JP4534952B2

JP4534952B2 - チルトミラー素子

Info

Publication number: JP4534952B2
Application number: JP2005310495A
Authority: JP
Inventors: 孝明吉原; 宏野毛; 清彦河野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: JP2007121467A

Description

本発明は、光通信分野や光学機器分野に適用して好適な、光ビームの光路を切り替えるチルトミラー素子に関する。

近年、可動部を有する部品の微細化，高精度化への要求が高まるにつれてマイクロマシン技術が発達してきている。このようなマイクロマシンとしては、静電力等によって微小なミラー部を揺動させることによりレーザ等の光ビームを走査するチルトミラー素子が知られており、光通信分野やバーコードリーダ，レーザリーダ，エリアセンサ，投写型ディスプレイ，光スイッチ等の光学機器分野において利用されている。

ところで、従来のチルトミラー素子は、ミラー部の外周部の一部分とこの一部分に対向するフレーム面上にそれぞれ可動コム（櫛歯）電極と固定コム電極を設け、電極に電圧が印加されるのに応じて電極間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動させる構成となっている（特許文献１参照）。そして、このようなチルトミラー素子によれば、ミラー部の揺動タイミングに合わせて電極に電圧をパルス状に印加することにより、比較的低電圧で大きなミラー振れ角を実現することができる
特許第３０１１１４４号公報

しかしながら、従来のチルトミラー素子の構成によれば、実際に大きなミラー振れ角を実現する場合には、フレーム部に対しミラー部を移動及び位置保持するバネ部の強度を小さくする必要があるために、デバイスの強度や歩留まりが低下する可能性がある。

本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、バネ部の強度を小さくすることなく大きなミラー振れ角を実現することが可能なチルトミラー素子を提供することにある。

本発明に係るチルトミラー素子は、固定電極を有したフレーム部と、前記固定電極に対向配置される可動電極と、ミラー面とを有するとともに、前記フレーム部にバネ部を介して揺動可能に支持されるミラー部と、前記フレーム部およびミラー部を内部に収容するパッケージとを備え、前記固定電極および可動電極に電圧を印加することによって当該固定電極および可動電極間に静電力を発生させ、当該静電力を利用して前記ミラー部のミラー面を揺動させることにより光ビームの光路を切り替えるチルトミラー素子であって、前記パッケージの上部及び下部に、電圧が印加されることによってミラー部との間に発生する静電力を利用してミラー面の揺動を補助する一対の電極部を設けるとともに、前記固定電極および可動電極への電圧印加パターンと、前記一対の電極部への電圧印加パターンとを連動させることによって、前記ミラー面を揺動させることを特徴とする。

本発明に係るチルトミラー素子によれば、ミラー部による揺動に加えて電極部によってもミラー面を揺動させることができるので、バネ部の強度を小さくすることなく大きなミラー振れ角を実現することができる。

以下、図１，２を参照して、本発明の実施形態となるチルトミラー素子の構成について説明する。なお、図１，２はそれぞれ本発明の実施形態となるチルトミラー素子の上面図及び図１に示す線分ＸＹにおける断面図を示す。

本発明の実施形態となるチルトミラー素子１は、図２に示すように、シリコン基板又はガラス基板から成る支持基板２と、支持基板２の上面に接合されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板３と、陽極接合法等の手法によってＳＯＩ基板３の上面に接合されたガラス基板４とを備え、本発明に係るパッケージとして機能する支持基板２とガラス基板４によりＳＯＩ基板３が真空封止された構成となっている。

ＳＯＩ基板３は、図１に示すように、ガラス基板４を透過してきた光ビームをミラー面５ａにおいて反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部５と、ミラー部５の外周部に形成された支持フレーム部６と、支持フレーム部６に対しミラー部５を移動及び位置保持するトーションバネ部７を備える。

トーションバネ部７と接続していないミラー部５の側壁部分とこの側壁部分と対向する支持フレーム部６の側壁部分とにはそれぞれ、図１に示すように、可動コム電極８ａと固定コム電極８ｂが互いに噛み合うように設けられている。このような構成によれば、支持フレーム部６の上面に形成された電極９ａ，９ｂ及びトーションバネ部７の上面に形成された電極９ｃを介して可動コム電極８ａと固定コム電極８ｂ間に電圧を印加し、可動コム電極８ａと固定コム電極８ｂ間に静電力を発生させることによりミラー部５を揺動させることができる。なお、上述の通り、ＳＯＩ基板３は真空封止されているので、Ｑ値を大きく取ることが可能となり、結果としてミラー部５の振れ角を大きくすることができる。

電極９ａ，９ｂと電極９ｃ間には、図１に示すように、ＳＯＩ基板３の埋込酸化膜に到達する深さを有する絶縁溝１０が形成され、支持フレーム部６とトーションバネ部７間の絶縁性が確保されている。電極９ａ，９ｂ，９ｃは、電極材料が封入された貫通孔１１を介してガラス基板４の上面側に設けられた引き出し電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃと接続され（図２参照）、引き出し電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃを介して電極９ａ，９ｂ，９ｃに電圧を印加することができるように構成されている。

ガラス基板４の上面には、図２に示すように、入射及び出射する光ビームがガラス基板４の表面において反射することを防止してチルトミラー素子１の反射特性を向上させるために、ＡＲコート膜１４が蒸着法等の手法によって形成されている。また、ガラス基板４の下面には、ミラー部５を揺動させた際にミラー部５とガラス基板４とが接触しないように、図２に示すように空洞１５が形成されている。

