JP3076465B2 - Micro actuator and optical deflector - Google Patents
Micro actuator and optical deflectorInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は極めて小型のアクチュエ
ータおよびこれを用いた光偏向器に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an extremely small actuator and an optical deflector using the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、主として使われている光偏向器や
光走査装置には、結晶の超音波による歪を利用した音響
光学式のものや、結晶の電場による屈折率変化を利用し
た電気式のもの、あるいは振動平面鏡(いわゆるガルバ
ノミラー)や回転多面体(いわゆるポリゴンミラー)等
を利用した機械式のもの等がある。中でも、機械式光偏
向器は光の波長によらず等角度偏向が行えるため、多重
波長光源を使用光源にする場合や、波長変動等がある場
合非常に有用になる。これらは、安定した回転速度や高
精度の偏向角を得るために、回転軸を重くしたりロータ
に大型の電磁石を用いたりしている。2. Description of the Related Art Conventionally, optical deflectors and optical scanning devices which are mainly used include an acousto-optic type utilizing distortion of a crystal by ultrasonic waves and an electric type utilizing a refractive index change by an electric field of a crystal. Or a mechanical type using a vibrating plane mirror (so-called galvano mirror) or a rotating polyhedron (so-called polygon mirror). Above all, the mechanical optical deflector can perform equiangular deflection regardless of the wavelength of light, so it is very useful when a multi-wavelength light source is used as a light source or when there is a wavelength fluctuation. In order to obtain a stable rotational speed and a highly accurate deflection angle, these use a heavy rotating shaft or use a large electromagnet for the rotor.
【0003】一方、フォトリソグラフィ技術を用いて、
極めて小型のアクチュエータを作製することが検討され
ている。典型的な微小機械として、マイクロモータ(M.
Mehregany et al.,"Operation of microfabricated har
monic and ordinary side-drive motors",Proceedings
IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop 199
0 p1-8)や、平板上で静電力により駆動するくし型構造
のリニアマイクロアクチュエータ(W.Tang et al.,"Lat
erally driven polysilicon resonant microstructure
s",Sensors and Actuators 20(1989) p25-32)等が考案
されている。これら、微小機械を用いればアレイ化、低
コスト化が容易であり、高精度化が可能となる。On the other hand, using photolithography technology,
Fabrication of an extremely small actuator has been studied. As a typical micromachine, a micromotor (M.
Mehregany et al., "Operation of microfabricated har
monic and ordinary side-drive motors ", Proceedings
IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop 199
0 p1-8) or a comb-shaped linear microactuator driven by electrostatic force on a flat plate (W. Tang et al., "Lat
erally driven polysilicon resonant microstructure
s ", Sensors and Actuators 20 (1989), p. 25-32. These micro-machines make it easy to form an array, reduce the cost, and achieve high precision.
【0004】機械式光学素子としても、いくつか提案さ
れており、このうち光偏向器として、両持ち梁用で光学
効率の向上やたわみ安定性を考慮した空間光偏向器(ラ
リー・ジェイ・ホーンベック、特開平2−8812号公
報)が知られている。Some mechanical optical elements have been proposed. Among them, as a light deflector, a spatial light deflector (Larry Jay Horn) for a double-supported beam in consideration of improvement of optical efficiency and deflection stability. Beck, JP-A-2-8812) is known.
【0005】図18はこの空間光偏向器の一画素の一部
断面とした斜視図である。図18において、画素はモノ
リシックなシリコンをベースとして、たわみ可能な2つ
の梁により反射面を有する構成となっている。即ちシリ
コン基板91上に絶縁層93を介して絶縁スペーサ9
4、金属丁番層95および金属梁層96が積層されてい
る。つまり金属丁番層95と同層の可撓梁97および可
撓梁971 、金属梁層96と同層の反射面98、および
反射面98の下に空隙を介して反射面98の角度を変え
るための駆動用固定電極99、固定電極991 、固定電
極992 から成っている。例えば固定電極991 に電圧
を印加すると、反射面98と固定電極99 1 の間に静電
気力が発生して可撓梁97、971 がふれてたわみ角が
生じ、反射面98に入射した光はたわみ角の量に応じた
反射角を得て偏向される。このような光偏向器は光を1
方向の軸のみに偏向する構成であり、シリコン基板92
をベースとしたシリコンプロセスによって製造し得る。
従って、比較的低コストに製作することができ、シリコ
ン基板92上に2次元配置してアレイ化することによっ
て静電印刷等のプリンタや投影型のディスプレイ等に応
用することも考えられている。FIG. 18 shows a part of one pixel of this spatial light deflector.
It is the perspective view which made the cross section. In FIG. 18, pixels are mono
Two flexible, based on lithic silicon
Have a reflecting surface by the beams of the above. That is,
The insulating spacer 9 is provided on the control board 91 with the insulating layer 93 interposed therebetween.
4. The metal hinge layer 95 and the metal beam layer 96 are laminated.
You. In other words, the flexible beam 97 on the same layer as the metal hinge layer 95
Flexure beam 971 A reflective surface 98 of the same layer as the metal beam layer 96;
Change the angle of the reflective surface 98 through the air gap under the reflective surface 98
Fixed electrode 99 for driving, fixed electrode 991 , Fixed electricity
Pole 99Two Consists of For example, the fixed electrode 991 To voltage
Is applied, the reflection surface 98 and the fixed electrode 99 1 Electrostatic between
The elastic beams 97, 971 The deflection angle
The light generated and incident on the reflecting surface 98 depends on the amount of the deflection angle.
It is deflected by obtaining a reflection angle. Such an optical deflector deflects light to 1
And the silicon substrate 92
Based silicon process.
Therefore, it can be manufactured at relatively low cost,
By two-dimensionally arranging them on the
For printers such as electrostatic printing and projection displays.
It is also considered to be used.
【0006】図19は従来の光走査装置の構成を示す概
略図である。図19において、レーザ光源803により
発せられた光は振動平面鏡801によって走査される。
そして振動平面鏡801からの光はレンズ804によっ
て集光され、輝点はスクリーン805上で図示矢印方向
に移動して、スキャンが行われる。FIG. 19 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional optical scanning device. In FIG. 19, light emitted from a laser light source 803 is scanned by a vibrating plane mirror 801.
The light from the vibrating plane mirror 801 is condensed by the lens 804, and the luminescent spot moves on the screen 805 in the direction of the arrow shown in the figure to perform scanning.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】従来の光偏向器の構造
では、力を受ける部分と光を反射する部分が同じ場所の
ため、回転等の外乱の力を受け易い。同様に力を受ける
部分と反射面が同じため、角度の精密制御が困難であ
る。また、入射方向と反射方向が固定で自由度がない。
さらには、反射面が可動金属電極の一部となっているた
め、捻れ、あるいは使用環境による金属疲労等の経時変
化で偏向角が変化してしまう恐れがある。In the structure of the conventional optical deflector, since the portion receiving the force and the portion reflecting the light are at the same place, they are susceptible to disturbance such as rotation. Similarly, since the portion receiving the force and the reflecting surface are the same, precise control of the angle is difficult. Further, the incident direction and the reflection direction are fixed and have no degree of freedom.
Furthermore, since the reflecting surface is a part of the movable metal electrode, there is a possibility that the deflection angle may change due to a change with time such as twisting or metal fatigue due to the use environment.
【0008】同様に、従来の光走査装置では振動平面鏡
または回転多面鏡の寸法が比較的大きいため、装置が大
型化してしまうという欠点がある。また、正確な走査を
行うためには各素子を厳密な位置関係で配置しなくては
ならず、装置を組み上げる際の光学調整が非常に煩雑で
ある。Similarly, in the conventional optical scanning device, since the size of the vibrating plane mirror or the rotating polygon mirror is relatively large, there is a disadvantage that the size of the device is increased. In addition, in order to perform accurate scanning, each element must be arranged in a strict positional relationship, and optical adjustment when assembling the apparatus is very complicated.
【0009】本発明の目的は、上述の問題点を解決する
ため、マイクロモータやリニアマイクロアクチュエータ
を用いて、新規なマイクロアクチュエータを提供し、角
度の精密制御可能な信頼性の高い光偏向器を提供するこ
とにある。An object of the present invention is to provide a novel microactuator using a micromotor or a linear microactuator to solve the above problems, and to provide a highly reliable optical deflector capable of precisely controlling the angle. To provide.
