができる。
In a state where the
図9に示すように、可動ミラー102は、揺動角θ=0°のときは、上表面がx軸に平行となっている。原点Oから固定電極104の角部Eまでの長さ(原点Oから可動電極105の角部Cまでの長さに等しい)をRとし、線分OEとy軸が成す角をφとする。すなわち、角φは、固定電極104の位置と形状によって決まる角度であり、揺動角θが変化しても、角φは変化せず、一定である。図9において、tkは可動ミラー102の厚さ(y軸方向の長さ)であり、tbは可動ミラー102の下面と固定電極104の上面との距離(y軸方向の長さ)であり、長さthは固定電極104の電極面114のy軸方向の長さである。可動電極105の電極面115の上端と固定電極104の電極面の上端はy軸方向に同じ位置にある。可動電極105の電極面115のy軸方向の長さはthであり、固定電極104の電極面114のy軸方向長さと等しい。可動電極105は、y軸に対して対称であり、bは電極面115のx軸方向の長さの半分の長さを示している。同様に、Lは可動ミラー102のx軸方向の長さの半分の長さを示している。
As shown in FIG. 9, the
図10は、可動ミラー102が揺動し、揺動角がθ(θ>0°)となっている状態であり、可動電極105の電極面115と固定電極104の電極面114との対向電極面117は、図10においては、四角形ABCDで示される。四角形ABCDの面積Sは、三角形ABCの面積s1と三角形ACDの面積s2とを計算し、S=s1+s2を計算することで、求めることができる。三角形ABCの面積s1は、点A、B,Cの座標を求め、下記の式(2)を用いることによって、計算することができる。式(2)は、頂点の座標が(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)である三角形の面積sを計算する式である。三角形ACDの面積s2も、同様に計算することができる。
FIG. 10 shows a state in which the
電極面115の固定電極104に近い側の側端面は、図10の直線1によって示され、電極面115の下端面は、図8の直線2によって表される。電極面114の上端面は、図8の直線3によって示され、電極面114の可動電極105に近い側の側端面は、直線4によって示される。直線3と直線4の交点がAであり、直線1と直線3の交点がBであり、直線1と直線2の交点がCであり、直線2と直線4の交点がDである。また、線分OCは、長さがRであり、x軸と角度(90°−θ−φ)を成している。上記によれば、直線1〜4を示す式および頂点A、B,C、Dの座標は、下式のように表すことができる。
The side end surface of the
上記の頂点A、B,C、Dの座標を式(2)に示す三角形の面積を求める式に用いると、三角形ABCの面積s1、三角形ACDの面積s2を計算することができる。対向電極面117の面積SをS=s1+s2によって計算すれば、コンデンサの静電容量の式:C=ε(S/d)によって静電容量Cと可動ミラーの揺動角θとの関係式を導出することができる。尚、上記のコンデンサの静電容量の式において、Cは静電容量であり、εは誘電率であり、Sは電極面の対向面積であり、dは電極面間の距離(電極面に垂直な方向の距離)である。このようにして得られた静電容量Cと可動ミラーの揺動角θとの関係式を用いて、出力Voutから揺動角θを演算するように揺動角演算部142をプログラミングすることによって、揺動角θを導出することができる。
Additional vertices A, B, C, and used in formula for the area of a triangle showing the coordinates of D in formula (2), it is possible to calculate the triangle ABC of area s 1, the area s 2 triangular ACD. If the area S of the
式(1)より、固定電極と可動電極によって構成されるコンデンサの静電容量C(θ)が大きいほど、出力電圧Voutが寄生容量Cpの影響を受けにくくなることがわかる。すなわち、検出装置の感度を向上させるためには、静電容量C(θ)が大きい方がよい。本実施例では、限られた基板面積に光学装置を設ける場合にも、固定電極と可動電極の電極面の面積を大きくすることができ、可動ミラーの検出装置の感度を向上させることが可能である。また、電極面の面積を大きくしても、可動ミラーのミラーサイズを小さくしてしまうことがない。 From equation (1), it can be seen that the larger the electrostatic capacitance C (θ) of the capacitor constituted by the fixed electrode and the movable electrode, the less the output voltage Vout is affected by the parasitic capacitance Cp. That is, in order to improve the sensitivity of the detection device, it is better that the capacitance C (θ) is large. In this embodiment, even when the optical device is provided on a limited substrate area, the area of the electrode surface of the fixed electrode and the movable electrode can be increased, and the sensitivity of the movable mirror detection device can be improved. is there. Even if the area of the electrode surface is increased, the mirror size of the movable mirror is not reduced.
尚、静電容量Cから可動ミラーの揺動角θを求める方法は、上記に説明したように静電容量Cと揺動角θとの関係式等を用いる方法に限られない。例えば、可動ミラー102の揺動角θと出力電圧Voutとの関係を光学的な手法等によって予め計測しておき、計測したデータをテーブル化し、揺動角演算部142に予め記憶させておいてもよい。
Note that the method for obtaining the swing angle θ of the movable mirror from the capacitance C is not limited to the method using the relational expression between the capacitance C and the swing angle θ as described above. For example, the relationship between the swing angle θ of the
上記のとおり、本実施例によれば、固定電極と可動電極とが可動ミラーの下方となる位置に設けられており、可動ミラーの下方となる位置で固定電極の電極面と可動電極の電極面が対向するため、可動電極を設ける領域を基板の表面に設ける必要がない。基板面積に対してミラー面積を大きく取ることができ、開口率を大きくすることができる。 As described above, according to this embodiment, the fixed electrode and the movable electrode are provided at a position below the movable mirror, and the electrode surface of the fixed electrode and the electrode surface of the movable electrode at the position below the movable mirror. Therefore, it is not necessary to provide a region for providing the movable electrode on the surface of the substrate. The mirror area can be made larger than the substrate area, and the aperture ratio can be increased.
また、本実施例のように、固定電極と可動電極とを用いて基板に対する可動ミラーの揺動角を検出する場合、固定電極および可動電極の電極面積が大きいほど検出感度が高くなる。本実施例のように固定電極と可動電極とが可動ミラーの下面側に設けられていると、固定電極および可動電極の電極面積を十分に大きくしても、ミラーを設ける領域を小さくする必要がない。開口率を高くすることと、検出感度を向上させることを両立させることができる。 In addition, as in this embodiment, when detecting the swing angle of the movable mirror with respect to the substrate using the fixed electrode and the movable electrode, the detection sensitivity increases as the electrode area of the fixed electrode and the movable electrode increases. If the fixed electrode and the movable electrode are provided on the lower surface side of the movable mirror as in this embodiment, it is necessary to reduce the area where the mirror is provided even if the electrode area of the fixed electrode and the movable electrode is sufficiently increased. Absent. It is possible to achieve both an increase in the aperture ratio and an improvement in detection sensitivity.
また、本実施例では、可動電極は揺動軸について対称となるように設けられており、固定電極は揺動軸の両側に設けられ、基板側から可動電極側に延びている。このため、可動ミラーがいずれの方向に揺動しても、固定電極と可動電極とを対向させることができる。可動ミラーがいずれの方向に揺動しても、可動ミラーの揺動角を検出することができる。 In this embodiment, the movable electrode is provided so as to be symmetric with respect to the swing axis, and the fixed electrode is provided on both sides of the swing axis and extends from the substrate side to the movable electrode side. For this reason, the fixed electrode and the movable electrode can be made to face each other regardless of which direction the movable mirror swings. Regardless of the direction in which the movable mirror swings, the swing angle of the movable mirror can be detected.
