JP2011039142A - Optical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電力によってミラーを揺動させることによって光ビームの反射方向を変化させる光学装置に関する。 The present invention relates to an optical device that changes a reflection direction of a light beam by swinging a mirror with an electrostatic force.
光ビームを偏向させる光学装置をMEMS技術を利用して製造する技術が開発されている。この種の光学装置は、基板と可撓梁と可動部を備えており、可撓梁によって可動部を基板から離反した位置に支持する。可動部の上面にミラーが設置されており、可動部を基板に対して揺動させることによって、ミラーを所定の角度に傾ける。 A technique for manufacturing an optical device that deflects a light beam by using a MEMS technique has been developed. This type of optical device includes a substrate, a flexible beam, and a movable portion, and supports the movable portion at a position away from the substrate by the flexible beam. A mirror is installed on the upper surface of the movable part, and the mirror is tilted to a predetermined angle by swinging the movable part with respect to the substrate.
この光学装置を静電力で駆動する静電駆動式の光学装置では、導電体で形成した可動部を可動電極として用い、可動電極と対向する位置の基板上に固定電極を設置する。可動電極と固定電極との間に駆動電圧を印加すると、両電極間に静電力が作用する。この静電力によって可動部の一部を基板側(可動部の下方側)に向けて吸引することによって、可動部を揺動させる。この静電力は、可動電極と固定電極との距離の二乗に反比例する。可動電極と固定電極との距離を小さくすることによって、可動部を揺動させるための静電力を大きくすることができる。しかしながら、可動部が大きく揺動した場合に可動部に設置された可動電極と基板に設置された固定電極が接近し過ぎると、可動部が基板側に強く引き寄せられ、可動部と基板が接触してしまう。この現象をプル・イン(pull−in)と呼ぶ。 In an electrostatic drive type optical device that drives this optical device with an electrostatic force, a movable portion formed of a conductor is used as a movable electrode, and a fixed electrode is placed on a substrate at a position facing the movable electrode. When a driving voltage is applied between the movable electrode and the fixed electrode, an electrostatic force acts between the two electrodes. By attracting a part of the movable part toward the substrate side (the lower side of the movable part) by this electrostatic force, the movable part is swung. This electrostatic force is inversely proportional to the square of the distance between the movable electrode and the fixed electrode. By reducing the distance between the movable electrode and the fixed electrode, the electrostatic force for swinging the movable part can be increased. However, when the movable part swings greatly, if the movable electrode installed on the movable part and the fixed electrode installed on the substrate are too close, the movable part is strongly pulled toward the substrate side, and the movable part and the substrate come into contact with each other. End up. This phenomenon is called pull-in.
pull−inを抑制する技術が提案されている。例えば、特許文献1に、基板に固定されているとともに基板から可動部に向けて突出するストッパを用いて、固定電極と可動電極が接触することを防止する技術が開示されている。 A technique for suppressing pull-in has been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a technique for preventing the fixed electrode and the movable electrode from contacting each other using a stopper that is fixed to the substrate and protrudes from the substrate toward the movable portion.
静電駆動式の光学装置では、可動部を揺動させるために可動部に静電引力を作用させると、可動部が揺動するだけでなく、可動部の揺動軸が基板に接近する現象が起こる。この現象を沈み込みという。特許文献1に記載されているように、基板から可動部に向けて突出するストッパが設置されていると、可動部とストッパが当接することによって、固定電極と可動電極が接触しないようにすることはできる。しかし、沈み込みは防止できない。 In an electrostatic drive type optical device, when an electrostatic attractive force is applied to the movable part to swing the movable part, not only the movable part swings but also the swing axis of the movable part approaches the substrate. Happens. This phenomenon is called subduction. As described in Patent Document 1, when a stopper that protrudes from the substrate toward the movable part is installed, the movable part and the stopper are brought into contact with each other so that the fixed electrode and the movable electrode do not come into contact with each other. I can. However, sinking cannot be prevented.
可動部に沈み込みが発生すると、沈み込みの大きさによって基板に対する可動部の傾斜角が変化するために、ミラーを適切な傾斜角に制御することが困難となる。 When the moving part sinks, the tilt angle of the movable part with respect to the substrate changes depending on the size of the sinking, so that it is difficult to control the mirror to an appropriate tilt angle.
本発明では、可動部に設置されたミラーの傾斜角を一定に調整することが可能な技術を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a technique capable of adjusting the tilt angle of a mirror installed in a movable part to be constant.
本発明の光学装置は、基板と、基板に固定されている支持部と、支持部から伸びている可撓梁と、可撓梁によって基板に対して揺動可能に支持されている可動部と、可動部の上方に固定されているミラーと、基板と可動部のうちの一方の部材に固定されているとともに他方の部材に向かって突出している第1突起部および第2突起部と、基板に設けられている固定電極と、可動部に設けられている可動電極とを備えている。この光学装置では、第1突起部が第2突起部よりも、基板に垂直な方向の高さが高く、第1突起部が第2突起部よりも、可動部の揺動軸に近い位置に設置されている。基板に対して可動部が最大傾斜角で傾斜した場合に、第1突起部および第2突起部が、前記した他方の部材(第1突起部と第2突起部が基板から可動部に向けて突出している場合は可動部であり、以下では相手側部材という)に当接する。 An optical device according to the present invention includes a substrate, a support portion fixed to the substrate, a flexible beam extending from the support portion, and a movable portion supported to be swingable with respect to the substrate by the flexible beam. A mirror fixed above the movable portion, a first projection and a second projection fixed to one member of the substrate and the movable portion and projecting toward the other member, and the substrate And a movable electrode provided on the movable part. In this optical device, the first protrusion is higher in the direction perpendicular to the substrate than the second protrusion, and the first protrusion is closer to the swing axis of the movable part than the second protrusion. is set up. When the movable portion is inclined at the maximum inclination angle with respect to the substrate, the first protrusion and the second protrusion are the other members described above (the first protrusion and the second protrusion are directed from the substrate toward the movable portion. When it protrudes, it is a movable part, and it contacts with the other party member below.
