JP4550578B2 - トーションバーを備えるマイクロ可動素子 - Google Patents

Description

本発明は、トーションバーを備えるマイクロ可動素子に関する。特に、本発明は、複数の光ファイバ間の光路の切り換えを行う光スイッチング装置、および、光ディスクへのデータの記録・再生処理を行う光ディスク装置などに組み込まれる素子であって、光反射によって光の進路方向を変更するのに用いられるマイクロミラー素子に関する。

近年、光通信技術が様々な分野で広く利用されるようになってきた。光通信においては、光ファイバを媒体として光信号が伝送され、光信号の伝送経路を或るファイバから他のファイバへと切換えるためには、一般に、いわゆる光スイッチング装置が使用されている。良好な光通信を達成するうえで光スイッチング装置に求められる特性としては、切換え動作における、大容量性、高速性、高信頼性などが挙げられる。これらの観点より、光スイッチング装置としては、マイクロマシニング技術によって作製されるマイクロミラー素子を組み込んだものに対する期待が高まっている。マイクロミラー素子によると、光スイッチング装置における入力側の光伝送路と出力側の光伝送路との間で、光信号を電気信号に変換せずに光信号のままでスイッチング処理を行うことができ、上掲の特性を得るうえで好適だからである。

マイクロミラー素子は、光を反射するためのミラー面を備え、当該ミラー面の揺動により光の反射方向を変化させることができる。ミラー面を揺動するために静電力を利用する静電駆動型のマイクロミラー素子が、多くの光学装置で採用されている。静電駆動型マイクロミラー素子は、いわゆる表面マイクロマシニング技術によって製造されるマイクロミラー素子と、いわゆるバルクマイクロマシニング技術によって製造されるマイクロミラー素子とに大きく２つに類別することができる。

表面マイクロマシニング技術では、基板上において、各構成部位に対応する材料薄膜を所望のパターンに加工し、このようなパターンを順次積層することにより、支持体、ミラー面および電極部など、素子を構成する各部位や、後に除去される犠牲層を形成する。このような表面マイクロマシニング技術によって製造される静電駆動型マイクロミラー素子は、例えば、特開平７−２８７１７７号公報に開示されている。

一方、バルクマイクロマシニング技術では、材料基板自体をエッチングすることにより支持体やミラー部などを所望の形状に成形し、必要に応じてミラー面や電極を薄膜形成する。このようなバルクマイクロマシニング技術によって製造される静電駆動型マイクロミラー素子は、例えば、特開平９−１４６０３２号公報、特開平９−１４６０３４号公報、特開平１０−６２７０９号公報、特開２００１−１３４４３号公報に開示されている。

マイクロミラー素子に要求される技術的事項の一つとして、光反射を担うミラー面の平面度が高いことを挙げることができる。表面マイクロマシニング技術によると、最終的に形成されるミラー面が薄いため、ミラー面が湾曲し易く、高平面度が保証されるのは、ミラー面のサイズにおいて一辺の長さが数１０μｍのものに限られる。

これに対して、バルクマイクロマシニング技術によると、相対的に分厚い材料基板自体をエッチング技術により削り込んでミラー部を構成し、このミラー部上にミラー面を設けるため、より広面積のミラー面であっても、その剛性を確保できる。その結果、充分に高い光学的平面度を有するミラー面を形成することが可能となる。したがって、特に一辺の長さが１００μｍ以上のミラー面が必要とされるマイクロミラー素子の製造においては、バルクマイクロマシニング技術が広く採用されている。

図１８および図１９は、バルクマイクロマシニング技術によって作製された従来の静電駆動型マイクロミラー素子４００を表す。図１８は、マイクロミラー素子４００の分解斜視図であり、図１９は、組み立てられた状態のマイクロミラー素子４００における図１８の線XIX-XIXに沿った断面図である。マイクロミラー素子４００は、ミラー基板４１０とベース基板４２０とが積層する構造を有する。ミラー基板４１０は、ミラー部４１１と、フレーム４１２と、これらを連結する一対のトーションバー４１３とからなる。導電性を有するシリコン基板などの所定の材料基板に対して、その片面側からエッチングを施すことによって、ミラー部４１１、フレーム４１２、および一対のトーションバー４１３の外郭形状を成形することができる。ミラー部４１１の表面には、ミラー面４１４が設けられている。ミラー部４１１の裏面には、一対の電極４１５ａ，４１５ｂが設けられている。ベース基板４２０には、ミラー部４１１の電極４１５ａに対向する電極４２１ａ、および、電極４１５ｂに対向する電極４２１ｂが設けられている。

マイクロミラー素子４００においては、ミラー基板４１０のフレーム４１２に電位を付与すると、フレーム４１２と同一の導体材料により一体的に成形されている、一対のトーションバー４１３およびミラー部４１１を介して、電極４１５ａおよび電極４１５ｂに電位が伝達される。したがって、フレーム４１２に所定の電位を付与することによって、電極４１５ａ，４１５ｂを例えば正に帯電させることができる。この状態において、ベース基板４２０の電極４２１ａを負に帯電させると、電極４１５ａと電極４２１ａの間には静電引力が発生し、ミラー部４１１は、一対のトーションバー４１３を捩りながら矢印Ｍ１の方向に揺動する。ミラー部４１１は、電極間の静電引力と各トーションバー４１３の捩り抵抗力の総和とが釣合う角度まで揺動し、静止する。

これに代えて、ミラー部４１１の電極４１５ａ，４１５ｂを正に帯電させた状態で電極４２１ｂを負に帯電させると、電極４１５ｂと電極４２１ｂの間に静電引力が発生し、ミラー部４１１は、矢印Ｍ１とは反対の方向に揺動し、静止する。このようなミラー部４１１の揺動駆動により、ミラー面４１４によって反射される光の反射方向が切り換えられる。

しかしながら、マイクロミラー素子４００においては、ミラー部４１１すなわち可動部の駆動に際して、当該可動部に対して所定の一つの電位しか付与することができない。具体的には、ミラー基板４１０のフレーム４１２に電位を付与すると、当該電位は一対のトーションバー４１３を介してミラー部４１１に伝達され、ミラー部４１１およびこれに設けられている電極４１５ａ，４１５ｂは、全て同電位となる。マイクロミラー素子４００においては、例えば、可動部を駆動するための電極４１５ａ，４１５ｂに対して異なる電位を付与することはできない。そのため、マイクロミラー素子４００では、可動部の駆動態様についての自由度が低い。可動部の駆動態様についての自由度が低いので、マイクロミラー素子４００においては、可動部において複雑な動作を実現するのには困難性がある。このような従来のマイクロミラー素子４００は、例えば光通信装置に組み込まれる光スイッチング素子に要求される性能を充足できない場合がある。

本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、可動部において複雑な動作を実現することが可能なマイクロ可動素子を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面によるとマイクロ可動素子が提供される。このマイクロ可動素子は、コア導体層を含む複数の導体層および導体層間に介在する絶縁層よりなる積層構造を有する材料基板において一体的に成形されている、可動部と、フレームと、これらを連結する連結部とを備える。可動部は、コア導体層に由来する第１構造体を含んでいる。フレームは、コア導体層に由来する第２構造体を含んでいる。連結部は、コア導体層に由来して第１構造体および第２構造体に対して連続的に接続し且つ相互に電気的に分離されている複数のトーションバーを含んでいる。本発明では、可動部およびフレームの各々において、単一の導体層に由来して成形された構造の少なくとも一部は、機械的に複数の区画に分離している場合であっても単一の構造体を構成するものとする。したがって、可動部において、コア導体層に由来して成形された第１構造体は、機械的に複数の区画に分離している場合であっても単一の構造体を構成する。同様に、フレームにおいて、第２構造体は単一の構造体を構成する。

このような構成のマイクロ可動素子は、可動部において複雑な動作を実現することができる。本発明の第１の側面に係るマイクロ可動素子は、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）技術などのバルクマイクロマシニング技術により、所定の積層構造を有する材料基板において成形される素子であり、可動部の第１構造体、フレームの第２構造体、および、これらに連続的に接続している連結部の複数のトーションバーは、材料基板を構成する単一の導体層すなわちコア導体層に由来する。これとともに、単一の連結部に含まれる複数のトーションバーは、相互に電気的に分離されている。すなわち、複数のトーションバーは相互に離隔し、且つ、これらが接続している第１構造体および第２構造体には、当該複数のトーションバー間が短絡しないような導電経路が形成されている。したがって、第１の側面に係るマイクロ可動素子においては、フレームから可動部に、単一の連結部を介して複数の電位伝達が可能である。

例えば、複数のトーションバーから選択された第１のトーションバーが、可動部における第１構造体の第１の部分、および、フレームにおける第２構造体の第１の部分に接続し、且つ、複数のトーションバーから選択された第２のトーションバーが、可動部における第１構造体の、第１の部分とは電気的に分離されている第２の部分、および、フレームにおける第２構造体の、第１の部分とは電気的に分離されている第２の部分に接続している場合には、フレームから可動部に、単一の連結部を介して複数の電位伝達が可能である。

具体的には、第２構造体の第１の部分に所定の電位を付与すると、当該電位は、第１のトーションバーを介して第１構造体の第１の部分に伝達され、第２のトーションバーおよびこれが接続する第１構造体の第２の部分には伝達されない。一方、第２構造体の第２の部分に所定の電位を付与すると、当該電位は、第２のトーションバーを介して第１構造体の第２の部分に伝達され、第１のトーションバーおよびこれが接続する第１構造体の第１の部分には伝達されない。