上記の実施例においては、可動電極が可動ミラーの裏面中央に1つのみ設けられ、4つの固定電極が、1対の可撓梁に対して対称となるように2つずつ設けられている場合について説明したが、固定電極と可動電極の設置位置および大きさ、形状は、上記の実施例に限定されない。例えば、図11に示すように、固定電極104は、1対の可撓梁103a、103bの両側に設けられておらず、いずれか一方にのみ設けられていてもよい。また、図11に示すように、複数の可動電極105が設けられていてもよい。さらには、図11のB軸方向について可動電極105が可動ミラー102と同じ長さであってもよい。可動ミラー102の静止時においても固定電極104と可動電極105の電極面が対向していてもよい。
In the above embodiment, when only one movable electrode is provided at the center of the back surface of the movable mirror, and four fixed electrodes are provided two by two so as to be symmetrical with respect to a pair of flexible beams. However, the installation position, size, and shape of the fixed electrode and the movable electrode are not limited to the above embodiment. For example, as shown in FIG. 11, the fixed
また、固定電極と可動電極は、全体が平板状でなくともよい。例えば、図12のように、複数の平板がベース部151によって一体に形成されている可動電極を備えていてもよい。ベース部151は、可動ミラー102の揺動軸の近傍に設けることが好ましい。
Further, the fixed electrode and the movable electrode may not be entirely flat. For example, as shown in FIG. 12, a plurality of flat plates may be provided with a movable electrode formed integrally with a
また、本実施例においては、図13に示すように、固定電極104の上端部に切欠き部153が設けられていてもよい。可動ミラー102が図13の矢印に示す方向に揺動すると、可動ミラー102の一部が下方に変位する。このため、可動ミラー102の揺動角が大きい場合には、下方に変位した可動ミラー102の一部と、固定電極104の上端部が当接してしまうことがある。図13のように、切欠き部153を備えた固定電極104では、可動ミラー102の下方に位置する部分において、固定電極104の上面の一部と可動ミラー102の下面との距離が大きくなっているため、可動ミラー102が固定電極104に当接しにくくなる。このため、可動ミラー102の揺動可能な角度を大きくすることができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 13, a
尚、本実施例の光学装置は、検出装置によって検出される可動ミラーの揺動角に基づいて、駆動信号生成装置を制御する制御装置をさらに備えていてもよい。 Note that the optical device of the present embodiment may further include a control device that controls the drive signal generation device based on the swing angle of the movable mirror detected by the detection device.
次に、本実施例に係る光学装置の製造方法の一例について、図14〜図31を用いて説明する。本実施例においては、シリコン基板と表面シリコン層との間に絶縁層を挿入したSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて、光学装置を一体に形成する製造方法について説明する Next, an example of a method for manufacturing the optical device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a manufacturing method for integrally forming an optical device using an SOI (Silicon On Insulator) substrate in which an insulating layer is inserted between a silicon substrate and a surface silicon layer will be described.
尚、本実施例では、複数の光学装置をSOI基板に同時に形成していくが、本実施例に係る製造方法の説明に用いる図14〜図31では、単一の光学装置を形成する区画に含まれる所定箇所の断面および平面をモデル化して図示する。 In this embodiment, a plurality of optical devices are simultaneously formed on the SOI substrate. However, in FIGS. 14 to 31 used for explaining the manufacturing method according to this embodiment, a section for forming a single optical device is used. A cross section and a plane of a predetermined portion included are modeled and illustrated.
以下に説明する製造方法によれば、図31に示す光学装置500が得られる。本実施例に係る光学装置500は、固定電極504の設置位置と、可動電極505の幅において図1等に示す光学装置100と異なっており、その他の構成は光学装置100と同様である。光学装置500のその他の構成については、同一部材に付した符号の100番台を500番台に読み換えることにより、その説明を省略する。
According to the manufacturing method described below, an
図14は、SOI基板を示す図である。本実施例で用いるSOI基板は、導電性の裏面層161(ハンドル層)、絶縁性の中間層162(Box層)、導電性の表面層163(活性層)がこの順に積層された積層体である。裏面層161は、中間層162、表面層163よりも層厚さが大きくなっている。本実施例では、可動ミラー502は、表面層163と、製造工程において表面層163上に積層する層によって形成される。固定電極504は、裏面層161によって形成される。可動電極505は、裏面層161によって形成される。可動電極505は、中間層162によって可動ミラー502の裏面(表面層163によって形成されている)と固定されている。
FIG. 14 is a diagram showing an SOI substrate. The SOI substrate used in this embodiment is a stacked body in which a conductive back surface layer 161 (handle layer), an insulating intermediate layer 162 (Box layer), and a conductive surface layer 163 (active layer) are stacked in this order. is there. The
本実施例の製造方法は、表面層163に、可動ミラー502と、可撓梁503a、503bとを形成する第1工程と、裏面層161に、固定電極504と、可動電極505とを形成する第2工程と、固定電極504と可動ミラー502との間の中間層162を取り除く第3工程とを含む。以下、各工程について、具体的に説明する。
<第1工程>
In the manufacturing method of this embodiment, the first step of forming the
<First step>
まず、図14に示すSOI基板(積層体)を表面層163側から加工していく。はじめに、表面層163および中間層162にエッチングを行って、固定電極用コンタクトパッド521等となる部分を形成する。表面層163のエッチングは、表面層163の表面にパターニングしたレジストを形成した後に、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)、XeF2ガス等のドライエッチングを行い、その後、レジストを除去することによって実施できる。中間層162のエッチングは、表面層163の表面にパターニングしたレジストを形成した後に、例えば、RIE等のドライエッチングや、緩衝フッ酸液(バッファードフッ酸)によるウェットエッチング等の方法を行い、その後、レジストを除去することによって実施できる。また、レジストの代わりに酸化膜を形成し、パターニングを行った後、KOHによるウェットエッチングを行うことによっても実施可能である。
First, the SOI substrate (laminated body) shown in FIG. 14 is processed from the
次に、表面層163側にプラズマCVD(Chemical Vapor deposition)等によって、絶縁層164を積層すると、図15に示す状態となる。絶縁層164としては、例えば、NSG膜(Non-doped Silicate Glass)や、SiN等を用いることができる。また、プラズマCVDに代えて、スパッタや蒸着、熱酸化によってSiO2等を形成するようにしてもよい。
Next, when the insulating
さらにRIE等によって絶縁層164の固定電極用コンタクトパッド521等となる部分をエッチングする。絶縁層164のエッチングは、表面層163の表面にパターニングしたレジストを形成した後に、例えば、RIE等のドライエッチングや、バッファードフッ酸によるウェットエッチング等の方法を行い、その後、レジストを除去することによって実施できる。これによって、図16に示すように、裏面層161の一部が表面層163側に露出した状態となる。
Further, a portion that becomes the fixed
図16に示すように、固定電極用コンタクトパッド521等の配線部分においては、中間層162、表面層163、絶縁層164が各層ごとに段差状となるようにエッチングされている。このように各層ごとの小さな段差状とすることで、大きな段差を回避し、その上層に形成されるAl等の配線が段差部分で切れてしまうことを抑制している。さらには、例えば、各層の上表面としてシリコン結晶の{100}結晶面を用いて、エッチング工程において、シリコン結晶の{111}結晶面に沿ってエッチングする異方性エッチングを用いれば、図17に示すように、積層体平面に対して約55°の角度で各層をエッチングでき、Al等の配線の段差部分をより少なくすることができる。
As shown in FIG. 16, in the wiring portion such as the fixed
図16に示す積層体の表面に、さらに、アルミニウム(Al)等の配線材料をスパッタや蒸着によって成膜し、配線層を形成する。本実施例では、図18に示すように、配線層としてAl層165を積層した。本実施例では、配線材料としてAlを用いたが、例えば、Al−Si−Cu合金や、Pt、Ti、Cu、Ag、Au等の配線材料を用いることもできる。
Further, a wiring material such as aluminum (Al) is formed on the surface of the laminate shown in FIG. 16 by sputtering or vapor deposition to form a wiring layer. In this example, as shown in FIG. 18, an
次に、Al層165をエッチングし、図19および図20に示すように、駆動コイル下層172および可動電極配線174等をパターニングする。尚、図19は、積層体の平面図であり、図20は図19のXX−XX線断面図である。図19では、配線パターンを実線で示しており、配線幅を示していない。Al層165のエッチングは、Al層165の表面にパターニングしたレジストを形成した後に、例えば、RIE等のドライエッチングや、リン酸によるウェットエッチング等の方法を行い、その後、レジストを除去することによって実施できる。
Next, the
次に、絶縁層166を積層し、その後、絶縁層166の一部をエッチングする。絶縁層166としては、絶縁層164と同様の材料を用いることができ、同様の方法によって成膜し、エッチングすることができる。さらに、Al層168を積層し、エッチングよってパターニングすると、図21および図22に示す状態となる。図21は、積層体の平面図であり、図22は図21のXXII−XXII線断面図である。図21は、Al層168にパターニングされた駆動コイル上層171を示している。Al層168は、Al層165と同様の方法によって成膜し、エッチングすることができる。また、Al層165と同様に、Al−Si−Cu合金等のその他の配線材料を適宜用いることができる。