上記の光学装置は、基板と可動部のうちの一方の部材に固定されているとともに他方の部材に向かって突出している第1突起部および第2突起部を備えている。基板に対して可動部が傾斜した場合、揺動軸に近い側では基板の上面と可動部の下面との距離が相対的に大きく、揺動軸から遠い側では前記した距離が相対的に小さくなる。これに対応するために、上記の光学装置では、揺動軸に近い側に相対的に高い第1突起部が設置されており、揺動軸から遠い側に相対的に低い第2突起部が設置されている。このため、基板に対して可動部が傾斜した場合に、第1突起部と第2突起部の双方が、相手側部材に当接する関係を得ることができる。例えば、第1突起部と第2突起部が基板に設置されている場合には、第1突起部と第2突起部の双方が可動部に当接するようにできる。また、第1突起部と第2突起部が可動部に設置されている場合には、第1突起部と第2突起部の双方が基板に当接するようにできる。上記の光学装置では、第1突起部と第2突起部の双方が相手側部材に当接することによって、基板に対して可動部が最大に傾斜した最大傾斜角が規制される。 The optical device includes a first protrusion and a second protrusion that are fixed to one member of the substrate and the movable portion and protrude toward the other member. When the movable part is inclined with respect to the substrate, the distance between the upper surface of the substrate and the lower surface of the movable part is relatively large on the side closer to the swing axis, and the distance is relatively small on the side far from the swing axis. Become. In order to cope with this, in the above optical device, a relatively high first protrusion is provided on the side closer to the swing axis, and a relatively low second protrusion on the side far from the swing axis. is set up. For this reason, when a movable part inclines with respect to a board | substrate, the relationship which both a 1st projection part and a 2nd projection part contact | abut on the other party member can be acquired. For example, when the first protrusion and the second protrusion are installed on the substrate, both the first protrusion and the second protrusion can be brought into contact with the movable portion. Further, when the first protrusion and the second protrusion are installed on the movable part, both the first protrusion and the second protrusion can be brought into contact with the substrate. In the optical device described above, the maximum inclination angle at which the movable portion is inclined to the maximum with respect to the substrate is regulated by the first protrusion and the second protrusion being in contact with the counterpart member.
本発明によれば、第1突起部と第2突起部の双方が相手側部材に当接することによって可動部の傾斜角を最大傾斜角に調整することができる。固定電極と可動電極との間に作用する静電力によって、可動部の全体が基板に向かって沈み込もうとしても、第1突起部と第2突起部によって、可動部に設置されたミラーの傾斜角が常に一定の傾斜角に調整される。沈み込みの発生を抑制するために可撓梁の剛性を高く維持する必要がないために、可撓梁の剛性を可能な限り低くし、低い駆動電圧で可動部を揺動させるようにすることが可能となる。 According to the present invention, the inclination angle of the movable part can be adjusted to the maximum inclination angle by both the first protrusion and the second protrusion being in contact with the mating member. Even if the entire movable portion is about to sink toward the substrate due to the electrostatic force acting between the fixed electrode and the movable electrode, the tilt of the mirror installed on the movable portion is caused by the first protrusion and the second protrusion. The angle is always adjusted to a constant tilt angle. Since it is not necessary to maintain the rigidity of the flexible beam high in order to suppress the occurrence of sinking, the rigidity of the flexible beam should be as low as possible and the movable part can be swung with a low driving voltage. Is possible.
上記の光学装置では、前記した揺動軸に沿う方向から観測したときに、固定電極と可動電極が、第1突起部と第2突起部の間にある位置で対向していることが好ましい。この場合、第1突起部と第2突起部の間で静電力が作用するため、第1突起部と第2突起部の双方を相手側部材に安定的に当接させることができる。 In the optical device described above, it is preferable that the fixed electrode and the movable electrode face each other at a position between the first protrusion and the second protrusion when observed from the direction along the swing axis. In this case, since the electrostatic force acts between the first protrusion and the second protrusion, both the first protrusion and the second protrusion can be stably brought into contact with the counterpart member.
上記の光学装置では、相手側部材が第1突起部と第2突起部に接触したときに、可撓梁が可動部を撓ませない剛性を備えていることが好ましい。
上記の光学装置では、可動部が、第1突起部と第2突起部と可撓梁によって3点支持された状態で最大傾斜角に調整される。可動部が3点支持された場合、その3点の位置関係では、可動部が変形してしまうことがありえる。可撓梁が十分にしなやかであれば、可動部が第1突起部と第2突起部によって2点支持された状態で最大傾斜角に調整される関係を得ることができる。相手側部材が第1突起部と第2突起部に接触したときに、可撓梁が可動部を撓ませない剛性(十分にしなやかな剛性)を備えていれば、可動部が第1突起部と第2突起部によって2点支持された状態で最大傾斜角に調整される関係を得ることができる。
In the above optical device, it is preferable that the flexible beam has rigidity that does not bend the movable portion when the counterpart member contacts the first protrusion and the second protrusion.
