JP2011191589A - 偏向マイクロミラー - Google Patents

Abstract

【課題】高速かつ大振幅動作が可能で、高輝度化に対応でき低コストの偏向マイクロミラー、及び該偏向マイクロミラーの製造方法を提供すること。
【解決手段】アルミニウム反射層を有する可動板１と、前記可動板１を回転振動可能に軸支する一対のトーションバー２と、を備え、前記トーションバー２は、一端が前記可動板１に固定されてなり、前記アルミニウム反射層は、水素雰囲気下で成膜されてなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏向マイクロミラーに関し、特にＭＥＭＳ装置の偏向マイクロミラーに関するものである。
また本発明は、プロジェクタなどの画像表示装置、プリンタなどの画像形成装置に応用することができる光偏向器である。

プロジェクタなどの各種画像表示装置やプリンタなどの各種画像形成装置において、レーザー光の偏向器として、デジタルマイクロミラー等のマイクロミラー装置が広く活用されている。例えば、弾性支持体を中心に反射板を回転振動させる圧電ユニモルフ振動体を備えた、高速かつ大振幅動作が可能な光偏向器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで近年、マイクロプロジェクター等の性能の一つとして高輝度化が求められている。今後さらなる高輝度化を実現するには、ワットクラスの高パワーのレーザー光の光を用いる必要があるため、微小な反射面であることも相まって、ミラー表面でのパワー密度が格段にあがる傾向にある。

マイクロミラー基板は、アルミニウムである反射層を有している。アルミニウム反射層は、加熱されて熱応力が加わると、表面にヒロックと呼ばれる凹凸模様、あるいは空洞が生じ、投影イメージに欠陥や歪みを生じる。

これに対して、例えば、特許文献２によると、ＡｌＣｕ合金を用いることで耐レーザー特性を向上させ、ボイドの発生を抑えている。しかしながら、特許文献２による手段は、合金化による材料コストの上昇や、反射率低下の問題を有している。

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、高速かつ大振幅動作が可能で、高輝度化に対応でき低コストの偏向マイクロミラー、及び該偏向マイクロミラーの製造方法を提供することを目的とする。

しかして、上記課題を解決するために本発明に係る偏向マイクロミラー、及び該偏向マイクロミラーの製造方法は、具体的には下記（１）〜（５）に記載の技術的特徴を有する。
（１）：アルミニウム反射層を有する可動板と、前記可動板を回転振動可能に軸支する一対のトーションバーと、を備え、前記トーションバーは、一端が前記可動板に固定されてなり、前記アルミニウム反射層は、水素雰囲気下で成膜されてなることを特徴とする偏向マイクロミラーである。
（２）：前記可動板を回転振動させる圧電ユニモルフ振動体を備え、前記トーションバーは、他端が前記圧電ユニモルフ振動体に固定されてなり、前記圧電ユニモルフ振動体は、振動板と、該振動板を駆動させる圧電素子と、を有することを特徴とする上記（１）に記載の偏向マイクロミラーである。
（３）：アルミニウム反射層を有する可動板と、前記可動板を回転振動可能に軸支する一対のトーションバーと、を備え、前記トーションバーは、一端が前記可動板に固定されてなる偏向マイクロミラーの製造方法であって、前記アルミニウム反射層は、水素雰囲気下で成膜されてなることを特徴とする偏向マイクロミラーの製造方法である。
（４）：前記アルミニウム反射層は、水素分圧が１×１０^−７Ｔｏｒｒ以上５×１０^−６Ｔｏｒｒ以下の水素雰囲気下で成膜されてなることを特徴とする上記（３）に記載の偏向マイクロミラーの製造方法である。
（５）：前記アルミニウム反射層は、３０℃以上６０℃以下で成膜されてなることを特徴とする上記（３）または（４）に記載の偏向マイクロミラーの製造方法である。

本発明によれば、高速かつ大振幅動作が可能で、高輝度化に対応でき低コストの偏向マイクロミラー、及び該偏向マイクロミラーの製造方法を提供することができる。

本発明にかかる偏向マイクロミラーの一実施の形態における構成を示す全体図である。 本発明にかかる偏向マイクロミラーの一実施の形態における駆動梁６の構成を示す上面概略図及び側面概略図である。 図２に示す駆動梁６の要部の構成を示す拡大図である。 駆動しているモードにおける梁の撓み形状を表す概略説明図である。 トーションバースプリング２を駆動する一対の駆動梁６を両端固定梁のユニモルフ構造としてモデル化しシミュレーションを行い中央部をフリーにしたときの最大撓みを示すグラフである。 トーションバースプリング２を駆動する一対の駆動梁６を両端固定梁のユニモルフ構造としてモデル化しシミュレーションを行い中央部の変位を拘束したときの反力を示すグラフである。 アルミニウム反射層を有するミラー部１の概略図である。

本発明に係る偏向マイクロミラーは、アルミニウム反射層を有する可動板１と、前記可動板１を回転振動可能に軸支する一対のトーションバー２と、を備え、前記トーションバー２は、一端が前記可動板１に固定されてなり、前記アルミニウム反射層は、水素雰囲気下で成膜されてなることを特徴とする。
次に、本発明に係る偏向マイクロミラーについてさらに詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は以下の説明において本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