Next, the insulating
図22に示すように、駆動コイル上層171と駆動コイル下層172の間には、絶縁層166が設けられており、駆動コイル上層171の一部が絶縁層166を貫通して駆動コイル下層172と導通している。これによって、駆動コイル用コンタクトパッド523aを始点とし、可動ミラー502内部に配線され、駆動コイル用コンタクトパッド523bを終点とする駆動コイルを形成することができる。
As shown in FIG. 22, an insulating
次に、表面側に絶縁層169を積層する。絶縁層169としては、絶縁層164と同様の材料を用いることができ、同様の方法によって成膜することができる。絶縁層169を堆積させた後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等を行って、絶縁層169の表面を平滑化する。絶縁層169は、CMPを行ってもAl層168が露出しないように、十分な積層厚さを確保しておく。さらに、絶縁層169の表面にAl層170を形成した後、Al層170をミラーの形状にエッチングする。これによって、図23および図24に示す状態となる。図23は、積層体の平面図であり、図24は図23のXXIV−XXIV線断面図である。Al層170は、Al層165と同様の方法によって成膜し、エッチングすることができる。また、Al層165と同様に、Al−Si−Cu合金等のその他の配線材料を適宜用いることができる。
Next, an insulating
次に、表面側にパターニングしたレジストを形成した後、絶縁層164、166、169をRIE等によってエッチングし、レジストを除去する。さらに、図25に示すように、表面層163を可動ミラーと、可撓梁503a、503bの形状に合わせてエッチングする。この場合の表面層163のエッチングは、DRIE(Deep−RIE)、RIE、XeF2によるドライエッチング等によって実施することができる。
Next, after a patterned resist is formed on the surface side, the insulating
図25は、積層体の表面側から見た図であり、図26は、図25のXXVI−XXVI線断面図である。図25および図26に示すように、表面層163よりも上層の部分において、基板501と、可動ミラー502と、可撓梁503a、503bとの間の空間となる部分がエッチングによって取り除かれている。可動ミラー502は、表面層163および表面層163の上面に積層された絶縁層やAl層によって構成されている。
25 is a view as seen from the surface side of the laminate, and FIG. 26 is a cross-sectional view taken along line XXVI-XXVI in FIG. As shown in FIG. 25 and FIG. 26, in the portion above the
さらに、絶縁層166、169をエッチングし、表面側にAl層165等によって形成された配線層を露出させ、固定電極用コンタクトパッド521、可動電極用コンタクトパッド522等となる部分を形成する。エッチング方法としては、例えば、RIE等を用いることができる。
<第2工程>
Further, the insulating
<Second step>
本実施例では、上記の第1工程を実施した後に、第2工程を行う。第2工程では、裏面層161に、固定電極504と、可動電極505となる部分を形成する。図25、図26に示す第1工程が終了した後の積層体の表面側をレジスト175によって被覆する。これによって、第1工程において積層体の表面側に形成された層がエッチングされることを防ぐ。さらに、裏面層161の裏面側の面には、固定電極504および可動電極505の設置位置に合わせてパターニングされたレジスト176を形成する。本実施例では、固定電極の幅(可撓梁の長手方向の長さ)であるW1が、可動電極の幅であるW2よりも大きくなるようにパターニングされたレジスト176によって、裏面層161を被覆する。
In the present embodiment, the second step is performed after the first step is performed. In the second step, portions that become the
DRIE等によって裏面層161のエッチングを行い、図27および図28に示すように、固定電極504および可動電極505となる部分を形成する。図27は、図3に示す断面と同位置での断面図であり、図28は、図4に示す断面と同位置での断面図である。固定電極504および可動電極505となる部分は、中間層162によって、可動ミラー502および可撓梁503a、503bの最下層となる表面層163と接合した状態となっている。また、固定電極504となる部分の幅であるW1は、可動電極505となる部分の幅であるW2よりも小さくなっている。すなわち、固定電極504となる部分と可動ミラー502等の最下層となる表面層163との間に存在する中間層162の幅であるW1は、可動電極505となる部分と可動ミラー502等の最下層となる表面層163との間に存在する中間層162の幅であるW2よりも小さくなっている。
The
本実施例では、第2工程の後に、図27、図28に示す状態となった積層体に対してダイシングを行い、チップ化する。ダイシングでは、例えば、超純水で冷却しながらダイヤモンド製の円形回転刃(ダイシングブレード)を高速回転させて積層体を切断する。ダイシングを行った後、第2工程のはじめに形成したレジスト175、176を除去することなく、次の第3工程に移行する。
<第3工程>
In this example, after the second step, the laminated body in the state shown in FIGS. 27 and 28 is diced to form a chip. In dicing, for example, a diamond circular rotary blade (dicing blade) is rotated at high speed while being cooled with ultrapure water, and the laminate is cut. After dicing, the process proceeds to the next third step without removing the resists 175 and 176 formed at the beginning of the second step.
<Third step>
第3工程では、可動ミラー502となる部分と、固定電極504となる部分との間に存在する中間層162をエッチングによって取り除く。これよって、図29および図30に示すように、可動電極505となる部分と可動ミラー502となる部分とは接合した状態のままで、固定電極504となる部分と可動ミラー502となる部分とを離反させることができる。中間層162のエッチングは、例えば、緩衝フッ酸液(バッファードフッ酸)によるウェットエッチング等の方法によって実施できる。尚、緩衝フッ酸液に、界面活性剤を添加した溶液を用いてウェットエッチングを行ってもよい。界面活性剤を添加することによってエッチング液の表面張力が低下するため、微細パターンの固定電極を形成する場合にも、固定電極となる部分との間に存在する中間層をエッチングによって取り除くことができる。
In the third step, the
本実施例では、固定電極504となる部分と可動ミラー502等の最下層となる表面層163との間に存在する中間層162の幅であるW1は、可動電極505となる部分と可動ミラー502等の最下層となる表面層163との間に存在する中間層162の幅であるW2よりも小さくなっている。従って、第3工程において、固定電極504となる部分と可動ミラー502等の最下層となる表面層163との間に存在する中間層162を除去する条件でエッチングを実施しても、可動電極505となる部分と可動ミラー502等の最下層となる表面層163との間に存在する中間層162が全て除去されてしまうことがない。これによって、可動ミラー502と可動電極505との接合状態を確保することができる。エッチングによって固定電極504となる部分と可動ミラー502となる部分とを離反させた後、第2工程で形成したレジスト175、176を除去すれば、図31に示す光学装置500を得ることができる。さらに、磁石等の磁界発生器や、駆動信号生成装置等を設置してもよい。
In this embodiment, W1 which is the width of the
尚、本実施例では、第2工程と第3工程の間にダイシングを行ったが、第3工程において、レジスト除去を行った後にダイシングを行ってもよい。第3工程においてレジスト除去を行った後にダイシングを実施する場合には、ステルスダイシング等の方法を用いることが好ましい。 In this embodiment, dicing is performed between the second step and the third step. However, dicing may be performed after removing the resist in the third step. When dicing is performed after resist removal in the third step, it is preferable to use a method such as stealth dicing.
上記のとおり、本実施例の光学装置の製造方法によれば、SOI基板等の表面層、中間層、裏面層を含む積層体を材料として、光学装置を一体に形成できる。また、本実施例においては、固定電極および可動電極は、SOI基板の裏面層(ハンドル層)を材料に形成されており、可動ミラーや可撓梁は、SOI基板の表面層によって構成されるので、可動ミラーや可撓梁の形状や大きさに関わらず、裏面層の厚さを大きくして、固定電極および可動電極を大きくすることができる。SOI基板の裏面層は、シリコン基板を材料としており、活性層やBox層に比べて厚さが大きく、また、厚さを比較的自由に調整できる。本実施例によれば、裏面層の厚さを大きくすることによって、電極面の面積を大きくすることができる。例えば、表面層や中間層は数μm程度であるのに対して、裏面層は数100μm程度とすることもできる。従来のように、表面層(活性層)を利用して可動電極を形成する場合と比較して、可動電極を著しく大きくすることができる。 As described above, according to the method for manufacturing an optical device of this embodiment, the optical device can be integrally formed using a laminate including a surface layer, an intermediate layer, and a back layer such as an SOI substrate. In the present embodiment, the fixed electrode and the movable electrode are formed from the back layer (handle layer) of the SOI substrate, and the movable mirror and the flexible beam are configured by the surface layer of the SOI substrate. Regardless of the shape or size of the movable mirror or flexible beam, the thickness of the back surface layer can be increased to increase the size of the fixed electrode and the movable electrode. The back surface layer of the SOI substrate is made of a silicon substrate, and is thicker than the active layer or the Box layer, and the thickness can be adjusted relatively freely. According to the present embodiment, the area of the electrode surface can be increased by increasing the thickness of the back surface layer. For example, the surface layer and the intermediate layer may be about several μm, while the back layer may be about several hundred μm. As compared with the conventional case where the movable electrode is formed using the surface layer (active layer), the movable electrode can be remarkably enlarged.