【0010】[0010]
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明のマイクロアクチ
ュエータは、固定電極および可動電極からなる駆動部
と、一端が固定支持されたジョイントで接続された少な
くとも2個の被駆動部と、前記駆動部および前記被駆動
部を接続するジョイントとを有し、前記被駆動部が前記
ジョイントの部分で繰り返し折れ曲がり動作をするマイ
クロアクチュエータであって、前記駆動部は、前記固定
電極と前記可動電極との間に電圧が印加されることによ
り発生する静電力により前記被駆動部を駆動するもので
あり、前記被駆動部は、前記駆動部で発生される力の方
向と、当該被駆動部の変位の方向とが異なるものである
ことを特徴とする。According to the present invention, there is provided a microactuator comprising: a driving portion comprising a fixed electrode and a movable electrode; at least two driven portions connected at one end by a fixedly supported joint; And a joint for connecting the driven part, wherein the driven part is a microactuator that repeatedly bends at the joint part, wherein the driving part is between the fixed electrode and the movable electrode. The driven part is driven by an electrostatic force generated by applying a voltage to the driven part, and the driven part has a direction of a force generated by the driving part and a direction of a displacement of the driven part. Are different from each other.
【0012】本発明のマイクロアクチュエータには、前
記駆動部および被駆動部が同一基板内に集積されている
ものがある。In some microactuators of the present invention, the driving section and the driven section are integrated on the same substrate.
【0013】本発明のマイクロアクチュエータには、前
記駆動部で発生する力の方向が、基板面に平行変位であ
るものや、前記駆動部で発生する力の方向が、基板面内
回転方向であるものがある。In the microactuator of the present invention, the direction of the force generated by the driving unit is a displacement parallel to the substrate surface, and the direction of the force generated by the driving unit is the rotation direction in the substrate surface. There is something.
【0014】前記ジョイントには、金属薄膜によって成
るもの、高分子膜によって成るもの、。セラミック薄膜
によって成るもの、超弾性薄膜によって成るものがあ
る。The joint may be made of a metal thin film, a polymer film, or the like. Some are made of a ceramic thin film and some are made of a superelastic thin film.
【0015】本発明の光偏向器は、本発明のマイクロア
クチュエータを有し、該マイクロアクチュエータの被駆
動部の少なくとも1箇所に反射面を備え、この反射面に
照射した光を走査させることを特徴とする。The optical deflector of the present invention has the microactuator of the present invention, has a reflecting surface at at least one portion of the driven portion of the microactuator, and scans the light irradiated on the reflecting surface. And
【0016】前記反射面には、金属膜によって成るも
の、金属蒸着膜によって成るもの、金属メッキ膜によっ
て成るもの、単結晶金属薄膜によって成るもの、液相成
長単結晶金属薄膜によって成ることものがある。The reflection surface may be formed of a metal film, formed of a metal deposition film, formed of a metal plating film, formed of a single crystal metal thin film, or formed of a liquid crystal growth single crystal metal thin film. .
【0017】[0017]
【0018】[0018]
【0019】[0019]
【0020】[0020]
【0021】[0021]
【作用】上述の構成の光偏向器は、ジョイントを用いて
固定電極、可動電極、被可動部を接続することにより、
駆動の力を受ける部分と、反射面を分離し、反射面の変
位方向が一義的に決まり、かつ入射方向と出射方向が自
由に選べる構成で、固定電極と可動電極の間に電圧を印
加することにより発生する静電力により、反射面を設け
てある被駆動部を駆動し、光偏向を行う。In the optical deflector having the above-described structure, the fixed electrode, the movable electrode, and the movable portion are connected by using a joint.
A part that receives the driving force and the reflective surface are separated, the displacement direction of the reflective surface is uniquely determined, and the input direction and the output direction can be freely selected, and a voltage is applied between the fixed electrode and the movable electrode. The driven part provided with the reflection surface is driven by the electrostatic force generated thereby to perform light deflection.
【0022】また、本発明のアクチュエータは、薄膜材
料・構造を用いて作製されることが好ましい。一般的に
は、アクチュエータの形態としてはカンチレバー(片持
ち梁)、両持ち梁、メンブレン、ヒンジ、モータ、など
さまざまな形態が考えられる。それぞれのアクチュエー
タの駆動方法としては、圧電効果を利用したバイモルフ
やユニモルフ、対抗電極を用いた静電駆動、熱を利用す
るバイメタル・形状記憶合金、電場などにより体積変化
を利用するもの、気体の圧力により変位するもの、など
がある。中でも対抗電極を用いた静電駆動は、薄膜形状
のカンチレバ型の光導波路を変位させ、光を偏向させて
用いる場合には余り力を必要としない点で有利である。Further, the actuator according to the present invention may be a thin film material.
It is preferable to be manufactured using materials and structures. In general, various forms of the actuator can be considered, such as a cantilever (cantilever), a doubly supported beam, a membrane, a hinge, and a motor. The driving method of each actuator is bimorph or unimorph using the piezoelectric effect, electrostatic driving using the counter electrode, bimetal / shape memory alloy using heat, one using volume change by electric field, gas pressure That are displaced by Among them, the electrostatic drive using the counter electrode is advantageous in that a thin cantilever-type optical waveguide is displaced to deflect light so that no excessive force is required.
【0023】[0023]
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0024】図1は本発明の第1の実施例のアクチュエ
ータ10を表す斜視図である。固定電極11、支持板1
6、および支持梁13、131 はSiからなる同一基板
(不図示)上に固定されている。可動電極12、被駆動
部14、15、支持板16は、ジョイント19、18、
17を介して接続されている。FIG. 1 is a perspective view showing an actuator 10 according to a first embodiment of the present invention. Fixed electrode 11, support plate 1
6, and the support beam 13, 13 1 are fixed on the same substrate (not shown) made of Si. The movable electrode 12, the driven parts 14, 15, and the support plate 16 are joints 19, 18,
17 are connected.
【0025】本実施例の固定電極11と可動電極12
は、マイクロメカニクス技術により作製される前述のく
し型のリニアマイクロアクチュエータとした。The fixed electrode 11 and the movable electrode 12 of this embodiment
Is a comb-shaped linear microactuator manufactured by micromechanics technology.
【0026】本実施例のアクチュエータ10の動作を図
2を用いて説明する。固定電極と可動電極12の間に電
圧を印加することにより、可動電極12は、静電引力に
より基板と平行に繰り返し平行動作をする(図2(a)
矢印B方向)。これにともない、被駆動部14、15も
ジョイント部分で繰り返し折れ曲がり動作を行い(図2
(b)矢印C方向)、基板に平行に発生した力を基板に
垂直の方向に転換する。The operation of the actuator 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. By applying a voltage between the fixed electrode and the movable electrode 12, the movable electrode 12 repeatedly performs a parallel operation in parallel with the substrate by electrostatic attraction (FIG. 2A).
Arrow B direction). Accordingly, the driven parts 14 and 15 also repeatedly bend at the joint (FIG. 2).
(B) in the direction of arrow C), the force generated parallel to the substrate is converted to a direction perpendicular to the substrate.
【0027】図3は本発明の第1の実施例のアクチュエ
ータ10を用いた光偏向器86の斜視図である。図1に
示したアクチュエータ10の被駆動部14に反射板31
を備えている。入射光32に対し、印加電圧による可動
電極12の変位の違いで被駆動部14の角度が変化し、
走査角度θの範囲で出射光33が走査される構成になっ
ている。FIG. 3 is a perspective view of an optical deflector 86 using the actuator 10 according to the first embodiment of the present invention. A reflector 31 is provided on the driven portion 14 of the actuator 10 shown in FIG.
It has. With respect to the incident light 32, the angle of the driven part 14 changes due to the difference in displacement of the movable electrode 12 due to the applied voltage,
The emitted light 33 is scanned in the range of the scanning angle θ.
【0028】このように構成された光偏向器86は、駆
動部と反射面が分離されているため、反射面の力を受け
る方向が一義的に決定し、回転等の外乱効果を受けな
い。また、同じ理由により、角度の精密制御も容易にな
る。さらには、電圧印加による角度制御にジョイントが
寄与していないため、ジョイント材を自由に選ぶことが
でき、ばね定数が十分小さく耐久性に優れた高分子膜等
の絶縁物を利用できる。In the optical deflector 86 configured as described above, since the driving section and the reflection surface are separated, the direction in which the force of the reflection surface is received is uniquely determined, and there is no disturbance effect such as rotation. For the same reason, precise control of the angle is also facilitated. Furthermore, since the joint does not contribute to the angle control by voltage application, the joint material can be freely selected, and an insulator such as a polymer film having a sufficiently small spring constant and excellent durability can be used.