このように、本発明の第１の側面に係るマイクロ可動素子においては、複数の電位を伝達することができ、可動部の複数の部分に対して複数の電位を付与することが可能である。したがって、第１の側面に係るマイクロ可動素子は、連結部により規定される軸心まわりにおける可動部の回転駆動の態様について高い自由度を有し、可動部において複雑な動作をも実現することが可能なのである。このようなマイクロ可動素子は、これが組み込まれる装置の高性能化に寄与し得る。

好ましい実施の形態において、連結部は、幅方向に離隔する２本のトーションバーを含み、当該２本のトーションバーの間隔は、可動部に近いほど大きい。より好ましくは、フレームにおける間隔をＷｆとし、可動部における間隔をＷｍとし、連結部の配設箇所における可動部およびフレームの離隔距離をＬとすると、０＜Ｗｆ＜ＬおよびＷｆ＜Ｗｍ＜Ｗｆ＋４Ｌが満たされる。このような構成によると、連結部により規定される回転軸心に対して平行な仮想平面内における可動部の回転などの、可動部の不適切な動作を適切に抑制することができる。

マイクロミラー素子などのマイクロ可動素子においては、連結部ないしトーションバーの捩り抵抗をできるだけ低く設定する必要のある場合が多い。連結部ないしトーションバーに対して低い捩り抵抗を設定するためには、従来より、トーションバーの幅や厚さが小さくされている。例えば、図１８および図１９に示すマイクロミラー素子４００では、トーションバー４１３の捩り抵抗を低減するためには、トーションバー４１３の幅ｄ１や厚さｄ２が小さくされる。しかしながら、トーションバー４１３の幅ｄ１や厚さｄ２を小さくするのみでは、ミラー部４１１が、ミラー面４１４の法線Ｎ４まわりに回転し易くなる。すると、駆動時のミラー部４１１においては、一対のトーションバー４１３により規定される回転軸心Ａ５まわりの適正な回転とともに、法線Ｎ４まわりの回転が併発する傾向にあり、マイクロミラー素子４００の高精度な制御が阻害される場合がある。

これに対し、上述の本発明の好ましい実施の形態においては、連結部を構成する２本のトーションバーの間隔は可動部に近いほど大きいので、当該連結部における捩れ抵抗を低減すべく各トーションバーの厚さや幅を小さくする場合であっても、連結部により規定される回転軸心に対して平行な仮想平面内における可動部の回転などの、可動部の不適切な動作を適切に抑制することができるのである。

本発明の第１の側面において、可動部は、可動コア部と、連結部を介してフレームに連結されている中継フレームと、当該可動コア部および中継フレームを連結する中継連結部とを備えてもよい。この場合、好ましくは、可動コア部は、コア導体層に由来する第３構造体を含み、中継フレームは、第１構造体を含み、中継連結部は、コア導体層に由来して第３構造体および第１構造体に対して連続的に接続し且つ相互に電気的に分離されている複数のトーションバーを含んでいる。また、中継連結部は、好ましくは、幅方向に離隔する２本の中継トーションバーを含み、当該２本の中継トーションバーの間隔は、可動コア部に近いほど大きい。本発明のマイクロ可動素子は、このようないわゆる２軸型として構成されてもよい。

本発明の第１の側面に係るマイクロ可動素子の好ましい実施の形態においては、可動部は第１櫛歯電極部を有し、フレームは、第１櫛歯電極部との間に静電力を生じさせることにより可動部を変位させるための第２櫛歯電極部を有する。２軸型として構成される場合、可動コア部は他の第１櫛歯電極部を有し、中継フレームは、当該第１櫛歯電極部との間に静電力を生じさせることにより可動コア部を変位させるための他の第２櫛歯電極部を有する。櫛歯電極による可動部の駆動は、可動部を高精度に制御するうえで好適である。他の好ましい実施の形態においては、マイクロ可動素子は、可動部に対面するベース部を更に備え、当該ベース部には、ミラー部に対面する平板電極が設けられている。この場合、可動部には、ベース部の平板電極に対面する平板電極が設けられていてもよい。他の好ましい実施の形態においては、マイクロ可動素子は、可動部に対面するベース部を更に備え、可動部には第１電磁コイルが設けられ、ベース部には、第１電磁コイルとの間に電磁力を生じさせることにより可動部を変位させるための第２電磁コイルまたは磁石が設けられている。他の好ましい実施の形態においては、マイクロ可動素子は、可動部に対面するベース部を更に備え、可動部には磁石が設けられ、ベース部には、磁石との間に電磁力を生じさせることにより可動部を変位させるための電磁コイルが設けられている。

好ましくは、可動部は、材料基板において絶縁層を介してコア導体層と接合する導体層に由来する第３構造体を更に含み、当該第３構造体の少なくとも一部と第１構造体の一部は、これらの間に介在する絶縁層を貫通する導体プラグにより電気的に接続されている。このような構成は、可動部内に適切に導電経路を形成するうえで好適である。

好ましくは、フレームは、材料基板において絶縁層を介してコア導体層と接合する導体層に由来する第３構造体を更に含み、当該第３構造体の少なくとも一部と第２構造体の一部は、これらの間に介在する絶縁層を貫通する導体プラグにより電気的に接続されている。このような構成は、フレーム内に適切に導電経路を形成するうえで好適である。

好ましくは、マイクロ可動素子は、可動部にはミラー部が設けられて、マイクロミラー素子として構成されている。

本発明の第２の側面によると他のマイクロ可動素子が提供される。このマイクロ可動素子は、第１導体層、第２導体層、第３導体層、第１導体層および第２導体層の間の第１絶縁層、および、第２導体層および第３導体層の間の第２絶縁層よりなる積層構造を有する材料基板において一体的に成形されている、可動部と、フレームと、これらを連結する連結部とを備える。可動部は、第２導体層に由来する第１構造体を含んでいる。フレームは、第２導体層に由来する第２構造体を含んでいる。連結部は、第２導体層に由来して第１構造体および第２構造体に対して連続的に接続し且つ相互に電気的に分離されている複数のトーションバーを含んでいる。

このようなマイクロ可動素子は、本発明の第１の側面に係るマイクロ可動素子の構成を含んでいる。したがって、本発明の第２の側面によると、第１導体層、第２導体層、第３導体層、第１絶縁層、および第２絶縁層よりなる積層構造を有する材料基板にて一体的に成形されているマイクロ可動素子において、第１の側面に関して上述したのと同様の効果が奏される。

本発明の第２の側面において、好ましくは、可動部は、第１導体層に由来する第３構造体を更に含み、当該第３構造体の少なくとも一部と第１構造体の一部は、これらの間に介在する第１絶縁層を貫通する導体プラグにより電気的に接続されている。このような構成は、可動部内に適切に導電経路を形成するうえで好適である。

好ましくは、可動部は、可動コア部と、連結部を介してフレームに連結されている中継フレームと、当該可動コア部および中継フレームを連結する中継連結部とを備え、可動コア部は、第１導体層に由来する第３構造体、および、第２導体層に由来する第４構造体を含み、第３構造体の少なくとも一部と第４構造体の少なくとも一部は、これらの間に介在する第１絶縁層を貫通する第１導体プラグにより電気的に接続されており、中継フレームは、第１導体層に由来する第５構造体、第２導体層に由来する第１構造体、および、第３導体層に由来する第６構造体を更に含み、第５構造体の少なくとも一部と第１構造体の一部は、これらの間に介在する第１絶縁層を貫通する第２導体プラグにより電気的に接続されており、第１構造体の他の一部と第６構造体の少なくとも一部は、これらの間に介在する第２絶縁層を貫通する第３導体プラグにより電気的に接続されており、中継連結部は、第２導体層に由来して第４構造体および第１構造体に対して連続的に接続し且つ相互に電気的に分離されている複数のトーションバーを含んでいる。このような構成は、２軸型マイクロ可動素子の可動部において適切に導電経路を形成するうえで好適である。

好ましくは、フレームは、第１導体層に由来する第３構造体、および、第３導体層に由来する第４構造体を更に含み、第３構造体の少なくとも一部と第２構造体の一部は、これらの間に介在する第１絶縁層を貫通する第１導体プラグにより電気的に接続されており、第２構造体の他の一部と第４構造体の少なくとも一部は、これらの間に介在する第２絶縁層を貫通する第２導体プラグにより電気的に接続されている。このような構成は、フレーム内に適切に導電経路を形成するうえで好適である。

本発明の第３の側面によると他のマイクロ可動素子が提供される。このマイクロ可動素子は、第１導体層、第２導体層、第３導体層、第１導体層および第２導体層の間の第１絶縁層、および、第２導体層および第３導体層の間の第２絶縁層よりなる積層構造を有する材料基板において一体的に成形されている、可動部と、フレームと、これらを連結する連結部とを備える。可動部は、第１導体層に由来する第１構造体、第２導体層に由来する第２構造体、および、第３導体層に由来する第３構造体を含んでいる。第１構造体の少なくとも一部および第２構造体の第１の一部は、これらの間に介在する第１絶縁層を貫通する第１導体プラグにより電気的に接続されている。第２構造体の第２の一部および第３構造体の少なくとも一部は、これらの間に介在する第２絶縁層を貫通する第２導体プラグにより電気的に接続されている。フレームは、第１導体層に由来する第４構造体、第２導体層に由来する第５構造体、および、第３導体層に由来する第６構造体を含んでいる。第４構造体の少なくとも一部および第５構造体の第１の一部は、これらの間に介在する第１絶縁層を貫通する第３導体プラグにより電気的に接続されている。第５構造体の第２の一部および第６構造体の少なくとも一部は、これらの間に介在する第２絶縁層を貫通する第４導体プラグにより電気的に接続されている。連結部は、第２導体層に由来して第２構造体の第１の一部および第５構造体の第１の一部に対して連続的に接続する第１トーションバーを含んでいる。連結部は、更に、第２導体層に由来して第２構造体の第２の一部および第５構造体の第２の一部に対して連続的に接続する第２トーションバーを含んでいる。