尚、本実施例の光学装置の製造方法では、上記に説明したSOI基板以外の積層体を用いてもよい。例えば、裏面層としてシリコン基板を用意し、その表面に中間層として酸化膜等の絶縁層を形成し、さらにその表面に表面層としてポリシリコン等を形成して、積層体を製造した上で、光学装置の材料として用いてもよい。 In the method of manufacturing the optical device according to the present embodiment, a laminate other than the SOI substrate described above may be used. For example, a silicon substrate is prepared as a back surface layer, an insulating layer such as an oxide film is formed as an intermediate layer on the surface, polysilicon is formed as a surface layer on the surface, and a laminate is manufactured. You may use as a material of an optical apparatus.
上記の実施例においては、固定電極504となる部分の幅であるW1が、可動電極505となる部分の幅であるW2よりも小さくなるように設計することによって、エッチングによって固定電極504となる部分と可動ミラー502となる部分とを離反させた後、可動ミラー502と可動電極505とを接合する中間層162を残すようにしたが、例えば、図12に示すように、可動電極105が、可動電極105の電極面115に垂直な方向に延在するベース部151を備えているようにすることによっても、上記と同様に、可動ミラーと可動電極とが接合された状態を確保することができる。図12に示すように、B軸方向のベース部151の長さWbを固定電極104のA軸方向の幅W1よりも大きくすれば、固定電極104となる部分と可動ミラー102となる部分との間の中間層162が除去される条件でエッチングを行っても、ベース部151となる部分と可動ミラー102となる部分との間において中間層162は残り、可動ミラー102となる部分と可動電極105となる部分とが接合された状態を確保することができる。
In the above embodiment, the portion that becomes the fixed
また、図13に示す切欠き部153は、例えば、第1工程と第2工程との間に、切欠き形成工程を実施することによって製造することができる。例えば、第1工程中の、図14の積層体の表面層163および中間層162にエッチングを行って固定電極用コンタクトパッド521等となる部分を形成する工程において、可動ミラーと、可撓梁の形状に合わせて表面層163および中間層162エッチングする。その後、上記に説明した第1工程を行うと、図32に示す積層体を得ることができる。図32に示す積層体では、基板となる部分と可動ミラーとなる部分との間の空間が裏面層161の上面まで達している。この空間と表面層163および中間層162との間には、絶縁層164が形成されている。この積層体の表面に、図33に示すようにレジスト173を形成する。レジスト173は、基板となる部分と可動ミラーとなる部分との間の空間を通して表面側から裏面層161をエッチングできるように、パターニングされている。レジスト173を形成した積層体に対して、等方性エッチングを行うと、図33のように、固定電極となる部分から可動電極となる部分にかけて裏面層161がエッチングされ、図13のような切欠き部153を備えた固定電極104を得ることができる。等方性エッチングは、例えば、SF6プラズマによるエッチングやXeF2ガスによるエッチングによって実施することができる。
Moreover, the
このように、基板となる部分と可動ミラーとなる部分との間の空間を通して表面側から裏面層161をエッチングすると、図13に示すように可動ミラー102と基板101との間において切欠き部153が深くなる。可動ミラー102が揺動し、下方に大きく変位する領域の近傍に切欠き部153を形成することができる。
In this way, when the
図34は、実施例2に係る光学装置200の平面図である。光学装置200は、基板201と、1対の可撓梁203a、203bと、1対の可撓梁203a、203bによって揺動可能に支持される可動ミラー202と、可動ミラー202の表面に設けられたミラー206と、基板201に固定された2対の固定電極204aおよび204b、可動ミラー202の下面に固定された可動電極205aおよび205bを備えている。
FIG. 34 is a plan view of the
基板201の上表面には、固定電極204aおよび204bと導通する固定電極用コンタクトパッド221、可動電極205aと導通する可動電極用コンタクトパッド222a、可動電極205bと導通する可動電極用コンタクトパッド222bが設けられている。可動電極205aと可動電極用コンタクトパッド222aとを導通させる配線、可動電極205bと可動電極用コンタクトパッド222bとを導通させる配線は、可動ミラー202の内部に設けられており、互いに絶縁されている。
On the upper surface of the
実施例1と同様に、電磁駆動式アクチュエータによって可動ミラー202が揺動する。可動ミラー202の内部には、駆動コイルが配線されており、基板201の上表面には、駆動コイルの始端および終端と導通する駆動コイル用コンタクトパッド223aおよび223bが設けられている。磁性体を設置する等によって図34に示すB軸方向の磁界を発生させ、磁界B中で駆動コイルに電流を流すことによって、ローレンツ力が発生し、A軸を揺動軸として、可動ミラー202と可動電極205a、205bが一体となって揺動する。
Similar to the first embodiment, the
可動電極205aと、これに対して設けられた1対の固定電極204aとを第1の組合せとし、可動電極205bと、これに対して設けられた1対の固定電極204bとを第2の組合せとする。第1の組合せによって、静電容量センサα1が構成される。同様に、第2の組合せによって、静電容量センサβ1が構成される。可動電極205aと可動電極205bは、形状および大きさが同じであり、可動ミラー202の揺動軸と垂直な方向(B軸方向)について同じ位置に設けられている。B軸方向についての固定電極204aの長さは、固定電極204bよりも長くなっている。可動ミラー202の静止時において、固定電極204bと可動電極205bとの対向面積はゼロである。一方、可動ミラー202の静止時においても、固定電極204aと可動電極205aの電極面が対向しており、対向面積はゼロよりも大きい。すなわち、可動ミラーが揺動角θで揺動した時、第1の組合せによって得られる電極面の対向面積と、第2の組合せによって得られる電極面の対向面積とは、互いに異なっている。このため、可動ミラーが揺動角θで揺動した時、静電容量センサα1によって検知される静電容量の値と静電容量センサβ1によって検知される静電容量の値は互いに異なる。
The
図35は、本実施例に係る変換装置240を示している。本実施例に係る変換装置240は、静電容量センサα1によって得られる静電容量を検出する容量−電圧変換部241aと、静電容量センサβ1によって得られる静電容量を検出する容量−電圧変換部241bと、差分器244と、揺動角演算部242と、表示部243とを備えている。容量−電圧変換部241aおよび241bからの出力電圧は、差分器244に出力される。差分器244は、容量−電圧変換部241aと容量−電圧変換部241bとの出力電圧の差を導出し、揺動角演算部242に出力する。揺動角演算部242によって得られた可動ミラー202の揺動角は、表示部243に出力され、表示される。
FIG. 35 shows a
可動ミラー202が基板201に対して揺動角θで揺動した時、静電容量センサα1によって検知される静電容量の値と静電容量センサβ1によって検知される静電容量の値は相違するから、式(1)より、容量−電圧変換部241aと容量−電圧変換部241bとの出力電圧の差を導出することによって、同相ノイズの影響を低減することができる。
When the
本実施例においては、可動電極の大きさ、形状等を同一とし、固定電極の電極面の大きさを変えることによって、可動電極と固定電極によって構成される静電容量センサの静電容量を異なるものとしたが、これに限定されない。光学装置が固定電極と可動電極の組合せを複数備えており、この複数の組合せのうちに、可動ミラーの揺動角に対して電極面の対向面積が互いに異なる組合せが含まれていればよい。例えば、固定電極の大きさや形状を同一とし、可動電極の大きさや形状を相違させてもよい。固定電極と可動電極の両方の電極面積を相違させてもよい。 In the present embodiment, the electrostatic capacity of the electrostatic capacitance sensor constituted by the movable electrode and the fixed electrode is changed by changing the size of the electrode surface of the fixed electrode by making the size and shape of the movable electrode the same. However, the present invention is not limited to this. The optical device includes a plurality of combinations of the fixed electrode and the movable electrode, and it is only necessary that the combination includes a combination in which the opposed areas of the electrode surfaces differ from each other with respect to the swing angle of the movable mirror. For example, the size and shape of the fixed electrode may be the same, and the size and shape of the movable electrode may be different. The electrode areas of both the fixed electrode and the movable electrode may be different.
