JP4124986B2 - Micro structure, micro mechanical quantity sensor, micro actuator, micro optical deflector, and optical scanning display - Google Patents

Micro structure, micro mechanical quantity sensor, micro actuator, micro optical deflector, and optical scanning display Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシンないしマイクロ構造体の分野に関するものである。より詳しくは、軸回りに揺動する部材を有するマイクロ力学量センサ、マイクロアクチュエータ、マイクロ光偏向器等に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
機械要素を小型化しようとすると、体積力よりも、表面力の占める割合が大きくなり、摩擦の影響が通常の大きさの機械よりも大きくなることは良く知られている。そのため、マイクロマシンの設計においては、摺動部や回転部を極力少なくするように考慮するのが一般的である。
【0003】
軸回りに揺動する部材を有する光偏向器の従来例を説明する。図23は、米国特許第4317611号明細書に開示された光偏向器の斜視図を示している。図24は、その内部構造を説明するために、上記光偏向器を分解して表示した図である。また、図25と図26は、それぞれ、図23の切断線1003と1006におけるシリコン薄板1020の断面図を示している。
【0004】
上記光偏向器において、絶縁性材料からなる基板1010には、凹み部1012が形成されている。凹み部1012の底部には、一対の駆動電極1014、1016およびミラー支持部1032が配置されている。シリコン薄板1020には、トーションバー1022、1024とミラー1030が一体に形成されている。ミラー1030は、表面に光の反射率の高い物質がコーティングされており、トーションバー1022、1024により揺動自由に支持されている。そして、シリコン薄板1020は、駆動電極1014、1016と所定の間隔を保つように基板1010上に対抗配置されている。
【0005】
ここで、シリコン薄板1020は、電気的に接地されている。従って、駆動電極1014、1016に交互に電圧を印加することで、ミラー1030に静電引力を作用させて、ミラー1030をトーションバー1022、1024の長軸の回りに揺動させられる。
【0006】
トーションバー1022、1024の断面形状は、図26に示すような台形である。ところが、この様な断面形状のトーションバーを有するマイクロ構造体は、トーションバーが撓みやすいため、外部の振動を拾ってしまったり、トーションバーの軸がぶれてしまい、正確な駆動ができないという問題点があった。
【0007】
そのため、この様な光偏向器を光走査型ディスプレイに適用した場合に、外部振動によって像がぶれたり、スポット形状が変化してしまうという問題点があった。これは、光走査型ディスプレイを持ち運び容易な形態にした場合に、より大きな問題となる。
【0008】
そこで、トーションバーを撓みにくくするために、次のような構造が提案されている。図27は、10th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers ’99) pp.1002-1005にて開示されたハードディスクヘッド用ジンバルである。このジンバルは、ハードディスクヘッド用サスペンションの先端に取り付けられ、磁気ヘッドにロールとピッチの動きを弾性的に許容させるためのものである。ジンバル2020は、内側にロールトーションバー2022、2024で回転自由に支持された支持枠2031を有している。また、支持枠2031の内側には、ピッチトーションバー2026、2028で回転自由に支持されたヘッド支持体2030が形成されている。ロールトーションバー2022、2024とピッチトーションバー2026、2028のねじれの軸(図27の直交する鎖線参照)は、互いに直交しており、それぞれ、ヘッド支持体2030のロールとピッチの動きを担当している。
【0009】
図28は、図27中の切断線2006における断面図である。図28に示すように、トーションバー2022の断面形状はT字形状をしており、また、ジンバル2020はリブを有する構造になっている。
【0010】
図29を用いて、本ジンバルの作製工程を説明する。先ず、型取り用シリコンウエハー2091に、ICP-RIE(誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチング)のようなエッチング法を用いて、垂直エッチングを行う(a)。この型取り用シリコンウエハー2091は、再利用が可能である。次に、型取り用シリコンウエハー2091の上に、シリコン酸化膜とリン酸化ガラスからなる犠牲層2092を成膜する(b)。続いて、構造体となるポリシリコン層2093を成膜する(c)。そして、このポリシリコン層2093のパターニングを行う(d)。最後に、犠牲層2092を除去し、パターニングされたパッド2095にエポキシ樹脂2094でポリシリコン層2093を接着する(e)。
【0011】
この様にして作製されたT字断面を有するトーションバーは、円断面や長方形断面のような断面形状を有するトーションバーと比べて、断面二次極モーメントJが小さいわりに、断面二次モーメントIが大きいという特徴がある。そのため、比較的ねじれやすい割りに、撓みにくいトーションバーを提供できる。つまり、ねじれ方向に十分なコンプライアンスを確保しながら、ねじれの軸に垂直な方向には剛性の高いトーションバーを提供できる。
【0012】
また、必要なコンプライアンスや許容ねじれ角を得るための長さが短いトーションバーを提供できるため、より小型化できるという利点もある。
【0013】
こうして、このT字断面を有するトーションバーを用いることで、ロール、ピッチ方向に十分なコンプライアンスを持ち、その他の方向には十分な剛性を有し、より小型化が可能なマイクロジンバルを提供できる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このマイクロ構造体には、次のような問題点があった。
1.T字形状断面を有するトーションバーは、捩れたときに図28の2050の部分において応力の集中が生じるために壊れやすい。
2.T字形状断面を有するトーションバーは、ねじりの中心と重心軸の中心が一致していない。そのため、揺動時にねじれの軸に垂直な方向の加振力を生じてしまう。そのため、駆動時に不要な動きが生じてしまう。
3.ポリシリコンは、単結晶シリコンに比べて内部損失が大きいため、機械的なQ値が低くなってしまう。そのため、機械的な共振を利用して駆動する際に、振動振幅を大きくできない。また、損失が大きいためエネルギー効率が低い。
【0015】
本発明の目的は、この様な問題点を解決した、軸回りに揺動する部材を有するマイクロ力学量センサ、マイクロアクチュエータ、マイクロ光偏向器等に適用できるマイクロマシンないしマイクロ構造体提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するための本発明のマイクロ構造体は、基板と、平板状の揺動体を有し、前記揺動体がトーションバーによって前記基板に対して弾性的に前記トーションバーのねじりを中心に揺動自由に支持されているマイクロ構造体において、前記基板と前記揺動体と前記トーションバーは単結晶材料から一体的に形成され、前記トーションバーは、前記揺動体の表面側と同じ面側である上面、及び、その裏面側と同じ面側である下面の各々に、前記ねじり軸に平行に延びる溝を有し、前記溝の幅 Wg と、前記上面と前記下面との間の距離 t とが、 Wg<t/tan54.7 °の関係を満たし、且つ、前記ねじり軸に垂直な断面形状がX字状である断面形状を具備することを特徴とする。トーションスプリングの長軸に垂直な面での断面形状(本明細書ではトーションスプリングの断面形状或いは横断面形状とも言う)を、平板状の揺動体の平面(マイクロ光偏向器ではここに反射面などが形成される)に対して傾斜した部分を有するように形成することにより、揺動体の平面に対して垂直、平行方向へ撓みにくい構造を効果的に実現できる。
【0017】
この基本構成に基づいて、以下の如きより具体的な形態が可能である。
上記の基本構成では、前記トーションスプリングのねじり中心軸が前記平板状の揺動体の重心付近を通る様に容易にできる。トーションスプリングのねじれの軸中心が揺動体の重心付近を通過する構成とすることにより、揺動体を安定にねじり振動可能となる。トーションスプリングのねじれの軸中心と揺動体の重心が一致していないと、揺動体のねじり振動に伴って、この不一致のために、ねじれの軸に垂直な方向に加振力が加わって不要な振動や変位が生じ易い。したがって、ねじれの軸中心が揺動体の重心付近を通過する構成とすることにより、マイクロ光偏向器等のマイクロ構造体の不要振動を低減できる。
【0018】
前記トーションスプリングの長軸に垂直な面の断面形状が、そのねじり中心軸を含む面に対して対称形状を有する様にも容易にできる。トーションスプリングの断面形状を、揺動体の平面に対して傾斜した部分を有するように形成し、更に、対称とすることにより、ねじれの軸中心にねじり易く、ねじれの軸に垂直な方向には更に撓みにくい構造とすることができる。
【0019】
前記トーションスプリングの材質は、好適にはシリコン単結晶などの単結晶材料からなる。こうすれば、内部損失を小さくできてエネルギー効率が高い揺動機構を実現できる。また、素材として単結晶材料を使用することで、機械的なQ値の高い構造を実現することができる。単結晶材料としては、入手の容易で機械特性に優れた(すなわち、比較的軽量でありながら物理的強度、耐性、寿命に優れた)単結晶シリコンを使用するのが好適である。(100)シリコン単結晶基板を用いて、前記トーションスプリングの傾斜面をシリコン単結晶の(111)面である様にも容易にできる。
【0020】
また、前記単結晶材料が(100)シリコン単結晶基板であり、トーションスプリングが異方性エッチングで形成されて、その外面を画する該(100)基板面に対する斜面が(111)面である様にできる。この際、前記基板或いは揺動体に繋がるトーションスプリングの付け根部の外面を画する(100)基板面に対する面も、(111)面である様にできる。(111)面は高精度且つ滑らかに形成されるので、作製されたトーションスプリングは破断し難いものとなる。更に、トーションスプリングの付け根部分の面も(111)斜面とすれば、ここへの応力集中が緩和できて、トーションスプリングの信頼性を高められる。
【0021】
典型的には、前記基板、揺動体、トーションスプリングは、共通のシリコン単結晶、水晶などの単結晶材料基板からエッチングなどで一体的に形成され得る。
【0023】
前記トーションスプリングの角部(急峻な楔部分など)が等方性エッチングで軽く丸くされて、そこへの応力集中が緩和されてもよい。
【0024】
前記揺動体を支持する2組以上のトーションスプリングの断面形状を、夫々揺動体を挟んで対向するトーションスプリングについて異なる形状としてもよい。このことで、ねじれのコンプライアンスを十分に保ちながら、ねじれの軸に垂直な方向に更に撓みにくい構造とすることができる。すなわち、この構造では、揺動体を挟んで対向する夫々のトーションスプリングの撓みやすい方向が異なっているため、マイクロ光偏向器等のマイクロ構造体では不要となる揺動体のこの方向への振動や変位を低減することができる。
【0025】
更に、揺動体を挟んで対向するトーションスプリングの断面形状を、該対向するトーションスプリングのねじり中心軸を含む面(この面は、典型的には、該対向するトーションスプリングのねじり中心軸を含み該揺動板の平面に平行な面であり、後述する各変形例ではこうなっている)に対して互いに対称に配置してもよい。このことにより、互いのトーションスプリングの撓みやすい方向を対称に交差させることができる。したがって、ねじれの軸に垂直方向に撓みにくい構造とすることが効果的にでき、上記対向するトーションスプリングを異なる形状とする形態の好ましい形態となる。
【0026】
マイクロ構造体の形態としては、前記揺動体が一つであり、直線に沿って伸びた一つないし一対のトーションスプリングによって該揺動体が前記基板に対して弾性的に略該直線の回りに揺動自由に支持されている形態を採り得る。一対のトーションスプリングの形態は後述の実施例に説明されているが、揺動体が充分軽量で一つのトーションスプリングで支障なく揺動自由に支持され得る場合には、こうした形態も用途に応じて使用できる。
【0027】
他のマイクロ構造体の形態としては、前記揺動体が複数であり、該複数の揺動体が入れ子式に配置され、各揺動体が、各直線に沿って伸びた一対のトーションスプリングによって、その外側の揺動体或いは前記基板に対して弾性的に略該各直線の回りに揺動自由に支持されている形態も採り得る。2つの揺動体が入れ子式に配置された例は図27に示されている。必要であれば、3つ以上の揺動体が入れ子式に配置された形態も実現できる。前記各直線が互いに成す角度は、典型的には90度であるが(図27の例参照)、これも、必要であれば90度以外の角度であってもよい。
【0028】
更なる他のマイクロ構造体の形態としては、前記揺動体が複数であり、該複数の揺動体がトーションスプリングを介在させて直列的に配置され、最も外側の揺動体が前記基板にトーションスプリングを介在させて支持されている形態も採り得る。例えば、比較的小質量の揺動体をトーションスプリングを介在させて比較的大質量の揺動体で挟み、両側の大質量の揺動体をトーションスプリングを介在させて基板に繋げ、これら3つのトーションスプリングを一直線に沿って伸びる形態として、この形態において、大質量の揺動体の駆動で小質量の揺動体を間接的に駆動する。いずれにせよ、本発明のマイクロ構造体は、トーションスプリングの断面形状の少なくとも一部が、平板状の揺動体の平面に対して傾斜していることに特徴があり、その形態は用途に応じて種々のものであり得る。
【0029】
更に、上記問題点を解決するための本発明のマイクロ力学量センサは、上記のマイクロ構造体と、基板と揺動体の相対変位を検出する変位検出手段を有することを特徴とする。変位検出手段としては、従来公知のものを使用できて、例えば、静電容量の変化を電圧変化で検知して基板と揺動体の相対変位を検出するものがある。その具体例としては、特開平8−145717、特開2000−65664、特開2000−292434号公報などに開示されている。
【0030】