【0029】次に本発明のアクチュエータおよび光偏向
器の作製工程の1例を図4を用いて略説明する。図4は
図1のA−A線断面図である。シリコンからなる基板4
1にリンをイオン注入した後、絶縁層として熱酸化膜4
2を5000Å形成し、さらにこの上に減圧CVD(L
PCVD)によりシリコン窒化膜43を1500Å作製
する。この絶縁層の一部を、フォトリソグラフィとエッ
チングによりパターニングしてコンタクトホール44を
形成する(図4(a))。エッチングはCF4を反応ガ
スとして用い、ドライエッチングを行ったが、バッファ
ふっ酸等によるウェットエッチングでもかまわない。次
いで、第1リンドーピングポリシリコン層をLPCVD
により3000Å作製した後、パターニングにより電気
シールド部45を形成した(図4(b))。ただし、リ
ンはポリシリコン形成後、イオン注入法によって注入し
てもかまわない。真空スパッタリング法により犠牲層シ
リコン酸化膜46を形成(図4(c))、パターニング
した後、リンドーピングポリシリコン膜47をLPCV
Dにより2μm作製する。リンを、イオン注入法によっ
て注入してもかまわないのは言うまでもない。リンドー
ピングポリシリコン膜47をパターニングして固定電
極、駆動部、被駆動部、支持板、ジョイントを形成する
(図4(d))。ここではジョイントとしてポリシリコ
ンを用いたが、もちろん、バネ定数が十分小さいもので
あれば、他の金属膜を成膜したり、高分子膜を形成して
も良い。ふっ酸水溶液により、犠牲層シリコン酸化膜を
除去することにより図1に示すマイクロアクチュエータ
10を形成する(図4(e))。また、犠牲層を除去す
る前に、被駆動部の一部に金属蒸着膜48を成膜し、パ
ターニングして反射面を形成することにより、図3に示
す光偏向器86を作製する(図4(f))。Next, one example of a manufacturing process of the actuator and the optical deflector according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along line AA of FIG. Substrate 4 made of silicon
1 is ion-implanted with phosphorus, and then a thermal oxide film 4 is formed as an insulating layer.
2 is formed at 5000.degree.
A silicon nitride film 43 is formed at 1500 ° by PCVD. A part of this insulating layer is patterned by photolithography and etching to form a contact hole 44 (FIG. 4A). Dry etching was performed using CF 4 as a reaction gas, but wet etching using buffered hydrofluoric acid or the like may be used. Next, the first phosphorus-doped polysilicon layer is formed by LPCVD.
Then, an electric shield portion 45 was formed by patterning (FIG. 4B). However, phosphorus may be implanted by ion implantation after the polysilicon is formed. After forming a sacrificial silicon oxide film 46 by vacuum sputtering (FIG. 4C) and patterning, a phosphorus-doped polysilicon film 47 is formed by LPCV.
D is formed to 2 μm. It goes without saying that phosphorus may be implanted by an ion implantation method. The phosphorus-doped polysilicon film 47 is patterned to form a fixed electrode, a driving section, a driven section, a support plate, and a joint (FIG. 4D). Here, polysilicon is used as the joint, but of course, another metal film or a polymer film may be formed as long as the spring constant is sufficiently small. The sacrificial layer silicon oxide film is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution to form the microactuator 10 shown in FIG. 1 (FIG. 4E). Further, before removing the sacrificial layer, a metal vapor-deposited film 48 is formed on a part of the driven portion, and the reflective surface is formed by patterning, thereby producing the optical deflector 86 shown in FIG. 4 (f)).
【0030】このようにして作製したマイクロアクチュ
エータおよび光偏向器は、小型かつ軽量にさらにはアレ
イ化することもできる。可動電極に備わったビームの長
さ200μm櫛形固定電極の櫛の数11、櫛のギャップ
2μm、被駆動部の長さ50μmとしたところ、0.1
μm/Vの変位を得た。つまり、印加電圧40Vで4μ
mの変位を得、垂直方向に約20μmの変位が達成でき
た。さらにこのアクチュエータを用いて作製した光偏向
器では、図3中に示した方向に走査角度θ=90°〜4
4°の走査を達成した。The microactuator and the optical deflector manufactured as described above can be made compact and lightweight, and can be arrayed. The beam length of the movable electrode is 200 μm. The number of combs of the comb-shaped fixed electrode is 11, the comb gap is 2 μm, and the length of the driven portion is 50 μm.
A displacement of μm / V was obtained. That is, 4 μm at an applied voltage of 40 V
m, and a displacement of about 20 μm was achieved in the vertical direction. Further, in the optical deflector manufactured using this actuator, the scanning angle θ = 90 ° to 4 ° in the direction shown in FIG.
A 4 ° scan was achieved.
【0031】ここでは、Si基板を用いたが、ガラス基
板上に駆動部、固定電極等の構造体を接合する方法を用
いてもよい。Although a Si substrate is used here, a method of bonding a structure such as a driving unit and a fixed electrode on a glass substrate may be used.
【0032】図5は本発明の第2の実施例のアクチュエ
ータを表す斜視図である。可動電極52、被駆動部5
3、54、固定支持板55はジョイント58、57、5
6によって接続され、可動電極52は支持梁59、59
1 に支えられている。固定電極51は図1の固定電極1
1と同様のものである。本実施例のアクチュエータも第
1の実施例のアクチュエータと同様、固定電極、可動電
極はマイクロメカニクス技術を用いたリニアアクチュエ
ータとした。FIG. 5 is a perspective view showing an actuator according to a second embodiment of the present invention. Movable electrode 52, driven part 5
3, 54, the fixed support plate 55 is joints 58, 57, 5
6, the movable electrode 52 is supported by support beams 59, 59.
Supported by one . The fixed electrode 51 is the fixed electrode 1 of FIG.
Same as 1. Similarly to the actuator of the first embodiment, the fixed electrode and the movable electrode of the actuator of this embodiment are linear actuators using micromechanics technology.
【0033】作製方法も第1のアクチュエータと同様で
ある。図6は本実施例のアクチュエータの動作を説明す
る図である。図5に示す固定電極51、可動電極52に
電圧を印加することによって、可動電極52が基板(不
図示)と平行方向に変位をする(図6(a)矢印D方
向)。これにより被駆動部14、15も力を受け、基板
と平行かつ可動電極12の変位方向と垂直の方向(図6
(b)矢印E方向)に変位することが可能になった。The manufacturing method is the same as that of the first actuator. FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the actuator of this embodiment. By applying a voltage to the fixed electrode 51 and the movable electrode 52 shown in FIG. 5, the movable electrode 52 is displaced in a direction parallel to a substrate (not shown) (the direction of arrow D in FIG. 6A). As a result, the driven parts 14 and 15 also receive a force, and are parallel to the substrate and perpendicular to the direction of displacement of the movable electrode 12 (FIG. 6).
(B) in the direction of arrow E).
【0034】また、このアクチュエータの被駆動部分に
反射板を形成すれば、第1のアクチュエータと同様、光
偏向器が得られる。If a reflector is formed on the driven portion of this actuator, an optical deflector can be obtained as in the first actuator.
【0035】図7は本発明の第3の実施例のアクチュエ
ータを表す斜視図である。可動電極72、被駆動部7
4、75は、ジョイント79、78、77で接続されて
いる。矢印F方向に水平に回転する可動電極72は8枚
ばねのロータで構成されている。この可動電極72の一
端に突起721 が形成され、突起721 は被駆動部73
に形成されスリット731 に係合している。これによ
り、可動電極72が矢印F方向に回転すると、被駆動部
73は矢印G方向に駆動され、被駆動部74、75を接
続するジョイント78は矢印H方向に往復移動する。こ
こで示した駆動手段は、前述のマイクロモータとした。FIG. 7 is a perspective view showing an actuator according to a third embodiment of the present invention. Movable electrode 72, driven part 7
4 and 75 are connected by joints 79, 78 and 77. The movable electrode 72 that rotates horizontally in the direction of arrow F is formed of an eight-spring rotor. The one end of the projection 72 1 of the movable electrode 72 is formed, the projection 72 1 is driven portion 73
It is engaged with the slits 73 1 are formed on. Thus, when the movable electrode 72 rotates in the direction of arrow F, the driven part 73 is driven in the direction of arrow G, and the joint 78 connecting the driven parts 74 and 75 reciprocates in the direction of arrow H. The driving means shown here was the micromotor described above.
【0036】本実施例のアクチュエータはマイクロモー
タの回転にともない、被駆動部が第1のアクチュエータ
と同様の動きを行う。この構成により、基板面内回転駆
動力を、基板に垂直な変位に変換する。In the actuator of this embodiment, the driven portion performs the same movement as the first actuator with the rotation of the micromotor. With this configuration, the in-plane rotational driving force is converted into a displacement perpendicular to the substrate.
【0037】本実施例のアクチュエータの作製方法とし
ては、マイクロメカニクス技術のマイクロモータを形成
する技術を用い、マイクロモータ形成過程において同時
に被駆動部を作り込み、さらにジョイントは、第一の実
施例と同様に作り込みアクチュエータを形成した。As a method of manufacturing the actuator of the present embodiment, a micromechanical technology for forming a micromotor is used, and a driven portion is simultaneously formed in the process of forming the micromotor. Similarly, a built-in actuator was formed.
【0038】またここでは、ローターが8枚ばねのマイ
クロモータを用いているが、4枚ばね、6枚ばね、ある
いは多角柱、円柱のマイクロモータでもかまわない。ま
た、アナログ的でなくデジタルに駆動する場合は、マイ
クロステッピングモータを用いても良いことは言うまで
もない。In this embodiment, the rotor uses a micromotor having eight springs, but may use a four-spring, six-spring, or a polygonal or cylindrical micromotor. When driving digitally instead of analogly, it goes without saying that a microstepping motor may be used.