本実施例においては、固定電極と可動電極とを用いて静電駆動式のアクチュエータによって可動ミラーを揺動させる。図36は、本実施例の光学装置300を示す図である。光学装置300は、基板301と、1対の可撓梁303a、303bと、1対の可撓梁303a、303bによって揺動可能に支持されている可動ミラー302と、ミラー306と、基板301に固定された2対の固定電極304aおよび304bと、可動ミラー302の下面に固定された可動電極305とを備えている。固定電極304aと可動電極305とのA軸方向の距離、および固定電極304bと可動電極305とのA軸方向の距離は、いずれも図36に示すdeleに設定されている。固定電極304a、304bおよび可動電極305の形状、大きさ、設置位置は、図1〜4に示す実施例1に係る光学装置と同様である。
In this embodiment, the movable mirror is swung by an electrostatic drive type actuator using the fixed electrode and the movable electrode. FIG. 36 is a diagram illustrating the
基板301の上表面には、固定電極304aと導通する固定電極用コンタクトパッド321a、固定電極304bと導通する固定電極用コンタクトパッド321b、可動電極305と導通する可動電極用コンタクトパッド322が設けられている。固定電極304aおよび固定電極用コンタクトパッド321aは、固定電極304bおよび固定電極用コンタクトパッド321bと絶縁されている。
On the upper surface of the
本実施例においては、静電駆動式アクチュエータによって可動ミラー302を揺動させる。固定電極用コンタクトパッド321aおよび321bは、駆動信号生成装置に接続されており、可動電極用コンタクトパッド322は、接地されている。駆動信号生成装置によって固定電極304aもしくは304bのいずれか一方に駆動電圧Vを印加する。これによって、固定電極304aもしくは304bと、可動電極305との間に静電力(引力)が生じ、可動ミラー302に作用する。可動ミラー302に静電力が作用することによって、可撓梁303a、303bが捻れ、図36に示すA軸を揺動軸として可動電極305と可動ミラー302が一体となって揺動する。静電力によるトルクTcと、可撓梁303a、303bの弾性によるトルクTbとの釣り合いによって、可動ミラー302の駆動トルクTが得られる。
In this embodiment, the
本実施例のように、固定電極と可動電極の電極面が可動ミラーの揺動軸に垂直になっている静電駆動式のアクチュエータは、固定電極と可動電極の電極面が可動ミラーに平行になっている静電駆動式のアクチュエータ(平行平板型と呼ぶ)と比較して、安定して可動ミラーを駆動させることができる。平行平板型のアクチュエータでは、基板に設けられた固定電極と、可動ミラーに設けられた可動電極との電極間の距離d0は、静止時の可動ミラーと基板との距離Hによって変化する。電極間に作用する静電力は、可動電極と固定電極との距離d0の二乗に反比例する。可動ミラーが揺動すると、電極間の距離d0は小さくなり、可動ミラーを揺動させるための静電力はより大きくなる。可動ミラーの揺動角θが大きくなり過ぎると、可動ミラーが基板に当接してしまう現象(プル・イン:pull-in)が生じ、安定に可動ミラーを揺動させることができない。このため、平行平板型のアクチュエータでは、静止時の可動ミラーと基板との距離Hに対して、電極間距離d0がd0≧2H/3となるように、可動ミラーの揺動角θが制限される。 As in this embodiment, the electrostatically driven actuator in which the electrode surfaces of the fixed electrode and the movable electrode are perpendicular to the swing axis of the movable mirror, the electrode surface of the fixed electrode and the movable electrode are parallel to the movable mirror. Compared with an electrostatically driven actuator (referred to as a parallel plate type), the movable mirror can be driven stably. In the parallel plate type actuator, the distance d 0 between the fixed electrode provided on the substrate and the movable electrode provided on the movable mirror varies depending on the distance H between the movable mirror and the substrate at rest. The electrostatic force acting between the electrodes is inversely proportional to the square of the distance d 0 between the movable electrode and the fixed electrode. When the movable mirror swings, the distance d 0 between the electrodes decreases, and the electrostatic force for swinging the movable mirror increases. When the swing angle θ of the movable mirror becomes too large, a phenomenon (pull-in) occurs in which the movable mirror comes into contact with the substrate, and the movable mirror cannot be stably swung. For this reason, in the parallel plate type actuator, the swing angle θ of the movable mirror is such that the inter-electrode distance d 0 is d 0 ≧ 2H / 3 with respect to the distance H between the movable mirror and the substrate at rest. Limited.
本実施例のように、固定電極と可動電極の電極面が可動ミラーの揺動軸に垂直になっている静電駆動式のアクチュエータでは、可動ミラーが揺動しても固定電極と可動電極との距離は、いずれもdeleであり、変化しない。電極間距離deleを小さくしても、可動ミラーを安定して揺動させることができる。 As in this embodiment, in the electrostatic drive type actuator in which the electrode surfaces of the fixed electrode and the movable electrode are perpendicular to the swing axis of the movable mirror, the fixed electrode and the movable electrode All of the distances are d ele and do not change. Even if the inter-electrode distance d ele is reduced, the movable mirror can be stably swung.
本実施例において、可動ミラー302を安定して揺動させるための条件について次に説明する。可動ミラー302を安定して揺動させるためには、可動ミラー302の揺動角θと、駆動トルクTが、dT/dθ≦0を満たしていればよい。これに対してdT/dθ>0となる条件下で可動ミラー302を揺動させる場合には、可動ミラー302が揺動して揺動角θがΔθだけ大きくなると、駆動トルクTはΔTだけ大きくなる。すなわち、揺動角θが大きくなるほど、駆動トルクTが大きくなって、可動ミラー302はさらに揺動する。その結果、可動ミラー302の揺動角θが大きくなり過ぎて、可動ミラー302が基板に当接してしまう現象(プル・イン:pull-in)が生じ得る。
In the present embodiment, the conditions for stably swinging the
駆動トルクTと揺動角θとの関係について図37を用いて具体的に説明する。図37は、固定電極304aに駆動信号生成装置によって駆動電圧を印加し、可動ミラー302が揺動角θだけ傾斜した状態を示している。揺動角がθになっている時、固定電極304aの電極面と、可動電極305の電極面とは、対向電極面350を得る。対向電極面350の面積をSeとする。
The relationship between the drive torque T and the swing angle θ will be specifically described with reference to FIG. FIG. 37 shows a state in which a drive voltage is applied to the fixed
可撓梁303a、303bの捻りばね定数をk、固定電極304aと可動電極305との電極間距離をdele、電極数(固定電極304aと可動電極305の組合せの数)をn、誘電率をεとし、可動ミラー302を基板301に対して傾ける場合のトルク(図37において、矢印に示す反時計方向に可動ミラー302を動かす場合のトルク)を正とすると、可撓梁の弾性によるトルクTbは、Tb=−kθとなる。また、静電力によるトルクTcは、Tc=(nεV2/(2dele))(dS/dθ)となるから、可動ミラー302の駆動トルクTは、下式のとおりとなる。
The torsion spring constant of the
可動ミラー302が揺動して揺動角がΔθ変化した時に、dT/dθ≦0となる条件下で可動ミラー302を駆動させれば、可動ミラー302を安定に駆動させることができる。式(4)より、d2S/dθ2≦0であれば、電極数nや電極間距離deleの大きさに関わらず、dT/dθ≦0とすることができることがわかる。
When the
式(3)より、可動ミラー302の駆動トルクを大きくするためには、電極数nを大きくし、電極間距離deleを小さくすることが有効であることがわかる。このような場合でも、式(4)に示すように、d2S/dθ2≦0を満たすように固定電極304aと可動電極305との対向面積Sを調整することによって、dT/dθ≦0を満たすようにすることができる。可動ミラー302の揺動角θの広い範囲において安定して揺動させることができる。さらに、本実施例では、固定電極304a、304bと可動電極305が可動ミラー302の下方に設けられている。そのため、可動ミラー302の形状や大きさによって、固定電極304a、304bや可動電極305の設計が制限されにくく、d2S/dθ2≦0を満たすようにそれぞれの電極を設計し易い。
From equation (3), it can be seen that it is effective to increase the number n of electrodes and decrease the inter-electrode distance d ele in order to increase the driving torque of the
上記のとおり、本実施例では、固定電極と可動電極の電極面が可動ミラーの揺動軸に垂直になっている静電駆動式のアクチュエータを用いているため、大きな駆動トルクを得るために固定電極と可動電極との電極間距離を小さくし、電極の設置数を増やしても、可動ミラーを安定して揺動させることができる。駆動トルクを大きくして、可動ミラーの揺動角を大きくしても、安定して可動ミラーを揺動させることができる。 As described above, in this embodiment, since the electrostatic drive actuator in which the electrode surfaces of the fixed electrode and the movable electrode are perpendicular to the swing axis of the movable mirror is used, it is fixed to obtain a large driving torque. Even if the distance between the electrodes and the movable electrode is reduced and the number of electrodes is increased, the movable mirror can be stably swung. Even if the driving torque is increased and the swing angle of the movable mirror is increased, the movable mirror can be stably swung.