更に、上記問題点を解決するための本発明のマイクロアクチュエータは、上記のマイクロ構造体と、前記揺動体を前記基板に対して相対的に駆動する駆動手段を有することを特徴とする。前記駆動手段としては、固定コアと、該固定コア(軟磁性体で形成される)を周回するコイルと、前記揺動体に接合された可動コア(軟磁性体或いは硬磁性体の永久磁石で形成されたりする。両者では駆動原理が異なり、前者では、軟磁性体の磁極は決まっておらず、固定コアに磁束が発生する時には磁気回路の磁束を切る軟磁性体の断面積の増す方向に磁束内へ軟磁性体が吸引される駆動力が起こり、磁束消滅時にはそれから解放されるのに対して、後者では、硬磁性体の磁極は決まっており、固定コアと可動コアの異或いは同磁極間の磁力(吸引力或いは反発力)が駆動力である)からなる電磁アクチュエータであったり、静電引力を利用するものであったりする。
【0031】
更に、上記問題点を解決するための本発明のマイクロ光偏向器は、上記のマイクロ構造体と、揺動体を基板に対して相対的に駆動する駆動手段と、前記揺動体に設けられた光偏向子を有することを特徴とする。駆動手段については、上で述べた通りである。光偏向子としては、光反射面或いは回折格子があり、後者では1つのビームを複数のビーム(回折光)として偏向することもできる。
【0032】
更に、上記問題点を解決するための本発明の光走査型ディスプレイは、上記のマイクロ光偏向器と、変調可能な光源(半導体レーザなど)と、前記光源の変調と前記マイクロ光偏向器の揺動体の動作を制御する制御手段を有することを特徴とする。
【0035】
【作用】
本発明のマイクロ構造体の作用について説明する。
本発明のマイクロ構造体においては、上述したように、トーションスプリングの断面形状を、揺動体の平面(マイクロ光偏向器では、ここに反射面などの偏向子が設けられる)に対して傾斜した部分を有するように形成することにより、揺動体の平面(マイクロ光偏向器の反射面)に対して垂直、平行方向へ撓みにくい構造を効果的に実現することができる。例えば、マイクロ光偏向器においては、揺動体の反射面の形成されない面(すなわち反射面形成面の反対面や揺動体の側面)にアクチュエータの機能素子(例えば、静電駆動型アクチュエータの場合は、平行に対向する平板電極)を形成するため、反射面に対して、垂直、平行方向への不要発生力に起因する振動や変位が生じ易い。したがって、トーションスプリングの断面形状に傾斜した部分を形成することで、簡単な構造で該垂直、平行方向の撓みに対する剛性を高くし、マイクロ光偏向器の不要振動を低減することができる。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を明らかにすべく、図面を参照しつつ実施例を説明する。
【0037】
[実施例1]
図1は、本発明の実施例1のマイクロ光偏向器を説明するための斜視図である。図2は、内部構造を説明するために、上記マイクロ光偏向器を分解して示した図である。図3は、本実施例のマイクロ光偏向器の動作を説明するための図2の切断線109における断面図である。図4は、本実施例の特徴であるトーションスプリングの構造を説明するための断面図であり、図1の切断線106におけるシリコン単結晶薄板120の断面を示している。
【0038】
実施例1のマイクロ光偏向器において、ガラス基板110には、凹み部112が形成されている。凹み部112の底部には、一対の駆動電極114、116および三角柱状のミラー支持部132が配置されている。ミラー支持部132は、可能であれば、無くしてもよい。シリコン単結晶薄板120には、バルクマイクロマシニング技術により、トーションスプリング128、129とミラー130が、一体に形成されている。本実施例の特徴であるトーションスプリング128、129は、図4に示すように、断面形状が左右対称なV字形状になっている。これは、一つの内角が289.4°の7角形であり、ミラー130の平面に対して傾斜した2つの断面形状部を有する。
【0039】
ミラー130は、平板の表面に光の反射率の高い物質がコーティングされて形成されており、V字形状のトーションスプリング128、129によりこの長軸の回りに揺動自由に支持されている。そして、シリコン単結晶薄板120は、ミラー130が駆動電極114、116と所定の間隔を保つようにガラス基板110上に対抗配置されている(図3)。トーションスプリング128、129の長軸に沿ったミラー130の下面は図3に示す様にミラー支持部132の頂線部に接していて、該頂線部に沿う揺動軸の回りでミラー130が揺動可能になっている。
【0040】
シリコン単結晶薄板120は、電気的に接地されている。従って、駆動電極114、116に交互に電圧を印加することで、ミラー130に静電引力を作用させて上記揺動軸の回りにミラー130を揺動させることができる。駆動力は静電引力に限らず、磁気力などを使うこともできる。この場合は、駆動電極の代わりに電磁石を設置してミラー130の下面に硬磁性体材料の磁石を固定するなどの構成をとることになる。
【0041】
上記光偏向器の作製法について、図6と図7を用いて、以下に詳しく述べる。図6(a)〜(e)は図1の切断線106における断面を表し、図7(a)〜(e)は、図2の切断線109における断面を表している。
【0042】
先ず、図6に沿ってシリコン単結晶薄板120の加工について述べる。
【0043】
1.シリコン単結晶薄板120の両面に、マスク層150(例えば、SiO2や低圧化学気相成長法で作製した窒化シリコン等)を成膜する。シリコン単結晶薄板120には、(100)基板を使用する。そして、フォトリソグラフィ技術で、マスク層150のパターニングを行う(a)。図6中、基板120上面側、下面側には、それぞれ、幅Wの一つの開口と幅Wの二つの開口が形成される。幅Wの二つの開口の間のストライプ状のマスク層150は、幅Wの開口の中心線に対応して伸びている。幅WはV字形状のトーションスプリング128、129の最上部開口の幅にほぼ設定され、幅Wの二つの開口の間のストライプ状のマスク層150の幅はV字形状のトーションスプリング128、129の最底部の幅にほぼ設定される。
【0044】
2.KOHのようなアルカリ溶液である異方性エッチング溶液を用いて、シリコン単結晶薄板120の両面からエッチングを行う。シリコンの異方性エッチングは、(100)面で速く進み、(111)面で遅く進むため、エッチングは、まず、掘り進むにつれて開口部が狭くなるように進行する(b、c)。このとき、エッチング部の側面は滑らかな(111)面となる。
【0045】
3.Wの幅を有する開口部においては、基板120を貫通するまでエッチングが進行するが、Wの幅を有する開口部においては、基板120を貫通する手前でエッチングが止りV字形状のトーションスプリング128、129の底部が形成される(d)。図5に示すように、(111)面は、(100)面に対して、54.7度の角度を有するため、開口部の幅wとV溝の深さdの関係は、d=w/2・ tan54.7°である。従って、上記のようにV字形状のトーションスプリング128、129が形成される為に、W<2t/tan54.7°、W>2t/tan54.7°の関係を満たしている。ここで、tはシリコン単結晶薄板120の厚みである。
【0046】
この様に、上面からのエッチングは、基板120の下面に達する前にすべての面が(111)面になりエッチングがストップするため、V字状の溝が形成される。下面からのエッチングは、基板120を貫通するまで進行し、マスク層150でストップする。
【0047】
この際、ミラー130の回りの他のエッチング貫通部も形成されるように、下面側のマスク層150のパターニングが行われている。また、(111)面は高精度且つ滑らかに形成されるので、作製されたV字形状のトーションスプリング128、129は破断し難いものとなる。更に、上記異方性エッチングにより、トーションスプリング128、129の付け根部分のV溝の面(図2(a)に128a、129aで示す)も図2(b)に示すように(111)斜面となるので、ここへの応力集中が緩和できて、トーションスプリングの信頼性を高め、ミラーの光偏向角を大きくできる。
【0048】
4.上記異方性エッチング後、ガスや酸により等方性エッチングを行い、V溝の急峻な楔部分やトーションスプリングの角部の角を丸くしてもよい。こうすれば、これらの部分への応力集中を緩和できる。
【0049】
5.次に、マスク層150を除去する(e)。
6.最後に、ミラー130を洗浄し、表面に光反射膜を成膜する。
【0050】
続いて、図7に沿ってガラス基板110の加工法について述べる。
1.ガラス基板110の両面にマスク層151(レジスト等)を成膜する(a)。
【0051】
2.マスク層151をパターニングする(b)。三角柱状のミラー支持部132と凹み部112がエッチングで形成される様にパターニングする。
3.凹み部112の深さが25μmになるように、エッチングを行う(c)。このとき、三角柱状のミラー支持部132が形成される。
【0052】
4.マスク層151を除去し、凹み部112に所定のパターンの駆動電極114、116を形成する(d)。
【0053】
5.図1に示すようなマイクロ光偏向器の形態になるように、シリコン単結晶薄板120とガラス基板110を接合する(e)。
【0054】
以上のように、本実施例の製造方法によれば、異方性エッチングを1度行うだけで、V字形状断面を有するトーションスプリング128、129を製造することができる。図4に示すように断面がV字形状になっている本実施例の光偏向器のトーションスプリング128(129)は、従来のT字形状断面のトーションバーと同様に、ねじれやすくて、撓みにくい構造となっている。また、トーションスプリング128、129の断面形状は、平板状の揺動体の平面(ミラー130)に対して傾斜した交差した2つの部分を有するので、揺動体の平面に対して垂直、平行方向へ撓みにくい構造となっている。更に、本実施例によれば、単結晶シリコンをトーションスプリングの素材に使用することで、ポリシリコンに比べて機械的なQ値が大きなマイクロ構造体を実現できる。
【0055】
更に、本実施例によれば、単結晶材料をトーションスプリングの素材に使用することで、より壊れにくく、より小型化が可能で、共振駆動したときに振動振幅が大きくエネルギー効率の高いマイクロ光偏向器を実現できる。また、本実施例の製造方法を用いることで、比較的容易に本実施例のマイクロ構造体を製造することができる。
【0056】
上記実施例1の変形例を説明する。図8(a)は、本変形例のマイクロ光偏向器を説明するための斜視図である。トーションスプリング628、629は基板面およびシリコンの(111)面で囲まれたV字状断面或いは逆V字状断面を有している。反射面の形成されたミラー630及び枠体620の側面形状は、シリコンの(111)面が露出した形状となるが、図8では簡単のために反射面に対して垂直な側面として描いてある。このことは、他の図でも同様である。
【0057】
本変形例のマイクロ光偏向器は、上記実施例1と異なり、2組のトーションスプリング628、629の断面形状が図8(b)に示す如く異なることを特徴としている。これにより、ねじれ易く、より撓みにくい構造を提供することができる。また、ねじれ共振駆動時に、一方のトーションプリング628または629の構造に起因して発生する撓み振動等の不要な運動モードや外乱による影響を他方のトーションプリング629または628の構造で相殺することができ、駆動安定性を向上させられる。
【0058】
詳細には、図8(b)に示すように、トーションスプリング628、629のA−A’断面の形状とB−B’断面の形状とが互いに基板面(トーションスプリング628、629のねじり中心軸を含んでミラー630の平面に平行な面)に対して対称な形状になっている。また、ミラー630の重心が2組のトーションスプリング628、629のねじり回転軸と一致しており、さらに、駆動安定性を向上させることができる。
【0059】
本変形例によるマイクロ光偏向器は、実施例1と同様に、シリコン基板を結晶異方性エッチングを用いて加工することにより作製する。図6で説明した作製プロセスを用いればよいが、他方のトーションスプリングを形成する方のマスク層150は図6のパターンとは上下逆にする。この様に、異方性エッチングを1度行うだけで、偏平断面を有する部分を上下逆に組み合わせたトーションスプリング628、629を容易に製造することができる。
【0060】
本変形例により、プロセスが容易で、2組のトーションスプリングの断面形状が互いに異なることにより、それぞれのトーションスプリングに起因する駆動時の外乱等の影響を相殺させられるマイクロ光偏向器を実現できる。
【0061】
[実施例2]
図9は、本発明の実施例2のマイクロ光偏向器を説明するための斜視図である。図10は、内部構造を説明するために、上記マイクロ光偏向器を分解して示した図である。図11は、図9の切断線106におけるシリコン単結晶薄板120の断面を示している。図10の切断線109における断面図は図3と同じである。
【0062】
実施例2のマイクロ光偏向器においても、ガラス基板110には、凹み部112が形成されている。凹み部112の底部には、一対の駆動電極114、116および三角柱状のミラー支持部132が配置されている。シリコン単結晶薄板120には、バルクマイクロマシニング技術により、トーションスプリング122、124とミラー130が、一体に形成されている。本実施例の特徴であるトーションスプリング122、124は、図11に示すように、断面形状がX字形状になっている。この形状は、図11より明らかなように、4つの内角が180度よりも大きい12角形であり、また、回転対称形状である。更に、ミラー130の平面に対して傾斜した交差した断面形状部を有する。
【0063】
ミラー130は、平板の表面に光の反射率の高い物質がコーティングされて形成されており、X字形状のトーションスプリング122、124によりこの長軸の回りに揺動自由に支持されている。そして、シリコン単結晶薄板120は、ミラー130が駆動電極114、116と所定の間隔を保つようにガラス基板110上に対抗配置されている。トーションスプリング122、124の長軸に沿ったミラー130の下面はミラー支持部132の頂線部に接していて、該頂線部に沿う揺動軸の回りでミラー130が揺動可能になっている。
【0064】
シリコン単結晶薄板120は、電気的に接地されている。従って、駆動電極114、116に交互に電圧を印加することで、ミラー130に静電引力を作用させて上記揺動軸の回りにミラー130を揺動させることができる。
【0065】
上記光偏向器の作製法について、図13を用いて、以下に詳しく述べる。図7の工程は本実施例でも用いられる。図13(a)〜(g)は図9の切断線106における断面を表し、図7(a)〜(e)は、図10の切断線109における断面を表している。
【0066】
図13に沿ってシリコン単結晶薄板120の加工について述べる。
【0067】
1.シリコン単結晶薄板120の両面に、マスク層150(例えば、SiO2や低圧化学気相成長法で作製した窒化シリコン等)を成膜する。シリコン単結晶薄板120には、(100)基板を使用する。そして、フォトリソグラフィ技術で、マスク層150のパターニングを行う(a)。このパターニングに使用するマスクパターンを図12に示す。図12に示すマスクパターンは、トーションスプリング122、124とミラー130の外形に沿ってWaの幅を有する開口部191が形成されており、また、幅Wのトーションスプリングの長手方向の中心線に沿ってWgの幅を有する開口部190が形成されている。