In the above optical apparatus, the movable portion is adjusted to the maximum inclination angle in a state where the movable portion is supported at three points by the first protrusion, the second protrusion, and the flexible beam. When the movable part is supported at three points, the movable part may be deformed in the positional relationship of the three points. If the flexible beam is sufficiently flexible, a relationship in which the movable portion is adjusted to the maximum inclination angle in a state where the movable portion is supported at two points by the first protrusion and the second protrusion can be obtained. When the counterpart member contacts the first protrusion and the second protrusion, if the flexible beam has rigidity (sufficiently flexible rigidity) that does not bend the movable part, the movable part is the first protrusion. And the relationship adjusted to the maximum inclination angle can be obtained in a state where two points are supported by the second protrusion.
上記の光学装置では、第1突起部と第2突起部が、固定電極と可動部を当接させない位置に設置されていることが好ましい。このような構成によれば、第1突起部と第2突起部によって、pull−inの発生を防ぐことができる。 In the above optical device, it is preferable that the first protrusion and the second protrusion are installed at a position where the fixed electrode and the movable part do not contact each other. According to such a configuration, the occurrence of pull-in can be prevented by the first protrusion and the second protrusion.
上記の光学装置では、可動部を、駆動部と接続部とミラー設置部で構成することができる。駆動部は、可撓梁によって基板に対して揺動可能に支持されており、可動電極が設置されている。接続部は、駆動部の上方に固定されている。ミラー設置部は、接続部に固定され、駆動部の上方に位置しており、その上面にミラーが固定されている。第1突起部と第2突起部は、基板の上面に固定されていてもよい。
この構造の光学装置は、広いミラー面積を得ることができる。また、支持部と可撓梁と駆動部を形成する工程と同じ工程で、第1突起部と第2突起部を形成することができる。
In the above optical device, the movable part can be configured by a drive part, a connection part, and a mirror installation part. The drive unit is supported by a flexible beam so as to be swingable with respect to the substrate, and a movable electrode is provided. The connecting part is fixed above the driving part. The mirror installation part is fixed to the connection part, is located above the drive part, and the mirror is fixed to the upper surface thereof. The first protrusion and the second protrusion may be fixed to the upper surface of the substrate.
The optical device having this structure can obtain a wide mirror area. Further, the first protrusion and the second protrusion can be formed in the same process as the process of forming the support part, the flexible beam, and the drive part.
この光学装置は、固定電極を形成する第1工程と、支持部と、可撓梁と、可動電極を含む駆動部と、第1突起部と、第2突起部と、第1犠牲層とを形成する第2工程と、接続部と、ミラー設置部と、ミラーと、第2犠牲層とを形成する第3工程と、第1犠牲層および第2犠牲層を除去する第4工程とを備える製造方法によって製造することができる。 The optical device includes a first step of forming a fixed electrode, a support unit, a flexible beam, a drive unit including a movable electrode, a first projection unit, a second projection unit, and a first sacrificial layer. A second step of forming, a third step of forming a connection portion, a mirror installation portion, a mirror, and a second sacrificial layer; and a fourth step of removing the first sacrificial layer and the second sacrificial layer. It can be manufactured by a manufacturing method.
本発明によれば、第1突起部と第2突起部によって可動部の最大傾斜角が常に一定角に管理される。可動部の沈み込みを防止する必要がなく、可撓梁の剛性を低くし、より低い駆動電圧で可動部を揺動させることが可能となる。 According to the present invention, the maximum inclination angle of the movable portion is always managed at a constant angle by the first protrusion and the second protrusion. There is no need to prevent the movable part from sinking, the rigidity of the flexible beam is lowered, and the movable part can be swung with a lower driving voltage.
本発明に係る好ましい実施形態は、例えば、下記に列挙する特徴を備えた実施例によって具現化される。
(特徴1)駆動部と接続部とミラー設置部は実質的に剛体であり、全体として一体に揺動する。すなわち、可動部は実質的に剛体であり、全体として一体に揺動する。
Preferred embodiments according to the present invention are embodied, for example, by examples having the characteristics listed below.
(Characteristic 1) The drive unit, the connection unit, and the mirror installation unit are substantially rigid bodies, and swing as a whole as a whole. That is, the movable part is substantially rigid and swings integrally as a whole.