このようなマイクロ可動素子は、本発明の第１の側面に係るマイクロ可動素子の構成を含んでいる。したがって、本発明の第３の側面によると、第１の側面に関して上述したのと同様の効果が奏される。

本発明の第３の側面によると、具体的には、フレームにおける第４構造体の少なくとも一部に所定の電位を付与すると、第３導体プラグ、第５構造体の第１の一部、第１トーションバー、可動部における第２構造体の第１の一部、および第１導体プラグを介して、可動部における第１構造体の少なくとも一部に当該所定の電位を付与することができる。同様に、フレームにおける第６構造体の少なくとも一部に所定の電位を付与すると、第４導体プラグ、第５構造体の第２の一部、第２トーションバー、可動部における第２構造体の第２の一部、および第２導体プラグを介して、可動部における第３構造体の少なくとも一部に当該所定の電位を付与することができる。

図１および図２は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロミラー素子Ｘ１を表す。マイクロミラー素子Ｘ１は、ミラー基板１１０とベース基板１２０とが積層する構造を有する。

ミラー基板１１０は、図１によく表れているように、ミラー部１１１と、このミラー部１１１を囲むフレーム１１２と、当該フレーム１１２およびミラー部１１１とを連結する連結部１１３とを有する。ミラー基板１１０は、ＭＥＭＳ技術などのバルクマイクロマシニング技術により、多層構造を有する材料基板において成形されたものである。材料基板は、ＰやＡｓなどのｎ型不純物やＢなどのｐ型不純物をドープすることによって導電性を付与された第１シリコン層１１０ａ、第２シリコン層１１０ｂ、および第３シリコン層１１０ｃ、並びに、シリコン層間の第１絶縁層１１０ｄおよび第２絶縁層１１０ｅよりなる積層構造を有する。当該積層構造は、図３および図４によく表れている。第１シリコン層１１０ａおよび第３シリコン層１１０ｃの厚さは例えば１００μｍであり、第２シリコン層１１０ｂの厚さは例えば５μｍである。第１絶縁層１１０ｄおよび第２絶縁層１１０ｅは、例えば、第１〜第３シリコン層１１０ａ〜１１０ｃのいずれかの表面において、熱酸化法により成長形成された酸化シリコンよりなり、１μｍの厚さを有する。また、材料基板は、ミラー基板１１０の形成過程において適宜多層化されていく。

ミラー基板１１０の形成においては、具体的には、材料基板における積層構造の態様に応じて、ミラー部１１１に対応する箇所を覆うエッチングマスク、フレーム１１２に対応する箇所を覆うエッチングマスク、および、一対の連結部１１３に対応する箇所を覆うエッチングマスクを適宜用いて、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）法によるＳｉエッチングや、ＫＯＨなどのウエットＳｉエッチングなどの手段により、各シリコン層が加工される。絶縁層における不要な部位は適宜エッチング除去される。その結果、ミラー基板１１０において、ミラー部１１１、フレーム１１２、および一対の連結部１１３が、形作られることとなる。本実施形態では、ミラー部１１１とフレーム１１２との間の離隔距離は、例えば１０〜２００μｍである。

ミラー部１１１は、図２によく表れているように、上層部１１１ａおよび下層部１１１ｂ，１１１ｃを有する。上層部１１１ａは第１シリコン層１１０ａに由来し、下層部１１１ｂ，１１１ｃは第２シリコン層１１０ｂに由来する。上層部１１１ａと下層部１１１ｂ，１１１ｃの間には、第１絶縁層１１０ｄが介在している。図２においては、第１絶縁層１１０ｄは、ミラー基板１１０における第２シリコン層１１０ｂに由来する部位の上にクロスハッチングを付して描出されている。

ミラー部１１１の上層部１１１ａには光反射用のミラー面１１４が設けられている。下層部１１１ｂ，１１１ｃには、各々、電極１１５ａ，１１５ｂが設けられている。ミラー面１１４および電極１１５ａ，１１５ｂは、金属膜を蒸着するなどして形成されている。ただし、不純物のドープによって第２シリコン層の導電性を充分に高くする場合には、電極１１５ａ，１１５ｂは、設けなくともよい。

フレーム１１２は、図２によく表れているように、上層部１１２ａ、中間層部１１２ｂ，１１２ｃ、および下層部１１２ｄを有する。上層部１１２ａは第１シリコン層１１０ａに由来し、中間層部１１２ｂ，１１２ｃは第２シリコン層１１０ｂに由来し、下層部１１２ｄは第３シリコン層１１０ｃに由来する。上層部１１２ａと中間層部１１２ｂ，１１２ｃの間には、図２から図４によく表れているように、第１絶縁層１１０ｄが介在している。中間層部１１２ｂ、１１２ｃと下層部１１２ｃの間には、第２絶縁層１１０ｅが介在している。図２においては、第２絶縁層１１０ｅは、ミラー基板１１０における第３シリコン層１１０ｃに由来する部位の上にクロスハッチングを付して描出されている。

フレーム１１２において、上層部１１２ａおよび中間層部１１２ｂは、図３に示すように第１絶縁層１１０ｄを貫通する２つのプラグ１１６により電気的に接続されている。各プラグ１１６は、例えばポリシリコンよりなり、上層部１１２ａと中間層部１１２ｂとの間に埋め込み形成される。また、中間層部１１２ｃおよび下層部１１２ｄは、図４に示すように第２絶縁層１１０ｅを貫通する２つのプラグ１１７により電気的に接続されている。各プラグ１１７は、例えばポリシリコンよりなり、中間層部１１２ｃと下層部１１２ｄの間に埋め込み形成される。

各連結部１１３は、ミラー部１１１およびフレーム１１２を連結している。マイクロミラー素子Ｘ１は、一対の連結部１１３により可動部すなわちミラー部１１１の回転軸心Ａ１が規定された１軸型として構成されている。本実施形態では、各連結部１１３は、相互に離隔している２本のトーションバー１１３ａ，１１３ｂからなる。

トーションバー１１３ａは、第２シリコン層１１０ｂに由来し、図２によく表れているように、ミラー部１１１の下層部１１１ｂおよびフレーム１１２の中間層部１１２ｂと一体である。すなわち、トーションバー１１３ａは、下層部１１１ｂおよび中間層部１１２ｂと連続的に接続している。また、トーションバー１１３ｂは、第２シリコン層１１０ｂに由来し、ミラー部１１１の下層部１１１ｃおよびフレーム１１２の中間層部１１２ｃと一体である。すなわち、トーションバー１１３ｂは、下層部１１１ｃおよび中間層部１１２ｃと連続的に接続している。

２本のトーションバー１１３ａ，１１３ｂにより、連結部１１３の幅（図１におけるＹ方向の寸法）が規定される。２本のトーションバー１１３ａ，１１３ｂの間隔は、ミラー部１１１に近いほど大きく、フレーム１１２に近づくほど徐々に小さくなっている。図５に示すように、フレーム１１２における２本のトーションバー１１３ａ，１１３ｂの間隔をＷｆとし、ミラー部１１１におけるそれらの間隔をＷｍとし、連結部１１３におけるミラー部１１１およびフレーム１１２の離隔距離をＬとすると、本実施例においては、０＜Ｗｆ＜ＬおよびＷｆ＜Ｗｍ＜Ｗｆ＋４Ｌが成立するように、トーションバー１１３ａ，１１３ｂは設けられている。例えば、Ｌを１００μｍとすると、Ｗｆは０μｍよりも大きく且つ１００μｍ未満であり、Ｗｍは１００μｍ以上であって５００μｍ未満である。

ベース基板１２０は、導電性を有しない例えばシリコン基板により構成されており、図２に示すように、ミラー部１１１の一対の電極１１５ａ，１１５ｂに対して適当な間隔を隔てて対向する一対の電極１２１ａ，１２１ｂを具備している。すなわち、本実施形態に係るマイクロミラー素子Ｘ１は、いわゆる平板電極型として構成されている。電極１２１ａ，１２１ｂは、ベース基板１２０にパターン形成された配線（電極以外は図示略）の一部である。

マイクロミラー素子Ｘ１は、組立て状態においては、ミラー基板１１０におけるフレーム１１２の下層部１１２ｄとベース基板１２０とが接合される。

このような構成のマイクロミラー素子Ｘ１において、フレーム１１２の上層部１１２ａに所定の電位を付与すると、プラグ１１６、中間層部１１２ｂ、トーションバー１１３ａ、およびミラー部１１１の下層部１１１ｂを介して電極１１５ａに当該電位は伝達される。また、フレーム１１２の下層部１１２ｄに所定の電位を付与すると、プラグ１１７、中間層部１１２ｃ、トーションバー１１３ｂ、およびミラー部１１１の中間層部１１１ｃを介して電極１１５ｂに当該電位は伝達される。

