JP2013097138A - Micro-scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光スキャナに関し、特にMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を利用したマイクロスキャナに関する。 The present invention relates to an optical scanner, and more particularly, to a microscanner using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology.
従来、ミラー面が設けられた可動板を揺動させて、そのミラー面に入射した光ビームを走査する光スキャナが、例えば、レーザプリンタやバーコードリーダなどの光学機器に使用されている。光スキャナの一例として、MEMS技術を用いて成形される可動構造体を有するマイクロスキャナが挙げられる。マイクロスキャナとしては、対向する2枚の櫛歯電極を電極の延伸方向に対して垂直方向に段差を設けて配置し、所定の電圧が印加されるのに応じて櫛歯電極間に発生する静電気力によってミラー面を揺動させるバーティカルコムアクチュエータ方式が知られている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, an optical scanner that swings a movable plate provided with a mirror surface and scans a light beam incident on the mirror surface is used in optical devices such as a laser printer and a barcode reader. An example of an optical scanner is a microscanner having a movable structure that is molded using MEMS technology. In a micro scanner, two comb electrodes facing each other are arranged with a step in a direction perpendicular to the extending direction of the electrodes, and static electricity generated between the comb electrodes when a predetermined voltage is applied. A vertical comb actuator system that swings a mirror surface by force is known (for example, see Patent Document 1).
特許文献1に開示されたマイクロスキャナは、2本の梁をねじり回転軸として往復振動可能に支持されたミラー基板と、このミラー基板の自由端に形成された可動櫛歯電極と、この可動櫛歯電極と噛み合うよう設けられた固定櫛歯電極と、から構成される。このマイクロスキャナでは、櫛歯電極間の段差構造を、スティクションパッドを利用して形成している。この方法では、支持基板上に形成された絶縁膜上にスティクションパッドを形成した後、スティクションパッドと重なる領域の絶縁膜をエッチングにより除去し、乾燥工程においてスティクションパッドと支持基板とを直接接着することによって段差構造を形成している。
The micro scanner disclosed in
しかしながら、特許文献1の方法では、乾燥工程において、スティクションパッドと支持基板のみならず、例えば、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極とが接着してしまうおそれがある。すなわち、マイクロスキャナなどの微細な構造体の駆動用として櫛歯電極間の段差構造を製造する場合、製造プロセスが複雑となるうえに、段差構造を精度よく形成することが困難であった。また、スティクションパッドの面積を大きく取る必要があるため、マイクロスキャナ全体の小型化が困難であった。
However, in the method of
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成によって櫛歯電極間に精度よく段差構造が形成され、かつ、全体の小型化を可能とするマイクロスキャナを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to provide a microscanner in which a step structure is accurately formed between comb electrodes with a simple configuration, and the entire size can be reduced. And
本発明のマイクロスキャナは、反射ミラーと、前記反射ミラーを支持するための第1の支持部と、前記反射ミラーを回転駆動可能とするように前記反射ミラーと前記第1の支持部とを連結する第1のトーションバーと、前記反射ミラーの自由端に形成された第1の櫛歯電極と、前記第1の櫛歯電極と対向し互いの櫛歯が交互に噛み合うように配置された第2の櫛歯電極と、前記第2の櫛歯電極を支持するための第2の支持部と、前記第2の櫛歯電極を回転駆動可能とするように前記第2の櫛歯電極と前記第2の支持部とを連結する第2のトーションバーと、前記第2の櫛歯電極と梁を介して結合された接触部と、前記接触部の上部または下部の少なくとも一方と向かい合う位置に固定配置された電極部と、を有し、前記接触部と前記電極部との間に静電引力を発生させて、前記接触部を変位させることを特徴とする。 The microscanner of the present invention connects the reflection mirror, the first support part for supporting the reflection mirror, and the reflection mirror and the first support part so that the reflection mirror can be driven to rotate. The first torsion bar, the first comb electrode formed on the free end of the reflecting mirror, and the first comb electrode opposed to the first comb electrode and arranged so that the comb teeth alternately mesh with each other. Two comb-tooth electrodes, a second support for supporting the second comb-tooth electrode, the second comb-tooth electrode, and the second comb-tooth electrode so that the second comb-tooth electrode can be rotationally driven. A second torsion bar that connects the second support part, a contact part that is coupled to the second comb electrode via a beam, and a position that faces at least one of the upper part or the lower part of the contact part. An electrode part disposed, and the contact part and the electrode part By generating electrostatic attraction between, characterized in that for displacing the contact portion.