図1は、実施例1の光学装置100の斜視図である。 図1に示すように、光学装置100は、基板101と、基板101上に形成されており、基板101上に固定されている1対の支持体102a,102bと、1対の支持体102a,102bから伸びている1対の可撓梁104a,104bと、1対の可撓梁104a,104bによって支持されている可動部103と、可動部103の上面に固定されているミラー105とを備えている。
図3は、図1のIII−III線断面図である。図3に示すように、可動部103は、駆動部107と、接続部108と、ミラー設置部109を備えている。ミラー設置部109の上面にミラー105が固定されている。
図2は、図1からミラー設置部109とミラー105を除去した状態の斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view of the
3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. As shown in FIG. 3, the
FIG. 2 is a perspective view showing a state in which the
図1に示すように、支持体102a,102bと可撓梁104a,104bとの接続点を結ぶ線をx軸とし、基板101に平行な面内でx軸に直交しており、支持体102a,102bと可撓梁104a,104bとの接続点を結ぶ線分の中点を通過する方向をy軸とし、xy平面に直交する方向をz軸とした場合に、可動部103の一部にz軸方向の力を作用させると、可動部103はx軸を揺動軸として基板101に対して揺動する。尚、図2、図3においては、上記と同様にx,y,z軸が設定されるが、その記載を省略している。
As shown in FIG. 1, the line connecting the connection points of the
可動部103は、駆動部107と、駆動部107の上方に固定されている接続部108と、接続部108の上方に固定されているミラー設置部109とを備えている。
1対の可撓梁104a,104bは、1対の支持体102a,102bの上端と可動部103を構成する駆動部107とを接続している。1対の可撓梁104a,104bと、駆動部107は、基板101から離反した高さに支持されている。図2に示すように、1対の可撓梁104a,104bは、剛性を低くするために、多数回に亘って折り返されており、その全長が長く形成されており、比較的容易に捩れる。細くて長いために捩れやすい可動梁となっている。
The
The pair of
駆動部107と接続部108とミラー設置部109の各部と、それらを相互に接続する接続箇所は、可撓梁104a,104bに比して著しく剛性が高い。駆動部107と接続部108とミラー設置部109の相対的変位角は、可撓梁104a,104bの捩れ角に対して著しく小さい。可動部103は実質的に剛体であり、可撓梁104a,104bが捩れることによって駆動部107が傾斜すれば、ミラー設置部109およびこれに固定されているミラー105も同一角度だけ傾斜する。
Each part of the
図4は、光学装置100の駆動部107より下方の構成を平面視する図である。図2、図4に示すように、第1突起部151a,151b,151c,151dと、第2突起部152a,152b,152c,152dとが、基板101および支持体102a,102bに固定されている。第1突起部151a〜151dと第2突起部152a〜152dは、ミラー設置部109に向かって突出している。第1突起部151a〜151dは、同じ高さ(基板101に垂直な方向の距離であり、図1に示すz軸方向の距離に等しい)であり、第2突起部152a〜152dは、同じ高さである。第1突起部151a〜151dは、第2突起部152a〜152dよりも高さが高くなっている。尚、本実施例では、第1突起部151a〜151dの高さは、基板101の上面に対する駆動部107の上面の高さに等しく、第2突起部152a〜152dの高さは、基板101の上面に対する駆動部107の下面の高さよりやや高くなっている。
FIG. 4 is a plan view of the configuration below the
図4等に示すように、第1突起部151a〜151dは、第2突起部152a〜152dよりも、x軸に近い位置に設置されている。すなわち、第1突起部151a〜151dは、第2突起部152a〜152dよりも、可動部103の揺動軸に近い位置に設置されている。第1突起部151aと第1突起部151c、第1突起部151bと第1突起部151dは、x軸について対称となる位置に設置されている。また、第1突起部151aと第1突起部151b、第1突起部151cと第1突起部151dは、y軸について対称となる位置に設置されている。同様に、第2突起部152aと第2突起部152c、第2突起部152bと第2突起部152dは、x軸について対称となる位置に設置されており、第2突起部152aと第2突起部152b、第2突起部152cと第2突起部152dは、y軸について対称となる位置に設置されている。
As illustrated in FIG. 4 and the like, the
駆動部107のx軸、y軸方向の長さはミラー設置部109のx軸、y軸方向の長さよりも短い。図4に示すように、駆動部107を上面視すると、H形状となっている。図2、図4に示すように、第1突起部151a〜151dと第2突起部152a〜152dは、駆動部107の側方に位置しており、第1突起部151a〜151dと第2突起部152a〜152dが駆動部107に当接して、駆動部107の揺動を規制することはない。これに対して、図1に示すように、ミラー設置部109は、第1突起部151a〜151dと第2突起部152a〜152dの上方にまで伸びている。
The length of the
図1においてA−A’線で示す断面で観測すると、ミラー設置部109の下方に第1突起部151a,151cと第2突起部152a,152cが存在し、駆動部107は存在しない。図1においてB−B’線で示す断面で観測すると、ミラー設置部109の下方に駆動部107が存在し、第1突起部151a,151cと第2突起部152a,152cは存在しない。
When observed in the cross section indicated by the line A-A ′ in FIG. 1, the
光学装置100は、静電駆動式であり、駆動部107自体が導体であって可動電極として機能する。駆動部107に対向する位置の基板101上に、1対の固定電極122a,122bが固定されている。図4に示すように、固定電極122aは、第1突起部151a,151bよりもx軸から遠く、第2突起部152a,152bよりもx軸に近い位置に設置されている。固定電極122bは、第1突起部151c,151dよりもx軸から遠く、第2突起部152c,152dよりもx軸に近い位置に設置されている。すなわち、可動部103の揺動軸(x軸)に沿って観察すると、可動電極として機能する駆動部107と固定電極122aは、第1突起部151a,151bと第2突起部152a,152bの間となる位置で対向しており、可動電極として機能する駆動部107と固定電極122bは、第1突起部151c,151dと第2突起部152c,152dの間となる位置で対向している。
The