ミラー部１１１の電極１１５ａに所定の電位を付与した状態において、ベース基板１２０の電極１２１ａに所定の電位を付与すると、電極１１５ａおよび電極１２１ａの間には静電引力または静電斥力が発生する。また、ミラー部１１１の電極１１５ｂに所定の電位を付与した状態において、ベース基板１２０の電極１２１ｂに所定の電位を付与すると、電極１１５ｂおよび電極１２１ｂの間には静電引力または静電斥力が発生する。これら静電力の合力により、ミラー部１１１は、一対の連結部１１３を捩りながら回転軸心Ａ１まわりに揺動する。

マイクロミラー素子Ｘ１においては、このような駆動メカニズムにより、ミラー部１１１すなわち可動部を駆動して、ミラー面１１４を所望の方向に向けることができる。したがって、マイクロミラー素子Ｘ１によると、ミラー面１１４に向かって進行して当該ミラー面１１４で反射される光の反射方向を所望の方向に切り換えることが可能である。

マイクロミラー素子Ｘ１においては、単一の連結部１１３に含まれる２本のトーションバー１１３ａ，１１３ｂは、相互に電気的に分離されている。すなわち、トーションバー１１３ａ，１１３ｂは相互に離隔し、且つ、これらが接続しているミラー部１１１およびフレーム１１２には、トーションバー１１３ａ，１１３ｂ間が短絡しないような導電経路が形成されている。そのため、マイクロミラー素子Ｘ１においては、フレーム１１２からミラー部１１１に対して、複数の電位伝達が可能であり、ミラー部１１１に対して複数の電位を同時に付与することができる。したがって、マイクロミラー素子Ｘ１は、連結部１１３により規定される回転軸心Ａ１まわりにおけるミラー部１１１の回転駆動の態様について高い自由度を有し、ミラー部１１１において複雑な動作をも適切に実現することが可能である。

また、マイクロミラー素子Ｘ１においては、連結部１１３を充分に細いトーションバー１１３ａ，１１３ｂにより構成することによって、連結部１１３の捩り抵抗について良好に低減することができる。小さな捩り抵抗は、ミラー部１１１を高精度に駆動するのに好適である。これとともに、連結部１１３の幅方向に離隔するトーションバー１１３ａ，１１３ｂの間隔については、フレーム１１２における間隔Ｗｆよりもミラー部１１１における間隔Ｗｍのほうが大きい。このような構成の連結部１１３は、小さな捩り抵抗を有しつつ、ミラー部１１１がその法線Ｎ１まわりに回転してしまうのを良好に抑制することができる。

マイクロミラー素子Ｘ１のミラー部１１１を駆動するためには、平板電極による静電力に代えて、電磁コイルや永久磁石などによる電磁力を利用することもできる。具体的には、ミラー部１１１の電極１１５ａ，１１５ｂを電磁コイルに置き換え、ベース基板の電極１２１ａ，１２１ｂを電磁コイルまたは永久磁石に置き換える。或いは、ミラー部１１１の電極１１５ａ，１１５ｂを永久磁石に置き換え、ベース基板の電極１２１ａ，１２１ｂを電磁コイルに置き換える。これらの構成では、電磁コイルへの通電状態を調節することによって、ミラー部１１１を駆動することができる。

図６および図７は、本発明の第２の実施形態に係るマイクロミラー素子Ｘ２を表す。マイクロミラー素子Ｘ２は、ミラー部２１１と、このミラー部２１１を囲むフレーム２１２と、当該フレーム２１２およびミラー部２１１とを連結する一対の連結部２１３とを有する。マイクロミラー素子Ｘ２は、ＭＥＭＳ技術などのバルクマイクロマシニング技術により、多層構造を有する材料基板において成形されたものである。材料基板は、ＰやＡｓなどのｎ型不純物やＢなどのｐ型不純物をドープすることによって導電性を付与された第１シリコン層２１０ａ、第２シリコン層２１０ｂ、および第３シリコン層２１０ｃ、並びに、シリコン層間の第１絶縁層２１０ｄおよび第２絶縁層２１０ｅよりなる積層構造を有する。当該積層構造は、図８および図９によく表れている。第１シリコン層２１０ａの厚さは例えば１０μｍであり、第２シリコン層２１０ｂおよび第３シリコン層２１０ｃの厚さは例えば１００μｍである。第１絶縁層２１０ｄおよび第２絶縁層２１０ｅは、例えば、第１〜第３シリコン層２１０ａ〜２１０ｃのいずれかの表面において、熱酸化法により成長形成された酸化シリコンよりなり、１μｍの厚さを有する。また、材料基板は、マイクロミラー素子Ｘ２の形成過程において適宜多層化されていく。

マイクロミラー素子Ｘ２の形成においては、具体的には、材料基板における積層構造の態様に応じて、ミラー部２１１に対応する箇所を覆うエッチングマスク、フレーム２１２に対応する箇所を覆うエッチングマスク、および、一対の連結部２１３に対応する箇所を覆うエッチングマスクを適宜用いて、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ法によるＳｉエッチングや、ＫＯＨなどのウエットＳｉエッチングなどの手段により、各シリコン層が加工される。絶縁層における不要な部位は適宜エッチング除去される。その結果、マイクロミラー素子Ｘ２において、ミラー部２１１、フレーム２１２、および一対の連結部２１３が、形作られることとなる。本実施形態では、ミラー部２１１とフレーム２１２との間の離隔距離は、例えば１０〜２００μｍである。

ミラー部２１１は、図７によく表れているように、上層部２１１ａおよび下層部２１１ｂ，２１１ｃを有する。上層部２１１ａは第１シリコン層２１０ａに由来し、下層部２１１ｂ，２１１ｃは第２シリコン層２１０ｂに由来する。上層部２１１ａと下層部２１１ｂ，２１１ｃの間には、第１絶縁層２１０ｄが介在している。図７においては、第１絶縁層２１０ｄは、マイクロミラー素子Ｘ２における第２シリコン層２１０ｂに由来する部位の上にクロスハッチングを付して描出されている。

ミラー部２１１の上層部２１１ａには光反射用のミラー面２１４が設けられている。ミラー面２１４は、金属膜を蒸着するなどして形成されている。下層部２１１ｂ，２１１ｃは、各々、櫛歯電極２１５ａ，２１５ｂを有する。櫛歯電極２１５ａ，２１５ｂは、各々、下層部２１１ｂ，２１１ｃの一部であり、第２シリコン層２１０ｂに由来する。

フレーム２１２は、図７によく表れているように、上層部２１２ａ，２１２ｂ、中間層部２１２ｃ，２１２ｄ、および、下層部２１２ｅ，２１２ｆを有する。上層部２１２ａ，２１２ｂは第１シリコン層２１０ａに由来し、中間層部２１２ｃ，２１２ｄは第２シリコン層２１０ｂに由来し、下層部２１２ｅ，２１２ｆは第３シリコン層２１０ｃに由来する。上層部２１２ａ，２１２ｂと中間層部２１２ｃ，２１２ｄの間には、図７から図９によく表れているように、第１絶縁層２１０ｄが介在している。中間層部２１２ｃ、２１２ｄと下層部２１２ｅ，２１２ｆの間には、第２絶縁層２１０ｅが介在している。図７においては、第２絶縁層２１０ｅは、マイクロミラー素子Ｘ２における第３シリコン層２１０ｃに由来する部位の上にクロスハッチングを付して描出されている。

フレーム２１２の下層部２１２ｅ，２１２ｆは、各々、櫛歯電極２１６ａ，２１６ｂを有する。櫛歯電極２１６ａ，２１６ｂは、各々、下層部２１２ｅ，２１２ｆの一部であり、第３シリコン層２１０ｃに由来する。

フレーム２１２において、上層部２１２ａおよび中間層部２１２ｃは、図８に示すように第１絶縁層２１０ｄを貫通する２つのプラグ２１７により電気的に接続されている。プラグ２１７は、例えばポリシリコンよりなり、上層部２１２ａと中間層部２１２ｃとの間に埋め込み形成される。また、上層部２１２ｂおよび中間層部２１２ｄは、図９に示すように第１絶縁層２１０ｄを貫通する２つのプラグ２１８により電気的に接続されている。プラグ２１８は、例えばポリシリコンよりなり、上層部２１２ｂと中間層部２１２ｄとの間に埋め込み形成される。

各連結部２１３は、ミラー部２１１およびフレーム２１２を連結している。マイクロミラー素子Ｘ２は、一対の連結部２１３により可動部すなわちミラー部２１１の回転軸心Ａ２が規定された１軸型として構成されている。本実施形態では、各連結部２１３は、相互に離隔している２本のトーションバー２１３ａ，２１３ｂからなる。

トーションバー２１３ａは、第２シリコン層２１０ｂに由来して第２シリコン層２１０ｂよりも薄肉に形成されており、ミラー部２１１の下層部２１１ｂおよびフレーム２１２の中間層部２１２ｃと一体である。また、トーションバー２１３ｂは、第２シリコン層２１０ｂに由来して第２シリコン層２１０ｂよりも薄肉に形成されており、ミラー部２１１の下層部２１１ｃおよびフレーム２１２の中間層部２１２ｄと一体である。

