JP5120243B2

JP5120243B2 - 光学装置

Info

Publication number: JP5120243B2
Application number: JP2008328078A
Authority: JP
Inventors: 徳夫藤塚; 慎太郎山▲崎▼; 勲青柳
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-12-24
Also published as: JP2010151964A

Description

本発明は、光ビームを偏向させる（光ビームの反射方向を変化させることをいう）光学装置であって、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用するものに関する。

光ビームを偏向させる光学装置をＭＥＭＳ技術を利用して製造する技術が開発されている。この種の光学装置は、基板と可動ミラーと可撓梁を備えており、可撓梁によって可動ミラーを基板から離反した位置に支持する。可撓梁は変形可能であることから、可動ミラーは基板に対して揺動することができる。この種の光学装置は、可動ミラーの一部を基板に向けて吸引する等によって可動ミラーを揺動させるアクチュエータを備えている。アクチュエータを作動させると、可撓梁が変形し、可動ミラーの一部が基板に向けて接近し、可動ミラーが基板に対して揺動する。

微弱な吸引力で可動ミラーを揺動させるためには、可撓梁を細長くして変形し易くするのが有利である。しかしながら、変形し易い可撓梁を利用すると、例えば光学装置の搬送中の振動によって可動ミラーが基板に密着してしまう現象が生じる。可動ミラーが基板に一旦でも密着すると、その後に剥離することが困難となる。すなわち、光学装置が損傷してしまう。あるいは、アクチュエータによって可動ミラーの一部を基板に向けて吸引すると、可動ミラーが基板に対して揺動するだけでなく、可動ミラーの揺動中心が基板に接近する現象も生じる。可動ミラーの揺動中心が基板に接近すると、小さな揺動角で可動ミラーの一端が基板に当接してしまう。可動ミラーの揺動中心が基板に接近すると、可動ミラーの揺動可能角が小さくなってしまう。変形し易い可撓梁を利用して微弱な吸引力で可動ミラーを揺動させられるようにする一方において、可動ミラーの揺動中心が基板に向けて接近することを防止する必要がある。

可動ミラーの揺動中心が基板に向けて接近することを、沈み込みという。また基板に向けて接近することを、下方に変位するという。変形し易い可撓梁を利用して微弱な吸引力で可動ミラーを揺動させるようにすればするほど、沈み込みを防止する必要性が高まる。

特に静電駆動型の光学装置においては、沈み込みを防止する必要性が高い。静電駆動型の光学装置では、可動ミラーの一部に可動電極を設置し、基板に固定電極を設置する。可動電極と固定電極との間に駆動電圧を印加すると、両電極間に静電気力が作用する。この静電気力によって基板側（可動ミラーの下方側）に向けて可動ミラーの一部を吸引することによって、可動ミラーを揺動させる。静電気力は、可動電極と固定電極との距離が小さいほど大きくなるが、可動電極と固定電極との距離が小さく成り過ぎると、可動ミラーが大きく傾いた場合に可動ミラーに設置された可動電極と基板に設置された固定電極が接近しすぎて、可動ミラーが強く基板側に引き寄せられ、可動ミラーと基板が接触してしまう。この現象をプル・イン（pull-in）と呼ぶ。pull-inが発生することを防ぐために、可動ミラーと基板との距離を十分に確保する必要がある。

静電駆動型の光学装置では、低い駆動電圧で大きな揺動角を得ることが求められている。特に、静電駆動型の光学装置を集積化し、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等のミラーアレイとする場合には、集積化した駆動回路で印加可能な低い電圧で可動ミラーを揺動させる必要がある。

可動ミラーの揺動角は、可撓梁の捻り抵抗力と、アクチュエータによる駆動力とが釣り合う位置によって決まるため、可撓梁を細長くし、捻り抵抗力を低減することができれば、少ない駆動力によって大きな揺動角を得ることができる。静電駆動型の光学装置において低い駆動電圧で大きな揺動角を得るためには、可撓梁を十分に細長くして変形し易くすることが有効である。しかしながら、細長く変形し易い可撓梁を用いると、可動ミラーを揺動させる際に可動ミラーの沈み込みが発生し易い状態となってしまう。