例えば、可動電極を接地し、駆動信号生成器(図示しない)を用いて、固定電極122aに駆動電圧を印加すると、接地されている可動電極と固定電極122aとの間に静電引力が発生し、固定電極122aに対向する位置の駆動部107が基板101側に吸引される。固定電極122bに駆動電圧を印加すると、接地されている可動電極と固定電極122bとの間に静電引力が発生し、固定電極122bに対向する位置の駆動部107が基板101側に吸引される。可撓梁104a,104bは剛性が低く、低い駆動電圧で、駆動部107をx軸の周りに揺動させることができる。これによって、駆動部107ひいては可動部103を、図1に示すx軸を中心に揺動させることができる。
For example, when a movable electrode is grounded and a drive voltage is applied to the fixed
図5は、光学装置100の図3に示す断面を模式的に示したものであり、可動部103がx軸を揺動軸として揺動し、第1突起部151aと第2突起部152aがミラー設置部109の裏面に当接した状態を示している。
FIG. 5 schematically shows a cross section of the
光学装置100では、固定電極122aは、第1突起部151a,151bよりも揺動軸から遠く、第2突起部152a,152bよりも揺動軸に近い位置に設置されている。固定電極122aと可動電極との間に駆動電圧を印加すると、図5に示すように、第1突起部151aと第2突起部152aの間の可動部103に、基板101に向けて吸引する静電力が作用する。
In the
図6は、第1突起部151aおよび第2突起部152aが、ミラー設置部109と当接する部分を拡大した図である。図6に示すように、ミラー設置部109が第1突起部151aおよび第2突起部152aに当接する場合、ミラー設置部109は基板101に対して角度θで傾斜する。本実施例に係る光学装置100では、角度θが可動部103の最大傾斜角となる。第1突起部151a〜151dおよび第2突起部152a〜152dの高さおよび位置を調整することによって、可動部103の最大傾斜角θを必要な角度に調整することができる。これによって、可動部103に固定されたミラー105の最大傾斜角θを必要な角度に調整することができる。
FIG. 6 is an enlarged view of a portion where the
可動部103に静電力が作用した結果、可動部103の全体が基板101に向かって接近し、沈み込みが発生する場合がある。例えば、図5に示す方向に可動部103を傾ける場合に、沈み込みが発生すると、まず、ミラー設置部109の裏面は、第1突起部151a,151bに当接する。その後、可動部103は、第1突起部151a,151bに下方から支持された状態で、さらに傾斜する。可動部103は、ミラー設置部109が第2突起部152a,152bに当接するまで、傾斜角を大きくすることができる。本実施例に係る光学装置100では、可動部103の沈み込みが発生した場合であっても、ミラー設置部109の裏面が、第1突起部151a,151bおよび第2突起部152a,152bに当接するまで可動部103を傾けることによって、可動部103の傾斜角を最大傾斜角に調整することができる。可動部103の沈み込みの大きさに関わらず、可動部103の傾斜角を最大傾斜角θに調整することが可能となる。
As a result of the electrostatic force acting on the
尚、光学装置100では、1対の可撓梁104a,104bが、剛性を低くするために細長く形成されており、容易に捩れる。従って、第1突起部151a,151bとミラー設置部109が当接した状態で、さらに、可動部103を基板101に引き付ける力を作用させても、ミラー設置部109が撓んで変形することがない。1対の可撓梁104a,104bが変形するために、ミラー設置部109は平面を維持する。また、図5に示すように、可動部103が最大傾斜角に傾斜した場合であっても、駆動部107が基板101に当接することがない位置に、第1突起部151a〜151d、第2突起部152a〜152dは設置されている。すなわち、第1突起部151a〜151d、第2突起部152a〜152dによって、光学装置100においてpull−in現象が発生することが防止される。
In the
上記のとおり、光学装置100では、可動電極として機能する駆動部107と、基板101に設置された固定電極122aとの間に駆動電圧を印加し、可動部103が基板101に対して傾斜して、第1突起部151a,151bおよび第2突起部152a,152bが、可動部103のミラー設置部109の裏面に当接すると、可動部103は基板101に対して最大傾斜角θで傾斜した状態となる。第1突起部151a,151bおよび第2突起部152a,152bに当接するまで、可動部103を基板101に向かって引き付ける静電力を作用させることによって、可動部103の沈み込みの大きさに関わらず、可動部103の基板101に対する傾斜角を最大傾斜角θに調整することができる。同様に、駆動部107と固定電極122bとの間に駆動電圧を印加し、図5と逆方向に可動部103を傾ける場合にも、第1突起部151c,151dおよび第2突起部152c、152dが、可動部103のミラー設置部109の裏面に当接するまで可動部103に静電力を作用させることによって、可動部103の沈み込みの大きさに関わらず、可動部103の基板101に対する傾斜角を最大傾斜角θに調整することができる。本実施例によれば、沈み込みの発生を抑制するために可撓梁の剛性を高く維持する必要がないために、可撓梁の剛性を可能な限り低くし、低い駆動電圧で可動部を揺動させるようにすることが可能となる。
As described above, in the
次に、光学装置100の製造方法について、図7〜図26を用いて説明する。図7〜図17は、光学装置100を図1のA−A’線で切断した断面を模式的に示すものであり、図17に示すように、基板101、第1突起部151a,151c、第2突起部152a,152c、ミラー設置部109、ミラー105、固定電極122a,122b、可撓梁104aを含む断面を示している。図1のA−A’線で切断した断面では、可動電極として機能する駆動部107は存在しない。
図18〜図26は、光学装置100を図1のIII−III線で切断した断面を模式的に示すものであり、図26に示すように、基板101、固定電極122a,122b、可動電極として機能する駆動部107、接続部108、ミラー設置部109、ミラー105を含む断面を示している。図1のIII−III線で切断した断面では、第1突起部151a〜151dと第2突起部152a〜152dは観測されない。また、可撓梁104a,104bも観測されない。
図10と図18、図11と図19、図12と図20、図13と図21、図14と図22、図15と図24、図16と図25、図17と図26は、製造工程における同一タイミングでの断面図を示している。
Next, a method for manufacturing the
18 to 26 schematically show a cross section of the
FIGS. 10 and 18, FIGS. 11 and 19, FIGS. 12 and 20, FIGS. 13 and 21, FIGS. 14 and 22, FIGS. 15 and 24, FIGS. 16 and 25, FIGS. Sectional drawing in the same timing in a process is shown.