２本のトーションバー２１３ａ，２１３ｂにより、連結部２１３の幅（図６におけるＹ方向の寸法）が規定され、２本のトーションバー２１３ａ，２１３ｂの間隔は、ミラー部２１１に近いほど大きく、フレーム２１２に近づくほど徐々に小さくなっている。具体的には、マイクロミラー素子Ｘ１のトーションバー１１３ａ，１１３ｂに関して上述したのと同様である。

このような構成のマイクロミラー素子Ｘ２において、フレーム２１２の上層部２１２ａに所定の電位を付与すると、プラグ２１７、中間層部２１２ｃ、トーションバー２１３ａ、およびミラー部２１１の下層部２１１ｂを介して櫛歯電極２１５ａに当該電位は伝達される。また、フレーム２１２の上層部２１２ｂに所定の電位を付与すると、プラグ２１８、中間層部２１２ｄ、トーションバー２１３ｂ、およびミラー部２１１の下層部２１１ｃを介して櫛歯電極２１５ｂに当該電位は伝達される。

ミラー部２１１の電極２１５ａに所定の電位を付与した状態において、フレーム２１２の下層部２１２ｅないし櫛歯電極２１６ａに所定の電位を付与すると、櫛歯電極２１５ａおよび櫛歯電極２１６ａの間には静電引力または静電斥力が発生する。また、ミラー部２１１の櫛歯電極２１５ｂに所定の電位を付与した状態において、フレーム２１２の下層部２１２ｆないし櫛歯電極２１６ｂに所定の電位を付与すると、櫛歯電極２１５ｂおよび櫛歯電極２１６ｂの間には静電引力または静電斥力が発生する。これら静電力の合力により、ミラー部２１１は、一対の連結部２１３を捩りながら回転軸心Ａ２まわりに揺動する。

マイクロミラー素子Ｘ２においては、このような駆動メカニズムにより、ミラー部２１１すなわち可動部を駆動して、ミラー面２１４を所望の方向に向けることができる。したがって、マイクロミラー素子Ｘ２によると、ミラー面２１４に向かって進行して当該ミラー面２１４で反射される光の反射方向を所望の方向に切り換えることが可能である。

マイクロミラー素子Ｘ２においては、単一の連結部２１３に含まれる２本のトーションバー２１３ａ，２１３ｂは、相互に電気的に分離されている。すなわち、トーションバー２１３ａ，２１３ｂは相互に離隔し、且つ、これらが接続しているミラー部２１１およびフレーム２１２には、トーションバー２１３ａ，２１３ｂ間が短絡しないような導電経路が形成されている。そのため、マイクロミラー素子Ｘ２においては、フレーム２１２からミラー部２１１に対して、複数の電位伝達が可能であり、ミラー部２１１に対して複数の電位を同時に付与することができる。したがって、マイクロミラー素子Ｘ２は、連結部２１３により規定される回転軸心Ａ２まわりにおけるミラー部２１１の回転駆動の態様について高い自由度を有し、ミラー部２１１において複雑な動作をも適切に実現することが可能である。

マイクロミラー素子Ｘ２の連結部２１３は、マイクロミラー素子Ｘ１の連結部１１３に関して上述したのと同様に、小さな捩り抵抗を有しつつ、ミラー部２１１がその法線Ｎ２まわりに回転してしまうのを良好に抑制することができる。

また、マイクロミラー素子Ｘ２は、ミラー部２１１すなわち可動部を駆動するために一対の櫛歯電極２１５ａ，２１６ａおよび一対の櫛歯電極２１５ｂ，２１６ｂを備える。櫛歯電極機構によると、電極間に生ずる静電力の作用方向について、ミラー部２１１の回転方向に対して略直交するように設定することができるため、ミラー部２１１の駆動の際に引入れ電圧（静電力が急激に大きくなってしまう閾電圧）が存在せず、その結果、ミラー部２１１について、大きな傾斜角度を適切に達成することが可能となる。このように、櫛歯電極は、可動部について高精度に駆動するのに好適である。

図１０および図１１は、本発明の第３の実施形態に係るマイクロミラー素子Ｘ３を表す。マイクロミラー素子Ｘ３は、ミラー部３１０、これを囲む内フレーム３２０、内フレーム３２０を囲む外フレーム３３０、ミラー部３１０と内フレーム３２０とを連結する一対の連結部３４０、内フレーム３２０と外フレーム３３０とを連結する一対の連結部３５０，３６０を備える。一対の連結部３４０は、内フレーム３２０に対するミラー部３１０の回転動作の回転軸心Ａ３を規定する。連結部３５０，３６０は、外フレーム３３０に対する内フレーム３２０およびこれに伴うミラー部３１０の回転動作の回転軸心Ａ４を規定する。本実施形態においては、回転軸心Ａ３と回転軸心Ａ４は直交している。

マイクロミラー素子Ｘ３は、ＭＥＭＳ技術などのバルクマイクロマシニング技術により、多層構造を有する材料基板において成形されたものである。材料基板は、ＰやＡｓなどのｎ型不純物やＢなどのｐ型不純物をドープすることによって導電性を付与された第１シリコン層３０１、第２シリコン層３０２、および第３シリコン層３０３、並びに、シリコン層間の第１絶縁層３０４および第２絶縁層３０５よりなる積層構造を有する。当該積層構造は、図１２から図１６によく表れている。第１シリコン層３０１および第３シリコン層３０３の厚さは例えば１００μｍであり、第２シリコン層３０２の厚さは例えば５μｍである。第１絶縁層３０４および第２絶縁層３０５は、第１〜第３シリコン層３０１〜３０３のいずれかの表面において、熱酸化法により成長形成された酸化シリコンよりなり、例えば１μｍの厚さを有する。また、材料基板は、マイクロミラー素子Ｘ３の形成過程において適宜多層化されていく。

マイクロミラー素子Ｘ３の形成においては、具体的には、材料基板の積層態様に応じて、ミラー部３１０に対応する箇所を覆うエッチングマスク、内フレーム３２０に対応する箇所を覆うエッチングマスク、外フレーム３３０に対応する箇所を覆うエッチングマスク、および、連結部３４０，３５０，３６０に対応する箇所を覆うエッチングマスクを適宜用いて、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ法によるＳｉエッチングや、ＫＯＨなどのウエットＳｉエッチングなどの手段により、各シリコン層が加工される。第１絶縁層３０４および第２絶縁層３０５における不要な部位は適宜エッチング除去される。その結果、マイクロミラー素子Ｘ３において、ミラー部３１０、内フレーム３２０、外フレーム３３０、および、連結部３４０，３５０，３６０が形作られることとなる。本実施形態では、ミラー部３１０と内フレーム３２０との間の離隔距離、および、内フレーム３１０と外フレーム３２０と間の離隔距離は、例えば１０〜２００μｍである。

ミラー部３１０は、図１１によく表れているように、上層部３１１および４つの下層部３１２を有する。図１１は、マイクロミラー素子Ｘ３の分解平面図である。図１１においては、図の明確化の観点より、第２シリコン層３０２に由来する構造は、第１シリコン層３０１に由来する構造（破線で表されている）とともに表す。上層部３１１は第１シリコン層３０１に由来し、下層部３１２は第２シリコン層３０２に由来する。上層部３１１と各下層部３１２の間には、図１１および図１２によく表れているように、第１絶縁層３０４が介在している。図１１においては、第１絶縁層３０４は、マイクロミラー素子Ｘ３における第２シリコン層３０２に由来する部位の上にクロスハッチングを付して描出されている。

ミラー部３１０の上層部３１１には光反射用のミラー面３１３が設けられている。ミラー面３１３は、金属膜を蒸着するなどして形成されている。上層部３１１は、その相対向する端部において櫛歯電極３１１ａおよび櫛歯電極３１１ｂを有する。櫛歯電極３１１ａ，３１１ｂは、上層部３１１の一部であり、第１シリコン層３０１に由来する。

ミラー部３１０において、上層部３１１および各下層部３１２は、図１２によく表れているように、第１絶縁層３０４を貫通するプラグ３１０ａにより電気的に接続されている。プラグ３１０ａは、例えばポリシリコンよりなり、上層部３１１と下層部３１２との間に埋め込み形成される。

内フレーム３２０は、図１１によく表れているように、上層部３２１、４つの中間層部３２２、中間層部３２３ａ，３２３ｂ，３２４ａ，３２４ｂ、および、下層部３２５，３２６を有する。上層部３２１は第１シリコン層３０１に由来し、中間層部３２２，３２３ａ，３２３ｂ，３２４ａ，３２４ｂは第２シリコン層３０２に由来し、下層部３２５，３２６は第３シリコン層３０３に由来する。上層部３２１と各中間層部３２２，３２３ａ，３２３ｂ，３２４ａ，３２４ｂの間には、各々、図１１〜図１６によく表れているように、第１絶縁層３０４が介在している。各中間層部３２３ａ，３２３ｂ，３２４ａ，３２４ｂと下層部３２５，３２６の間には、第２絶縁層３０５が介在している。図１１においては、第２絶縁層３０５は、マイクロミラー素子Ｘ３における第３シリコン層３０３に由来する部位の上にクロスハッチングを付して描出されている。

内フレーム３２０の上層部３２１は、櫛歯電極３２１ａ，３２１ｂを有する。櫛歯電極３２１ａ，３２１ｂは、上層部３２１の一部であり、第１シリコン層３０１に由来する。また、下層部３２５，３２６は、各々、櫛歯電極３２５ａ，３２６ａを有する。櫛歯電極３２５ａ，３２５ｂは、各々、下層部３２５，３２６の一部であり、第３シリコン層３０３に由来する。櫛歯電極３２５ａ，３２６ａは、各々、ミラー部３１０の櫛歯電極３１１ａ，３１１ｂの下方に位置しており、ミラー部３１０の回転動作時において、櫛歯電極３１１ａ，３１１ｂと当接しないように、これらとの間で歯が位置ずれするように配されている。