【0068】
2.KOHのようなアルカリ溶液である異方性エッチング溶液を用いて、シリコン単結晶薄板120の両面からエッチングを行う。シリコンの異方性エッチングは、(100)面で速く進み、(111)面で遅く進むため、エッチングは、まず、掘り進むにつれて開口部が狭くなるように進行する(b)。
【0069】
3.Wgの幅を有する開口部190においては、基板120の中央に達する前にすべての面が(111)面になりエッチングがストップするため、V字状の溝(図11に示す様に、深さdgで、幅Wgである)が形成される。また、Waの幅を有する開口部191においては、基板120を貫通するまでエッチングが進行する(c)。図5に示すように、(111)面は、(100)面に対して、54.7度の角度を有するため、開口部の幅wとV溝の深さdの関係は、d=w/2・tan54.7°である。従って、ここでは、Wg<t/tan54.7 °、 Wa>t/tan54.7 °の関係を満たしている。ここで、tはシリコン単結晶薄板120の厚みである。
【0070】
4.開口部191の上下からの穴が貫通したあとは、エッチングは側方に進んでいく(d、e)。
【0071】
5.(111)面に到達して、エッチングがストップする。このときトーションスプリング122、124の断面はX字形状になる(f)。図11に示す様に、このX字断面の側部のV溝の深さはkbで、幅はtである。この際、(111)面は高精度且つ滑らかに形成されるので、作製されたX字形状のトーションスプリング122、124は破断し難いものとなる。更に、上記異方性エッチングにより、トーションスプリング122、124の付け根部分のV溝の面(図10(a)に122a、124aで示す)も図10(b)に示すように(111)斜面となるので、ここへの応力集中が緩和できて、トーションスプリングの信頼性を高め、ミラーの光偏向角を大きくできる。
【0072】
6.上記異方性エッチング後、ガスや酸により等方性エッチングを行い、V溝の急峻な楔部分やトーションスプリングの角部の角を丸くしてもよい。こうすれば、これらの部分への応力集中を緩和できる。
【0073】
7.次に、マスク層150を除去する(g)。
8.最後に、ミラー130を洗浄し、表面に光反射膜を成膜する。
【0074】
ガラス基板110の加工法については、図7に沿って述べた実施例1の説明と同じである。
【0075】
以上のように、本実施例の製造方法によれば、異方性エッチングを1度行うだけで、X字形状断面を有するトーションスプリング122、124を製造することができる。図11に示すように断面がX字形状になっている本実施例の光偏向器のトーションスプリング122(124)は、断面二次極モーメントJが小さい割に、断面二次モーメントIが大きいという特徴がある。また、その横断面形状が回転対称形状なので、揺動時にねじれの軸に垂直な方向の加振力が生じないマイクロ構造体を実現できる。更に、トーションスプリング122、124の断面形状は、平板状の揺動体の平面(ミラー130)に対して傾斜した交差した部分を有するので、揺動体の平面に対して垂直、平行方向へ更に撓みにくい構造となっている。
【0076】
本実施例によっても、単結晶シリコンをトーションスプリングの素材に使用することで、ポリシリコンに比べて、より壊れにくく、より小型化が可能で、共振駆動したときに振動振幅が大きくエネルギー効率の高い、機械的なQ値が大きなマイクロ構造体を実現できる。
【0077】
また、揺動したときにトーションスプリングの軸に垂直な方向に振動しにくいので、精度が高いマイクロ光偏向器を実現でき、機械的なQ値が高いために共振駆動したときに振動振幅が大きく、エネルギー効率の高いマイクロ光偏向器を実現できる。更に、本実施例の製造方法を用いることで、比較的容易にX字形状の断面を有するトーションスプリングを製造することができる。
【0078】
上記実施例2の変形例を説明する。図14(a)は、本変形例のマイクロ光偏向器を説明するための斜視図である。トーションスプリング728、729は、基板面720およびシリコンの(111)面で囲まれた偏平断面を有している。
【0079】
本変形例のマイクロ光偏向器は、上記実施例2と異なり、2組のトーションスプリング728、729の断面形状が異なることを特徴としている。これにより、ねじり易く、更に撓みにくい構造を提供することができる。また、ねじれ共振駆動時に、一方のトーションバー構造に起因して発生する撓み振動等の不要な運動モードや外乱による影響を他方のトーションバー構造で相殺することができ、駆動安定性を向上させられる。
【0080】
詳細には、図14(b)に示すように、トーションバー728のA−A‘断面の形状とトーションバー729のB−B’断面の形状とが互いに基板面720(ミラー730の面でもある。より正確には、トーションバー728、729のねじり中心軸を含んでミラー730の平面に平行な面)に対して対称な図形になっている。また、2組のトーションバー728、729の重心(ミラー730の重心でもある)がねじり回転軸と一致しており、さらに、駆動安定性を向上させることができる。
【0081】
本変形例によるマイクロ光偏向器は、上記実施例2と同様に、シリコン基板を結晶異方性エッチングを用いて加工することにより作製される。図15は作製プロセスを示す断面図である。
【0082】
まず、面方位(100)の単結晶シリコン基板720の両面に低圧化学気相成長法を用いて窒化シリコンよりなるマスク層731、732を形成する(図15(a)参照)。次に、フォトリソグラフィーおよびCFガスを用いたドライエッチング法によりマスク層731、732のパターニングを行なう(図15(b)参照)。ここでは、基板720の上下面でトーションバーの幅の分だけマスク層が残され、これら残されたマスク層部分はトーションバーの傾斜に応じて左右にずれている。次に、100℃に加熱した30%の水酸化カリウム水溶液を用いてシリコン720の結晶異方性エッチングを行なう(図15(c)参照)。さらに、このエッチングを継続することにより基板720を貫通させる(図15(d)参照)。この際のエッチング方向は図示の通りである。さらに、上記のエッチングを継続することにより、側面がSi(111)面よりなる板バネ状のトーションバー728または729が形成される(図15(e)参照)。ミラー730を挟んだ反対側の他方のトーションバー729または728も同時に形成されるが、この部分ではマスク層は図15とは上下逆にした態様でパターニングされて異方性エッチングが行われている。
【0083】
ここで、マスク層は除去してもよい。また、反射面の表面に反射膜を成膜してもよい。以上のように、本変形例の製造方法によれば、異方性エッチングを1度行うだけで、偏平断面を有するトーションバー728、729を組み合わせたトーションスプリングを容易に製造することができる。
【0084】
本変形例により、次の様なマイクロ光偏向器を提供することができる。ここでは、2組のトーションスプリングがそれぞれ一枚の板バネ状という簡単な構造であり、プロセスが容易であり、2組のトーションスプリングの断面形状が互いに異なることにより、ねじり易く更に撓みにくい構造を有し、かつ、それぞれのトーションスプリングに起因する駆動時の外乱等の影響を相殺させることができる。更に、2組のトーションバーの重心とねじり回転軸とを容易に一致させることができ、駆動を安定させることが容易にでき、トーションバーに応力集中部分がなく、破壊しにくい構造になっている。
【0085】
[実施例3]
図16は、本発明の実施例3のマイクロ光偏向器を説明するための斜視図である。図17は、内部構造を説明するために、上記マイクロ光偏向器を分解して示した図である。図18は、図16の切断線106におけるシリコン単結晶薄板120の断面を示し、本実施例の特徴であるトーションスプリングの構造を説明するための断面図である。図17の切断線109における断面図は図3と同じである。
【0086】
実施例3のマイクロ光偏向器においても、ガラス基板110には、凹み部112が形成されている。凹み部112の底部には、一対の駆動電極114、116および三角柱状のミラー支持部132が配置されている。シリコン単結晶薄板120には、バルクマイクロマシニング技術により、トーションスプリング128、129とミラー130が、一体に形成されている。本実施例の特徴であるトーションスプリング128、129は、偏平トーションバー122、123;124、125が図18に示す様に2本ずつ組になって、断面形状が逆ハの字形状に配置されることで構成されている。
【0087】
ミラー130は、平板の表面に光の反射率の高い物質がコーティングされて形成されており、トーションスプリング128、129により揺動自由に支持されている。そして、シリコン単結晶薄板120は、ミラー130が駆動電極114、116と所定の間隔を保つようにガラス基板110上に対抗配置されている。トーションスプリング128、129のねじり軸に沿ったミラー130の下面はミラー支持部132の頂線部に接していて、該頂線部に沿う揺動軸の回りでミラー130が揺動可能になっている。
【0088】
シリコン単結晶薄板120は、電気的に接地されている。従って、駆動電極114、116に交互に電圧を印加することで、ミラー130に静電引力を作用させて上記揺動軸の回りにミラー130を揺動させることができる。これらの構成は上記の実施例1、2と同じである。
【0089】
本実施例の光偏向器の作製法について、図19を用いて、以下に詳しく述べる。図7の工程は本実施例でも用いられる。図19(a)〜(e)は図16の切断線106における断面を表し、図7(a)〜(e)は、図17の切断線109における断面を表している。
【0090】
図19に沿ってシリコン単結晶薄板120の加工について述べる。
1.シリコン単結晶薄板120の両面に、マスク層150(例えば、SiO2や低圧化学気相成長法で作製した窒化シリコン等)を成膜する。シリコン単結晶薄板120には、(100)基板を使用する。そして、フォトリソグラフィ技術で、マスク層150のパターニングを行う(a)。このマスクパターンは、トーションスプリング128、129の部分では、基板120上面側と下面側にそれぞれ幅Wと幅Wのストライプ状開口が形成されている。幅Wのストライプ状開口はストライプ状マスク層150を挟んで一対形成され、幅Wのストライプ状開口は該ストライプ状マスク層に対応する上面個所に1つ形成されている。幅Wは2つのトーションバー122、123;124、125の最上部の間隔に設定され、幅Wの二つの開口の間のストライプ状のマスク層150の幅は2つのトーションバー122、123;124、125の最底部の間隔に設定される。このマスクパターンでは、ミラー130の外形に沿って適当な幅の開口部も基板120上面側に形成されている。
【0091】
2.KOHのようなアルカリ溶液である異方性エッチング溶液を用いて、シリコン単結晶薄板120の両面からエッチングを行う。シリコンの異方性エッチングは、(100)面で速く進み、(111)面で遅く進むため、エッチングは、まず、掘り進むにつれて開口部が狭くなるように進行する(b、c)。
【0092】
3.両面から基板120を貫通するまでエッチングが進行し、マスク層150でストップする(d)。図5に示すように、シリコンの(111)面は、(100)面に対して、54.7度の角度を有するため、開口部の幅wとV溝の深さdの関係は、d=w/2・tan54.7°である。従って、基板120を貫通するためには、W、W>2t/tan54.7°の関係を満たす必要がある。ここで、tはシリコン単結晶薄板120の厚みである。
【0093】
この際、(111)面は高精度且つ滑らかに形成されるので、作製された逆ハの字断面形状のトーションスプリング128、129は破断し難いものとなる。更に、上記異方性エッチングにより、トーションスプリング128、129の付け根部分のV溝の面(図17(a)に128a、129aで示す)も図17(b)(図17(a)の切断線190におけるシリコン単結晶薄板120の断面図)に示すように(111)斜面となるので、ここへの応力集中が緩和できて、トーションスプリングの信頼性を高め、ミラーの光偏向角を大きくできる。
【0094】
4.上記異方性エッチング後、ガスや酸により等方性エッチングを行い、トーションスプリングの角部の角を丸くしてもよい。こうすれば、これらの部分への応力集中を緩和できる。
【0095】
5.次に、マスク層150を除去する(e)。
6.最後に、ミラー130を洗浄し、表面に光反射膜を成膜する。
【0096】
ガラス基板110の加工法については、図7に沿って述べた実施例1の説明と同じである。
【0097】
以上のように、本実施例の製造方法によれば、異方性エッチングを1度行うだけで、偏平断面を有するトーションバー122、123;124、125を逆ハの字形状に組み合わせたトーションスプリング128、129を製造することができる。
【0098】
図18に示すように、本実施例の光偏向器のトーションスプリング128(129)においては、2本の偏平トーションバー122(124)と123(125)が、互いに70.6°の角度を持って配置されている。つまり、偏平トーションバーの最も撓みやすい(曲げ剛性が低い)方向が、平行にならないように組み合わされているため、トーションスプリング全体として、曲げ剛性が高い構造となっている。更に、トーションスプリング128、129の断面形状は、平板状の揺動体の平面(ミラー130)に対して傾斜した交差した2つの部分を有するので、揺動体の平面に対して垂直、平行方向へ更に撓みにくい構造となっている。
【0099】
本実施例によれば、T字断面のトーションバーと異なり、大きな応力集中が生じないので、同じねじりばね定数、同じ長さのトーションスプリングを考えたときに、より壊れにくいマイクロ構造体を実現できる。また、本実施例によれば、同じ許容ねじり角で考えると、T字断面のトーションバーと比べて、より小型化が可能なマイクロ構造体を実現できる。更に、単結晶シリコンを素材に使用することで、ポリシリコンに比べて機械的なQ値が大きなマイクロ構造体を実現できる。
【0100】
そして、本実施例によれば、より壊れにくく、より小型化が可能で、共振駆動したときに振動振幅が大きいマイクロ光偏向器を実現できる。更に、本実施例の製造方法を用いることで、比較的容易に本発明のマイクロ構造体を製造することができる。
【0101】
実施例3の変形例を図20を用いて説明する。図20は、本発明の実施例3の変形例のマイクロ光偏向器を説明するための斜視図(a)及び断面図(b)である。この変形例では、トーションバーは基板面およびシリコンの(111)面で囲まれた偏平断面を有しており、これが逆ハ及びハの字状に2枚組み合わされてトーションスプリング528、529となっている。図20でも、反射面530及び枠体520の側面形状は、シリコンの(111)面が露出した形状となるが、簡単のために反射面530に対して垂直な側面として描いてある。
【0102】