【0039】このようにして作製したアクチュエータ
は、回転部半径100μm、空隙1.5μm、被可動部
の長さ80μmとし各固定電極に70V印加することに
より回転を始め、可動駆動部は平行方向に80μm繰り
返し往復動作が可能になった。これにともない被駆動部
も力を受け、基板と垂直の方向に80μmの変位を達成
した。また、この第3のアクチュエータを用いて作製し
た光偏向器は、θ=87°〜−90°の走査が達成され
た。The actuator manufactured in this manner has a radius of rotation of 100 μm, a gap of 1.5 μm, a length of a movable portion of 80 μm, and starts to rotate by applying 70 V to each fixed electrode. A reciprocating operation of 80 μm was enabled. In accordance with this, the driven part also received a force, and achieved a displacement of 80 μm in a direction perpendicular to the substrate. Further, the optical deflector manufactured using the third actuator achieved a scan of θ = 87 ° to −90 °.
【0040】図8は本発明の第4の実施例のアクチュエ
ータを表す斜視図である。可動電極81、被駆動部8
2、83、84、固定支持板85はジョイント78、7
7、76によって接続されている。本実施例のアクチュ
エータも第3のアクチュエータと同様、駆動手段はマイ
クロメカニクス技術を用いたマイクロモータとした。FIG. 8 is a perspective view showing an actuator according to a fourth embodiment of the present invention. Movable electrode 81, driven part 8
2, 83, 84 and fixed support plate 85 are joints 78, 7
7, 76. Like the third actuator, the actuator of this embodiment is a micromotor using a micromechanics technology as the driving means.
【0041】本実施例のアクチュエータの動作は、マイ
クロモータの回転にともない可動部が第2のアクチュエ
ータとほぼ同様の動きを行う。この構成により、基板面
内の回転駆動力基板面に平行にかつ駆動板に垂直の方向
に変位を変換する。In the operation of the actuator according to the present embodiment, the movable portion performs almost the same operation as the second actuator with the rotation of the micromotor. With this configuration, the rotational driving force in the substrate plane is converted in a direction parallel to the substrate plane and in a direction perpendicular to the driving plate.
【0042】作製方法も第2、第3のアクチュエータと
同様に作製した。The manufacturing method was similar to that of the second and third actuators.
【0043】なお、図9のように2つあるいはそれ以上
のアクチュエータ101 、102 を一緒に作り込むこと
ができる。As shown in FIG. 9, two or more actuators 10 1 and 10 2 can be formed together.
【0044】光偏向器86は、例えば図10の様にして
1次元ラインを高速走査する、レーザビームスキャナと
して使うことができる。ほかにも、駆動方法と出射方向
を考慮し光スイッチ、光スキャナなど応用に用いること
が可能である。The optical deflector 86 can be used as, for example, a laser beam scanner for scanning a one-dimensional line at a high speed as shown in FIG. In addition, it can be used for applications such as an optical switch and an optical scanner in consideration of a driving method and an emission direction.
【0045】以上、本発明のアクチュエータの実施例
と、この内いくつかのアクチュエータを用いた光偏向器
の実施例について説明したが、どのアクチュエータを用
いた光偏向器でも同様の効果があるのは言うまでもな
い。使用目的に応じて、アクチュエータの構成を選び、
入射光に対する出射光の方向を選ぶこともできる。ま
た、ここでは、固定支持板の隣の被駆動部の一部に反射
板を備えたものを示したが、他の被駆動部、あるいは被
駆動部全面に反射板を備えた光偏向器でもかまわない。The embodiments of the actuator of the present invention and the embodiments of the optical deflector using some of the actuators have been described. However, the same effect can be obtained by the optical deflector using any of the actuators. Needless to say. Select the configuration of the actuator according to the purpose of use,
The direction of the outgoing light with respect to the incident light can also be selected. In addition, here, the one provided with the reflection plate in a part of the driven part adjacent to the fixed support plate is shown, but other driven parts or the optical deflector having the reflection plate on the whole driven part may be used. I don't care.
【0046】以下、本発明のアクチュエータを用いた実
施態様例(図11)である光走査装置の基本構成を説明
する。Hereinafter, a practical example using the actuator of the present invention will be described.
The basic configuration of the optical scanning device according to the embodiment (FIG. 11) will be described.
【0047】図11に示す実施態様例において用いられ
るアクチュエータの基本構成は絶縁性の層101aを挟
んで、2個の導電性の領域102a、103aを有する
静電容量構造である構造が適用される。一方の導電性領
域103aは、光導波路104と一緒に薄膜形状の片持
ち梁105内に組み込まれている。光導波路104は膜
の全領域であっても部分的であってもよい。導電性領域
102は片持ち梁105と片側の根元部106aで接
し、先に行くほど細くなっている局面構造を持つ。先端
までの傾斜形状に関しては、局面が連続で局面構造の接
線が片持ち梁105の面と一致していればよく、局面の
形状連続であれば、どのような形状でもよいが、好まし
くは円弧、楕円の一部、放物線、双曲線であれば良い。
本発明においては図11に示すように、導電性領域をも
う一組配置することが好ましい。すなわち、梁内第2の
導電性領域103bと、導電性領域102aと梁105
の反対側に絶縁層101bを挟んで導電性領域102b
を設ける。このことにより梁の変位を、梁に対して対称
的に生じさせることができる。しかしながら導電性領域
を一組配置するだけでも十分な機能を発生させることが
できる。不図示の光源から出射された光は光導波路10
4に導入され、図示矢印方向(左から右)へ進み、光導
波路104先端から出射する。The basic structure of the actuator used in the embodiment shown in FIG. 11 is a capacitance structure having two conductive regions 102a and 103a with an insulating layer 101a interposed therebetween. . One conductive region 103a is incorporated in a thin-film cantilever 105 together with the optical waveguide 104. The optical waveguide 104 may be the entire area or a partial area of the film. The conductive region 102 is in contact with the cantilever 105 at one side of the base 106a, and has a surface structure that becomes thinner as it goes further. Regarding the inclined shape up to the tip, it is only necessary that the phase is continuous and the tangent of the phase structure coincides with the surface of the cantilever 105, and any shape may be used as long as the shape of the phase is continuous. , A part of an ellipse, a parabola, or a hyperbola.
In the present invention, as shown in FIG. 11, it is preferable to arrange another pair of conductive regions. That is, the second conductive region 103b in the beam, the conductive region 102a and the beam 105
Conductive region 102b with insulating layer 101b interposed
Is provided. This allows the displacement of the beam to occur symmetrically with respect to the beam. However, a sufficient function can be generated by arranging only one set of conductive regions. Light emitted from a light source (not shown) is
4 and travels in the direction indicated by the arrow (from left to right) and exits from the tip of the optical waveguide 104.
【0048】図11の実施態様例に用いられるアクチュ
エータは、導電性領域102aと導電性領域103aと
に電圧を印加する事により、まず片持ち梁105の根元
106aに強い静電吸引力を生じる。そのために導電性
領域102a、103aの空隙が狭くなり、梁104が
徐々に導電性領域に近づくので、最終的には梁の先端部
が導電領域の局面形状と同様になるように接する。この
場合、梁の剛性と局面形状との兼ね合いで必ずしも同様
にならない場合もある。次に印加電圧を取り去ると、梁
はその剛性に従って元の位置に戻る。元の位置に戻った
時点で今度は電圧を導電性領域102b、103bに印
加すると再び静電吸引力が働き、今度は導電性領域10
3b、102bが引き合って徐々に近づき梁の先端部が
102bに近づくように動く。電圧印加、切り替えのタ
イミングは梁が中央に来たときでも良いし、ずれた状態
でも梁の動きに合わせて印加し、滑らかな動きをつくる
ことができる。印加する電圧の種類は直流、交流、パル
スなどの中から選ばれる。最終的には光が投射される面
の形状に合わせてその動きが希望の動きになるように電
圧およびその種類を選択する。図11の実施態様例では
梁の中にある導電性領域103a、103bは対称の配
置で別のものとしているが、非対称であったり、導電性
領域が重畳されている、すなわち導電性領域が一つであ
ってもよい。本実施態様例の光走査装置に用いられる導
電性領域を構成する材料としては、通常の金属材料と言
われる物は何でも用いられる。例えば、アルミ、鉄、S
US、銅、真ちゅう、金、ニッケル、タングステン、ク
ロムなどである。また半導体も用いることが可能であ
る。例えば、単結晶、非単結晶を問わずSi、GaA
s、ZnSeなどである。また酸化物の導体も使用可能
である。例えば、ITO、SnO2 、ZnO2 などであ
る。The actuator used in the embodiment shown in FIG. 11 generates a strong electrostatic attraction force at the root 106a of the cantilever 105 by applying a voltage to the conductive region 102a and the conductive region 103a. As a result, the gap between the conductive regions 102a and 103a becomes narrower, and the beam 104 gradually approaches the conductive region, so that the tip of the beam finally comes into contact with the conductive region in a shape similar to that of the conductive region. In this case, it may not always be the same because of the balance between the rigidity of the beam and the shape of the surface. Next, when the applied voltage is removed, the beam returns to its original position according to its rigidity. When a voltage is applied to the conductive regions 102b and 103b at the time of returning to the original position, an electrostatic attractive force acts again, and
3b and 102b attract each other and gradually approach, and the tip of the beam moves so as to approach 102b. The voltage can be applied and switched when the beam is at the center, or even when the beam is shifted, the voltage is applied according to the movement of the beam, and a smooth motion can be created. The type of voltage to be applied is selected from DC, AC, pulse, and the like. Ultimately, the voltage and its type are selected so that the movement becomes a desired movement according to the shape of the surface on which the light is projected. In the embodiment of FIG. 11, the conductive regions 103a and 103b in the beam are different from each other in a symmetrical arrangement. However, the conductive regions 103a and 103b are asymmetric or overlap with each other. It may be one. As a material for forming the conductive region used in the optical scanning device of this embodiment, any material called a normal metal material can be used. For example, aluminum, iron, S
US, copper, brass, gold, nickel, tungsten, chromium and the like. A semiconductor can also be used. For example, irrespective of single crystal or non-single crystal, Si, GaAs
s and ZnSe. Oxide conductors can also be used. For example, ITO, SnO 2 , ZnO 2 and the like.