このマイクロスキャナによれば、接触部と電極部との間に静電引力を発生させて、接触部を変位させることにより、梁を介して接触部と結合された第2の櫛歯電極に、第2のトーションバーをねじり回転軸とするトルクを発生させることができる。これにより、第2の櫛歯電極が回転駆動され、第2の櫛歯電極と第1の櫛歯電極との間に段差構造を形成することが可能となる。また、トルクを発生させるための電極部を、接触部の上部または下部の少なくとも一方に設けることができるため、反射ミラーおよび第2の櫛歯電極が形成された基板上に、電極部を設けるためのスペースを必要としない。したがって、簡単な構成によって櫛歯電極間に精度よく段差構造を形成することが可能となり、また、マイクロスキャナ全体の小型化が実現できる。 According to this micro scanner, by generating an electrostatic attractive force between the contact portion and the electrode portion and displacing the contact portion, the second comb-teeth electrode coupled to the contact portion via the beam Torque using the second torsion bar as a torsional rotating shaft can be generated. As a result, the second comb electrode is driven to rotate, and a step structure can be formed between the second comb electrode and the first comb electrode. In addition, since an electrode portion for generating torque can be provided on at least one of the upper portion and the lower portion of the contact portion, the electrode portion is provided on the substrate on which the reflection mirror and the second comb electrode are formed. No space needed. Therefore, it is possible to form a step structure between the comb electrodes with a simple configuration with high accuracy, and it is possible to reduce the size of the entire micro scanner.
また、上記マイクロスキャナにおいて、前記接触部と前記電極部との間に直流電圧を印加するための電圧印加部を有する。 Further, the micro scanner includes a voltage application unit for applying a DC voltage between the contact unit and the electrode unit.
さらに、上記マイクロスキャナにおいて、前記接触部を前記電極部に接触させて、前記第1の櫛歯電極と前記第2の櫛歯電極との段差構造を維持する構造としてもよい。 Further, in the micro scanner, the contact portion may be brought into contact with the electrode portion to maintain a step structure between the first comb electrode and the second comb electrode.
本発明によれば、マイクロスキャナ全体の小型化を可能としつつ、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極との段差構造を形成することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the level | step difference structure of a movable comb electrode and a fixed comb electrode can be formed, enabling size reduction of the whole micro scanner.