本変形例のマイクロ光偏向器は、図20(b)に示すように、トーションバーのA−A’断面の形状とB−B’断面の形状とが、基板面(より正確には、該対向するトーションスプリングのねじり中心軸を含み反射面530に平行な面)に対して互いに対称な形状になっている。これにより、ねじれ共振駆動時に、一方のトーションバー構造に起因して発生する撓み振動等の不要な運動モードや外乱による影響を他方のトーションバー構造で相殺することができ、駆動安定性を向上させることができる。
【0103】
本変形例によるマイクロ光偏向器では、上記実施例3と同様に(他方のトーションバー構造について図19のマスク層150のパターンを変える(上下を逆にする)のみでよい)、異方性エッチングを1度行うだけで、偏平断面を有するトーションバーを組み合わせたトーションスプリング528、529を容易に製造することができる。
【0104】
本変形例においては、プロセスが容易であり、2組のトーションスプリングの断面形状が互いに異なることにより、上述した様にそれぞれのトーションスプリングに起因する駆動時の外乱等の影響を相殺させることができ、トーションバーに応力集中部分がなく、破壊しにくい構造となったマイクロ光偏向器を実現することができる。
【0105】
[実施例4]
図21は、本発明の実施例4のマイクロ光偏向器を説明するための概略斜視図を示している。本実施例のマイクロ光偏向器においても、シリコン単結晶薄板には、バルクマイクロマシニング技術により、上記実施例ないし変形例で説明したようなトーションスプリング(不図示)とミラー330が、一体に形成されている。ミラー330の端には、軟磁性体材料からなる可動コア341が固定されている。ミラー330は、表面に光の反射率の高い物質がコーティングされており、トーションスプリングによりその長軸であるねじり軸の回りに揺動自在に支持されている。
【0106】
一方、ガラス基板(不図示)の上には、軟磁性体材料からなる固定コア342が配置されており、この固定コア342をコイル(不図示)が周回している。そして、シリコン単結晶薄板とガラス基板は、可動コア341と固定コア342のほぼ平行に対向する面が、所定の間隔を保つように接合されている。すなわち、ミラー330が揺動するときに、これら対向する面がほぼ平行状態を保ったままその重なり面積(可動コア341が、固定コア342に発生した磁束を切る断面積)が変化する様になっている。可動コア341と固定コア342で2つの間隙を含む閉じた直列磁気回路が形成される。
【0107】
本実施例の光偏向器の動作について説明する。
コイルに通電すると、固定コア342が励磁される。図21では、固定コア342の図中手前側がN極に、奥側がS極に励磁されている様子を表している。すると、可動コア341は、上記対向面の重なり面積が増す方向(固定コア342で発生した磁束路に吸引される方向)、即ち図21の矢印の方向に引き付けられる。可動コア341と固定コア342は、上記対向面の重なり面積が増加できる様に非通電時には高さが異なる状態で配置されているので、トーションスプリングの回りに左回りの回転モーメントが生じる。ミラー330の共振周波数に合わせてコイルへの通電をON/OFFすると、ミラー330がトーションスプリングの回りに共振を起こす。この状態でミラー330に光線を入射することで、光の走査を行うことができる。
【0108】
[実施例5]
図22は、実施例5の光走査型ディスプレイを説明する図である。X光偏向器401とY光偏向器402は、上記実施例ないし変形例の光偏向器と同様のものである。コントローラ409は、X光偏向器401とY光偏向器402を制御して、レーザ光線410をラスター状に走査し、表示する情報に応じてレーザ発振器405を変調することで、スクリーン407上に画像を2次元的に表示する。
【0109】
本発明の光偏向器を光走査型ディスプレイに適用することで、精細な画像を形成できエネルギー効率が高い光走査型ディスプレイを実現することができる。
【0110】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、揺動体を支持するトーションスプリングの断面形状を、平板状の揺動体の平面に対して傾斜した部分を有するように形成したので、トーションスプリングが揺動体の平面に対して垂直、平行方向へ撓みにくくなり、揺動体の正確な揺動運動を可能にしたマイクロ構造体を効果的に実現できる。また、その材質を単結晶材料にすれば、ねじれ易く撓みにくいトーションスプリングを持ち機械的なQ値が大きなマイクロ構造体を提供することができる。また、機械的なQ値が高いためにノイズが少なく、感度の高い、力学量センサを提供できる。また、機械的なQ値が高いため、共振駆動したときに振幅が大きく、また、エネルギー効率の高いマイクロアクチュエータを提供できる。また、機械的なQ値が高いため、共振駆動したときに振幅が大きく、また、エネルギー効率の高いマイクロ光偏向器を提供できる。
【0111】
本発明の光偏向器を光走査型ディスプレイに適用することで、精細な画像を形成できる光走査型ディスプレイも提供できる。更に、本発明の製造方法を用いることで、本発明のマイクロ構造体、マイクロ光偏向器、マイクロ力学量センサ及びマイクロアクチュエータを比較的容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の光偏向器を説明するための斜視図である。
【図2】実施例1の光偏向器を説明するための分解図(a)、及びトーションバーの縦断面図(b)である。
【図3】実施例1等の光偏向器を説明するための断面図である。
【図4】実施例1の光偏向器を説明するためのトーションバーの部分の横断面図である。
【図5】シリコンの異方性エッチングを説明する図である。
【図6】実施例1の光偏向器のシリコン単結晶薄板の作製プロセスを説明する図である。
【図7】実施例1等の光偏向器のガラス基板の作製プロセスを説明する図である。
【図8】本発明の実施例1の変形例の光偏向器を説明するための斜視図(a)、及びトーションスプリングの断面図(b)である。
【図9】本発明の実施例2の光偏向器を説明するための斜視図である。
【図10】実施例2の光偏向器を説明するための分解図(a)、及びトーションスプリングの縦断面図(b)である。
【図11】実施例2の光偏向器を説明するためのトーションスプリングの部分の横断面図である。
【図12】実施例2の光偏向器を説明するための平面図である。
【図13】実施例2の光偏向器のシリコン単結晶薄板の作製プロセスを説明する図である。
【図14】本発明の実施例2の変形例の光偏向器を説明するための斜視図(a)、及びトーションスプリングの断面図(b)である。
【図15】実施例2の変形例の光偏向器のシリコン単結晶薄板の作製プロセスを説明する図である。
【図16】本発明の実施例3の光偏向器を説明するための斜視図である。
【図17】実施例3の光偏向器を説明するための分解図(a)、及びトーションスプリングの縦断面図(b)である。
【図18】実施例3の光偏向器を説明するためのトーションスプリングの部分の横断面図である。
【図19】実施例3の光偏向器のシリコン単結晶薄板の作製プロセスを説明する図である。
【図20】本発明の実施例3の変形例の光偏向器を説明するための斜視図(a)、及びトーションスプリングの断面図(b)である。
【図21】実施例4の光偏向器の動作原理を説明する概略斜視図である。
【図22】本発明の実施例5の光走査型ディスプレイを説明する図である。
【図23】従来の光偏向器を説明するための斜視図である。
【図24】従来の光偏向器を説明するための分解図である。
【図25】従来の光偏向器を説明するための断面図である。
【図26】従来の光偏向器を説明するためのトーションバーの部分の断面図である。
【図27】従来のハードディスク用ジンバルを説明する上面図である。
【図28】従来のハードディスク用ジンバルを説明するための断面図である。
【図29】従来のハードディスク用ジンバルの作製プロセスを説明する図である。
【符号の説明】
110 ガラス基板
112 凹み部
114、116 駆動電極
120、620、720 シリコン単結晶薄板
122、123、124、125、128、129、528、529、628、629、728、729 トーションスプリング(トーションバー)
122a、124a、128a、129a トーションスプリングの付け根部の斜面
130、330、630、730 ミラー
132 ミラー支持部
150、731、732 マスク層
190、191 開口部
341 可動コア
342 固定コア
401 X光偏向器
402 Y光偏向器
405 レーザ発振器
407 スクリーン
409 コントローラ
410 レーザ光線
1010 絶縁性基板
1014、1016 駆動電極
1020 シリコン薄板
1022、1024、2001、2002 トーションバー
1030、2011 ミラー
1032 ミラー支持部
2020 ジンバル
2022、2024 ロールトーションバー
2026、2028 ピッチトーションバー
2030 ヘッド支持体
2031 支持枠
2091 型取り用シリコンウェハー
2092 犠牲層
2093 ポリシリコン層
2094 エポキシ樹脂
2095 パッド
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the field of micromachines or microstructures. More specifically, the present invention relates to a micro mechanical quantity sensor, a micro actuator, a micro optical deflector, and the like having a member that swings around an axis.
[0002]
[Prior art]
It is well known that, when trying to reduce the size of a mechanical element, the proportion of surface force becomes larger than the body force, and the influence of friction becomes larger than that of a normal size machine. For this reason, in designing a micromachine, it is common to consider to minimize the sliding part and the rotating part.
[0003]
A conventional example of an optical deflector having a member that swings around an axis will be described. FIG. 23 is a perspective view of an optical deflector disclosed in US Pat. No. 4,317,611. FIG. 24 is an exploded view of the optical deflector for explaining the internal structure. 25 and 26 show sectional views of the silicon thin plate 1020 taken along the cutting lines 1003 and 1006 in FIG. 23, respectively.
[0004]
In the optical deflector, a recess 1012 is formed in the substrate 1010 made of an insulating material. A pair of drive electrodes 1014 and 1016 and a mirror support portion 1032 are disposed on the bottom of the recess portion 1012. The silicon thin plate 1020 is integrally formed with torsion bars 1022 and 1024 and a mirror 1030. The mirror 1030 has a surface coated with a material having high light reflectivity, and is supported by torsion bars 1022 and 1024 so as to freely swing. The silicon thin plate 1020 is disposed on the substrate 1010 so as to keep a predetermined distance from the drive electrodes 1014 and 1016.
[0005]
Here, the silicon thin plate 1020 is electrically grounded. Therefore, by alternately applying a voltage to the drive electrodes 1014 and 1016, an electrostatic attractive force is applied to the mirror 1030, and the mirror 1030 can be swung around the major axes of the torsion bars 1022 and 1024.
[0006]
The cross-sectional shape of the torsion bars 1022, 1024 is a trapezoid as shown in FIG. However, the micro structure having a torsion bar having such a cross-sectional shape has a problem that the torsion bar is easy to bend, so that external vibrations are picked up and the shaft of the torsion bar is shaken, so that it cannot be driven accurately. was there.
[0007]
Therefore, when such an optical deflector is applied to an optical scanning display, there are problems that an image is blurred or a spot shape is changed due to external vibration. This becomes a bigger problem when the optical scanning display is made easy to carry.