＜偏向マイクロミラーの構成＞
本発明にかかる偏向マイクロミラーの一実施の形態として、１方向に光を偏向する偏向マイクロミラーについて図１を用いて説明する。
図１は、本発明にかかる偏向マイクロミラーの一実施の形態における構成を示す全体図である。光を反射させる反射面（アルミニウム反射層）を有するミラー部（可動板）１を備え、このミラー部１の両側はミラー部１の重心からΔＳだけオフセットされた点を通る線を軸とする一対のトーションバースプリング（トーションバー）２が接続されている。
トーションバースプリング２のミラー部１との接続部と反対側の端部は支持梁３に接続されてなる。また、支持梁３は長手方向がトーションバースプリング２と略直交する方向に配置されてなり、両端が固定ベース４に接続されている。

支持梁（振動板）３は、長手方向の両側それぞれにおいて、片面（図１における上面側）に圧電材料（圧電素子）５を有し、この支持梁３と２の圧電材料５とで一対の駆動梁（圧電ユニモルフ振動体）６を構成する。
即ち、一対のトーションバースプリング２に対応して設けられてなる一対の支持梁３は、長手方向がトーションバースプリング２の軸と略直交する向きで配置されてなり、一対のトーションバースプリング２のそれぞれに接続されている。また、支持梁３及び該支持梁３の長手方向の両側それぞれに配置された圧電材料５は、当該支持梁３の長手方向の中心位置から両端までのそれぞれが、駆動梁６として機能するものである。換言すると支持梁３の長手方向中心位置から一端までと、１の圧電材料５と、をもって、１の駆動梁６を構成するものである。

本実施の形態ではＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）プロセスによって加工することで、ミラー部１、トーションバースプリング２、支持梁３（駆動梁６）を一体で形成している。ミラー部１はシリコン基板の表面にアルミニウムの薄膜を形成することによって反射面を形成している。なお、アルミニウムからなる薄膜の反射面についての詳細は後述する。駆動梁６は平板状のユニモルフ構造となっており、支持梁３の片面（図１における上面側）に圧電材料５が積層されている。

ユニモルフ構造の支持梁３の部分の厚さは薄いほうが変形し易いが、ミラー部１は薄いと反射面が変形し光学的な波面が劣化してしまう。そこで、支持基板と活性層とからなるＳＯＩ基板を用いて、支持梁３は活性層部分のみを残して薄く形成し、ミラー部１はＳＯＩ基板の活性層と支持基板との両方の厚さになるように構成されている。本実施の形態では活性層の厚さは０．０５ｍｍ、支持基板の厚さは０．３ｍｍとしている。トーションバースプリング２の部分の厚さは、ＳＯＩ基板の活性層の厚さになるように構成してあるが、必要な共振周波数やレイアウト上の設計次第で、支持基板部分のみの厚さ、もしくは両方の厚さにしても良い。

ここで駆動梁６の詳細な構成を説明する。図２は本発明にかかる偏向マイクロミラーの一実施の形態における駆動梁６の構成を示す上面概略図及び側面概略図である。また、図３は図２に示す駆動梁６の要部の構成を示す拡大図である。
図３に示すように、駆動梁６は、支持梁３の上において接着層１０、下部電極８、圧電材料５、上部電極７の順でスパッタにより成膜して積層されてなり、必要な部分だけが残るようにエッチング加工されている。接着層１０の材料はチタン（Ｔｉ）、上部電極７、下部電極８は白金（Ｐｔ）、圧電材料５はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用している。さらにこれらの上層にＳｉＯ_２からなる絶縁層９が積層されてなり、この絶縁層９に形成されたランド部１１（１１ａ，１１ｂ）から配線を引き出し、上部電極７と下部電極８との間に電圧を印加すると、圧電材料５が圧電特性により、支持梁３表面の面内方向に伸縮することで駆動梁６全体が反り変形するようになっている。図２のようにトーションバースプリング２の両側の駆動梁６を同一方向に印加し、同相駆動することで、トーションバースプリング２と駆動梁６の接続部分は上下に駆動される。

本実施の形態の偏向マイクロミラーにはトーションバースプリング２の軸と平行な回転軸を中心としてミラー部１が回転する振動モードが存在し、その共振周波数はトーションバースプリング２の剛性とミラー部１の慣性モーメントで定まる。（厳密にはミラー部１の回転モードの共振周波数には駆動梁６の剛性等も影響している。）
この回転モードの共振周波数に近い周波数の正弦波、もしくはパルス波で駆動梁６を駆動することで、トーションバースプリング２と駆動梁６との接続部分は上下に振動する。ミラー部１の重心とトーションバースプリング２の軸とがオフセットされているため、接続部分の上下振動によりミラー部１の回転モードが励起され小さな駆動電力で大きなミラー部１の回転振幅を得ることができる。