さらに、本実施例によれば、揺動軸に垂直な電極面を持つ固定電極と可動電極とを用いて静電力で可動ミラーを揺動させる場合にも、固定電極と可動電極は可動ミラーの下方に設けられているため、可動電極を設ける領域を基板の表面に設ける必要がない。基板面積に対してミラー面積を大きく取ることができ、開口率を大きくすることができる。 Furthermore, according to this embodiment, even when the movable mirror is swung by electrostatic force using the fixed electrode and the movable electrode having the electrode surface perpendicular to the swing axis, the fixed electrode and the movable electrode are Since it is provided below, it is not necessary to provide a region for providing the movable electrode on the surface of the substrate. The mirror area can be made larger than the substrate area, and the aperture ratio can be increased.
静電駆動式のアクチュエータは、磁石等を設ける必要がないため、小型の光学装置のアクチュエータに適している。ミラーの小型化、回路とミラー作成プロセスの整合性、消費電力などの観点から、集積化ミラーアレイに適している。静電駆動式の光学装置では、低い駆動電圧で可動ミラーの大きな揺動角を得ることが求められている。特に、静電駆動式の光学装置を集積化し、DMD(Digital Micromirror Device)等のミラーアレイとする場合には、集積化した駆動回路で印加可能な低い電圧で可動ミラーを揺動させる必要がある。 An electrostatic drive type actuator is suitable for an actuator of a small optical device because it is not necessary to provide a magnet or the like. It is suitable for an integrated mirror array from the viewpoint of miniaturization of the mirror, consistency between the circuit and the mirror creation process, and power consumption. In an electrostatic drive type optical device, it is required to obtain a large swing angle of the movable mirror with a low drive voltage. In particular, when an electrostatic drive type optical device is integrated to form a mirror array such as a DMD (Digital Micromirror Device), it is necessary to swing the movable mirror at a low voltage that can be applied by the integrated drive circuit. .
本実施例によれば、可動電極および固定電極を可動ミラーの下方に設けるため、基板の表面方向について光学装置を小型化することができる。また、固定電極と可動電極の設置数を増やす等によって可動ミラーの駆動トルクを大きくし、可動ミラーの揺動角θを大きくすることと、可動ミラーを安定に揺動させることとを両立させることができるから、同じ駆動電圧に対して大きな駆動トルクを得ることができる。光学装置を小型化しても、可動ミラーを大きく揺動させることができる。 According to the present embodiment, since the movable electrode and the fixed electrode are provided below the movable mirror, the optical device can be reduced in size in the surface direction of the substrate. Also, by increasing the drive torque of the movable mirror by increasing the number of fixed electrodes and movable electrodes installed, etc., it is possible to increase both the swing angle θ of the movable mirror and stably swing the movable mirror. Therefore, a large driving torque can be obtained for the same driving voltage. Even if the optical device is downsized, the movable mirror can be swung greatly.
また、本実施例の光学装置は、レーザ光を走査して画像を投影するラスタースキャン式のプロジェクタ等に好適に用いることができる。このようなプロジェクタ等においては、例えば、レーザ光の走査方向に平行な方向に偏向させる光学装置と、レーザ光の走査方向に垂直な方向に偏向させる光学装置とを用いて、ラスタースキャンを行うことができる。この場合、レーザ光の走査方向に垂直な方向に偏向させる光学装置は、可動ミラーの正確な角度制御が可能であり、かつ非共振駆動を行うアクチュエータを備えていることが望ましい。レーザ光の走査方向に垂直な方向に偏向させる光学装置において可動ミラーの正確な角度制御が不十分な場合、投影された画像が走査方向に垂直な方向に伸びてしまう。 Further, the optical device of this embodiment can be suitably used for a raster scan type projector that projects an image by scanning a laser beam. In such a projector or the like, for example, raster scanning is performed using an optical device that deflects in a direction parallel to the scanning direction of laser light and an optical device that deflects in a direction perpendicular to the scanning direction of laser light. Can do. In this case, the optical device that deflects the laser beam in a direction perpendicular to the scanning direction of the laser beam is preferably provided with an actuator that can accurately control the angle of the movable mirror and that performs non-resonant driving. In an optical device that deflects the laser beam in a direction perpendicular to the scanning direction, when the accurate angle control of the movable mirror is insufficient, the projected image extends in a direction perpendicular to the scanning direction.
非共振駆動式のアクチュエータとしては、静電駆動式や電磁駆動式が挙げられる。静電駆動式は、磁界を発生させるために磁石等を設ける必要のある電磁駆動式と比較して、小型化において有利である。しかしながら、従来の静電駆動式の光学装置においては、揺動角を大きくすると可動ミラーの揺動角の制御性に問題があった。 Examples of the non-resonant drive type actuator include an electrostatic drive type and an electromagnetic drive type. The electrostatic drive type is advantageous in downsizing compared to the electromagnetic drive type in which a magnet or the like needs to be provided in order to generate a magnetic field. However, the conventional electrostatic drive type optical device has a problem in controllability of the swing angle of the movable mirror when the swing angle is increased.
本実施例によれば、可動ミラーの揺動角を大きくしても、安定に可動ミラーを揺動させることのできる制御性の高い静電駆動式の光学装置を提供できる。ラスタースキャン式のプロジェクタ等に用いる光学装置として、小型化に有利な静電駆動式の光学装置を利用できるので、プロジェクタ等の小型化、高性能化に寄与できる。 According to the present embodiment, it is possible to provide an electrostatic drive type optical device with high controllability that can stably swing the movable mirror even if the swing angle of the movable mirror is increased. As an optical device used for a raster scan type projector or the like, an electrostatic drive type optical device that is advantageous for downsizing can be used, which can contribute to downsizing and high performance of the projector.
実施例1の場合と同様に、本実施例に係る固定電極と可動電極の大きさ、形状、設置位置等は、上記に説明した図36に示す実施形態に限定されない。図11と同様に、固定電極は、いずれか一方にのみ設けられていてもよいし、複数の可動電極が設けられていてもよい。また、図12と同様に、複数の可動電極が、ベース部によって一体に形成されていてもよい。 As in the case of the first embodiment, the size, shape, installation position, and the like of the fixed electrode and the movable electrode according to the present embodiment are not limited to the embodiment shown in FIG. 36 described above. Similarly to FIG. 11, the fixed electrode may be provided on only one of them, or a plurality of movable electrodes may be provided. Further, similarly to FIG. 12, a plurality of movable electrodes may be integrally formed by the base portion.