[0008]
In order to make the torsion bar difficult to bend, the following structure has been proposed. FIG. 27 is a gimbal for a hard disk head disclosed in 10th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers '99) pp. 1002-1005. This gimbal is attached to the tip of a hard disk head suspension and is used to elastically allow the magnetic head to move between the roll and the pitch. The gimbal 2020 has a support frame 2031 that is rotatably supported by roll torsion bars 2022 and 2024 on the inner side. In addition, a head support 2030 that is rotatably supported by pitch torsion bars 2026 and 2028 is formed inside the support frame 2031. The torsion axes of the roll torsion bars 2022 and 2024 and the pitch torsion bars 2026 and 2028 (see the orthogonal chain lines in FIG. 27) are orthogonal to each other, and are responsible for the roll and pitch movement of the head support 2030, respectively. Yes.
[0009]
FIG. 28 is a cross-sectional view taken along the cutting line 2006 in FIG. As shown in FIG. 28, the torsion bar 2022 has a T-shaped cross section, and the gimbal 2020 has a rib structure.
[0010]
A manufacturing process of the present gimbal will be described with reference to FIGS. First, vertical etching is performed on the silicon wafer 2091 for molding using an etching method such as ICP-RIE (inductively coupled plasma-reactive ion etching) (a). This mold-taking silicon wafer 2091 can be reused. Next, a sacrificial layer 2092 made of a silicon oxide film and phosphorylated glass is formed on the mold-taking silicon wafer 2091 (b). Subsequently, a polysilicon layer 2093 serving as a structure is formed (c). Then, the polysilicon layer 2093 is patterned (d). Finally, the sacrificial layer 2092 is removed, and a polysilicon layer 2093 is bonded to the patterned pad 2095 with an epoxy resin 2094 (e).
[0011]
The torsion bar having a T-shaped cross section thus produced has a small cross-sectional secondary moment I, although the cross-sectional secondary pole moment J is smaller than that of a torsion bar having a cross-sectional shape such as a circular cross section or a rectangular cross section. There is a feature that is large. Therefore, it is possible to provide a torsion bar that is not easily bent while being relatively easily twisted. That is, it is possible to provide a torsion bar having high rigidity in a direction perpendicular to the torsion axis while ensuring sufficient compliance in the torsion direction.
[0012]
Further, since a torsion bar having a short length for obtaining a required compliance and an allowable torsion angle can be provided, there is an advantage that the size can be further reduced.
[0013]
Thus, by using the torsion bar having the T-shaped cross section, it is possible to provide a micro gimbal having sufficient compliance in the roll and pitch directions and sufficient rigidity in the other directions and capable of further miniaturization.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, this microstructure has the following problems.
1. A torsion bar having a T-shaped cross section is fragile due to stress concentration at the portion 2050 in FIG. 28 when twisted.
2. In the torsion bar having a T-shaped cross section, the center of torsion and the center of the center of gravity axis do not coincide. Therefore, an excitation force in a direction perpendicular to the torsion axis is generated during the swinging. Therefore, an unnecessary movement occurs during driving.
3. Since polysilicon has a larger internal loss than single crystal silicon, the mechanical Q value is lowered. Therefore, the vibration amplitude cannot be increased when driving using mechanical resonance. In addition, energy efficiency is low due to large loss.
[0015]
An object of the present invention is a micromachine or a micro structure that can be applied to a micro mechanical quantity sensor, a micro actuator, a micro optical deflector, etc. having a member that swings around an axis, in which such problems are solved.TheIt is to provide.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a microstructure of the present invention includes a substrate and a flat plate-like rocking body, and the rocking body is elastic to the substrate by a torsion bar.TorsionaxisThe centerThe substrate, the rocking body and the torsion bar are integrally formed of a single crystal material, and the torsion bar isA groove extending in parallel with the torsion axis is provided on each of an upper surface that is the same surface side as the surface side of the rocking body and a lower surface that is the same surface side as the back surface side thereof, and the width of the groove Wg And the distance between the upper surface and the lower surface t And Wg <t / tan54.7 Satisfy the relationship of °, andSaidTorsionCross section perpendicular to the axisofX shapeHaving a cross-sectional shape ofIt is characterized by that. The cross-sectional shape of the torsion spring perpendicular to the long axis (also referred to as the torsion spring cross-sectional shape or transverse cross-sectional shape in this specification) is the plane of the flat rocking body (in the micro optical deflector, this is the reflective surface, etc. In this case, it is possible to effectively realize a structure that is not easily bent in a direction perpendicular to or parallel to the plane of the oscillator.
[0017]
Based on this basic configuration, the following more specific forms are possible.
In the above basic configuration, the torsion spring's torsional central axis can be easily passed through the vicinity of the center of gravity of the flat plate-like rocking body. By adopting a configuration in which the torsion spring twist axis passes through the vicinity of the center of gravity of the oscillating body, the oscillating body can be stably torsionally vibrated. If the torsion spring's torsion shaft center does not match the center of gravity of the rocking body, this discrepancy is caused by the torsional vibration of the rocking body. Vibration and displacement are likely to occur. Therefore, unnecessary vibration of the micro structure such as the micro optical deflector can be reduced by adopting a configuration in which the axis of torsion passes through the vicinity of the center of gravity of the oscillator.
[0018]
The cross-sectional shape of the surface perpendicular to the long axis of the torsion spring can be easily made symmetrical with respect to the surface including the torsional central axis. The torsion spring has a cross-sectional shape that is inclined with respect to the plane of the oscillating body, and is further symmetric so that it can be easily twisted about the axis of the torsion, and further in a direction perpendicular to the torsion axis. It can be set as the structure which is hard to bend.
[0019]
The torsion spring is preferably made of a single crystal material such as silicon single crystal. In this way, it is possible to realize a rocking mechanism that can reduce internal loss and has high energy efficiency. Further, by using a single crystal material as a material, a mechanical high Q value structure can be realized. As the single crystal material, it is preferable to use single crystal silicon which is easily available and has excellent mechanical properties (that is, relatively light weight but excellent physical strength, resistance and life). By using a (100) silicon single crystal substrate, the inclined surface of the torsion spring can be easily made to be the (111) plane of silicon single crystal.
[0020]
Further, the single crystal material is a (100) silicon single crystal substrate, the torsion spring is formed by anisotropic etching, and the inclined surface with respect to the (100) substrate surface defining the outer surface is the (111) plane. Can be. At this time, the surface with respect to the (100) substrate surface that defines the outer surface of the base portion of the torsion spring connected to the substrate or the oscillating body can also be the (111) surface. Since the (111) plane is formed with high precision and smoothness, the produced torsion spring is difficult to break. Furthermore, if the surface of the base portion of the torsion spring is also a (111) slope, the stress concentration on the surface can be relaxed, and the reliability of the torsion spring can be improved.
[0021]
Typically, the substrate, the oscillator, and the torsion spring can be integrally formed by etching or the like from a single crystal material substrate such as a common silicon single crystal or crystal.
[0023]
Corners (such as steep wedges) of the torsion spring may be lightly rounded by isotropic etching to relieve stress concentration there.
[0024]
The cross-sectional shapes of two or more sets of torsion springs that support the rocking body may be different from each other with respect to the torsion springs that face each other with the rocking body interposed therebetween. As a result, it is possible to make the structure more difficult to bend in the direction perpendicular to the torsion axis while maintaining sufficient torsional compliance. In other words, in this structure, the directions in which the torsion springs facing each other across the rocking body are easy to bend are different. Therefore, the vibration or displacement of the rocking body in this direction which is not necessary in the micro structure such as the micro optical deflector. Can be reduced.
[0025]
Further, the cross-sectional shape of the torsion springs facing each other with the rocking body interposed therebetween is changed to a surface including the torsional central axis of the opposing torsion spring (this surface typically includes the torsional central axis of the opposing torsion spring. They may be arranged symmetrically with respect to each other with respect to a plane parallel to the plane of the oscillating plate. As a result, the directions in which the torsion springs are easily bent can be crossed symmetrically. Therefore, it is possible to effectively make the structure difficult to bend in the direction perpendicular to the axis of torsion, and this is a preferable form in which the opposing torsion springs have different shapes.
[0026]
As a form of the micro structure, there is one rocking body, and the rocking body rocks elastically about the straight line with respect to the substrate by one or a pair of torsion springs extending along the straight line. It can take the form of being supported freely. The form of the pair of torsion springs is described in the embodiments described later. However, when the rocking body is sufficiently lightweight and can be supported freely by one torsion spring without any trouble, such a form is also used according to the application. it can.
[0027]
As another form of the microstructure, there are a plurality of the oscillating bodies, the plurality of oscillating bodies are arranged in a nesting manner, and each oscillating body has a pair of torsion springs extending along each straight line. It is also possible to adopt a form in which the oscillating body or the substrate is supported so as to freely oscillate about the straight lines. An example in which two oscillating bodies are arranged in a nested manner is shown in FIG. If necessary, a configuration in which three or more oscillating bodies are arranged in a nested manner can be realized. The angle formed by the straight lines is typically 90 degrees (see the example of FIG. 27), but this may also be an angle other than 90 degrees if necessary.
[0028]
As another form of the microstructure, there are a plurality of the oscillating bodies, the plurality of oscillating bodies are arranged in series with a torsion spring interposed therebetween, and the outermost oscillating body has a torsion spring on the substrate. The form supported by interposing can also be taken. For example, a relatively small mass oscillating body is sandwiched between relatively large mass oscillating bodies via a torsion spring, and large mass oscillating bodies on both sides are connected to a substrate via a torsion spring, and these three torsion springs are connected. As a form extending along a straight line, in this form, a small mass oscillator is indirectly driven by driving a large mass oscillator. In any case, the microstructure of the present invention is characterized in that at least a part of the cross-sectional shape of the torsion spring is inclined with respect to the plane of the plate-like rocking body, and the form depends on the application. It can be various.
[0029]
Furthermore, a micro mechanical quantity sensor of the present invention for solving the above-mentioned problems is characterized by having the above-described microstructure and displacement detecting means for detecting the relative displacement between the substrate and the oscillator. As the displacement detection means, conventionally known ones can be used. For example, there is one that detects the relative displacement between the substrate and the rocking body by detecting the change in capacitance by the change in voltage. Specific examples thereof are disclosed in JP-A-8-145717, JP-A-2000-65664, JP-A-2000-292434, and the like.
[0030]
Furthermore, a microactuator of the present invention for solving the above-described problems is characterized by having the above-described microstructure and driving means for driving the rocking body relative to the substrate. The driving means includes a fixed core, a coil that circulates around the fixed core (formed of a soft magnetic material), and a movable core (soft magnetic or hard magnetic permanent magnet) joined to the oscillator. The driving principle is different between the two, and in the former, the magnetic pole of the soft magnetic material is not determined, and when the magnetic flux is generated in the fixed core, the magnetic flux is cut in the direction of increasing the cross-sectional area of the soft magnetic material that cuts the magnetic flux of the magnetic circuit. In the latter case, the magnetic pole of the hard magnetic material is fixed, and the magnetic force between the fixed core and the movable core is different or between the same magnetic poles. The magnetic actuator (attractive force or repulsive force) is the driving force), or uses an electrostatic attractive force.
[0031]
Furthermore, a micro optical deflector of the present invention for solving the above-described problems includes the above-described microstructure, driving means for driving the oscillator relative to the substrate, and light provided in the oscillator. It has a deflector. The driving means is as described above. The light deflector includes a light reflecting surface or a diffraction grating. In the latter case, one beam can be deflected as a plurality of beams (diffracted light).
[0032]
Furthermore, an optical scanning display of the present invention for solving the above-described problems includes a micro light deflector, a light source (such as a semiconductor laser) that can be modulated, modulation of the light source, and oscillation of the micro light deflector. It has the control means which controls operation | movement of a moving body, It is characterized by the above-mentioned.
[0035]
[Action]
The operation of the microstructure of the present invention will be described.
In the microstructure of the present invention, as described above, the cross-sectional shape of the torsion spring is inclined with respect to the plane of the oscillating body (in the micro optical deflector, a deflector such as a reflecting surface is provided here). Therefore, it is possible to effectively realize a structure that is not easily bent in a direction perpendicular to or parallel to the plane of the oscillator (the reflection surface of the micro light deflector). For example, in a micro light deflector, a functional element of an actuator (for example, in the case of an electrostatic drive type actuator) on a surface on which a reflecting surface of an oscillating body is not formed (that is, a surface opposite to a reflecting surface forming surface or a side surface of the oscillating body) Therefore, vibration and displacement due to unnecessary generated forces in the vertical and parallel directions are likely to occur with respect to the reflecting surface. Therefore, by forming the inclined portion in the cross-sectional shape of the torsion spring, the rigidity against the vertical and parallel bending can be increased with a simple structure, and the unnecessary vibration of the micro optical deflector can be reduced.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, in order to clarify the embodiment of the present invention, examples will be described with reference to the drawings.