内フレーム３２０において、上層部３２１および各中間層部３２２は、図１２によく表れているように、第１絶縁層３０４を貫通して上層部３２１と中間層部３２２との間に埋め込み形成されたプラグ３２０ａにより電気的に接続されている。同様に、上層部３２１および中間層部３２３ａは、図１３によく表れているように、プラグ３２０ｂにより電気的に接続されている。同様に、上層部３２１および中間層部３２４ａは、図１４によく表れているように、プラグ３２０ｃにより電気的に接続されている。中間層部３２３ｂおよび下層部３２５は、図１５によく表れているように、第２絶縁層３０５を貫通して中間層部３２３ｂと下層部３２５の間に埋め込み形成されたプラグ３２０ｄにより電気的に接続されている。同様に、中間層部３２４ｂおよび下層部３２６は、図１６によく表れているように、プラグ３２０ｅにより電気的に接続されている。プラグ３２０ａ〜３２０ｅは、例えばポリシリコンよりなる。プラグ３２０ａ〜３２０ｃについては、図１２から図１４に示すような形態に代えて、図１７ａおよび図１７ｂに示すいずれの形態で形成されていてもよい。図１７ａにおいては、プラグ材料を別途使用して形成されたプラグ（黒ベタ）が第１シリコン層３０１を貫通している。図１７ｂにおいては、プラグ材料を別途使用せずに、第１絶縁層３０４に設けた穴部を第１シリコン層３０１の材料により填塞することによって、第１シリコン層３０１および第２シリコン層３０２の間に埋め込み形成されたプラグを形成し、第１シリコン層３０１および第２シリコン層３０２を電気的に接続している。

外フレーム３３０は、図１１によく表れているように、上層部３３１、中間層部３３２ａ，３３２ｂ，３３３ａ，３３３ｂ、および、下層部３３４〜３３８を有する。上層部３３１は第１シリコン層３０１に由来し、中間層部３３２ａ，３３２ｂ，３３３ａ，３３３ｂは第２シリコン層３０２に由来し、下層部３３４〜３３８は第３シリコン層３０３に由来する。上層部３３１と各中間層部３３２ａ，３３２ｂ，３３３ａ，３３３ｂの間には、図１１〜図１６によく表れているように、第１絶縁層３０４が介在している。各中間層部３３２ａ，３３２ｂ，３３３ａ，３３３ｂと下層部３３４〜３３８の間には、第２絶縁層３０５が介在している。

外フレーム３３０の下層部３３５，３３７は、各々、櫛歯電極３３５ａ，３３７ａを有する。櫛歯電極３３５ａ，３３７ａは、各々、下層部３３５，３３７の一部であり、第３シリコン層３０３に由来する。櫛歯電極３３５ａ，３３７ａは、各々、内フレーム３２０の櫛歯電極３２１ａ，３２１ｂの下方に位置しており、内フレーム３２０の回転動作時において、櫛歯電極３２１ａ，３２１ｂと当接しないように、これらとの間で歯が位置ずれするように配されている。

外フレーム３３０において、上層部３３１および中間層部３３２ａは、図１３によく表れているように、第１絶縁層３０４を貫通して上層部３３１と中間層部３３２ａとの間に埋め込み形成されたプラグ３３０ａにより電気的に接続されている。同様に、上層部３３１および中間層部３３３ａは、図１４によく表れているように、第１絶縁層３０４を貫通するプラグ３３０ｂにより電気的に接続されている。また、中間層部３３２ｂおよび下層部３３６は、図１５によく表れているように、第２絶縁層３０５を貫通して中間層部３３２ｂと下層部３３６との間に埋め込み形成されたプラグ３３０ｃにより電気的に接続されている。同様に、中間層部３３３ｂおよび下層部３３８は、図１６によく表れているように、プラグ３３０ｄにより電気的に接続されている。プラグ３３０ａ〜３３０ｄは、例えばポリシリコンよりなる。プラグ３３０ｃ，３３０ｄおよび上述のプラグ３２０ｄ，３２０ｅについては、図１５および図１６に示すような形態に代えて、図１７ｃ〜図１７ｅに示すいずれの形態で形成されていてもよい。図１７ｃにおいては、プラグ材料を別途使用して形成されたプラグ（黒ベタ）が第３シリコン層３０３を貫通している。図１７ｄにおいては、プラグ材料を別途使用せずに、第２絶縁層３０５に設けた穴部を第２シリコン層３０２の材料により填塞することによって、第２シリコン層３０２および第３シリコン層３０３の間に埋め込み形成されたプラグを形成し、第２シリコン層３０２および第３シリコン層３０３を電気的に接続している。また、図１７ｅにおいては、プラグ材料を別途使用せずに、第２絶縁層３０５に切欠部を設けたうえで、第２絶縁層３０５上に第２シリコン層３０２を積層形成することによって、第２シリコン層３０２および第３シリコン層３０３の間を電気的に接続するプラグが形成されている。

各連結部３４０は、ミラー部３１０および内フレーム３２０を連結している。本実施形態では、各連結部３４０は、相互に離隔している２本のトーションバー３４１からなる。

トーションバー３４１は、第２シリコン層３０２に由来し、図１１および図１２に示すように、ミラー部３１０の下層部３１２および内フレーム３２０の中間層部３２２と一体である。２本のトーションバー３４１により、連結部３４０の幅が規定され、２本のトーションバー３４１の間隔は、ミラー部３１０に近いほど大きく、フレーム３２０に近づくほど徐々に小さくなっている。具体的には、マイクロミラー素子Ｘ１のトーションバー１１３ａ，１１３ｂに関して上述したのと同様である。

各連結部３５０は、内フレーム３２０および外フレーム３３０を連結している。本実施形態では、各連結部３５０は、相互に離隔している２本のトーションバー３５１，３５２からなる。トーションバー３５１は、第２シリコン層３０２に由来し、図１１および図１３に示すように、内フレーム３２０の中間層部３２３ａおよび外フレーム３３０の中間層部３３２ａと一体である。また、トーションバー３５２は、第２シリコン層３０２に由来し、図１１および図１５に示すように、内フレーム３２０の中間層部３２３ｂおよび外フレーム３３０の中間層部３３２ｂと一体である。

２本のトーションバー３５１，３５２により、連結部３５０の幅が規定され、２本のトーションバー３５１，３５２の間隔は、内フレーム３２０に近いほど大きく、外フレーム３３０に近づくほど徐々に小さくなっている。具体的には、マイクロミラー素子Ｘ１のトーションバー１１３ａ，１１３ｂに関して上述したのと同様である。

各連結部３６０は、内フレーム３２０および外フレーム３３０を連結している。本実施形態では、各連結部３６０は、相互に離隔している２本のトーションバー３６１，３６２からなる。トーションバー３６１は、第２シリコン層３０２に由来し、図１１および図１４に示すように、内フレーム３２０の中間層部３２４ａおよび外フレーム３３０の中間層部３３３ａと一体である。また、トーションバー３６２は、第２シリコン層３０２に由来し、図１１および図１６に示すように、内フレーム３２０の中間層部３２４ｂおよび外フレーム３３０の中間層部３３３ｂと一体である。

２本のトーションバー３６１，３６２により、連結部３６０の幅が規定され、２本のトーションバー３６１，３６２の間隔は、内フレーム３２０に近いほど大きく、外フレーム３３０に近づくほど徐々に小さくなっている。具体的には、マイクロミラー素子Ｘ１のトーションバー１１３ａ，１１３ｂに関して上述したのと同様である。

このような構成のマイクロミラー素子Ｘ３において、外フレーム３３０の上層部３３１に所定の電位を付与すると、図１３に示すプラグ３３０ａ、外フレーム３３０の中間層部３３２ａ、トーションバー３５１、内フレーム３２０の中間層部３２３ａ、および、プラグ３２０ｂを介して、並びに、図１４に示すプラグ３３０ｂ、外フレーム３３０の中間層部３３３ａ、トーションバー３６１、内フレーム３２０の中間層部３２４ａ、および、プラグ３２０ｃを介して、内フレーム３２０の上層部３２１ないし櫛歯電極３２１ａ，３２１ｂに当該電位は伝達される。更に、この電位は、図１２に示すように上層部３２１と接続する各プラグ３２０ａ、これに接続するトーションバー３４１、ミラー部３１０の下層部３１２、および、プラグ３１０ａを介して、ミラー部３１０の上層部３１１ないし櫛歯電極３１１ａ，３１１ｂに伝達される。したがって、外フレーム３３０の上層部３３１に所定の電位を付与すると、当該電位は、櫛歯電極３１１ａ，３１１ｂおよび櫛歯電極３２１ａ，３２１ｂにまで伝達される。