(第1工程)
第1工程では、固定電極122a,122bとなる層を形成する。第1工程および第2工程については、図7〜図13、図18〜図21を用いて説明する。まず、材料基板701として、例えば単結晶シリコンから成る基板を準備する。次に、図7に示すように、熱酸化等を行い、材料基板701の表面に酸化膜から成る絶縁層702を形成する。次に絶縁層702の表面に、多結晶シリコン層703を形成する。その後、図8に示すように、フォトエッチング(フォトリソグラフィーからRIE等のエッチングまでの一連の処理を意味する)を行い、多結晶シリコン層703をパターニングする。多結晶シリコン層703は、光学装置100の固定電極122a,122bの形状および大きさに応じてパターニングされる。さらに熱酸化を行い、多結晶シリコン層703の表面に絶縁層704を形成する。これによって、図8に示す積層体を得ることができる。
(First step)
In the first step, a layer to be the fixed
(第2工程)
次に、第2工程を行う。第2工程では、支持部102a,102bと、可撓梁104a、104bと、駆動部107と、第1突起部151a〜151dと、第2突起部152a〜152dを形成する。第2工程の前半では、支持部102a,102bの下部と、第1突起部151a〜151dの下部と、第2突起部152a〜152dと、第1犠牲層となる層を形成する。まず、図9に示すように、絶縁層702,704の表面に多結晶シリコン層705を形成した後、フォトエッチングを行い、多結晶シリコン層705をパターニングする。多結晶シリコン層705は、第1犠牲層として形成されるとともに、その一部分が、支持部102a,102bの下部と、第1突起部151a〜151dの下部と、第2突起部152a〜152dの形成に用いられる。多結晶シリコン層705は、光学装置100の支持部102a,102bと、第1突起部151a〜151dと、第2突起部152a〜152dの形状および大きさに応じてパターニングされる。次に、熱酸化等によって多結晶シリコン層705の表面に絶縁層706を形成する。これによって、図10に示す積層体を得ることができる。図10と同一タイミングにおける図1のIII―III線で切断した断面を図18に示す。図18は、図3に示した断面と同一面での切断面を示している。尚、図3では、光学装置100の各構成を形成する層については、図示を省略している。以降の工程については、同一タイミングにおける図1のA−A’線で切断した断面を示す図とIII−III線で切断した断面を示す図とを参照しながら説明する。
(Second step)
Next, the second step is performed. In the second step, the
次に、第2工程の後半を行う。第2工程の後半では、支持部102a,102bの上部と、可撓梁104a、104bと、駆動部107と、第1突起部151a〜151dの上部を形成する。まず、図11、図19に示すように、絶縁層706の表面に多結晶シリコン層707を形成し、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等によって多結晶シリコン層707の表面を平坦化した後、フォトエッチングを行い、多結晶シリコン層707をパターニングする。多結晶シリコン層707のうち、最表面に露出する部分は、支持部102a,102bと、可撓梁104a,104bと、駆動部107と、第1突起部151a〜151dの形状および大きさに応じてパターニングされる。次に、熱酸化等によって、多結晶シリコン層707の表面に絶縁層708を形成する。これによって、図12、図20に示す積層体を得ることができる。
Next, the second half of the second step is performed. In the second half of the second step, the upper portions of the
次に、絶縁層706の一部をフォトエッチングによって取り除いて、図13、図21に示すように、多結晶シリコン層705、707を一部露出させる。図13、図21において、絶縁層706、708と、これによって囲まれた多結晶シリコン層705、707が、光学装置100の支持部102a,102b、可撓梁104a,104b、駆動部107、第1突起部151a〜151d、第2突起部152a〜152dを構成する層となる。図21に示すように、駆動部107となる部分の上面を被覆する絶縁層708の一部が取り除かれ、駆動部107となる多結晶シリコン層707の一部が露出する。
Next, a part of the insulating
上記のとおり、第2工程においては、第1犠牲層と、支持部102a,102bと、可撓梁104a,104bと、駆動部107と、第1突起部151a〜151dと、第2突起部152a〜152dとなる層が形成される。本実施例に係る光学装置100では、第1突起部151a〜151dの最上部の絶縁層は、駆動部107の上面の絶縁層と高さが等しく、第2突起部152a〜152dの最上部の絶縁層は、駆動部107の下面の絶縁層と高さが等しい。このため、第1突起部151a〜151dと第2突起部152a〜152dを、第2工程を利用して製造することができる。本実施例に係る光学装置100は、第1突起部151a〜151dと第2突起部152a〜152dとを製造するための工程を追加する必要が無い。
As described above, in the second step, the first sacrificial layer, the
(第3工程)
第3工程では、光学装置100の接続部108と、第2犠牲層と、ミラー設置部109と、ミラー105を形成する。第3工程は、図14〜16、図22〜図25を用いて説明する。まず、図13、図21の状態の積層体の表面に、図14、図22に示すように、多結晶シリコン層709を形成し、CMP等によって多結晶シリコン層709の表面を平坦化する。
(Third step)
In the third step, the
多結晶シリコン層709は、第2犠牲層として形成されるとともに、その一部分が、接続部108の形成に用いられる。図22に示すように、多結晶シリコン層709に対してフォトエッチングを行い、多結晶シリコン層709をパターニングする。その後、熱酸化等を行い、多結晶シリコン層709の表面に、酸化膜から成る絶縁層710を形成する。さらに、多結晶シリコン層709のうち、接続部108の形成に用いられる部分の上部を被覆する絶縁層710の一部をフォトエッチングによって除去する。これによって、図23に示す積層体を得ることができる。
The
次に、図24に示すように、多結晶シリコン層709および絶縁層710の表面に多結晶シリコン層711を形成する。その後、フォトエッチングを行い、多結晶シリコン層711をパターニングする。多結晶シリコン層711は、光学装置100のミラー設置部109の形状および大きさに応じてパターニングされる。さらに、熱酸化等によって、多結晶シリコン層711の表面に絶縁層712を形成した後、スパッタリング等の方法でAl等の金属を材料として金属層713を形成する。フォトエッチングを行い、金属層713をミラー105の形状および大きさにパターニングする。これによって、図24に示す積層体を得ることができる。図24の状態の積層体を、図14等に示す断面で見ると、図15のようになる。
Next, as shown in FIG. 24, a
次に、図16、図25に示すように、絶縁層710に対してフォトエッチングを行い、多結晶シリコン層709を一部露出させる。絶縁層710、712によって囲まれた多結晶シリコン層711が、光学装置100のミラー設置部109となる。
Next, as shown in FIGS. 16 and 25, the insulating
(第4工程)
第4工程では、第1犠牲層、第2犠牲層を除去する。図16、図25に示す状態の積層体に対して、XeF2ガスによる等方性エッチング等を行うと、多結晶シリコン層705、709のうち、絶縁層に囲まれていない部分が除去される。すなわち、第1犠牲層、第2犠牲層が除去される。これによって、図17、図26に示す光学装置100を製造することができる。図17、図26に示すように、第1突起部151a〜151dの最上層は、駆動部107の最上層と同じ絶縁層708である。従って、第1突起部151a〜151dの高さは、基板101の上面に対する駆動部107の上面の高さに等しくなる。また、第2突起部152a〜152dの最上層は、駆動部107の最下層と同じ絶縁層706である。