[0037]
[Example 1]
FIG. 1 is a perspective view for explaining a micro optical deflector according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an exploded view of the micro optical deflector for explaining the internal structure. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the cutting line 109 in FIG. 2 for explaining the operation of the micro optical deflector of the present embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the structure of the torsion spring, which is a feature of this embodiment, and shows a cross section of the silicon single crystal thin plate 120 taken along the cutting line 106 in FIG.
[0038]
In the micro optical deflector according to the first embodiment, the glass substrate 110 has a recess 112 formed therein. A pair of drive electrodes 114 and 116 and a triangular prism-shaped mirror support portion 132 are disposed on the bottom of the recess 112. The mirror support portion 132 may be omitted if possible. The torsion springs 128 and 129 and the mirror 130 are integrally formed on the silicon single crystal thin plate 120 by bulk micromachining technology. As shown in FIG. 4, the torsion springs 128 and 129, which are the features of the present embodiment, have a V-shaped cross section that is symmetric. This is a heptagon with one interior angle of 289.4 °, and has two cross-sectional shapes inclined with respect to the plane of the mirror 130.
[0039]
The mirror 130 is formed by coating a surface of a flat plate with a material having high light reflectivity, and is supported by V-shaped torsion springs 128 and 129 so as to freely swing around the major axis. The silicon single crystal thin plate 120 is disposed on the glass substrate 110 so that the mirror 130 keeps a predetermined distance from the drive electrodes 114 and 116 (FIG. 3). The lower surface of the mirror 130 along the long axis of the torsion springs 128 and 129 is in contact with the top line part of the mirror support part 132 as shown in FIG. 3, and the mirror 130 is rotated around the swing axis along the top line part. It can swing.
[0040]
The silicon single crystal thin plate 120 is electrically grounded. Therefore, by alternately applying a voltage to the drive electrodes 114 and 116, the mirror 130 can be swung around the swinging shaft by applying an electrostatic attractive force to the mirror 130. The driving force is not limited to electrostatic attraction, but magnetic force can also be used. In this case, an electromagnet is installed instead of the drive electrode, and a hard magnetic material magnet is fixed to the lower surface of the mirror 130.
[0041]
A method for manufacturing the optical deflector will be described in detail below with reference to FIGS. 6A to 6E show cross sections along the cutting line 106 in FIG. 1, and FIGS. 7A to 7E show cross sections along the cutting line 109 in FIG.
[0042]
First, processing of the silicon single crystal thin plate 120 will be described with reference to FIG.
[0043]
1. A mask layer 150 (for example, SiO 2) is formed on both sides of the silicon single crystal thin plate 120.2Or silicon nitride produced by a low pressure chemical vapor deposition method). As the silicon single crystal thin plate 120, a (100) substrate is used. Then, the mask layer 150 is patterned by photolithography (a). In FIG. 6, the width W on the upper surface side and the lower surface side of the substrate 120, respectively.aOne opening and width WbAre formed. Width WbThe striped mask layer 150 between the two openings has a width WaIt extends corresponding to the center line of the opening. Width WaIs approximately set to the width of the uppermost opening of the V-shaped torsion springs 128, 129, and the width WbThe width of the striped mask layer 150 between the two openings is substantially set to the width of the bottom of the V-shaped torsion springs 128 and 129.
[0044]
2. Etching is performed from both sides of the silicon single crystal thin plate 120 using an anisotropic etching solution which is an alkaline solution such as KOH. Since anisotropic etching of silicon proceeds fast on the (100) plane and proceeds slowly on the (111) plane, the etching first proceeds so that the opening becomes narrower as the digging progresses (b, c). At this time, the side surface of the etched portion is a smooth (111) surface.
[0045]
3. WbIn the opening having a width of 2 mm, etching proceeds until the substrate 120 is penetrated.aIn the opening having the width of, etching stops before passing through the substrate 120, and the bottoms of the V-shaped torsion springs 128 and 129 are formed (d). As shown in FIG. 5, since the (111) plane has an angle of 54.7 degrees with respect to the (100) plane, the relationship between the width w of the opening and the depth d of the V groove is d = w / 2 ・ tan54.7 °. Accordingly, since the V-shaped torsion springs 128 and 129 are formed as described above, Wa<2t / tan54.7 °, WbThe relationship of> 2t / tan54.7 ° is satisfied. Here, t is the thickness of the silicon single crystal thin plate 120.
[0046]
As described above, since the etching from the upper surface becomes the (111) plane before the bottom surface of the substrate 120 is reached and the etching stops, a V-shaped groove is formed. Etching from the lower surface proceeds until it penetrates the substrate 120 and stops at the mask layer 150.
[0047]
At this time, the mask layer 150 on the lower surface side is patterned so that other etching penetration portions around the mirror 130 are also formed. Further, since the (111) plane is formed with high precision and smoothness, the manufactured V-shaped torsion springs 128 and 129 are difficult to break. Further, by the anisotropic etching, the surfaces of the V-grooves at the bases of the torsion springs 128 and 129 (indicated by 128a and 129a in FIG. 2A) are also (111) slopes as shown in FIG. As a result, the concentration of stress can be relaxed, the reliability of the torsion spring can be improved, and the light deflection angle of the mirror can be increased.
[0048]
4). After the anisotropic etching, isotropic etching may be performed with gas or acid to round the corners of the sharp wedge portion of the V groove and the corner portion of the torsion spring. In this way, stress concentration on these portions can be alleviated.
[0049]
5. Next, the mask layer 150 is removed (e).
6). Finally, the mirror 130 is cleaned, and a light reflecting film is formed on the surface.
[0050]
Next, a method for processing the glass substrate 110 will be described with reference to FIG.
1. A mask layer 151 (resist or the like) is formed on both surfaces of the glass substrate 110 (a).
[0051]
2. The mask layer 151 is patterned (b). Patterning is performed so that the triangular pillar-shaped mirror support portion 132 and the recessed portion 112 are formed by etching.
3. Etching is performed so that the depth of the recess 112 becomes 25 μm (c). At this time, a triangular prism-shaped mirror support portion 132 is formed.
[0052]
4). The mask layer 151 is removed, and drive electrodes 114 and 116 having a predetermined pattern are formed in the recess 112 (d).
[0053]
5. The silicon single crystal thin plate 120 and the glass substrate 110 are bonded so as to form a micro optical deflector as shown in FIG. 1 (e).
[0054]
As described above, according to the manufacturing method of the present embodiment, the torsion springs 128 and 129 having V-shaped cross sections can be manufactured by performing anisotropic etching only once. As shown in FIG. 4, the torsion spring 128 (129) of the optical deflector according to the present embodiment having a V-shaped cross section is easily twisted and is not easily bent like the conventional torsion bar having a T-shaped cross section. It has a structure. Further, the cross-sectional shape of the torsion springs 128 and 129 has two intersecting portions that are inclined with respect to the plane (mirror 130) of the flat plate-like oscillating body, so that it bends in a direction perpendicular to and parallel to the plane of the oscillating body. It has a difficult structure. Furthermore, according to the present embodiment, by using single crystal silicon as a material for the torsion spring, it is possible to realize a microstructure having a mechanical Q value larger than that of polysilicon.
[0055]
Furthermore, according to the present embodiment, by using a single crystal material as the material of the torsion spring, it is more difficult to break, can be downsized, and has a large vibration amplitude and high energy efficiency when resonance driven. Can be realized. In addition, by using the manufacturing method of this embodiment, the microstructure of this embodiment can be manufactured relatively easily.
[0056]
A modification of the first embodiment will be described. FIG. 8A is a perspective view for explaining the micro optical deflector of the present modification. The torsion springs 628 and 629 have a V-shaped cross section or an inverted V-shaped cross section surrounded by the substrate surface and the (111) plane of silicon. The side surfaces of the mirror 630 and the frame body 620 on which the reflection surface is formed are shapes in which the (111) surface of silicon is exposed, but in FIG. 8, the side surfaces are drawn as side surfaces perpendicular to the reflection surface for simplicity. . The same applies to other drawings.
[0057]
Unlike the first embodiment, the micro optical deflector of this modification is characterized in that the cross-sectional shapes of the two sets of torsion springs 628 and 629 are different as shown in FIG. Thereby, it is possible to provide a structure that is easily twisted and is less likely to bend. Further, at the time of torsional resonance driving, the influence of an unnecessary motion mode such as flexural vibration generated due to the structure of one torsion pulling 628 or 629 or disturbance can be canceled by the structure of the other torsion pulling 629 or 628. , Driving stability can be improved.
[0058]
Specifically, as shown in FIG. 8B, the shape of the torsion springs 628 and 629 in the section AA ′ and the shape of the section BB ′ in the substrate surface (the torsional central axes of the torsion springs 628 and 629). And a plane parallel to the plane of the mirror 630). Further, the center of gravity of the mirror 630 coincides with the torsional rotation axes of the two sets of torsion springs 628 and 629, and the driving stability can be further improved.
[0059]
The micro optical deflector according to this modification is produced by processing a silicon substrate using crystal anisotropic etching, as in the first embodiment. The manufacturing process described with reference to FIG. 6 may be used, but the mask layer 150 on which the other torsion spring is formed is upside down from the pattern of FIG. In this manner, the torsion springs 628 and 629 in which the portions having the flat cross section are combined upside down can be easily manufactured by performing anisotropic etching only once.
[0060]
According to this modification, it is possible to realize a micro optical deflector that can be easily processed, and that the cross-sectional shapes of the two sets of torsion springs are different from each other, thereby canceling the influence of disturbances during driving caused by the respective torsion springs.
[0061]
[Example 2]
FIG. 9 is a perspective view for explaining the micro optical deflector according to the second embodiment of the present invention. FIG. 10 is an exploded view of the micro light deflector for explaining the internal structure. FIG. 11 shows a cross section of the silicon single crystal thin plate 120 taken along the cutting line 106 in FIG. 10 is the same as FIG. 3.
[0062]
Also in the micro optical deflector of the second embodiment, the glass substrate 110 has a recess 112 formed therein. A pair of drive electrodes 114 and 116 and a triangular prism-shaped mirror support portion 132 are disposed on the bottom of the recess 112. The silicon single crystal thin plate 120 is integrally formed with torsion springs 122 and 124 and a mirror 130 by bulk micromachining technology. As shown in FIG. 11, the torsion springs 122 and 124, which are the features of the present embodiment, have an X-shaped cross section. As is apparent from FIG. 11, this shape is a dodecagon whose four inner angles are larger than 180 degrees, and is a rotationally symmetric shape. Furthermore, the cross-sectional shape part which cross | intersected with respect to the plane of the mirror 130 is included.
[0063]
The mirror 130 is formed by coating a material having a high light reflectance on the surface of a flat plate, and is swingably supported around the major axis by X-shaped torsion springs 122 and 124. The silicon single crystal thin plate 120 is disposed on the glass substrate 110 so that the mirror 130 keeps a predetermined distance from the drive electrodes 114 and 116. The lower surface of the mirror 130 along the long axis of the torsion springs 122 and 124 is in contact with the top line part of the mirror support part 132, and the mirror 130 can swing around the swing axis along the top line part. Yes.
[0064]
The silicon single crystal thin plate 120 is electrically grounded. Therefore, by alternately applying a voltage to the drive electrodes 114 and 116, the mirror 130 can be swung around the swinging shaft by applying an electrostatic attractive force to the mirror 130.
[0065]
A method for manufacturing the optical deflector will be described in detail below with reference to FIGS. The process of FIG. 7 is also used in this embodiment. 13A to 13G represent cross sections along the cutting line 106 in FIG. 9, and FIGS. 7A to 7E represent cross sections along the cutting line 109 in FIG.
[0066]
The processing of the silicon single crystal thin plate 120 will be described with reference to FIG.
[0067]
1. A mask layer 150 (for example, SiO 2) is formed on both sides of the silicon single crystal thin plate 120.2Or silicon nitride produced by a low pressure chemical vapor deposition method). As the silicon single crystal thin plate 120, a (100) substrate is used. Then, the mask layer 150 is patterned by photolithography (a). FIG. 12 shows a mask pattern used for this patterning. The mask pattern shown in FIG. 12 is formed along the outer shapes of the torsion springs 122 and 124 and the mirror 130.aAnd an opening 191 having a width of W is formed.bW along the longitudinal centerline of the torsion springgAn opening 190 having a width of 1 mm is formed.
[0068]
2. Etching is performed from both sides of the silicon single crystal thin plate 120 using an anisotropic etching solution which is an alkaline solution such as KOH. Since anisotropic etching of silicon proceeds fast on the (100) plane and proceeds slowly on the (111) plane, the etching first proceeds so that the opening becomes narrower as the digging progresses (b).
[0069]
3. In the opening 190 having a width of Wg, all the surfaces become the (111) surface before etching reaches the center of the substrate 120, and the etching stops, so that the V-shaped groove (as shown in FIG. dg and width Wg). In the opening 191 having a width of Wa, etching proceeds until the substrate 120 is penetrated (c). As shown in FIG. 5, since the (111) plane has an angle of 54.7 degrees with respect to the (100) plane, the relationship between the width w of the opening and the depth d of the V groove is d = w. /2·tan54.7°. Therefore, hereWg <t / tan54.7 ° Wa> t / tan54.7 °Meet the relationship. Here, t is the thickness of the silicon single crystal thin plate 120.