【0049】本実施態様例の光走査装置に用いられる絶
縁性の領域を構成する材料としては、例えば、SiO
2 、Si3 N4 、SiOx 、SiONx 、Si:N:
H、ガラスなどが用いられる。本実施態様例の光走査装
置の構造を作製するプロセスに関しては、従来から用い
られている部品をミリからマイクロメータのオーダに小
型化して組み立てる方法や、好ましくは半導体のプロセ
ス技術や薄膜堆積・エッチング技術が用いられる。ま
た、膜厚方向に深い構造を形成するためにはX線を用い
たリソグラフィを使用することも可能である。The material constituting the insulating region used in the optical scanning device of this embodiment is, for example, SiO 2
2 , Si 3 N 4 , SiO x , SiON x , Si: N:
H, glass or the like is used. Regarding the process for fabricating the structure of the optical scanning device of the present embodiment, a method for assembling a conventionally used component by miniaturizing it from the millimeter to the order of micrometer, preferably a semiconductor process technology and a thin film deposition / etching Technology is used. In order to form a deep structure in the film thickness direction, lithography using X-rays can be used.
【0050】本実施態様例の光走査装置において上記ア
クチュエータに接して配置される光源としては、発光ダ
イオード、半導体レーザなどの発光素子、電子線、白色
光源等が考えられる。中でも半導体レーザはレーザビー
ムプリンタや干渉測定などの計測への応用など実用性が
広い。発光効率および温度特性の良い半導体レーザの構
造としては、多重量子井戸構造を採用したものなどがあ
る。半導体レーザから放出されたレーザ光は一般に拡散
するため、集光が必要であるが、特に本実施態様例のよ
うな微小なカンチレバー近傍に作製された半導体レーザ
の光を集光するには、微小なコリメータレンズが必要で
ある。そのようなマイクロコリメータレンズの作製例と
しては、フォトリソグラフィ技術を用いた物がある("F
abrication of active Integrated Optical Micro-Enco
der" 1991 IEEE Micro Electro Mechanical Systems Wo
rkshop,Proceedings pp233-238)。As the light source arranged in contact with the actuator in the optical scanning device of this embodiment , a light emitting element such as a light emitting diode and a semiconductor laser, an electron beam, a white light source and the like can be considered. Among them, semiconductor lasers have a wide range of practical uses, such as application to measurement such as laser beam printers and interference measurement. As a structure of a semiconductor laser having good luminous efficiency and temperature characteristics, there is one employing a multiple quantum well structure. Since the laser light emitted from the semiconductor laser is generally diffused, it is necessary to condense the light. In particular, the light of the semiconductor laser manufactured near the minute cantilever as in the present embodiment is condensed. Requires a minute collimator lens. As an example of manufacturing such a microcollimator lens, there is one using a photolithography technique ("F
abrication of active Integrated Optical Micro-Enco
der "1991 IEEE Micro Electro Mechanical Systems Wo
rkshop, Proceedings pp233-238).
【0051】本実施態様例の光導波路の材料としては、
導波させる光に対して透明な誘電体層が用いられ、例え
ばガラス、石英、SiO2 、SiOx 、SiOx Ny 、
Si3 N4 、Si:N:H、ZnS、ZnOなどが用い
られる。光導波路中の光の拡散に対しては、導波路内の
膜厚方向と面内方向に沿って、材料に屈折率の変化をつ
けることにより、光を閉じこめ集光させることが可能で
ある。光源とアクチュエータは一つの基板上に一体に形
成しても良いし、外部の光源から光ファイバなどを用い
て、アクチュエータまで導いても良い。The material of the optical waveguide of this embodiment is as follows.
A dielectric layer transparent to the light to be guided is used, for example, glass, quartz, SiO 2 , SiO x , SiO x N y ,
Si 3 N 4 , Si: N: H, ZnS, ZnO and the like are used. Regarding the diffusion of light in the optical waveguide, it is possible to confine and condense light by changing the refractive index of the material along the thickness direction and the in-plane direction in the waveguide. The light source and the actuator may be formed integrally on one substrate, or may be guided from an external light source to the actuator using an optical fiber or the like.
【0052】本実施態様例では上記の梁の先端部にマイ
クロコリメータレンズを形成して梁内の光導波路からで
た光を集光や、平行化することによって、スクリーン上
の光スポットの大きさを変化させたり、スクリーンとの
距離を小さくできる。レンズの作製方法は梁を作製して
からレンズを接着する方法でも良いし、好ましく光導波
路を形成する際に同じ材料を用いて作製する。レンズの
形状は断面が半円、半楕円、半長円などから選ばれ、梁
の先端の梁とレンズの間に焦点距離調節部を設けても良
い。In this embodiment , the size of the light spot on the screen is formed by forming a microcollimator lens at the tip of the beam and condensing or collimating the light emitted from the optical waveguide in the beam. And the distance to the screen can be reduced. The method of manufacturing the lens may be a method of manufacturing the beam and then bonding the lens, or preferably, the same material is used when forming the optical waveguide. The cross section of the lens is selected from a semi-circle, a semi-ellipse, a semi-ellipse, and the like, and a focal length adjusting unit may be provided between the beam at the tip of the beam and the lens.
【0053】これら、アクチュエータ、光源およびそれ
に付属する部品等を含めた素子を形成する基体として
は、その上部に素子を乗せて支えられる部材であれば何
でもよく、例えばSiウェハーに代表される半導体、ガ
ラス基板等の絶縁体、金属基板等の導体の中から選ば
れ、単結晶、非単結晶、いずれも可能で、場合によって
は高分子ポリマーなどの有機材料も使用可能である。The substrate for forming the element including the actuator, the light source and the parts attached thereto may be any member as long as the element can be supported on the element, for example, a semiconductor such as a Si wafer, The material is selected from an insulator such as a glass substrate and a conductor such as a metal substrate, and may be a single crystal or a non-single crystal. In some cases, an organic material such as a polymer may be used.
【0054】本実施態様例では、上記のアクチュエータ
と上記の光源とを組み合わせて、新規な光走査装置を提
供する物である。また、本実施態様例の光走査装置を同
一半導体基板上に複数作製しそれぞれ独立に動作させる
ことによりスクリーン上の走査スピードを向上させるこ
とも可能である。以下適用例を挙げて本発明のアクチュ
エータを用いた実施態様例である光走査装置を詳細に説
明する。In this embodiment , a novel optical scanning device is provided by combining the above-mentioned actuator and the above-mentioned light source. Further, it is also possible to improve the scanning speed on the screen by manufacturing a plurality of the optical scanning devices of this embodiment on the same semiconductor substrate and operating them independently. The actuation of the present invention will be described below with reference to application examples.
An optical scanning device as an example of an embodiment using an eta will be described in detail.