(4th process)
In the fourth step, the first sacrificial layer and the second sacrificial layer are removed. When the stacked body in the state shown in FIGS. 16 and 25 is subjected to isotropic etching or the like using XeF 2 gas, portions of the polycrystalline silicon layers 705 and 709 that are not surrounded by the insulating layer are removed. . That is, the first sacrificial layer and the second sacrificial layer are removed. Thus, the
上記の製造方法によれば、第1突起部151a〜151dおよび第2突起部152a〜152dを、支持部102a,102bと、可撓梁104a,104bと、駆動部107を形成する第2工程において、同時に形成することができる。従来の製造工程を大幅に変更する必要がないため、製造工程での手間やコスト、時間を大幅に増大させることなく、第1突起部151a〜151dおよび第2突起部152a〜152dを備えた光学装置10を製造することが可能である。尚、上記の製造方法においては、材料基板701として単結晶シリコン基板を用いる製造方法を例示して説明したが、これに限定されない。
According to the above manufacturing method, in the second step of forming the
(変形例1)
第1突起部と第2突起部の形状、大きさ、設置位置は、上記の実施例において説明したものに限定されない。例えば、図27に示すように、第2突起部がx軸方向の中央部に設置されていてもよい。図27では、2つの第2突起部252a,252cが、駆動部207のx軸方向の中央部に設置されている。駆動部207は、第2突起部252a,252cの形状に沿って、その周囲が切り取られた切欠き部270a,270cを備えている。図27に示すその他の構成は、図2と同様であるため、図2の100番台を200番台に読み替えるものとし、その詳細な説明を省略する。尚、図27においては、図1に記載されたx,y,z軸と同様にx,y,z軸が設定されるが、その記載を省略している。実施例1と同様に、第1突起部251a〜251d、第2突起部252a,252cは、これらにミラー設置部209の裏面が当接するまで可動部203が傾斜すると、可動部203が基板201に対して最大傾斜角となるように、その形状、大きさ、設置位置が調整されている。すなわち、変形例1によれば、可動部203の沈み込みの大きさに関わらず、可動部203の基板201に対する傾斜角を最大傾斜角θに調整することができる。
(Modification 1)
The shape, size, and installation position of the first protrusion and the second protrusion are not limited to those described in the above embodiments. For example, as shown in FIG. 27, the second protrusion may be provided at the center in the x-axis direction. In FIG. 27, two
さらに、変形例1に係る構成によれば、可動部203が基板201に対して揺動し、駆動部207が第2突起部252a,252cの上面よりも基板201側に近づいた場合に、駆動部207の切欠き部270aもしくは切欠き部270cに第2突起部252aもしくは第2突起部252cが入り込む。この状態で、駆動部207がxy平面内で移動しようとしても、駆動部207の切欠き部270aもしくは切欠き部270cが第2突起部252aもしくは第2突起部252cに当接し、それ以上に移動することが抑制される。すなわち、図27に示す変形例によれば、可動部203が揺動する場合に、可動部203がxy平面内で横滑りすることを抑制するという効果を得ることもできる。
Furthermore, according to the configuration according to the modification 1, the driving is performed when the movable unit 203 swings with respect to the
(変形例2)
上記の実施例においては、第1突起部と第2突起部が基板に固定されており、可動部に向けて延びている。これに代えて、第1突起部、第2突起部が可動部側に固定されており、基板に向かって延びるものであってもよい。例えば、図28に示すように、第1突起部351a,351cおよび第2突起部352a,352cが、いずれもミラー設置部309の下面に固定されており、基板301に向かって延びていてもよい。尚、図28に示すその他の構成は、図5と同様であるため、図5の100番台を300番台に読み替えるものとし、その詳細な説明を省略する。
(Modification 2)
In the above embodiment, the first protrusion and the second protrusion are fixed to the substrate and extend toward the movable part. Instead of this, the first protrusion and the second protrusion may be fixed to the movable part and may extend toward the substrate. For example, as shown in FIG. 28, the
この場合も、実施例1と同様に、第1突起部および第2突起部が基板301に当接するまで可動部303が傾斜すると、可動部303が基板301に対して最大傾斜角となるように傾斜する。第1突起部と第2突起部の形状、大きさ、設置位置を調整することで、最大傾斜角を任意の角度に調整することができる。例えば、図29に示すように、可動部303が基板301に対して揺動し、第1突起部351aおよび第2突起部352aが基板301の表面に当接するまで可動部303が傾斜した状態となると、可動部303が基板301に対して最大傾斜角となるように、第1突起部351aおよび第2突起部352aの形状、大きさ、設置位置が調整されている。可動部303が図29に示す場合とは逆方向に傾斜した場合には、第1突起部351cおよび第2突起部352cが基板301に当接するまで可動部303が傾斜した状態となると、可動部303が基板301に対して最大傾斜角となるように、第1突起部351cおよび第2突起部352cの形状、大きさ、設置位置が調整されている。変形例2によっても、可動部303の沈み込みの大きさに関わらず、可動部303の基板301に対する傾斜角を最大傾斜角θに調整することができる。
Also in this case, as in the first embodiment, when the