[0070]
4). After the holes from above and below the opening 191 penetrate, the etching proceeds to the side (d, e).
[0071]
5. The etching stops when the (111) plane is reached. At this time, the cross sections of the torsion springs 122 and 124 are X-shaped (f). As shown in FIG. 11, the depth of the V groove on the side of the X-shaped cross section is kbAnd the width is t. At this time, since the (111) plane is formed with high accuracy and smoothness, the produced X-shaped torsion springs 122 and 124 are difficult to break. Further, by the anisotropic etching, the surfaces of the V-grooves at the bases of the torsion springs 122 and 124 (shown by 122a and 124a in FIG. 10A) are also formed as (111) slopes as shown in FIG. 10B. Therefore, the stress concentration here can be relaxed, the reliability of the torsion spring can be improved, and the light deflection angle of the mirror can be increased.
[0072]
6). After the anisotropic etching, isotropic etching may be performed with gas or acid to round the corners of the sharp wedge portion of the V groove and the corner portion of the torsion spring. In this way, stress concentration on these portions can be alleviated.
[0073]
7. Next, the mask layer 150 is removed (g).
8). Finally, the mirror 130 is cleaned, and a light reflecting film is formed on the surface.
[0074]
About the processing method of the glass substrate 110, it is the same as description of Example 1 described along FIG.
[0075]
As described above, according to the manufacturing method of this embodiment, the torsion springs 122 and 124 having an X-shaped cross section can be manufactured by performing anisotropic etching only once. As shown in FIG. 11, the torsion spring 122 (124) of the optical deflector according to the present embodiment having an X-shaped cross section has a large sectional secondary moment I for a small sectional secondary pole moment J. There are features. In addition, since the cross-sectional shape is rotationally symmetric, it is possible to realize a micro structure that does not generate an excitation force in a direction perpendicular to the torsion axis when swinging. Furthermore, since the cross-sectional shape of the torsion springs 122 and 124 has an intersecting portion inclined with respect to the plane (mirror 130) of the flat plate-like oscillating body, it is more difficult to bend in the direction perpendicular to and parallel to the plane of the oscillating body. It has a structure.
[0076]
Also in this embodiment, by using single crystal silicon as a material for the torsion spring, it is more difficult to break than polysilicon and can be downsized, and has a large vibration amplitude and high energy efficiency when driven by resonance. A microstructure with a large mechanical Q value can be realized.
[0077]
In addition, since it is difficult to vibrate in the direction perpendicular to the axis of the torsion spring when it swings, a highly accurate micro optical deflector can be realized, and since the mechanical Q value is high, the vibration amplitude is large when driven by resonance. An energy efficient micro optical deflector can be realized. Furthermore, by using the manufacturing method of the present embodiment, a torsion spring having an X-shaped cross section can be manufactured relatively easily.
[0078]
A modification of the second embodiment will be described. FIG. 14A is a perspective view for explaining the micro optical deflector of the present modification. The torsion springs 728 and 729 have a flat cross section surrounded by the substrate surface 720 and the (111) surface of silicon.
[0079]
Unlike the second embodiment, the micro optical deflector of the present modification is characterized in that the two sets of torsion springs 728 and 729 have different cross-sectional shapes. As a result, it is possible to provide a structure that is easy to twist and is less likely to bend. In addition, during torsional resonance drive, unnecessary motion modes such as flexural vibration caused by one torsion bar structure and the influence of disturbance can be canceled by the other torsion bar structure, and drive stability can be improved. .
[0080]
Specifically, as shown in FIG. 14B, the shape of the AA ′ cross section of the torsion bar 728 and the shape of the BB ′ cross section of the torsion bar 729 are also the substrate surface 720 (the surface of the mirror 730). More precisely, the figure is symmetrical with respect to a plane parallel to the plane of the mirror 730 including the torsional central axes of the torsion bars 728 and 729. Further, the center of gravity of the two sets of torsion bars 728 and 729 (also the center of gravity of the mirror 730) coincides with the torsional rotation axis, and the driving stability can be further improved.
[0081]
The micro optical deflector according to the present modification is produced by processing a silicon substrate using crystal anisotropic etching, as in the second embodiment. FIG. 15 is a cross-sectional view showing a manufacturing process.
[0082]
First, mask layers 731 and 732 made of silicon nitride are formed on both surfaces of a single crystal silicon substrate 720 having a plane orientation (100) by low pressure chemical vapor deposition (see FIG. 15A). Next, photolithography and CF4The mask layers 731 and 732 are patterned by dry etching using gas (see FIG. 15B). Here, the mask layer is left on the upper and lower surfaces of the substrate 720 by the width of the torsion bar, and the remaining mask layer portions are shifted to the left and right according to the inclination of the torsion bar. Next, crystal anisotropic etching of silicon 720 is performed using a 30% aqueous potassium hydroxide solution heated to 100 ° C. (see FIG. 15C). Further, by continuing this etching, the substrate 720 is penetrated (see FIG. 15D). The etching direction at this time is as shown in the figure. Further, by continuing the above etching, a plate spring-like torsion bar 728 or 729 whose side surface is made of a Si (111) surface is formed (see FIG. 15E). The other torsion bar 729 or 728 on the opposite side across the mirror 730 is also formed, but in this part, the mask layer is patterned in an upside down manner with respect to FIG. 15 and anisotropic etching is performed. .
[0083]
Here, the mask layer may be removed. Further, a reflective film may be formed on the surface of the reflective surface. As described above, according to the manufacturing method of this modification, a torsion spring combining the torsion bars 728 and 729 having a flat cross section can be easily manufactured by performing anisotropic etching only once.
[0084]
According to this modification, the following micro optical deflector can be provided. Here, the two sets of torsion springs each have a simple structure of one leaf spring, the process is easy, and the two sets of torsion springs have different cross-sectional shapes, so that a structure that is easy to twist and more difficult to bend is obtained. In addition, it is possible to cancel the influence of disturbances during driving caused by the respective torsion springs. In addition, the center of gravity of the two sets of torsion bars and the torsional rotation axis can be easily matched, the drive can be stabilized easily, and the torsion bar has no stress concentration part and has a structure that is difficult to break. .
[0085]
[Example 3]
FIG. 16 is a perspective view for explaining the micro optical deflector according to the third embodiment of the present invention. FIG. 17 is an exploded view of the micro light deflector for explaining the internal structure. FIG. 18 is a cross-sectional view showing a cross section of the silicon single crystal thin plate 120 taken along the cutting line 106 in FIG. 17 is the same as FIG. 3.
[0086]
Also in the micro optical deflector of the third embodiment, the glass substrate 110 has a recess 112 formed therein. A pair of drive electrodes 114 and 116 and a triangular prism-shaped mirror support portion 132 are disposed on the bottom of the recess 112. The torsion springs 128 and 129 and the mirror 130 are integrally formed on the silicon single crystal thin plate 120 by bulk micromachining technology. The torsion springs 128 and 129, which are the features of the present embodiment, are arranged in a pair of flat torsion bars 122, 123; 124, 125 as shown in FIG. Is made up of.
[0087]
The mirror 130 is formed by coating a surface of a flat plate with a material having a high light reflectivity, and is supported by torsion springs 128 and 129 so as to freely swing. The silicon single crystal thin plate 120 is disposed on the glass substrate 110 so that the mirror 130 keeps a predetermined distance from the drive electrodes 114 and 116. The lower surface of the mirror 130 along the torsion axis of the torsion springs 128 and 129 is in contact with the top line part of the mirror support part 132, and the mirror 130 can swing around the swing axis along the top line part. Yes.
[0088]
The silicon single crystal thin plate 120 is electrically grounded. Therefore, by alternately applying a voltage to the drive electrodes 114 and 116, the mirror 130 can be swung around the swinging shaft by applying an electrostatic attractive force to the mirror 130. These configurations are the same as those in the first and second embodiments.
[0089]
A method for manufacturing the optical deflector of this example will be described in detail below with reference to FIGS. The process of FIG. 7 is also used in this embodiment. 19A to 19E represent cross sections along the cutting line 106 in FIG. 16, and FIGS. 7A to 7E represent cross sections along the cutting line 109 in FIG.
[0090]
The processing of the silicon single crystal thin plate 120 will be described with reference to FIG.
1. A mask layer 150 (for example, SiO 2) is formed on both sides of the silicon single crystal thin plate 120.2Or silicon nitride produced by a low pressure chemical vapor deposition method). As the silicon single crystal thin plate 120, a (100) substrate is used. Then, the mask layer 150 is patterned by photolithography (a). This mask pattern has a width W on the upper surface side and the lower surface side of the substrate 120 at the portions of the torsion springs 128 and 129, respectively.aAnd width WbStripe-shaped openings are formed. Width WbA pair of stripe openings are formed with a stripe mask layer 150 in between and a width WaOne stripe-shaped opening is formed at the upper surface portion corresponding to the stripe-shaped mask layer. Width WaIs set to the distance at the top of the two torsion bars 122, 123; 124, 125, and the width WbThe width of the striped mask layer 150 between the two openings is set to the distance between the bottoms of the two torsion bars 122, 123; 124, 125. In this mask pattern, an opening having an appropriate width is also formed on the upper surface side of the substrate 120 along the outer shape of the mirror 130.
[0091]
2. Etching is performed from both sides of the silicon single crystal thin plate 120 using an anisotropic etching solution which is an alkaline solution such as KOH. Since anisotropic etching of silicon proceeds fast on the (100) plane and proceeds slowly on the (111) plane, the etching first proceeds so that the opening becomes narrower as the digging progresses (b, c).
[0092]
3. Etching proceeds until the substrate 120 penetrates from both sides, and stops at the mask layer 150 (d). As shown in FIG. 5, since the (111) plane of silicon has an angle of 54.7 degrees with respect to the (100) plane, the relationship between the width w of the opening and the depth d of the V groove is d = w / 2 · tan54.7 °. Therefore, in order to penetrate the substrate 120, Wa, WbIt is necessary to satisfy the relationship> 2t / tan54.7 °. Here, t is the thickness of the silicon single crystal thin plate 120.
[0093]
At this time, since the (111) plane is formed with high precision and smoothness, the manufactured torsion springs 128 and 129 having a reverse cross-sectional shape are difficult to break. Further, by the anisotropic etching, the surfaces of the V-grooves at the base portions of the torsion springs 128 and 129 (indicated by 128a and 129a in FIG. 17A) are also shown in FIG. 17B (the cutting line in FIG. 17A). As shown in 190 (cross-sectional view of the silicon single crystal thin plate 120), the slope is (111), so that stress concentration can be relaxed, the reliability of the torsion spring can be improved, and the light deflection angle of the mirror can be increased.
[0094]
4). After the anisotropic etching, isotropic etching may be performed with gas or acid to round the corners of the torsion spring. In this way, stress concentration on these portions can be alleviated.
[0095]
5. Next, the mask layer 150 is removed (e).
6). Finally, the mirror 130 is cleaned, and a light reflecting film is formed on the surface.
[0096]
About the processing method of the glass substrate 110, it is the same as description of Example 1 described along FIG.
[0097]
As described above, according to the manufacturing method of the present embodiment, the torsion springs in which the torsion bars 122, 123; 124, 125 having a flat cross section are combined in an inverted C shape by performing anisotropic etching only once. 128, 129 can be manufactured.
[0098]
As shown in FIG. 18, in the torsion spring 128 (129) of the optical deflector of this embodiment, the two flat torsion bars 122 (124) and 123 (125) have an angle of 70.6 ° with respect to each other. Are arranged. That is, since the flattened torsion bar is combined so that the most flexible direction (low bending rigidity) is not parallel, the entire torsion spring has a high bending rigidity. Furthermore, since the cross-sectional shape of the torsion springs 128 and 129 has two intersecting portions inclined with respect to the plane of the flat plate-like rocking body (mirror 130), it is further perpendicular and parallel to the plane of the rocking body. The structure is difficult to bend.
[0099]
According to the present embodiment, unlike a torsion bar having a T-shaped cross section, a large stress concentration does not occur. Therefore, when considering a torsion spring having the same torsion spring constant and the same length, it is possible to realize a microstructure that is less likely to break. . Further, according to the present embodiment, when considering the same allowable torsion angle, it is possible to realize a microstructure that can be further reduced in size as compared with a torsion bar having a T-shaped cross section. Furthermore, by using single crystal silicon as a material, it is possible to realize a microstructure having a mechanical Q value larger than that of polysilicon.
[0100]
According to the present embodiment, it is possible to realize a micro optical deflector that is harder to break, can be reduced in size, and has a large vibration amplitude when driven by resonance. Furthermore, the microstructure of the present invention can be manufactured relatively easily by using the manufacturing method of this embodiment.