【0055】<適用例1> 図12(a)〜(g)に本実施態様例の第1の適用例の
光走査装置の作製方法並びにその構造を示す。まず図1
2(a)に示すように、基板201として単結晶(10
0)ウェハーの上に下部電極202としてアルミを20
μm蒸着により形成した後、レジスト203を塗布して
パターニングする。その際レジスト203のベーギング
の条件を調節して、レジストとアルミの密着性を制御す
る。アルミのエッチング液燐酸/硝酸/酢酸/水の混合
液でエッチングするとサイドエッチが深さ方向より速く
進むため、レジスト203を除くと図12(b)のよう
な曲面を呈してエッチされ、残り下部電極202が形成
される。その形状は楕円弧の1/8で下部電極202は
基板201との接点で30度の角度を成す。次にレジス
ト204を塗布し、上部からドライエッチングにより図
12(c)の構造のように平坦化を行う。その上にプラ
ズマCVD法で基板温度100度でSiNH膜205を
形成し、続いて第1の電極206としてアルミを蒸着に
て形成、次に光導波路層207としてSiO2 をスパッ
タ法で堆積し、再び第2の電極208としてアルミをそ
の上に形成し、最後にSiNH膜209を基板温度10
0度で堆積する(図12(d))。図12(d)で堆積
した5層の膜を上から順番に、レジストマスクを使って
パターニングする。エッチングにはSiNH、SiO2
はCF4 のドライエッチング、アルミは燐酸/硝酸/酢
酸/水の混合液を用いた。その際取り出し用の電極を同
時に作製する(図12(e))。次に、基板201のS
iを裏面からSF6のRIEによりエッチングし、下部
電極202の端部204fを基板201のエッチング端
部と合わせ込む(図12(f))。<Application Example 1> FIGS. 12A to 12G show a manufacturing method and a structure of an optical scanning device according to a first application example of this embodiment . First, Figure 1
As shown in FIG. 2A, a single crystal (10
0) 20 aluminum as the lower electrode 202 on the wafer
After being formed by μm evaporation, a resist 203 is applied and patterned. At this time, the condition of the baking of the resist 203 is adjusted to control the adhesion between the resist and aluminum. When etching is performed with an aluminum etchant mixture of phosphoric acid / nitric acid / acetic acid / water, the side etch proceeds faster than the depth direction. Therefore, if the resist 203 is removed, the etch is performed with a curved surface as shown in FIG. An electrode 202 is formed. Its shape is 1 / of the elliptical arc, and the lower electrode 202 forms a 30 ° angle at the contact point with the substrate 201. Next, a resist 204 is applied and flattened by dry etching from above as shown in FIG. 12C. An SiNH film 205 is formed thereon at a substrate temperature of 100 ° C. by a plasma CVD method, then aluminum is formed as a first electrode 206 by vapor deposition, and then SiO 2 is deposited as an optical waveguide layer 207 by a sputtering method. Again, aluminum is formed thereon as the second electrode 208, and finally the SiNH film 209 is formed at a substrate temperature of 10
It is deposited at 0 degrees (FIG. 12D). The five layers of films deposited in FIG. 12D are patterned in order from the top using a resist mask. For etching, use SiNH, SiO 2
Dry etching of CF 4, aluminum was used a mixture of phosphoric acid / nitric acid / acetic acid / water. At this time, an electrode for taking out is simultaneously produced (FIG. 12E). Next, the S
i is etched from the back surface by RIE of SF6, and the end 204f of the lower electrode 202 is aligned with the etched end of the substrate 201 (FIG. 12F).
【0056】上部電極211に関しては、これまで述べ
たプロセスのうち別途に図12(b)まで作製した基板
210の上部電極211の一部分をエッチングで除去し
て凹部211gを形成した後、基板210の一部をエッ
チング除去して基板210の形状加工を行う(図12
(g))。これは、リード線を梁215に接続できるよ
うにするためである。その後、絶縁層SiNHの上部と
上部電極211の下部とを接合させる。接合に関しては
外部から治具を用いて上部電極211と下部電極202
の先が図12(g)のような構成になった位置で固定す
る方法を用いた。必要の無い部分の基板210をカッテ
ィング除去して図12(g)のようにでき上がる。上記
の方法で作製された片持ち梁型光走査装置の梁215の
長さは20mm、厚さは5μm、幅は5mmである。ま
た梁215の先端と下部電極202との間隔は5mmで
あった。第1の電極206と下部電極202とに電圧5
0Vを加えたところ下部電極202に沿った形状に梁2
15が変形した。次に電圧をパルスに変え、パルス高8
0V、デューティ50、周波数200Hzで印加したと
ころ、梁215が基板201と垂直方向に最大振れ角4
5°で振動した。With respect to the upper electrode 211, a part of the upper electrode 211 of the substrate 210 separately manufactured up to FIG. A part of the substrate 210 is processed by removing a part by etching (FIG. 12).
(G)). This is so that the lead wire can be connected to the beam 215. After that, the upper part of the insulating layer SiNH and the lower part of the upper electrode 211 are joined. Regarding the bonding, the upper electrode 211 and the lower electrode 202 are externally connected by using a jig.
Is fixed at a position where the tip of the end has a configuration as shown in FIG. 12 (g). Unnecessary portions of the substrate 210 are removed by cutting to complete the structure as shown in FIG. The beam 215 of the cantilever optical scanning device manufactured by the above method has a length of 20 mm, a thickness of 5 μm, and a width of 5 mm. The distance between the tip of the beam 215 and the lower electrode 202 was 5 mm. A voltage of 5 is applied between the first electrode 206 and the lower electrode 202.
When 0V was applied, the beam 2 was shaped into a shape along the lower electrode 202.
15 was deformed. Next, the voltage was changed to a pulse, and the pulse height was 8
When a voltage of 0 V, a duty of 50, and a frequency of 200 Hz were applied, the beam 215 was perpendicular to the substrate 201 with a maximum deflection angle of 4 °.
Vibrated at 5 °.
【0057】<適用例2>適用例1の素子構造において
電圧を第1の電極と下部電極、第2の電極と上部電極の
交互にくわえた。まず第1電極と第2電極をアースに落
とし、上部電極と下部電極の間にパルス高±50V、デ
ューティ50、周波数200Hzで印加したところ、梁
が基板と垂直方向に梁の停止の位置から対称に±40度
振れた。本構造の素子の光導波路部分の端部215から
光ファイバを用い、半導体レーザからの発光した光を導
入した。上記の条件で梁を振動させたところ、導入した
光が梁の先端部から放射され、スクリーン上に生じた輝
点をスキャンさせることができた。光源とスクリーンと
の距離を250mmとしたとき、スクリーン上のスキャ
ン長さは250mmであった。<Application Example 2> In the element structure of Application Example 1, the voltage was alternately applied between the first electrode and the lower electrode, and between the second electrode and the upper electrode. First, the first electrode and the second electrode were dropped to ground, and a pulse height of ± 50 V, a duty of 50, and a frequency of 200 Hz were applied between the upper electrode and the lower electrode. ± 40 degrees. Light emitted from a semiconductor laser was introduced from the end 215 of the optical waveguide portion of the device having this structure using an optical fiber. When the beam was vibrated under the above conditions, the introduced light was emitted from the tip of the beam, and the bright spot generated on the screen could be scanned. When the distance between the light source and the screen was 250 mm, the scan length on the screen was 250 mm.
【0058】<適用例3>図13に基板に対して平行に
梁315を振動させるタイプの光走査装置の例を示す。
構造はガラス基板301上にアルミ電極302、303
が形成されており、それに接した光導波路308を挟ん
で電極306、307、それを挟んで絶縁層304、3
05からなる梁が部分的に基板301から浮いた状態に
なっている。<Application Example 3> FIG. 13 shows an example of an optical scanning device of a type in which a beam 315 is vibrated in parallel with a substrate.
The structure is such that aluminum electrodes 302 and 303 are formed on a glass substrate 301.
Are formed, electrodes 306 and 307 are sandwiched by an optical waveguide 308 in contact therewith, and insulating layers 304 and 3 are sandwiched by the electrodes 306 and 307.
05 is partially floating from the substrate 301.
【0059】作製プロセス(図13のXY断面の部分
で)を図14(a)〜(h)に示す。まず基板301上
に犠牲層として梁の稼働部分のパターン形状に2μmの
レジスト300を形成した後(図14(a))、厚さ2
0μのアルミ層310を蒸着する(図14(b))。次
にレジストを用いフォトリソで電極形状を作製し、アル
ミ電極302、303、電極306、307とする(図
14(c))。電極のエッチングはCCI4のドライエ
ッチングを用いた。次にリフトオフ用のレジスト311
を20μm塗布した(図14(d))。次に電極30
2、303、306、307上のレジスト311以外の
レジスト311をフォトリソグラフィによりパターニン
グして除去した(図14(e))。続いてプラズマCV
Dで絶縁膜を堆積するが、膜厚方向に屈折率勾配を付け
るため、まずSiH4 /O2 の混合ガスでSiO2 膜3
12を5μm堆積した後、窒素ガスを導入してSiON
膜313を10μm堆積した後、窒素ガスをストップし
て5μmのSiO2 膜314を堆積した(図14
(f))。SiON膜313は後に図14(h)に示す
光導波路308となる。次にリフトオフによりアルミ電
極302、303上の絶縁膜を除去した後、再度レジス
トでカバーしてドライエッチングにより余分な絶縁膜を
取り去り(図14(g))、図13のような素子形状を
作製した。最後に基板と梁の間の犠牲層であるレジスト
300を溶剤で溶かして光導波路308を有する変位可
能な梁315を完成させた(図14(h))。次にそれ
ぞれの電極にボンディングにより引き出し端子を取り付
けた。梁の長さは10mm、梁の高さは20μm、厚さ
は20μmにした。この素子の電極306、307をア
ースにして、電極303、302に200Hz、100
Vの正弦波を印加したところ、梁が基板面と平行方向に
最大振れ角75度で振動した。FIGS. 14A to 14H show the fabrication process (at the XY section in FIG. 13). First, a resist 300 having a thickness of 2 μm is formed as a sacrificial layer on the substrate 301 in a pattern shape of an active portion of a beam (FIG. 14A).