外フレーム３３０の下層部３３６に所定の電位を付与すると、図１５に示すプラグ３３０ｃ、外フレーム３３０の中間層部３３２ｂ、トーションバー３５２、内フレーム３２０の中間層部３２３ｂ、および、プラグ３２０ｄを介して、内フレーム３２０の下層部３２５ないし櫛歯電極３２５ａに当該電位は伝達される。同様に、外フレーム３３０の下層部３３８に所定の電位を付与すると、図１６に示すプラグ３３０ｄ、外フレーム３３０の中間層部３３３ｂ、トーションバー３６２、内フレーム３２０の中間層部３２４ｂ、および、プラグ３２０ｅを介して、内フレーム３２０の下層部３２６ないし櫛歯電極３２６ａに当該電位は伝達される。

ミラー部３１０における櫛歯電極３１１ａに所定の電位を付与した状態において、内フレーム３２０における櫛歯電極３２５ａに所定の電位を付与すると、櫛歯電極３１１ａおよび櫛歯電極３２５ａの間には静電引力または静電斥力が発生する。また、ミラー部３１０における櫛歯電極３１１ｂに所定の電位を付与した状態において、内フレーム３２０における櫛歯電極３２６ａに所定の電位を付与すると、櫛歯電極３１１ｂおよび櫛歯電極３２６ａの間には静電引力または静電斥力が発生する。これら静電力またはこれら静電力の合力により、ミラー部３１０は、一対の連結部３４０を捩りながら回転軸心Ａ３まわりに揺動する。

一方、内フレーム３２０における櫛歯電極３２１ａに所定の電位を付与した状態において、外フレーム３３０における下層部３３５ないし櫛歯電極３３５ａに所定の電位を付与すると、櫛歯電極３２１ａおよび櫛歯電極３３５ａの間には静電引力または静電斥力が発生する。また、内フレーム３２０における櫛歯電極３２１ｂに所定の電位を付与した状態において、外フレーム３３０における下層部３３７ないし櫛歯電極３３７ａに所定の電位を付与すると、櫛歯電極３２１ｂおよび櫛歯電極３３７ａの間には静電引力または静電斥力が発生する。これら静電力またはこれら静電力の合力により、内フレーム３２０は、ミラー部３１０を伴いつつ一対の連結部３５０，３６０を捩りながら回転軸心Ａ４まわりに揺動する。

マイクロミラー素子Ｘ３においては、このような駆動メカニズムにより、ミラー部３１０および内フレーム３２０を含む可動部を駆動して、ミラー部３１０のミラー面３１３を所望の方向に向けることができる。したがって、マイクロミラー素子Ｘ３によると、ミラー面３１３に向かって進行して当該ミラー面３１３で反射される光の反射方向を所望の方向に切り換えることが可能である。

マイクロミラー素子Ｘ３においては、連結部３５０に含まれる２本のトーションバー３５１，３５２は、相互に電気的に分離されている。すなわち、トーションバー３５１，３５２は相互に離隔し、且つ、これらが接続している内フレーム３２０および外フレーム３３０には、トーションバー３５１，３５２間が短絡しないような導電経路が形成されている。これとともに、連結部３６０に含まれる２本のトーションバー３６１，３６２は、相互に電気的に分離されている。すなわち、トーションバー３６１，３６２は相互に離隔し、且つ、これらが接続している内フレーム３２０および外フレーム３３０には、トーションバー３６１，３６２間が短絡しないような導電経路が形成されている。そのため、マイクロミラー素子Ｘ３においては、外フレーム３２０から可動部に対して、複数の電位伝達が可能であり、可動部に対して複数の電位を同時に付与することができる。したがって、マイクロミラー素子Ｘ３は、ミラー部３１０および内フレーム３２０を含む可動部の駆動の態様について高い自由度を有し、可動部において複雑な動作をも適切に実現することが可能である。その結果、マイクロミラー素子Ｘ３は、２軸型マイクロミラー素子として適切に機能することができる。

マイクロミラー素子Ｘ３の連結部３４０は、マイクロミラー素子Ｘ１の連結部１１３に関して上述したのと同様に、小さな捩り抵抗を有しつつ、ミラー部３１０がその法線Ｎ３まわりに回転してしまうのを良好に抑制することができる。同様に、連結部３５０，３６０は、小さな捩り抵抗を有しつつ、内フレーム３２０ひいてはミラー部３１０がその法線Ｎ３まわりに回転してしまうのを良好に抑制することができる。

また、マイクロミラー素子Ｘ３は、ミラー部３１０を駆動するために一対の櫛歯電極３１１ａ，３２５ａおよび一対の櫛歯電極３１１ｂ，３２６ａを備える。これとともに、マイクロミラー素子Ｘ３は、内フレーム３２０を駆動するために一対の櫛歯電極３２１ａ，３３５ａおよび一対の櫛歯電極３２１ｂ，３３７ａを備える。櫛歯電極機構は、マイクロミラー素子Ｘ２に関して上述したのと同様に、可動部について高精度に駆動するのに好適である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。 図２は、図１に示すマイクロミラー素子の分解斜視図である。 図３は、図２の線III−IIIに沿った断面図である。 図４は、図２の線IV-IVに沿った断面図である。 図５は、図１に示すマイクロミラー素子の部分拡大平面図である。 図６は、本発明の第２の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。 図７は、図６に示すマイクロミラー素子の分解斜視図である。 図８は、図７の線VIII−VIIIに沿った断面図である。 図９は、図７の線IX-IXに沿った断面図である。 図１０は、本発明の第３の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。 図１１は、図１０に示すマイクロミラー素子の分解平面図である。 図１２は、図１０に示すマイクロミラー素子の部分断面図である。 図１３は、図１０に示すマイクロミラー素子の他の部分断面図である。 図１４は、図１０に示すマイクロミラー素子の他の部分断面図である。 図１５は、図１０に示すマイクロミラー素子の他の部分断面図である。 図１６は、図１０に示すマイクロミラー素子の他の部分断面図である。 図１７ａ〜図１７ｅは、導体プラグのバリエーションを表す。 図１８は、従来のマイクロミラー素子の斜視図である。 図１９は、図１８の線XIX−XIXに沿った断面図である。

Claims (11)