空洞１５の上面部には光ビームを透過するＩＴＯ電極１６が設けられ、このＩＴＯ電極１６は電極材料が封入された貫通孔１７を介してガラス基板４の上面に設けられた引き出し電極１８に接続されている。このような構成によれば、引き出し電極１８を介してＩＴＯ電極１６に電圧を印加し、ミラー部５とＩＴＯ電極１６間に静電力を発生させることにより、ミラー部５の振れ角を大きくすることができる。なお、ＩＴＯ電極１６への電圧印加パターンは可動コム電極８ａ及び固定コム電極８ｂへの電圧印加パターンと連動させるものとする。また、光ビームの入射及び出射を妨げるものでない限り、ＩＴＯ電極１６以外の電極を用いるようにしてもよい。

支持基板２の上面には下部電極１９が設けられ、下部電極１９は電極材料が封入された貫通孔２０を介して支持基板２の下面に設けられた引き出し電極２１に接続されている。このような構成によれば、引き出し電極２１を介して下部電極１９に電圧を印加し、ミラー部５と下部電極１９間に静電力を発生させることにより、ミラー部５の振れ角を大きくすることができる。なお、下部電極１９への電圧印加パターンは可動コム電極８ａ及び固定コム電極８ｂへの電圧印加パターンと連動させるものとする。

なお、ＩＴＯ電極１６と下部電極１９に電圧を印加する際は、ミラー部５との間の距離や電極面積を考慮して、ＩＴＯ電極１６及び下部電極１９による静電力のトルクが等しくなるように電圧を印加することが望ましい。このような構成によれば、ミラー部５を歪ませることなく揺動させることができる。

また、上記ＳＯＩ基板３は、フォトリソグラフィやＤ−ＲＩＥエッチング等の半導体プロセスを用いて容易に製造することができる。また、ミラー駆動時の共振周波数はトーションバネ部７の構造強度を変更することによって容易に変更することができる。また、本実施形態では、コム電極によりミラー部５を揺動させたが、電力を供給して駆動するピエゾ駆動方式等のその他の方法を用いて揺動させてもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となるマイクロミラー素子１は、ミラー面５ａを揺動させることにより光ビームの光路を切り替えるミラー部５と、ミラー部５を内部に収容する支持基板２及びガラス基板４と、支持基板２に設けられた下部電極１９と、ガラス基板４に設けられたＩＴＯ電極１６とを備え、下部電極１９とＩＴＯ電極１６に電圧が印加されることによってミラー部２との間に発生する静電力を利用してミラー部２を揺動を補助するので、トーションバネ部７の強度を小さくすることなくミラー部５の振れ角を大きくすることができる。

また、本発明の実施形態となるマイクロミラー素子１によれば、ＩＴＯ電極１６及び下部電極１９に印加される電圧は、ＩＴＯ電極１６とミラー部５との間に発生した静電力によるトルクと下部電極１９とミラー部５との間に発生した静電力によるトルクが等しくなるように調整されているので、ミラー部５を歪まさせることなくミラー部５の振れ角を大きくすることができる。

また、本発明の実施形態となるマイクロミラー素子１によれば、ガラス基板４側に設けられた電極はＩＴＯ電極１６により形成されているので、ミラー部５からの光ビームの出射及びミラー部５への光ビームの入射を妨げることなく、ミラー部５の振れ角を大きくすることができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となるチルトミラー素子の構成を示す上面図である。図１に示す線分ＸＹにおけるチルトミラー素子の断面図である。

符号の説明

１：チルトミラー素子
２：支持基板
３：ＳＯＩ基板
４：ガラス基板
５：ミラー部
５ａ：ミラー面
６：支持フレーム部
７：トーションバネ部
８ａ：可動コム電極
８ｂ：固定コム電極
９ａ，９ｂ，９ｃ：電極
１０：絶縁溝
１１，１７，２０：貫通孔
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１８，２１：引き出し電極
１４：ＡＲコート膜
１５：空洞
１６：ＩＴＯ電極
１９：下部電極

Claims

固定電極を有したフレーム部と、
前記固定電極に対向配置される可動電極と、ミラー面とを有するとともに、前記フレーム部にバネ部を介して揺動可能に支持されるミラー部と、
前記フレーム部およびミラー部を内部に収容するパッケージとを備え、
前記固定電極および可動電極に電圧を印加することによって当該固定電極および可動電極間に静電力を発生させ、当該静電力を利用して前記ミラー部のミラー面を揺動させることにより光ビームの光路を切り替えるチルトミラー素子であって、
前記パッケージの上部及び下部に、電圧が印加されることによってミラー部との間に発生する静電力を利用してミラー面の揺動を補助する一対の電極部を設けるとともに、
前記固定電極および可動電極への電圧印加パターンと、前記一対の電極部への電圧印加パターンとを連動させることによって、前記ミラー面を揺動させることを特徴とするチルトミラー素子。
請求項１に記載のチルトミラー素子であって、
前記一対の電極部に印加される電圧は、前記パッケージの上部側に設けられた電極部と前記ミラー部との間に発生する静電力によるトルクと下部側に設けられた電極部とミラー部との間に発生する静電力によるトルクとが等しくなるように調整されていることを特徴とするチルトミラー素子。
請求項１又は請求項２に記載のチルトミラー素子であって、
前記パッケージの上部側に設けられた電極部は透明電極により形成されていることを特徴とするチルトミラー素子。