A 0 μm aluminum layer 310 is deposited (FIG. 14B). Next, an electrode shape is formed by photolithography using a resist to form aluminum electrodes 302 and 303 and electrodes 306 and 307 (FIG. 14C). Dry etching of CCI4 was used for the electrode etching. Next, resist 311 for lift-off
Was applied by 20 μm (FIG. 14D). Next, the electrode 30
The resist 311 other than the resist 311 on 2, 303, 306, and 307 was removed by patterning by photolithography (FIG. 14E). Then plasma CV
D, an insulating film is deposited. First, in order to provide a refractive index gradient in the film thickness direction, first, an SiO 2 film 3 is mixed with a mixed gas of SiH 4 / O 2.
12 is deposited at 5 μm, and nitrogen gas is introduced to form SiON.
After depositing the film 313 at 10 μm, the nitrogen gas was stopped to deposit a 5 μm SiO 2 film 314 (FIG. 14).
(F)). The SiON film 313 will later become the optical waveguide 308 shown in FIG. Next, after removing the insulating film on the aluminum electrodes 302 and 303 by lift-off, the resist film is again covered with a resist, and an unnecessary insulating film is removed by dry etching (FIG. 14 (g)), thereby forming an element shape as shown in FIG. did. Finally, the resist 300, which is a sacrificial layer between the substrate and the beam, was dissolved with a solvent to complete the displaceable beam 315 having the optical waveguide 308 (FIG. 14 (h)). Next, a lead terminal was attached to each electrode by bonding. The length of the beam was 10 mm, the height of the beam was 20 μm, and the thickness was 20 μm. The electrodes 306 and 307 of this element are grounded, and the electrodes 303 and 302 are set to 200 Hz and 100 Hz.
When a sine wave of V was applied, the beam vibrated at a maximum deflection angle of 75 degrees in a direction parallel to the substrate surface.
【0060】<適用例4>光源を導入して光走査を行わ
せるため、図15に示される治具を作製して光ファイバ
520を接続した。治具522は高さ20μmで幅15
mm、長さ5mmのアルミ製で電極502、503を作
製するときに同時に作製する。その後、ファイバ522
の位置決めのために、光導波路の高さ・位置に合わせて
治具にV溝524を作製し、ファイバをV溝524に合
わせて接着する。梁の先端部分にマイクロコリメータレ
ンズ525を作製する。本適用例ではレンズの形状を半
円柱とした。レンズは光導波路508と同時に作製し
た。光源にハロゲンランプを用い光ファイバで導入した
光は光源とスクリーンの距離を200mmとしたとき、
スクリーン上のスキャン長さは250mmであった。<Application Example 4> In order to perform light scanning by introducing a light source, a jig shown in FIG. 15 was prepared and an optical fiber 520 was connected. The jig 522 has a height of 20 μm and a width of 15 μm.
The electrodes 502 and 503 are made at the same time when the electrodes 502 and 503 are made of aluminum having a length of 5 mm and a length of 5 mm. Then, the fiber 522
For positioning, a V-groove 524 is formed on the jig according to the height and position of the optical waveguide, and the fiber is adhered to the V-groove 524. A microcollimator lens 525 is formed at the tip of the beam. In this application example, the shape of the lens is a semi-cylindrical column. The lens was manufactured simultaneously with the optical waveguide 508. Light introduced by an optical fiber using a halogen lamp as the light source, when the distance between the light source and the screen is 200 mm,
The scan length on the screen was 250 mm.
【0061】<適用例5>図16に光走査装置の梁の部
分が適用例3と異なる適用例を示す。適用例3と異なる
のは絶縁層の部分で電極602の側面に絶縁層604
を、電極603の側面に絶縁層605を配置した。絶縁
層の材料としては、SiO2 を用い、光導波路と同じプ
ロセス段階で所望の形状にパターニングし、作製する。
この構造では梁の部分に絶縁層がないため軽くなって容
易に動くため、駆動電圧が適用例3に比較して20V低
くなった。<Application Example 5> FIG. 16 shows an application example in which the beam portion of the optical scanning device is different from the application example 3. The difference from the application example 3 is that the insulating layer 604 is provided on the side surface of the electrode 602 in the insulating layer.
The insulating layer 605 was disposed on the side surface of the electrode 603. As a material of the insulating layer, SiO 2 is used, and is patterned and manufactured in a desired shape at the same process stage as the optical waveguide.
In this structure, since there was no insulating layer in the beam portion, the beam became light and easily moved, so that the driving voltage was lowered by 20 V as compared with the application example 3.
【0062】<適用例6>本適用例は光源である半導体
レーザと光走査部とを一つの基板上にモノリシックに形
成した光走査装置の例で、概略を図17に示す。作製方
法は、まずn型GaAs基板701上に順次、バッファ
層702としてn型GaAsを1μm、クラッド層70
3としてn型AlGaAsを2μm、n型Al0.4G
a0.6Asを2μm、活性領域704としてノンドー
プGaAs100Å、Al0.2、Ga0.8As30
Åを4回繰り返し最後にGaAs100Å積層して、多
重量子井戸構造の活性領域704を形成した。次にクラ
ッド層705としてP型Al0.4Ga0.8Asを1
5μm、キャップ層706としてGaAsを0.5μm
分子線エピタキシ法によって形成した。続いて電流注入
域を制限するために示すように活性層704の手前約
0.4μmまでエッチングした後、スピンコートにより
ポリイミド707を形成しエッジの頂部分のみエッチン
グして注入域とした。次に配線電極708としてCr−
Auオーミック電極を形成した。さらに拡散のための熱
処理を行った後、共振面を形成するためにGaAs基板
をエッチングする。エッチングはCl2 ガスを用いたR
IBE法で行った。ここでキャビティ長は300μmで
ある。以上の手法により、半導体レーザを作製した。次
に、同一基板上に適用例4と同じ方法で梁、駆動用電
極、マイクロコリメータレンズを形成した。梁内の電極
と駆動用電極に電圧を加えて梁を変位させ、半導体レー
ザからでた光を一次元に走査して200mm離したスク
リーン上の起点を250mmスキャンさせることができ
た。<Application Example 6> This application example is an example of an optical scanning device in which a semiconductor laser as a light source and an optical scanning unit are monolithically formed on one substrate, and is schematically shown in FIG. The manufacturing method is as follows. First, an n-type GaAs of 1 μm as a buffer layer 702 and a cladding layer 70 are sequentially formed on an n-type GaAs substrate 701.
3 as n-type AlGaAs 2 μm, n-type Al0.4G
a0.6As 2 μm, non-doped GaAs100 #, Al0.2, Ga0.8As30 as active region 704
Å was repeated four times and finally GaAs100Å was laminated to form an active region 704 having a multiple quantum well structure. Next, as the cladding layer 705, P-type Al0.4Ga0.8As
5 μm, GaAs 0.5 μm as cap layer 706
It was formed by molecular beam epitaxy. Subsequently, as shown in order to limit the current injection area, after etching to about 0.4 μm before the active layer 704, polyimide 707 was formed by spin coating, and only the top part of the edge was etched to form an injection area. Next, Cr-
An Au ohmic electrode was formed. After performing a heat treatment for diffusion, the GaAs substrate is etched to form a resonance surface. Etching is performed using R 2 using Cl 2 gas.
Performed by the IBE method. Here, the cavity length is 300 μm. A semiconductor laser was manufactured by the above method. Next, a beam, a driving electrode, and a microcollimator lens were formed on the same substrate in the same manner as in Application Example 4. A voltage was applied to the electrodes in the beam and the driving electrodes to displace the beam, and the light emitted from the semiconductor laser was scanned one-dimensionally to scan the starting point on the screen 200 mm away from the screen by 250 mm.
【0063】上記の半導体レーザを光走査部を形成した
基板上に接着剤等で張り合わせることによっても同様の
結果を得ることができた。A similar result could be obtained by laminating the above-mentioned semiconductor laser on the substrate on which the optical scanning portion was formed with an adhesive or the like.
【0064】[0064]
【発明の効果】以上説明したように本発明のマイクロア
クチュエータは、簡単な構成で、ジョイント材に高分子
膜等、ばね定数の十分小さいものを用いることができ、
過酷な動作を必要とする駆動でも耐久性に優れ、光偏向
器に適したものである。As described above, the microactuator of the present invention can use a joint material made of a polymer film or the like having a sufficiently small spring constant with a simple structure.