[0101]
A modification of the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a perspective view (a) and a sectional view (b) for explaining a micro optical deflector according to a modification of the third embodiment of the present invention. In this modification, the torsion bar has a flat cross section surrounded by the substrate surface and the (111) plane of silicon, and these two are combined in a reverse C and C shape to form torsion springs 528 and 529. ing. Also in FIG. 20, the side surfaces of the reflecting surface 530 and the frame body 520 are shapes in which the (111) surface of silicon is exposed, but are drawn as side surfaces perpendicular to the reflecting surface 530 for simplicity.
[0102]
As shown in FIG. 20B, the micro optical deflector according to the present modification has a substrate surface (more precisely, the shape of the AA ′ cross section and the BB ′ cross section of the torsion bar). The surfaces are symmetrical to each other with respect to the torsion springs facing torsional central axes and parallel to the reflecting surface 530. As a result, during torsional resonance drive, unnecessary motion modes such as flexural vibrations caused by one torsion bar structure and the influence of disturbance can be canceled by the other torsion bar structure, and drive stability is improved. be able to.
[0103]
In the micro optical deflector according to this modification, anisotropic etching is performed in the same manner as in the third embodiment (only the pattern of the mask layer 150 in FIG. 19 is changed (upside down) for the other torsion bar structure). The torsion springs 528 and 529 combined with a torsion bar having a flat cross section can be easily manufactured by performing only once.
[0104]
In this modification, the process is easy, and the cross-sectional shapes of the two sets of torsion springs are different from each other, so that it is possible to cancel the influence of disturbances during driving caused by the respective torsion springs as described above. In addition, it is possible to realize a micro optical deflector having a structure in which the torsion bar has no stress concentration portion and is difficult to break.
[0105]
[Example 4]
FIG. 21: has shown the schematic perspective view for demonstrating the micro optical deflector of Example 4 of this invention. Also in the micro optical deflector of the present embodiment, the torsion spring (not shown) and the mirror 330 as described in the above embodiments or modifications are integrally formed on the silicon single crystal thin plate by bulk micromachining technology. ing. A movable core 341 made of a soft magnetic material is fixed to the end of the mirror 330. The mirror 330 has a surface coated with a material having a high light reflectivity, and is supported by a torsion spring so as to be swingable around its torsion axis, which is its long axis.
[0106]
On the other hand, a fixed core 342 made of a soft magnetic material is disposed on a glass substrate (not shown), and a coil (not shown) goes around the fixed core 342. The silicon single crystal thin plate and the glass substrate are bonded so that the substantially parallel faces of the movable core 341 and the fixed core 342 are maintained at a predetermined interval. That is, when the mirror 330 is swung, the overlapping area (the cross-sectional area where the movable core 341 cuts off the magnetic flux generated in the fixed core 342) changes while the opposing surfaces remain substantially parallel. ing. The movable core 341 and the fixed core 342 form a closed series magnetic circuit including two gaps.
[0107]
The operation of the optical deflector of this embodiment will be described.
When the coil is energized, the fixed core 342 is excited. FIG. 21 illustrates a state in which the front side of the fixed core 342 is excited to the N pole and the back side is excited to the S pole. Then, the movable core 341 is attracted in the direction in which the overlapping area of the opposing surfaces increases (the direction attracted by the magnetic flux path generated by the fixed core 342), that is, in the direction of the arrow in FIG. Since the movable core 341 and the fixed core 342 are arranged in different heights when not energized so that the overlapping area of the facing surfaces can be increased, a counterclockwise rotational moment is generated around the torsion spring. When energization of the coil is turned ON / OFF in accordance with the resonance frequency of the mirror 330, the mirror 330 resonates around the torsion spring. In this state, the light can be scanned by making the light incident on the mirror 330.
[0108]
[Example 5]
FIG. 22 is a diagram illustrating the optical scanning display according to the fifth embodiment. The X light deflector 401 and the Y light deflector 402 are the same as the light deflectors of the above-described embodiments or modifications. The controller 409 controls the X light deflector 401 and the Y light deflector 402, scans the laser beam 410 in a raster shape, and modulates the laser oscillator 405 according to the information to be displayed, whereby an image is displayed on the screen 407. Are displayed two-dimensionally.
[0109]
By applying the optical deflector of the present invention to an optical scanning display, it is possible to realize an optical scanning display that can form a fine image and has high energy efficiency.
[0110]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the cross-sectional shape of the torsion spring that supports the rocking body is formed to have a portion inclined with respect to the plane of the flat rocking body. Therefore, it is difficult to bend in the direction perpendicular to or parallel to the plane, and it is possible to effectively realize a microstructure that enables an accurate swing motion of the swing body. Further, if the material is a single crystal material, it is possible to provide a micro structure having a torsion spring which is easy to twist and is not easily bent and has a large mechanical Q value. In addition, since the mechanical Q value is high, it is possible to provide a mechanical quantity sensor with low noise and high sensitivity. Further, since the mechanical Q value is high, a microactuator having a large amplitude and high energy efficiency when driven by resonance can be provided. In addition, since the mechanical Q value is high, a micro optical deflector having a large amplitude and high energy efficiency when driven by resonance can be provided.
[0111]
By applying the optical deflector of the present invention to an optical scanning display, an optical scanning display capable of forming a fine image can be provided. Furthermore, by using the manufacturing method of the present invention, the microstructure, the micro optical deflector, the micro mechanical quantity sensor, and the micro actuator of the present invention can be manufactured relatively easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view for explaining an optical deflector according to a first embodiment of the present invention.
2A is an exploded view for explaining the optical deflector of Embodiment 1, and FIG. 2B is a longitudinal sectional view of the torsion bar;
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining an optical deflector according to the first embodiment or the like.
4 is a cross-sectional view of a torsion bar portion for explaining the optical deflector of Embodiment 1. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating anisotropic etching of silicon.
6 is a diagram illustrating a process for producing a silicon single crystal thin plate of the optical deflector of Example 1. FIG.
7 is a diagram illustrating a process for producing a glass substrate of an optical deflector according to Embodiment 1 or the like.
8A is a perspective view for explaining an optical deflector according to a modification of the first embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a sectional view of a torsion spring.
FIG. 9 is a perspective view for explaining an optical deflector according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an exploded view (a) for explaining an optical deflector according to a second embodiment and a longitudinal sectional view (b) of a torsion spring.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a portion of a torsion spring for explaining an optical deflector according to a second embodiment.
12 is a plan view for explaining an optical deflector according to Embodiment 2. FIG.
13 is a diagram illustrating a process for producing a silicon single crystal thin plate of the optical deflector of Example 2. FIG.
FIG. 14A is a perspective view for explaining an optical deflector according to a modification of the second embodiment of the present invention, and FIG. 14B is a sectional view of a torsion spring.
15 is a diagram illustrating a process for producing a silicon single crystal thin plate of an optical deflector according to a modification of Example 2. FIG.
FIG. 16 is a perspective view for explaining an optical deflector according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is an exploded view (a) for explaining the optical deflector of Embodiment 3, and a longitudinal sectional view (b) of the torsion spring.
FIG. 18 is a cross-sectional view of a portion of a torsion spring for explaining an optical deflector according to a third embodiment.
19 is a diagram illustrating a process for producing a silicon single crystal thin plate of the optical deflector of Example 3. FIG.
20A is a perspective view for explaining an optical deflector according to a modification of the third embodiment of the present invention, and FIG. 20B is a sectional view of a torsion spring.
FIG. 21 is a schematic perspective view illustrating the operation principle of the optical deflector according to the fourth embodiment.
FIG. 22 is a diagram illustrating an optical scanning display according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a perspective view for explaining a conventional optical deflector.
FIG. 24 is an exploded view for explaining a conventional optical deflector.
FIG. 25 is a cross-sectional view for explaining a conventional optical deflector.
FIG. 26 is a cross-sectional view of a portion of a torsion bar for explaining a conventional optical deflector.
FIG. 27 is a top view illustrating a conventional hard disk gimbal.
FIG. 28 is a cross-sectional view for explaining a conventional hard disk gimbal.
FIG. 29 is a diagram for explaining a process for producing a conventional hard disk gimbal.
[Explanation of symbols]
110 Glass substrate
112 dent
114, 116 drive electrode
120, 620, 720 Silicon single crystal thin plate
122, 123, 124, 125, 128, 129, 528, 529, 628, 629, 728, 729 Torsion spring (torsion bar)
122a, 124a, 128a, 129a Slope at the base of the torsion spring
130, 330, 630, 730 Mirror
132 Mirror support
150, 731, 732 Mask layer
190, 191 opening
341 Movable core
342 fixed core
401 X light deflector
402 Y light deflector
405 Laser oscillator
407 screen
409 controller
410 Laser beam
1010 Insulating substrate
1014, 1016 Driving electrode
1020 Silicon thin plate
1022, 1024, 2001, 2002 Torsion bar
1030, 2011 Mirror
1032 Mirror support
2020 Gimbal
2022, 2024 Roll torsion bar
2026, 2028 Pitch torsion bar
2030 Head support
2031 Support frame
2091 Silicon wafer for mold making
2092 Sacrificial layer
2093 Polysilicon layer
2094 Epoxy resin
2095 pad

Claims (10)

基板と、平板状の揺動体を有し、前記揺動体がトーションバーによって前記基板に対して弾性的に前記トーションバーのねじりを中心に揺動自由に支持されているマイクロ構造体において、
前記基板と前記揺動体と前記トーションバーは単結晶材料から一体的に形成され、
前記トーションバーは、
前記揺動体の表面側と同じ面側である上面、及び、その裏面側と同じ面側である下面の各々に、前記ねじり軸に平行に延びる溝を有し、
前記溝の幅 Wg と、前記上面と前記下面との間の距離 t とが、 Wg<t/tan54.7 °の関係を満たし、且つ、前記ねじり軸に垂直な断面形状がX字状である断面形状を具備する、
ことを特徴とするマイクロ構造体。
In a microstructure having a substrate and a plate-shaped oscillating body, and the oscillating body is elastically supported by the torsion bar with respect to the substrate about the torsion axis of the torsion bar,
The substrate, the rocking body and the torsion bar are integrally formed from a single crystal material,
The torsion bar is
On each of the upper surface that is the same surface side as the surface side of the rocking body and the lower surface that is the same surface side as the back surface side, there is a groove extending in parallel to the torsion axis,
The width Wg of the groove, and the distance t between the upper surface and the lower surface, satisfy the relationship of Wg <t / tan 54.7 °, and the shape of the cross section perpendicular to the torsional axis is the X-shaped Having a cross-sectional shape,
A micro structure characterized by that.
前記ねじり軸が前記揺動体の重心を通ることを特徴とする請求項1記載のマイクロ構造体。The microstructure according to claim 1, wherein the torsion shaft passes through the center of gravity of the rocking body. 前記単結晶材料が厚さtの単結晶シリコンであることを特徴とする請求項1記載のマイクロ構造体。2. The microstructure according to claim 1, wherein the single crystal material is single crystal silicon having a thickness t . 前記単結晶材料が(100)基板であり、前記トーションバーの外面を画する前記(100)基板の(100)面に対する斜面が(111)面であることを特徴とする請求項3記載のマイクロ構造体。4. The micro of claim 3, wherein the single crystal material is a (100) substrate, and an inclined surface with respect to the (100) plane of the (100) substrate that defines an outer surface of the torsion bar is a (111) plane. Structure. 前記トーションバーの角部が丸くされていることを特徴とする請求項1記載のマイクロ構造体。The microstructure according to claim 1, wherein corners of the torsion bar are rounded. 複数の前記揺動体が前記トーションバーを介在させて直列的に配置されていることを特徴とする請求項1記載のマイクロ構造体。2. The microstructure according to claim 1, wherein a plurality of the oscillators are arranged in series with the torsion bar interposed therebetween. 請求項1記載のマイクロ構造体と、前記基板と前記揺動体の相対変位を検出する変位検出手段を有することを特徴とするマイクロ力学量センサ。A micro mechanical quantity sensor comprising: the microstructure according to claim 1; and a displacement detection means for detecting a relative displacement between the substrate and the oscillator. 請求項1記載のマイクロ構造体と、前記揺動体を前記基板に対して相対的に駆動する駆動手段を有することを特徴とするマイクロアクチュエータ。A microactuator comprising: the microstructure according to claim 1; and a driving unit that drives the rocking body relative to the substrate. 請求項1記載のマイクロ構造体と、前記揺動体を前記基板に対して相対的に駆動する駆動手段と、前記揺動体に設けられた光偏向子を有することを特徴とするマイクロ光偏向器。2. A micro optical deflector comprising: the microstructure according to claim 1; drive means for driving the oscillator relative to the substrate; and an optical deflector provided on the oscillator. 請求項9記載のマイクロ光偏向器と、変調可能な光源と、前記光源の変調と前記マイクロ光偏向器の揺動体の動作を制御する制御手段を有することを特徴とする光走査型ディスプレイ。10. An optical scanning display comprising: the micro light deflector according to claim 9; a light source capable of modulation; and control means for controlling the modulation of the light source and the operation of an oscillator of the micro light deflector.
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