(第1の実施の形態)
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、第1の実施の形態に係るマイクロスキャナ1を示す上面図である。図2は、図1のA−A線断面模式図である。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a top view showing the
図1に示すように、マイクロスキャナ1は、上面視で1辺が数mm程度の略正方形または略矩形である直方体状の素子である。マイクロスキャナ1は、下部基板21の基体となるSOI(Silicon On Insulator)基板を、MEMS技術を用いて加工することにより作製されたMEMS素子である。図2に示すように、下部基板21は、例えば、導電性を有する第1のシリコン層からなる活性層21aと、活性層21a上に形成された酸化シリコン層からなる絶縁層21bと、絶縁層21b上に形成された第2のシリコン層からなる支持層21cと、から構成される3層構造の基板である。
As shown in FIG. 1, the
下部基板21の一方の面には中央部に矩形形状の開口部211が形成されていて、開口部211内にミラー面10aを有する矩形状の薄板体からなる反射部材10が配置されている。反射部材10の両側部には、反射部材10の側面から外方へ伸びる一対のトーションバー11が形成されている。下部基板21の一方の面には、一対のトーションバー11のそれぞれの延伸方向に一対の固定部12が設けられている。各トーションバー11の他端部は、それぞれ対応する各固定部12に連結されている。図2に示すように、反射部材10の下方には空隙が設けられている。反射部材10は、一対のトーションバー11をねじり回転軸として揺動可能に支持されている。一対のトーションバー11は、反射部材10の重心位置近傍の側面部を支持することが望ましい。
A
図2に示すように、反射部材10およびトーションバー11は、支持層21cと同一層に形成されている。ミラー面10aは、支持層21c(反射部材10形成位置)の上面に、例えばアルミニウム薄膜を形成することで実現され、ミラー面10aに対して外部から入射する光ビームを反射する。
As shown in FIG. 2, the reflecting
反射部材10のうち一対のトーションバー11が形成された両側面と隣接する2つの側面が反射部材10の自由端となる。反射部材10の自由端側の側縁部には、それぞれ可動櫛歯電極13a,13bが形成されている。各可動櫛歯電極13a,13bと当該各可動櫛歯電極13a,13bと対向する反射部材10の開口部211の側面との間に、固定櫛歯電極部14a,14bが配置されている。固定櫛歯電極部14a,14bのうち可動櫛歯電極13a,13bと向かい合う部分には、それぞれ固定櫛歯電極15a,15bが形成されている。可動櫛歯電極13a,13bおよび固定櫛歯電極15a,15bは、それぞれ複数の櫛歯を有し、互いに櫛歯が噛み合うように配置されている。
Two side surfaces adjacent to both side surfaces of the reflecting
固定櫛歯電極部14a、14bの歯列方向の両側部には、一対のトーションバー16が一体形成されている。トーションバー16は、固定櫛歯電極部14a、14bの両側部からトーションバー11の延伸方向と平行となる歯列方向に延伸している。下部基板21の一方の面には、一対のトーションバー16のそれぞれの延伸方向に一対の固定部17が設けられている。各トーションバー16の他端部は、それぞれ対応する各固定部17に連結されている。図2に示すように、固定櫛歯電極部14a、14bの下方には空隙が設けられている。固定櫛歯電極部14a、14bは、一対のトーションバー16をねじり回転軸として揺動可能に支持されている。
A pair of
固定櫛歯電極部14a、14bの側面であって固定櫛歯電極15a、15bの形成側とは反対側の側面に沿って、所定距離離間して、長方形状で薄板状の接触部19が配置されている。接触部19は、例えば、導電性を有する材料で形成される。図1に示すように、接触部19の一方の長辺と隣接する固定櫛歯電極部14a、14bの側面の両側をL字状に切り欠いて所定幅の凸辺部141を形成している。凸辺部141の両端の側面と接触部19の両端部とが、L字形状の梁18によってそれぞれ連結されている。接触部19は、梁18を介して固定櫛歯電極部14a(14b)と同一平面上に支持されている。
A rectangular and thin plate-
図2に示すように、下部基板21の一方の面の上方には、所定のスペースを介して上部基板22が配置されている。上部基板22の材料として、光を走査するために透光性を有する材料、例えば、パイレックスガラス(パイレックスは登録商標)を用いることができる。上部基板22は、反射部材10および固定櫛歯電極部14a,14bと対向する中央部に肉薄に形成され、接触部19と対向する周辺部が肉厚に形成されている。そして、上部基板22の外周部にはスペーサとして機能する外壁部221が形成されている。上部基板22の肉厚部となる周辺部には接触部19に対向する領域に上部電極20が配置されている。上部電極20は、導電材料が充填された貫通孔23を介して、電圧印加部24に接続されている。
As shown in FIG. 2, the
次に、上記のように構成されたマイクロスキャナ1の動作について説明する。
まず、櫛歯電極間に段差構造を形成するための動作について説明する。