また、図13と同様に、固定電極が、可動ミラーの下方に位置する部分に切欠き部を備えていてもよい。これによって、可動ミラーが固定電極に当接しにくくなり、可動ミラーの揺動可能な角度を大きくすることができる。 Similarly to FIG. 13, the fixed electrode may include a notch in a portion located below the movable mirror. This makes it difficult for the movable mirror to come into contact with the fixed electrode, and the angle at which the movable mirror can swing can be increased.
また、本実施例の光学装置は、実施例1および2に記載した、固定電極と可動電極を用いた揺動角の検出装置をさらに備えていてもよい。実施例に係る光学装置においては、可動電極等を可動ミラーの下方に延ばすことによって、開口率を小さくすることなく電極面積を大きくすることができるから、駆動用の固定電極および可動電極、検出用の固定電極および可動電極を1つの光学装置にそれぞれ別に設けた場合にも、検出装置や静電駆動式アクチュエータの特性を確保するように設計できる。さらに、本実施例の光学装置は、検出装置によって検出される可動ミラーの揺動角に基づいて、駆動電圧発生装置の出力を制御する制御装置を備えていてもよい。 In addition, the optical apparatus according to the present embodiment may further include the swing angle detection device using the fixed electrode and the movable electrode described in the first and second embodiments. In the optical apparatus according to the embodiment, the electrode area can be increased without reducing the aperture ratio by extending the movable electrode or the like below the movable mirror. Even when the fixed electrode and the movable electrode are separately provided in one optical device, the characteristics of the detection device and the electrostatic drive actuator can be ensured. Furthermore, the optical device according to the present embodiment may include a control device that controls the output of the drive voltage generation device based on the swing angle of the movable mirror detected by the detection device.
図38は、本実施例の光学装置400を示す図である。光学装置400は、基板401と、1対の可撓梁403a、403bと、1対の可撓梁403a、403bによって揺動可能に支持されている可動ミラー402と、可動ミラー402に設置されたミラー406と、基板401に固定された2対の固定電極404aおよび404bと、可動ミラー402の下面に固定された可動電極405aおよび405bとを備えている。固定電極404aと固定電極404bは、形状および大きさが同じで、可動ミラー402の揺動軸に垂直な方向について同じ位置に設けられている。可動電極405aと可動電極405bは、形状および大きさが同じで、可動ミラー402の揺動軸に垂直な方向について同じ位置に設けられている。
FIG. 38 is a diagram illustrating an
すなわち、可動ミラー402が揺動角θで揺動した場合に得られる固定電極404aと可動電極405aの対向電極面の面積Sαは、固定電極404bと可動電極405bの対向電極面の面積Sβと同じである。固定電極404aと可動電極405aの電極間の距離、および固定電極404bと可動電極405bの電極間の距離は、いずれもdeleに設定されている。
That is, the area S α of the counter electrode surface of the fixed
可動電極405aと、これに対して設けられた1対の固定電極404aとを第1の組合せとし、可動電極405bと、これに対して設けられた1対の固定電極404bとを第2の組合せとする。第1の組合せによって、静電駆動機構α2が構成される。同様に、第2の組合せによって、静電駆動機構β2が構成される。
The
基板401の上表面には、固定電極404aおよび404bと導通する固定電極用コンタクトパッド421、可動電極405aと導通する可動電極用コンタクトパッド422a、可動電極405bと導通する可動電極用コンタクトパッド422bが設けられている。可動電極405aおよび可動電極用コンタクトパッド422aは、可動電極405bおよび可動電極用コンタクトパッド422bと絶縁されている。
On the upper surface of the
図39に示すように、可動電極用コンタクトパッド422aおよび422bは、スイッチ461、462を介して駆動信号生成装置460に接続されており、固定電極用コンタクトパッド421は、接地されている。静電駆動機構α2(可動電極405aと1対の固定電極404a)と静電駆動機構β2(可動電極405bと1対の固定電極404b)とは、並列に配線されている。
As shown in FIG. 39, the movable
本実施例では、スイッチ461、462を切り替えることによって、可動ミラーの揺動角をステップ状に変えることができる。スイッチ461もしくはスイッチ462のいずれか一方をオンにすると静電駆動機構α2もしくは静電駆動機構β2のいずれか一方に駆動電圧Vを印加することができ、静電力による駆動トルクが生じる。これによって、可動ミラー402と可動電極405a、405bが一体となって、1対の可撓梁403a、403bを揺動軸として揺動する。スイッチ461とスイッチ462を両方ともオンにすると、静電駆動機構α2と静電駆動機構β2の双方に駆動電圧Vを印加することができる。これによって、静電力による駆動トルクはより大きくなり、可動ミラー402の揺動角はより大きくなる。
In this embodiment, by switching the
本実施例によれば、スイッチのオンオフを切り替えることによって、ステップ状に揺動角を制御可能な光学装置を提供することができる。上記の実施例では、固定電極と可動電極とによって構成される静電駆動機構を2組設けたが、3組以上設けてもよい。可動ミラーの揺動角θに対する固定電極と可動電極の対向電極面の面積が互いに異なる静電駆動機構を多数設けてもよい。また、上記の実施例とは逆に、可動電極用コンタクトパッドを1つだけ設けて接地し、固定電極用コンタクトパッドを複数設けて駆動信号生成装置に接続してもよい。 According to the present embodiment, it is possible to provide an optical device capable of controlling the swing angle in a step shape by switching on and off of the switch. In the above-described embodiment, two sets of electrostatic drive mechanisms each including a fixed electrode and a movable electrode are provided, but three or more sets may be provided. A large number of electrostatic drive mechanisms having different areas of the fixed electrode and the counter electrode surface of the movable electrode with respect to the swing angle θ of the movable mirror may be provided. In contrast to the above embodiment, only one movable electrode contact pad may be provided and grounded, and a plurality of fixed electrode contact pads may be provided and connected to the drive signal generating device.
また、可動ミラーの揺動角θに対して、2つの静電駆動機構の固定電極と可動電極の対向電極面の面積が相違していてもよい。これによって、一方の静電駆動機構に駆動電圧Vを印加した場合に生じる静電力によるトルクTcが、他方の静電駆動機構に駆動電圧Vを印加した場合に生じる静電力によるトルクTcよりも大きくなるようにすることができる。この場合、いずれの静電駆動機構に駆動電圧を印加するか選択することによっても、可動ミラーの揺動角をステップ状に変化させることが可能である。 Further, the areas of the fixed electrodes of the two electrostatic drive mechanisms and the counter electrode surfaces of the movable electrodes may be different with respect to the swing angle θ of the movable mirror. As a result, the torque Tc caused by the electrostatic force generated when the drive voltage V is applied to one electrostatic drive mechanism is greater than the torque Tc caused by the electrostatic force generated when the drive voltage V is applied to the other electrostatic drive mechanism. Can also be made larger. In this case, the swing angle of the movable mirror can be changed stepwise by selecting which electrostatic drive mechanism the drive voltage is applied to.
また、可動ミラーの揺動角θに対して、2つの静電駆動機構の固定電極と可動電極の対向電極面の面積を相違させ、2つの静電駆動機構によって生じる静電力によるトルクTcが、互いに逆方向に作用するように固定電極と可動電極を設計することもできる。例えば、第1の固定電極と可動電極の組合せについて、dS/dθ<0となるように各電極を設計すれば、静電力によるトルクTcは、Tc=(nεV2/(2dele))(dS/dθ)であるから、第1の静電駆動機構によって得られるトルクTc1は、Tc1<0となる。第2の固定電極と可動電極の組合せについて、dS/dθ>0となるように各電極を設計すれば、第2の静電駆動機構によって得られるトルクTc2は、Tc2>0となる。第1、第2の静電駆動機構によって生じる静電力によるトルクTc1、Tc2が互いに逆方向に作用するようにすれば、例えば、可動ミラーを揺動させ、基板に対してある揺動角をもって停止させる場合に、可動ミラーが所定の揺動角を維持して停止するまでの時間を短縮することができる。 In addition, the torque T c due to the electrostatic force generated by the two electrostatic drive mechanisms is different by making the areas of the fixed electrodes of the two electrostatic drive mechanisms different from the counter electrode surfaces of the movable electrodes with respect to the swing angle θ of the movable mirror. The fixed electrode and the movable electrode can be designed so as to act in opposite directions. For example, if each electrode is designed so that dS / dθ <0 for the combination of the first fixed electrode and the movable electrode, the torque Tc due to the electrostatic force is Tc = (nεV 2 / (2d ele )) (dS / Dθ), the torque T c1 obtained by the first electrostatic drive mechanism is T c1 <0. If each electrode is designed so that dS / dθ> 0 for the combination of the second fixed electrode and the movable electrode, the torque T c2 obtained by the second electrostatic drive mechanism becomes T c2 > 0. If the torques T c1 and T c2 due to the electrostatic force generated by the first and second electrostatic drive mechanisms act in opposite directions, for example, the movable mirror is swung, and a certain swing angle with respect to the substrate is obtained. In the case where the movable mirror is stopped, the time required for the movable mirror to stop while maintaining a predetermined swing angle can be shortened.