It has excellent durability even in a drive requiring severe operation, and is suitable for an optical deflector.
【0065】また、本発明の光偏向器は、力を受ける部
分と反射板を分離したことにより、制御性良くかつノイ
ズを受けずに光を偏向することができる。加えて、使用
目的に応じて光の入射方向と反射方向を変えることもで
き、しかも偏向角に影響を与えないものができる。Further, the light deflector of the present invention can deflect light with good controllability and without receiving noise by separating the portion receiving the force and the reflector. In addition, the direction of incidence and the direction of reflection of light can be changed in accordance with the purpose of use, and one that does not affect the deflection angle can be obtained.
【0066】[0066]
【図1】本発明の第1のアクチュエータを説明する斜視
図である。FIG. 1 is a perspective view illustrating a first actuator of the present invention.
【図2】(a),(b)は本発明の第1のアクチュエー
タの動作を説明する斜視図である。FIGS. 2A and 2B are perspective views illustrating the operation of a first actuator of the present invention.
【図3】本発明の光偏向器を説明する斜視図である。FIG. 3 is a perspective view illustrating an optical deflector according to the present invention.
【図4】(a)〜(f)は本発明の第1のアクチュエー
タの略作製工程図である。FIGS. 4 (a) to 4 (f) are schematic process diagrams for manufacturing a first actuator of the present invention.
【図5】本発明の第2のアクチュエータを説明する斜視
図である。FIG. 5 is a perspective view illustrating a second actuator of the present invention.
【図6】(a),(b)は本発明の第2のアクチュエー
タの動作を説明する上面図である。FIGS. 6A and 6B are top views illustrating the operation of the second actuator of the present invention.
【図7】本発明の第3のアクチュエータを説明する斜視
図である。FIG. 7 is a perspective view illustrating a third actuator of the present invention.
【図8】本発明の第4のアクチュエータを説明する斜視
図である。FIG. 8 is a perspective view illustrating a fourth actuator of the present invention.
【図9】本発明の第5のアクチュエータを説明する斜視
図である。FIG. 9 is a perspective view illustrating a fifth actuator of the present invention.
【図10】本発明の他の光偏向器を説明する斜視図であ
る。FIG. 10 is a perspective view illustrating another optical deflector of the present invention.
【図11】本発明の光走査装置の基本構成斜視図であ
る。FIG. 11 is a perspective view of a basic configuration of an optical scanning device according to the present invention.
【図12】(a)〜(g)は本発明の適用例1および2
による光走査装置のプロセスを示す横断面図である。12 (a) to (g) show application examples 1 and 2 of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a process of the optical scanning device according to the first embodiment.
【図13】本発明の適用例3による光走査装置の斜視図
である。FIG. 13 is a perspective view of an optical scanning device according to a third application example of the invention.
【図14】(a)〜(h)は本発明の適用例3による光
走査装置のプロセスを示す図である。14A to 14H are diagrams illustrating a process of the optical scanning device according to the application example 3 of the present invention.
【図15】本発明の適用例4による光走査装置の斜視図
である。FIG. 15 is a perspective view of an optical scanning device according to Application Example 4 of the present invention.
【図16】本発明の適用例5による光走査装置の斜視図
である。FIG. 16 is a perspective view of an optical scanning device according to a fifth application example of the invention.
【図17】本発明の適用例6による光走査装置の斜視図
である。FIG. 17 is a perspective view of an optical scanning device according to a sixth application example of the invention.
【図18】従来の光偏向器の斜視図である。FIG. 18 is a perspective view of a conventional optical deflector.
【図19】従来の光走査装置の構成を示す概略図であ
る。FIG. 19 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional optical scanning device.
11、41 固定電極 12、22、42、55、62、72 可動電極 13、131 、49、491 支持梁 63、71 駆動板 14、15、43、44、 64、65、73、74、81 被駆動板 16、45、66、75 支持板 17、18、19、 46、47、48、 67、68、69、 76、77、78 ジョイント 31 シリコン基板 32 熱酸化膜 33 シリコン窒化膜 34 コンタクトホール 35 ポリシリコン膜(電気シールド層) 36 シリコン酸化膜(犠牲層) 37 ポリシリコン膜 82 反射板 83 入射光 102、103、202、211、206、 208、302、303、306、307 電極 101、205、209、304、305 絶縁層 104、207、308 光導波路 105 片持ち梁 215、315 梁 201、210、301 基板11 and 41 fixed electrode 12,22,42,55,62,72 movable electrodes 13 1, 49 1 support beams 63,71 drive plate 14,15,43,44, 64,65,73,74, 81 Driven plate 16, 45, 66, 75 Support plate 17, 18, 19, 46, 47, 48, 67, 68, 69, 76, 77, 78 Joint 31 Silicon substrate 32 Thermal oxide film 33 Silicon nitride film 34 Contact Hole 35 polysilicon film (electric shield layer) 36 silicon oxide film (sacrifice layer) 37 polysilicon film 82 reflector 83 incident light 102, 103, 202, 211, 206, 208, 302, 303, 306, 307 electrode 101, 205, 209, 304, 305 Insulating layer 104, 207, 308 Optical waveguide 105 Cantilever 215, 315 Beam 201 210,301 board
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伏見 正弘 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 高木 博嗣 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 村上 智子 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−63016(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 26/10 G02B 26/08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Masahiro Fushimi 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Hiroshi Takagi 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon (72) Inventor Tomoko Murakami 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (56) References JP-A-63-63016 (JP, A) (58) Fields investigated (Int) .Cl. 7 , DB name) G02B 26/10 G02B 26/08
Claims (14)
と、一端が固定支持されたジョイントで接続された少な
くとも2個の被駆動部と、前記駆動部および前記被駆動
部を接続するジョイントとを有し、前記被駆動部が前記
ジョイントの部分で繰り返し折れ曲がり動作をするマイ
クロアクチュエータであって、 前記駆動部は、前記固定電極と前記可動電極との間に電
圧が印加されることにより発生する静電力により前記被
駆動部を駆動するものであり、 前記被駆動部は、前記駆動部で発生される力の方向と、
当該被駆動部の変位の方向とが異なるものであることを
特徴とするマイクロアクチュエータ。1. A driving section comprising a fixed electrode and a movable electrode, at least two driven sections connected at one end by a fixedly supported joint, and a joint connecting the driving section and the driven section. Wherein the driven part is a microactuator that repeatedly bends at the joint part, wherein the driving part is configured to generate static electricity generated by applying a voltage between the fixed electrode and the movable electrode. The driven part is driven by electric power, and the driven part has a direction of a force generated by the driving part,
A microactuator characterized in that a direction of displacement of the driven part is different from that of the driven part.
に集積されていることを特徴とする請求項1記載のマイ
クロアクチュエータ。2. The microactuator according to claim 1, wherein the driving section and the driven section are integrated on the same substrate.
面に平行変位であることを特徴とする請求項2記載のマ
イクロアクチュエータ。3. The microactuator according to claim 2, wherein the direction of the force generated by the driving unit is a displacement parallel to the substrate surface.
面内回転方向であることを特徴とする請求項2記載のマ
イクロアクチュエータ。4. The microactuator according to claim 2, wherein the direction of the force generated by the driving unit is a direction of rotation in the plane of the substrate.
ることを特徴とする請求項1記載のマイクロアクチュエ
ータ。5. The microactuator according to claim 1, wherein the joint is made of a metal thin film.
ることを特徴とする請求項1記載のマイクロアクチュエ
ータ。6. The microactuator according to claim 1, wherein the joint is made of a polymer film.
って成ることを特徴とする請求項1記載のマイクロアク
チュエータ。7. The microactuator according to claim 1, wherein the joint is made of a ceramic thin film.
成ることを特徴とする請求項1記載のマイクロアクチュ
エータ。8. The microactuator according to claim 1, wherein the joint is made of a superelastic thin film.
を有し、該マイクロアクチュエータの被駆動部の少なく
とも1箇所に反射面を備え、この反射面に照射した光を
走査させることを特徴とする光偏向器。9. A light deflection device comprising the microactuator according to claim 1, wherein a reflection surface is provided at at least one portion of a driven portion of the microactuator, and light irradiated on the reflection surface is scanned. vessel.
とを特徴とする請求項9記載の光偏向器。10. The optical deflector according to claim 9, wherein said reflection surface is made of a metal film.
ることを特徴とする請求項10記載の光偏向器。11. The optical deflector according to claim 10, wherein said reflection surface is formed of a metal deposition film.
成ることを特徴とする請求項10記載の光偏向器。12. The optical deflector according to claim 10, wherein said reflection surface is made of a metal plating film.
て成ることを特徴とする請求項10記載の光偏向器。13. The optical deflector according to claim 10, wherein said reflection surface is made of a single crystal metal thin film.
膜によって成ることを特徴とする請求項13記載の光偏
向器。14. The optical deflector according to claim 13, wherein said reflection surface is formed of a liquid phase grown single crystal metal thin film.
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