図3は、櫛歯電極間に段差構造を形成した状態における図1のA−A線断面模式図である。図4は、櫛歯電極間に段差構造を形成した状態のマイクロスキャナ1を示す斜視図であり、反射部材10、固定櫛歯電極部14a,14b、接触部19および上部電極20を抜き出して示している。
Next, the operation of the
First, an operation for forming a step structure between comb electrodes will be described.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1 in a state in which a step structure is formed between comb electrodes. FIG. 4 is a perspective view showing the
電圧印加部24によって、上部電極20と接触部19との間に直流電圧が印加されると、上部電極20と接触部19とが互いに逆極性に帯電して、両者の間にクーロン力(静電引力)が発生する。この静電引力によって、接触部19は、上部電極20に向け上方向に移動(変位)する。そして、印加する直流電圧が、所定の電圧値以上になると、接触部19は上部電極20に接触して静止する。接触部19は、梁18を介して固定櫛歯電極部14aの凸辺部141に連結されているため、接触部19が上方向に変位すると、固定櫛歯電極部14aにはトーションバー16をねじり回転軸とする時計回りのトルクが発生する。したがって、固定櫛歯電極部14aのうち、梁18と接続された凸辺部141は上方向に変位し、固定櫛歯電極15a側は下方向に変位する。これにより、可動櫛歯電極13aと固定櫛歯電極15aとの間には垂直方向に段差が生じる。すなわち、櫛歯電極間に段差構造が形成される。
When a DC voltage is applied between the
固定櫛歯電極部14bでも同様に、接触部19が上方向に変位することによりトーションバー16をねじり回転軸とする反時計回りのトルクが発生する。したがって、固定櫛歯電極部14bのうち、梁18と接続された凸辺部141は上方向に変位し、固定櫛歯電極15b側は下方向に変位する。これにより、可動櫛歯電極13bと固定櫛歯電極15bとの間には垂直方向に段差が生じる。すなわち、櫛歯電極間に段差構造が形成される。
Similarly, in the fixed
続いて、反射部材10を揺動し、ミラー面10aで反射する光の反射角を1軸方向に連続的に変化させて光走査する。マイクロスキャナ1は、例えば、静電気力を駆動力として反射部材10を揺動するように構成されている。可動櫛歯電極13aと固定櫛歯電極15aとの間に電圧が印加されると、両電極間に互いに引き合う方向に作用するクーロン力(静電気力)が発生し、このクーロン力が反射部材10の自由端部において反射部材10(ミラー面10a)の上面に対し略垂直方向に作用する。これにより、反射部材10には、トーションバー11をねじり回転軸とする第1方向(時計回り)のトルクが発生する。また、可動櫛歯電極13bと固定櫛歯電極15bとの間に電圧が印加されると、可動櫛歯電極13aと固定櫛歯電極15aとの間のクーロン力(引力)は解除され、ねじられたトーションバー11が弾性復帰力により反射部材10(ミラー面10a)を元の位置に戻そうとするとともに、可動櫛歯電極13bと固定櫛歯電極15bとの間に互いに引き合う方向に作用するクーロン力が発生し、このクーロン力が反射部材10の自由端部に対して略垂直方向に作用する。これにより、反射部材10には、トーションバー11をねじり回転軸とする第1方向とは反対方向となる第2方向(反時計回り)のトルクが発生する。
Subsequently, the reflecting
したがって、例えば切り換えスイッチにより、可動櫛歯電極13aと固定櫛歯電極15aの間と、可動櫛歯電極13bと固定櫛歯電極15bの間とに交互に電圧を印加することによって、反射部材10は1軸方向に連続的に回転する。ミラー面10aに入射した光ビームは、反射部材10の回転にしたがったミラー面10aの回転によって反射角が変更されることにより1軸方向に走査される。
Therefore, for example, by applying a voltage alternately between the
以上説明したように、第1の実施の形態に係るマイクロスキャナ1によれば、接触部19と上部電極20との間に静電引力を発生させて、接触部19を変位させることにより、梁18を介して接触部19と結合された固定櫛歯電極部14a,14bに、トーションバー16を回転軸とするトルクを発生させることができ、固定櫛歯電極部14a,14bを所定角度だけ回転させて固定櫛歯電極15a,15bと可動櫛歯電極13a,13bとの間に段差構造を形成することが可能となる。また、トルクを発生させるための上部電極20は、上部基板22上に設けることができるため、下部基板21上に上部電極20を設けるためのスペースを必要としない。したがって、簡単な構成によって櫛歯電極間に精度よく段差構造を形成することが可能となり、また、マイクロスキャナ1全体の小型化が実現できる。
As described above, according to the
(第2の実施の形態)