1. 第１導体層と、第２導体層と、当該第１および第２導体層の間に介在する絶縁層とを含む積層構造を有する材料基板において一体的に成形されている、可動部と、フレームと、これらを連結する連結部と、を備え、
   前記可動部は、前記第２導体層において成形され且つ相互に電気的に分離している複数の第１部位を含み、当該複数の第１部位は、第１の第１部位および第２の第１部位を含み、
   前記フレームは、前記第２導体層において成形され且つ相互に電気的に分離している複数の第２部位含み、当該複数の第２部位は、第１の第２部位および第２の第２部位を含み、
   前記連結部は、前記第２導体層において成形され且つ相互に電気的に分離されている第１トーションバーおよび第２トーションバーを含み、
   前記第１トーションバーは、前記可動部における前記第１の第１部位と連続的に且つ電気的に接続し、且つ、前記フレームにおける前記第１の第２部位と連続的に且つ電気的に接続しており、
   前記第２トーションバーは、前記可動部における前記第２の第１部位と連続的に且つ電気的に接続し、且つ、前記フレームにおける前記第２の第２部位と連続的に且つ電気的に接続しており、
   前記可動部における前記第１の第１部位と、前記第１トーションバーと、前記フレームにおける前記第１の第２部位とは、第１電位付与部をなし、
   前記可動部における前記第２の第１部位と、前記第２トーションバーと、前記フレームにおける前記第２の第２部位とは、第２電位付与部をなし、
   前記第１電位付与部および前記第２電位付与部に対しては、個別に電位を付与することが可能であり、
   前記可動部に対面するベース部を更に備え、当該ベース部には第１平板電極および第２平板電極が設けられており、前記第１平板電極は、前記可動部における前記第１の第１部位との間に静電引力を発生させるためのものであって当該第１の第１部位に対向しており、前記第２平板電極は、前記可動部における前記第２の第１部位との間に静電引力を発生させるためのものであって当該第２の第１部位に対向している、静電駆動型のマイクロ可動素子。
2. 前記可動部において、前記第１の第１部位における前記ベース部側には、前記第１平板電極に対向する平板電極が設けられ、且つ、前記第２の第１部位における前記ベース部側には、前記第２平板電極に対向する平板電極が設けられている、請求項１に記載のマイクロ可動素子。
3. 第１導体層と、第２導体層と、当該第１および第２導体層の間に介在する絶縁層とを含む積層構造を有する材料基板において一体的に成形されている、可動部と、フレームと、これらを連結する連結部と、を備え、
   前記可動部は、前記第２導体層において成形され且つ相互に電気的に分離している複数の第１部位を含み、当該複数の第１部位は、第１の第１部位および第２の第１部位を含み、
   前記フレームは、前記第２導体層において成形され且つ相互に電気的に分離している複数の第２部位含み、当該複数の第２部位は、第１の第２部位および第２の第２部位を含み、
   前記連結部は、前記第２導体層において成形され且つ相互に電気的に分離されている第１トーションバーおよび第２トーションバーを含み、
   前記第１トーションバーは、前記可動部における前記第１の第１部位と連続的に且つ電気的に接続し、且つ、前記フレームにおける前記第１の第２部位と連続的に且つ電気的に接続しており、
   前記第２トーションバーは、前記可動部における前記第２の第１部位と連続的に且つ電気的に接続し、且つ、前記フレームにおける前記第２の第２部位と連続的に且つ電気的に接続しており、
   前記可動部における前記第１の第１部位と、前記第１トーションバーと、前記フレームにおける前記第１の第２部位とは、第１電位付与部をなし、
   前記可動部における前記第２の第１部位と、前記第２トーションバーと、前記フレームにおける前記第２の第２部位とは、第２電位付与部をなし、
   前記第１電位付与部および前記第２電位付与部に対しては、個別に電位を付与することが可能であり、
   前記フレームは、前記第１導体層において成形され且つ相互に電気的に分離している第１の第３部位および第２の第３部位を含み、
   前記可動部における、前記第１の第１部位は第１櫛歯電極部を有し、前記第２の第１部位は第２櫛歯電極部を有し、
   前記フレームにおける前記第１の第３部位は、前記第１櫛歯電極部との間に静電引力を発生させるための第３櫛歯電極部を有し、
   前記フレームにおける前記第２の第３部位は、前記第２櫛歯電極部との間に静電引力を発生させるための第４櫛歯電極部を有する、静電駆動型のマイクロ可動素子。
4. 前記連結部における前記第１および第２トーションバーは、前記連結部の幅方向に離隔し、当該第１および第２トーションバーの間隔は、前記可動部に近いほど大きい、請求項１から３のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子。
5. 前記フレームにおける前記間隔をＷｆとし、前記可動部における前記間隔をＷｍとし、前記連結部の配設箇所における前記可動部および前記フレームの離隔距離をＬとすると、０＜Ｗｆ＜ＬおよびＷｆ＜Ｗｍ＜Ｗｆ＋４Ｌを満たす、請求項４に記載のマイクロ可動素子。
6. 前記材料基板の前記積層構造は、前記第２導体層に対して前記第１導体層とは反対の側に位置する第３導体層と、当該第３導体層および前記第２導体層の間に介在する絶縁層とを更に含み、
   前記フレームは、前記第３導体層において成形された第３部位と、前記第１導体層において成形された第４部位とを更に含み、
   前記フレームにおいて、前記第３部位と前記第１の第２部位とは、これらの間に介在する絶縁層を貫通する導体プラグにより電気的に接続されており、前記第４部位と前記第２の第２部位とは、これらの間に介在する絶縁層を貫通する導体プラグにより電気的に接続されている、請求項１に記載のマイクロ可動素子。
7. 前記材料基板の前記積層構造は、前記第２導体層に対して前記第１導体層とは反対の側に位置する第３導体層と、当該第３導体層および前記第２導体層の間に介在する絶縁層とを更に含み、
   前記フレームは、前記第３導体層において成形され且つ相互に電気的に分離している第１の第３部位および第２の第３部位を含み、
   前記フレームにおいて、前記第１の第３部位と前記第１の第２部位とは、これらの間に介在する前記絶縁層を貫通する導体プラグにより電気的に接続されており、前記第２の第３部位と前記第２の第２部位とは、これらの間に介在する前記絶縁層を貫通する導体プラグにより電気的に接続されている、請求項２に記載のマイクロ可動素子。
8. 前記可動部にはミラー面が設けられ、マイクロミラー素子として構成されている、請求項１から７のいずれか一つに記載のマイクロ可動素子。
9. 第１導体層、第２導体層、第３導体層、前記第１導体層および前記第２導体層の間の第１絶縁層、および、前記第２導体層および前記第３導体層の間の第２絶縁層よりなる積層構造を有する材料基板において一体的に成形されている、可動コア部と、中継フレームと、フレームと、前記可動コア部および前記中継フレームを連結する中継連結部と、前記中継フレームおよび前記フレームを連結する第１連結部および第２連結部と、を備え、
   前記可動コア部は、前記第１導体層において成形された第１部位、および、前記第２導体層において成形された第２部位を含み、前記第１部位と前記第２部位とは、これらの間に介在する前記第１絶縁層を貫通する第１導体プラグにより電気的に接続されており、
   前記中継フレームは、前記第１導体層において成形された前記第３部位、前記第２導体層において成形され且つ相互に電気的に分離している複数の第４部位、および前記第３導体層において成形され且つ相互に電気的に分離している複数の第５部位を含み、前記複数の第４部位は、第１の第４部位、第２の第４部位、第３の第４部位、第４の第４部位、および第５の第４部位を含み、前記複数の第５部位は、第１の第５部位および第２の第５部位を含み、前記第３部位と前記第１の第４部位とは、これらの間に介在する前記第１絶縁層を貫通する第２導体プラグにより電気的に接続されており、前記第３部位と前記第２の第４部位とは、これらの間に介在する前記第１絶縁層を貫通する第３導体プラグにより電気的に接続されており、前記第３部位と前記第３の第４部位とは、これらの間に介在する前記第１絶縁層を貫通する第４導体プラグにより電気的に接続されており、前記第１の第５部位と前記第４の第４部位とは、これらの間に介在する前記第２絶縁層を貫通する第５導体プラグにより電気的に接続されており、前記第２の第５部位と前記第５の第４部位とは、これらの間に介在する前記第２絶縁層を貫通する第６導体プラグにより電気的に接続されており、
   前記フレームは、前記第１導体層において成形された第６部位、第２導体層において成形され且つ相互に電気的に分離している複数の第７部位、および、前記第３導体層において成形され且つ相互に電気的に分離している複数の第８部位を含み、前記複数の第７部位は、第１の第７部位、第２の第７部位、第３の第７部位、および第４の第７部位を含み、前記複数の第８部位は、第１の第８部位、第２の第８部位、第３の第８部位、および第４の第８部位を含み、前記第６部位と第１の前記第７部位とは、これらの間に介在する前記第１絶縁層を貫通する第７導体プラグにより電気的に接続されており、前記第６部位と第２の前記第７部位とは、これらの間に介在する前記第１絶縁層を貫通する第８導体プラグにより電気的に接続されており、前記第１の第８部位と前記第３の第７部位とは、これらの間に介在する前記第２絶縁層を貫通する第９導体プラグにより電気的に接続されており、前記第２の第８部位と前記第４の第７部位とは、これらの間に介在する前記第２絶縁層を貫通する第１０導体プラグにより電気的に接続されており、
   前記中継連結部は、前記第２導体層において成形されたものであり、前記可動コア部の前記第２部位と連続的かつ電気的に接続し、且つ、前記中継フレームの前記第１の第４部位と連続的かつ電気的に接続し、
   前記第１連結部は、前記第２導体層において成形された、第１トーションバーおよび第２トーションバーを含み、
   前記第１トーションバーは、前記中継フレームの前記第２の第４部位と連続的かつ電気的に接続し、且つ、前記フレームの前記第１の第７部位と連続的かつ電気的に接続し、
   前記第２トーションバーは、前記中継フレームの前記第４の第４部位と連続的かつ電気的に接続し、且つ、前記フレームの前記第３の第７部位と連続的かつ電気的に接続し、
   前記第２連結部は、前記第２導体層において成形された、第３トーションバーおよび第４トーションバーを含み、
   前記第３トーションバーは、前記中継フレームの前記第３の第４部位と連続的かつ電気的に接続し、且つ、前記フレームの前記第２の第７部位と連続的かつ電気的に接続し、
   前記第４トーションバーは、前記中継フレームの前記第５の第４部位と連続的かつ電気的に接続し、且つ、前記フレームの前記第４の第７部位と連続的かつ電気的に接続し、
   前記可動コア部における前記第１部位および前記第２部位と、前記中継連結部と、前記中継フレームにおける前記第１の第４部位、前記第３部位、第２の第４部位、および第３の第４部位と、前記第１トーションバーと、第３トーションバーと、前記フレームにおける前記第１の第７部位、前記第２の第７部位、および前記第６部位とは、第１電位付与部をなし、
   前記中継フレームにおける前記第１の第５部位および前記第４の第４部位と、前記第２トーションバーと、前記フレームにおける前記第３の第７部位および前記第１の第８部位とは、第２電位付与部をなし、
   前記中継フレームにおける前記第２の第５部位および前記第５の第４部位と、前記第４トーションバーと、前記フレームにおける前記第４の第７部位および前記第２の第８部位とは、第３電位付与部をなし、
   前記第１電位付与部、前記第２電位付与部、および第３電位付与部に対しては、個別に電位を付与することが可能であり、
   前記可動コア部における、前記第１部位は第１櫛歯電極部および第２櫛歯電極部を有し、
   前記中継フレームにおける前記第１の第５部位は、前記第１櫛歯電極部との間に静電引力を発生させるための第３櫛歯電極部を有し、
   前記中継フレームにおける前記第２の第５部位は、前記第２櫛歯電極部との間に静電引力を発生させるための第４櫛歯電極部を有し、
   前記中継フレームにおける前記第３部位は、前記第５櫛歯電極部および第６櫛歯電極部を有し、
   前記フレームにおける前記第３の第８部位は、前記第５櫛歯電極部との間に静電引力を発生させるための第７櫛歯電極部を有し、
   前記フレームにおける前記第４の第８部位は、前記第６櫛歯電極部との間に静電引力を発生させるための第８櫛歯電極部を有する、静電駆動型のマイクロ可動素子。
10. 前記第１連結部における前記第１および第２トーションバーは、前記第１連結部の幅方向に離隔し、当該第１および第２トーションバーの間隔は、前記中継フレームに近いほど大きく、
    前記第２連結部における前記第３および第４トーションバーは、前記第２連結部の幅方向に離隔し、当該第３および第４トーションバーの間隔は、前記中継フレームに近いほど大きい、請求項９に記載のマイクロ可動素子。
11. 前記可動コア部にはミラー面が設けられ、マイクロミラー素子として構成されている、請求項９または１０に記載のマイクロ可動素子。

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