上記の実施例および変形例においては、第1突起部および第2突起部が、ミラー設置部の裏面に当接するように設計されていたが、駆動部の裏面に接するものであっても、可動部の沈み込みの大きさに関わらず、可動部の基板に対する傾斜角を最大傾斜角θに調整することができるという効果を得ることができる。また、上記の実施例および変形例においては、可動部が駆動部、接続部、ミラー設置部を備えたものを例に説明したが、可動部において、接続部が存在せず、駆動部とミラー設置部とが一体となっているものであっても、同様の効果を得ることができる。 In the above-described embodiments and modifications, the first protrusion and the second protrusion are designed to contact the back surface of the mirror installation portion. However, even if they are in contact with the back surface of the drive unit, they are movable. The effect that the inclination angle of the movable part with respect to the substrate can be adjusted to the maximum inclination angle θ can be obtained regardless of the size of the sinking of the part. Further, in the above-described embodiments and modifications, the movable part has been described as an example including a drive part, a connection part, and a mirror installation part. However, in the movable part, there is no connection part, and the drive part and the mirror Even if the installation portion is integrated, the same effect 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 光学装置
101、201、301 基板
102a,102b、202a,202b、302a,302b 支持体
103、203、303 可動部
104a,104b、204a,204b、304a,304b 可撓梁
105、205、305 ミラー
107、207、307 駆動部
108、208、308 接続部
109 209、309 ミラー設置部
151a〜151d、251a〜251d、351a,351c 第1突起部
152a〜152d、252a〜252d、352a,352c 第2突起部
270a,270c 切欠き部
701 材料基板
702、704、706、710、712 絶縁層
703、705、707、709、711 多結晶シリコン層
713 金属層
100
Claims (6)
その基板に固定されている支持部と、
その支持部から伸びている可撓梁と、
その可撓梁によって前記基板に対して揺動可能に支持されている可動部と、
その可動部の上面に固定されているミラーと、
前記基板と前記可動部のうちの一方の部材に固定されているとともに、他方の部材に向かって突出している、第1突起部および第2突起部と、
前記基板に設けられている固定電極と、
前記可動部に設けられている可動電極とを備えており、
前記第1突起部が前記第2突起部よりも、前記基板に垂直な方向の高さが高く、
前記第1突起部が前記第2突起部よりも、前記可動部の揺動軸に近い位置に設置されており、
前記基板に対して前記可動部が最大傾斜角で傾斜した場合に、前記第1突起部および前記第2突起部が、前記他方の部材に当接することを特徴とする光学装置。 A substrate,
A support fixed to the substrate;
A flexible beam extending from the support,
A movable part supported by the flexible beam so as to be swingable with respect to the substrate;
A mirror fixed to the upper surface of the movable part;
A first protrusion and a second protrusion, which are fixed to one member of the substrate and the movable portion and project toward the other member;
A fixed electrode provided on the substrate;
A movable electrode provided on the movable part,
The first protrusion is higher in height in the direction perpendicular to the substrate than the second protrusion,
The first protrusion is disposed closer to the swing axis of the movable part than the second protrusion;
The optical device, wherein the first protrusion and the second protrusion are in contact with the other member when the movable portion is inclined at a maximum inclination angle with respect to the substrate.
前記可撓梁によって前記基板に対して揺動可能に支持されており、前記可動電極が設置されている駆動部と、
前記駆動部の上方に固定されている接続部と、
前記接続部に固定され、前記駆動部の上方に位置しており、上面に前記ミラーが固定されているミラー設置部とを備えており、
前記第1突起部および第2突起部は、いずれも前記基板の上面に固定されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の光学装置。 The movable part is
A drive unit that is swingably supported by the flexible beam with respect to the substrate; and the movable electrode is installed;
A connecting part fixed above the drive part;
A mirror installation part fixed to the connection part, located above the drive part, and having the mirror fixed to the upper surface;
5. The optical device according to claim 1, wherein the first protrusion and the second protrusion are both fixed to an upper surface of the substrate. 6.
前記固定電極を形成する第1工程と、
前記支持部と、前記可撓梁と、前記可動電極を含む前記駆動部と、前記第1突起部と、前記第2突起部と、第1犠牲層とを形成する第2工程と、
前記接続部と、前記ミラー設置部と、前記ミラーと、第2犠牲層とを形成する第3工程と、
前記第1犠牲層および前記第2犠牲層を除去する第4工程とを備える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 5,
A first step of forming the fixed electrode;
A second step of forming the support portion, the flexible beam, the driving portion including the movable electrode, the first protrusion, the second protrusion, and a first sacrificial layer;
A third step of forming the connection portion, the mirror installation portion, the mirror, and a second sacrificial layer;
And a fourth step of removing the first sacrificial layer and the second sacrificial layer.
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