以下、第2の実施の形態に係るマイクロスキャナ3について、図5および図6に基づいて説明する。図5は、第2の実施の形態に係るマイクロスキャナ3を示す上面図である。図6は、第2の実施の形態に係るマイクロスキャナ3のB−B線断面模式図である。なお、第1の実施の形態に係るマイクロスキャナ1と共通する構成については同一の符号を付与してその説明を省略し、第1の実施の形態とは異なる構造について主に説明する。マイクロスキャナ3は、固定櫛歯電極部31a,31bおよび接触部32の構造が、第1の実施の形態と相違する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, the
固定櫛歯電極部31a、31bの歯列方向となる両側部には、それぞれの歯列方向に延びるトーションバー16が一体形成されている。固定櫛歯電極部31a、31bの両側部におけるトーションバー16の形成位置は、固定櫛歯電極15a、15bの突出方向と反対側となる背面端部の近傍に設定している。
The torsion bars 16 extending in the respective tooth row directions are integrally formed on both side portions of the fixed
固定櫛歯電極部31a、31bの背面端部は、固定櫛歯電極15a、15bの突出方向に向けて所定の深さで凹型に加工された凹部311が形成されている。その凹部311の形成範囲は、固定櫛歯電極15a、15bの両端の櫛歯よりわずかに内側となるようにしている。凹部311の底面中央部の所定範囲に、わずかに突出した凸辺部312が形成されている。接触部32は、固定櫛歯電極部31a、31bの背面端部に沿うように、所定距離離間して配置されている。接触部32は、固定櫛歯電極15a、15bの凹部311に入り込む凸辺部321を有する。固定櫛歯電極部31a、31bの凹部311に形成した凸辺部312の両端と、接触部32における凸辺部321を挟んだ2か所とを、略L字形状の一対の梁18によって連結している。接触部32は、梁18を介して固定櫛歯電極部31a、31bと同一平面上に支持されている。
The back end portions of the fixed
次に、上記のように構成されたマイクロスキャナ3の櫛歯電極間に段差構造を形成する動作について説明する。図6は、櫛歯電極間に段差構造が形成されたマイクロスキャナ3を図示している。電圧印加部24によって、上部電極20と接触部32との間に直流電圧が印加されると、上部電極20と接触部32とが互いに逆極性に帯電して、両者の間にクーロン力(静電引力)が発生する。この静電引力によって、接触部32は、上部電極20に向け上方向に移動(変位)する。そして、印加する直流電圧が、所定の電圧値以上になると、接触部32は上部電極20に接触して静止する。接触部32は、梁18を介して固定櫛歯電極部31aに連結されているため、接触部32が上方向に変位すると、固定櫛歯電極部31aにはトーションバー16をねじり回転軸とする反時計回りのトルクが発生する。したがって、固定櫛歯電極部31aの固定櫛歯電極15a側は上方向に変位する。これにより、可動櫛歯電極13aと固定櫛歯電極15aとの間には垂直方向に段差が生じる。すなわち、櫛歯電極間に段差構造が形成される。
Next, the operation of forming a step structure between the comb electrodes of the
同様に、固定櫛歯電極部31bには、接触部32が上方向に変位することによりトーションバー16をねじり回転軸とする時計回りのトルクが発生する。したがって、固定櫛歯電極部31bの固定櫛歯電極15b側は上方向に変位する。これにより、可動櫛歯電極13bと固定櫛歯電極15bとの間には垂直方向に段差が生じる。すなわち、櫛歯電極間に段差構造が形成される。
Similarly, clockwise torque about the
以上説明したように、第2の実施の形態に係るマイクロスキャナ3によれば、接触部32と上部電極20との間に静電引力を発生させて、接触部32を変位させることにより、梁18を介して接触部32と結合された固定櫛歯電極部31a,31bに、トーションバー16を回転軸とするトルクを発生させることができ、固定櫛歯電極部31a,31bを所定角度だけ回転させて固定櫛歯電極15a,15bと可動櫛歯電極13a,13bとの間に段差構造を形成することが可能となる。また、トルクを発生させるための上部電極20は、上部基板22上に設けることができるため、下部基板21上に上部電極20を設けるためのスペースを必要としない。したがって、簡単な構成によって櫛歯電極間に精度よく段差構造を形成することが可能となり、また、マイクロスキャナ3全体の小型化が実現できる。
As described above, according to the
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement variously. In the above-described embodiment, the size, shape, and the like illustrated in the accompanying drawings are not limited thereto, and can be appropriately changed within a range in which the effect of the present invention is exhibited. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the object of the present invention.