尚、実施例3の場合と同様に、本実施例の光学装置は、実施例1および2に記載した揺動角の検出装置をさらに備えていてもよい。さらに、本実施例の光学装置は、検出装置によって検出される可動ミラーの揺動角に基づいて、駆動電圧生成器の出力を制御する制御装置を備えていてもよい。 As in the case of the third embodiment, the optical apparatus of the present embodiment may further include the swing angle detecting device described in the first and second embodiments. Furthermore, the optical device according to the present embodiment may include a control device that controls the output of the drive voltage generator based on the swing angle of the movable mirror detected by the detection device.
上記の実施例1ないし4において説明したように、本発明に係る実施例によれば、固定電極と可動電極とが可動ミラーの下面側に設けられるため、可動電極を設ける領域を基板の表面に設ける必要がない。基板面積に対してミラー面積を大きく取ることができ、開口率を大きくすることができる。また、固定電極と可動電極とが可動ミラーの下方に設けられているため、従来のように可動ミラーの側面に可動電極を設ける場合と比較して、固定電極と可動電極とを設計する場合に、可動ミラーの形状や大きさ、基板の大きさによって制限を受けにくい。従来と比較して、固定電極と可動電極の設計の自由度が高い。 As described in the first to fourth embodiments, according to the embodiment of the present invention, since the fixed electrode and the movable electrode are provided on the lower surface side of the movable mirror, the region where the movable electrode is provided is provided on the surface of the substrate. There is no need to provide it. The mirror area can be made larger than the substrate area, and the aperture ratio can be increased. In addition, since the fixed electrode and the movable electrode are provided below the movable mirror, the fixed electrode and the movable electrode are designed in comparison with the conventional case where the movable electrode is provided on the side surface of the movable mirror. It is difficult to be limited by the shape and size of the movable mirror and the size of the substrate. Compared to the prior art, the degree of freedom in designing the fixed electrode and the movable electrode is high.
本発明の実施例に係る可動電極と固定電極は、可動ミラーの揺動角を検出する検出装置として利用することができる。この場合、可動ミラーの平面方向のサイズに対して固定電極および可動電極を大きく設計できる。また、可動電極の電極面の面積を大きくするために、可動ミラーの表面に設けるミラーの面積を小さくする必要がない。これによって、検出装置の検出感度を向上させることと、開口率を向上させることを両立することができる。 The movable electrode and the fixed electrode according to the embodiment of the present invention can be used as a detection device that detects the swing angle of the movable mirror. In this case, the fixed electrode and the movable electrode can be designed to be larger than the size of the movable mirror in the planar direction. Further, in order to increase the area of the electrode surface of the movable electrode, it is not necessary to reduce the area of the mirror provided on the surface of the movable mirror. Thereby, it is possible to improve both the detection sensitivity of the detection device and the aperture ratio.
本発明の実施例に係る可動電極と固定電極は、可動ミラーを揺動させるための静電駆動式のアクチュエータとして利用することができる。この場合、可動ミラーを安定して揺動させることと、駆動トルクを大きくして可動ミラーの揺動角を大きくすることとを両立させることができる。可動ミラーのサイズが小さい場合にも、大きな駆動トルクTcを得ることができる。 The movable electrode and the fixed electrode according to the embodiment of the present invention can be used as an electrostatic drive actuator for swinging the movable mirror. In this case, it is possible to achieve both the stable swing of the movable mirror and the increase of the swing angle of the movable mirror by increasing the drive torque. Even when the size of the movable mirror is small, a large driving torque Tc can be obtained.
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
100、200、300、400 光学装置
101、201、301、401 基板
102、202、302、402 可動ミラー
103a、103b、203a、203b、303a、303b、403a、403b 可撓梁
104、104c〜104f、204a、204b、304a、304b、404a、404b 固定電極
105、205a、205b、305、405a、405b 可動電極
106、206、306、406 ミラー
114、114c〜114f 固定電極の電極面
115 可動電極の電極面
117、350 対向電極面
121、221、321a、321b、421 固定電極用コンタクトパッド
122、222a、222b、322、422a、422b 可動電極用コンタクトパッド
123a、123b、223a、223b 駆動コイル用コンタクトパッド
140、240 変換装置
141、241a、241b 容量−電圧変換部
142、242 揺動角演算部
143、243 表示部
151 ベース部
153 切欠き部
161 裏面層
162 中間層
163 表面層
164、166、169 絶縁層
165、168、170 Al層
171 駆動コイル上層
172 駆動コイル下層
173、175、176 レジスト
174 可動電極配線
244 差分器
460 駆動信号生成装置
461、462 スイッチ
100, 200, 300, 400
Claims (7)
可撓梁と、
前記可撓梁によって、前記基板から離反した位置で前記基板に対して揺動可能に支持されている可動ミラーと、
前記可動ミラーの下方となる位置で、前記可動ミラーが揺動する揺動軸と電極面が垂直となるように前記基板上に設けられた固定電極と、
前記揺動軸と電極面が垂直となるように前記可動ミラーの下面に固定された可動電極とを備えており、
前記可動ミラーが前記基板に対して揺動すると、前記固定電極の電極面と前記可動電極の電極面との対向面積が変化することを特徴とする光学装置。 A substrate,
A flexible beam;
A movable mirror supported by the flexible beam so as to be swingable with respect to the substrate at a position away from the substrate;
A fixed electrode provided on the substrate in such a manner that the electrode surface is perpendicular to a swinging axis on which the movable mirror swings at a position below the movable mirror;
A movable electrode fixed to the lower surface of the movable mirror so that the swing axis and the electrode surface are vertical;
When the movable mirror swings with respect to the substrate, the facing area between the electrode surface of the fixed electrode and the electrode surface of the movable electrode changes.
前記可動ミラーは、前記表面層を含んでおり、
前記固定電極は、前記裏面層を含んでおり、
前記可動電極は、前記裏面層を含んでおり、かつ、前記中間層によって前記可動ミラーに固定されていることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 It is integrally formed from a laminate including a conductive surface layer, a conductive back layer, and an insulating intermediate layer provided between the surface layer and the back layer,
The movable mirror includes the surface layer,
The fixed electrode includes the back layer,
The optical device according to claim 1, wherein the movable electrode includes the back surface layer, and is fixed to the movable mirror by the intermediate layer.
前記可動ミラーが前記基板に対して所定の揺動角で揺動する場合に、
前記第1の固定電極と可動電極との組合せによって得られる第1の対向電極面の面積と、前記第2の固定電極と可動電極との組合せによって得られる第2の対向電極面の面積とは、互いに異なること特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の光学装置。 Including a combination of a first fixed electrode and a movable electrode that face each other when the movable mirror swings, and a combination of a second fixed electrode and a movable electrode;
When the movable mirror swings at a predetermined swing angle with respect to the substrate,
The area of the first counter electrode surface obtained by the combination of the first fixed electrode and the movable electrode and the area of the second counter electrode surface obtained by the combination of the second fixed electrode and the movable electrode The optical device according to claim 1, wherein the optical devices are different from each other.
前記表面層に、前記可動ミラーと、前記可撓梁とを形成する第1工程と、
前記裏面層に、前記固定電極と、前記可動電極とを形成する第2工程と、
前記固定電極と前記可動ミラーとの間の中間層を取り除く第3工程とを含むことを特徴とする光学装置の製造方法。 A method for manufacturing an optical device according to claim 2,
A first step of forming the movable mirror and the flexible beam on the surface layer;
A second step of forming the fixed electrode and the movable electrode on the back surface layer;
And a third step of removing an intermediate layer between the fixed electrode and the movable mirror.
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