ここで本実施の形態では、圧電材料５は図２に示すように、支持梁３の長手方向における中心位置から、駆動梁６の固定ベース４との接続部までの間で、該接続部側の端部から２分の１までの領域にのみ積層されている構成をとる。かかる構成によって全体に圧電材料５を配置するよりも少ない電力で大きな駆動力を発生することが可能である。これは、駆動しているモードにおいて、梁の撓み形状を見た時、図４に示すような形状となっており、中央部まで圧電材料５を配置すると逆方向に反ってしまうため、動きを阻害してしまうためであると考えられる。

上記トーションバースプリング２を駆動する一対の駆動梁６の部分を、両端固定梁のユニモルフ構造としてモデル化し、シミュレーションを行った結果を図５に示す。図５は梁の中心を自由にして変位させた場合で、駆動梁６の長さＬに対する圧電材料５の固定ベース４からの長さＬｐの割合を変化させた結果である。圧電材料５の割合（Ｌｐ／Ｌ）が０．５で最大となっていることが分かる。図５は両端固定梁の中心を自由にして変位させた場合であるが、実際にはミラー部１やトーションバースプリング２が中央に接続されているので、駆動時には慣性力が加わるため、中央部の変位を拘束したときの反力を求めたものが図６である。やはり、圧電材料５の割合（Ｌｐ／Ｌ）が０．５で最大となっていることが分かる。

本実施の形態では下部電極８および上部電極７と共に、スパッタにより圧電材料５を成膜した構成を示したが、圧電材料５はバルク材料を所定のサイズに切断したものを接着剤により貼り付けても良いし、またエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）で形成しても良い。
また、本実施の形態の駆動梁６は、支持梁３の片面に圧電材料５が配置されたユニモルフ構造で説明しているが、支持梁３の両面に圧電材料５を配置したバイモルフ構造としてもよい。

本実施の形態では、駆動梁６はトーションバースプリング２の端部において支持梁３の長手方向両側に１本ずつ、合計４本配置されてなる構成を説明したが、駆動梁６を平行に並べて駆動力をさらに大きくすることも可能である。

＜ミラー部１のアルミニウム反射層の製造方法＞
本発明にかかる偏向マイクロミラーの特徴に直接関わる部分であるアルミニウム（Ａｌ）反射層について説明する。
アルミニウム反射層は、基板表面にＡｌ反射膜を水素ガス雰囲気下においてＥＢ（electron beam）加熱により真空蒸着して形成する。製膜方法として真空蒸着を用いることにより、膜の結晶性が高まり高反射率が得られる。図７は、アルミニウム反射層を有するミラー部１の概略図である。ここで、アルミニウム反射層は、厚さ０．１μｍであり、基板は厚さ１００μｍである。

水素分圧は１×１０^−７〜５×１０^−６Ｔｏｒｒとなるように制御することが好ましい。１×１０^−７Ｔｏｒｒを下回る分圧とするためには排気装置が複雑化かつ大型化する傾向があり、またヒロック抑制効果が得られにくくなる。他方、５×１０^−６Ｔｏｒｒより分圧が大きいと、反射率の低下を招く。
また、基板温度は、３０〜６０℃とすることが好ましい。基板温度が６０℃より高いと水素のヒロック抑制効果が得られにくくなる。

以上の本実施の形態の偏向マイクロミラーによれば、高速かつ大振幅動作が可能で、高輝度化に対応でき低コストを実現できる。

１ ミラー部
２ トーションバースプリング
３ 支持梁
４ 固定ベース
５ 圧電材料
６ 駆動梁
７ 上部電極
８ 下部電極
９ 絶縁層
１０ 接着層
１１ ランド部

特開２００８−２５７２２６号公報 特開２００５−２４９７６号公報

Claims (5)

1. アルミニウム反射層を有する可動板と、
   前記可動板を回転振動可能に軸支する一対のトーションバーと、を備え、
   前記トーションバーは、一端が前記可動板に固定されてなり、
   前記アルミニウム反射層は、水素雰囲気下で成膜されてなることを特徴とする偏向マイクロミラー。
2. 前記可動板を回転振動させる圧電ユニモルフ振動体を備え、
   前記トーションバーは、他端が前記圧電ユニモルフ振動体に固定されてなり、
   前記圧電ユニモルフ振動体は、振動板と、該振動板を駆動させる圧電素子と、を有することを特徴とする請求項１に記載の偏向マイクロミラー。
3. アルミニウム反射層を有する可動板と、前記可動板を回転振動可能に軸支する一対のトーションバーと、を備え、前記トーションバーは、一端が前記可動板に固定されてなる偏向マイクロミラーの製造方法であって、
   前記アルミニウム反射層は、水素雰囲気下で成膜されてなることを特徴とする偏向マイクロミラーの製造方法。
4. 前記アルミニウム反射層は、水素分圧が１×１０^−７Ｔｏｒｒ以上５×１０^−６Ｔｏｒｒ以下の水素雰囲気下で成膜されてなることを特徴とする請求項３に記載の偏向マイクロミラーの製造方法。
5. 前記アルミニウム反射層は、３０℃以上６０℃以下で成膜されてなることを特徴とする請求項３または４に記載の偏向マイクロミラーの製造方法。