上記実施の形態においては、一対の固定櫛歯電極15a,15bが、ともに可動櫛歯電極13a,13b表面より下側または上側に移動して段差構造が形成される構成について説明しているが、この構成に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、一方の固定櫛歯電極15a(15b)が可動櫛歯電極13a(13b)表面より下側に移動し、他方の固定櫛歯電極15a(15b)が可動櫛歯電極13a(13b)表面より上側に移動して段差構造が形成される構成であってもよい。
In the above embodiment, a configuration is described in which the pair of fixed
また、上記実施の形態においては、接触部19(32)の上部に上部電極20を配置する構成について説明しているが、この構成に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、接触部19(32)の下部に上部電極20を配置する構成であってもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the structure which arrange | positions the
さらに、上記実施の形態においては、ミラー面10aが上面視で略矩形形状である構成について説明しているが、この構成に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、ミラー面10aは、円形など、他の形状であってもよい。これに伴って、固定櫛歯電極部14a,14b(31a,31b)などの形状も適宜変更が可能である。
Furthermore, in the said embodiment, although the
本発明は、マイクロスキャナのみならず、他のデバイスに適用されるバーティカルコムアクチュエータに利用することができる。 The present invention can be used not only for a micro scanner but also for a vertical comb actuator applied to other devices.
1 マイクロスキャナ
10 反射部材
10a ミラー面(反射ミラー)
11 トーションバー
12 固定部(第1の支持部、第2の支持部)
13a,13b 可動櫛歯電極
14a,14b 固定櫛歯電極部
141 凸辺部
15a,15b 固定櫛歯電極
16 トーションバー
17 固定部
18 梁
19 接触部
20 上部電極(電極部)
21 下部基板
21a 活性層
21b 絶縁層
21c 支持層
211 開口部
22 上部基板
221 外壁部
23 貫通孔
24 電圧印加部
3 マイクロスキャナ
31a,31b 固定櫛歯電極部
311 凹部
312 凸辺部
32 接触部
321 凸辺部
1
11
13a, 13b
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記接触部と前記電極部との間に静電引力を発生させて、前記接触部を変位させることを特徴とするマイクロスキャナ。 A reflection mirror, a first support part for supporting the reflection mirror, and a first torsion bar connecting the reflection mirror and the first support part so that the reflection mirror can be driven to rotate; A first comb electrode formed at a free end of the reflection mirror, and a second comb electrode disposed so as to oppose the first comb electrode and alternately mesh with each other. A second support part for supporting the second comb electrode, and the second comb electrode and the second support part so that the second comb electrode can be rotationally driven. A second torsion bar to be connected, a contact portion coupled to the second comb-teeth electrode via a beam, and an electrode portion fixedly disposed at a position facing at least one of an upper portion or a lower portion of the contact portion; Have
A microscanner characterized in that an electrostatic attractive force is generated between the contact portion and the electrode portion to displace the contact portion.
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