可動ミラーに沈み込みが発生し、可動ミラーと基板との距離が小さくなってしまうと、pull-inを防ぐために、可動ミラーの最大揺動角を小さくして可動ミラーと基板との距離を十分に確保せざるを得なくなってしまう。すなわち、低い駆動電圧で大きな揺動角を得るためには、可動ミラーの沈み込みを抑制することが必須である。

可動ミラーの沈み込みを抑制する技術が提案されている。例えば、特許文献１に、光ビームを偏向させる静電駆動型の光学装置５００が開示されている。図１８に示すように、光学装置５００は、下部基板５０１と、上部基板５０２と、可動ミラー５０３と、可動ミラー５０３の外周に位置するリング部５０８と、可動ミラー５０３を揺動可能に支持するトーションスプリング５０４と、可動ミラー５０３の中央部に対向する位置において下部基板５０１に設置された凸部５０５と、可動ミラー５０３の中心に対向する位置において凸部５０５の上面に設置された支点突起５０６と、下部基板５０１の上面に設置された下部電極５０７を備えている。トーションスプリング５０４は、図１８に示す位置に１対設置されており、可動ミラー５０３とリング部５０８を接続している。図１８に示す１対のトーションスプリング５０４と垂直な方向（紙面に対して垂直な方向）にさらに１対のトーションスプリング（図示しない）が設置されており、可動ミラー５０３とリング部５０８を接続している。下部電極５０７は、図１８に示す位置に１対設置されており、図１８に示す１対のトーションスプリング５０４と垂直な方向（紙面に対して垂直な方向）に、さらに１対の下部電極５０７が設置されている。合計４箇所に設置された下部電極５０７の中から選択した単数または複数の下部電極５０７に電圧を印加することによって、電圧を印加した下部電極５０７に対向する範囲の可動ミラー５０３を静電気力で基板側に引き寄せる。これによって、可動ミラー５０３は揺動し、可動ミラー５０３に入射する光ビームの反射方向を変化させる。

可動ミラー５０３は支点突起５０６と２対のトーションスプリング５０４によって支持されており、支点突起５０６を中心に揺動する。可動ミラー５０３の中心と対向する位置に支点突起５０６が設置されているため、可動ミラー５０３が下方へ変位すること（沈み込むこと）を防止することができる。
特開２００３−５７５７５号公報

特許文献１の光学装置５００では、可動ミラー５０３が支点突起５０６を中心に揺動する。支点突起５０６が、可動ミラー５０３の中心に対向する位置に正確に設置されていない場合、可動ミラー５０３の正常動作を阻害する要因となる。例えば、可動ミラー５０３が揺動する方向によって、同じ駆動トルクに対する揺動角が変わってしまう。支点突起５０６の設置位置の僅かなずれによって、下部電極５０７等に電圧を印加して可動ミラー５０３を揺動させた場合の可動ミラー５０３の揺動角が変わるために、所望の揺動特性を有する光学装置を安定して供給することが難しい。量産時には、製品ごとに揺動特性が大きくばらつき易い。

そこで本発明では、基板と、可動ミラーと、可動ミラーを基板から離反した位置で揺動可能に支持する可撓梁（変形可能なしなやかさを有する梁）と、可動ミラーを揺動させるアクチュエータと、可撓梁の変位の下限を規制する下限規制部とを備えた光学装置を提供する。

本発明の下限規制部は、可撓梁の下方に位置する範囲の基板上に設置されており、可撓梁の下方から可撓梁に接離可能となっている。可撓梁が可動ミラーに接合する第１接合位置から可撓梁が基板に接合する第２接合位置までの長さをＬとした場合に、下限規制部は、第１接合位置からの距離がＬ／２までの領域内に位置する部分を備えている。アクチュエータによって可動ミラーが揺動する際に、下限規制部が可撓梁に接触した状態で可撓梁が変形可能に構成されている。

本発明の光学装置では、下限規制部が可撓梁の下方に設置されている。可動ミラーが下方へ変位する（沈み込む）場合には、可撓梁が下方に変位する。例えば、アクチュエータによって可動ミラーを揺動させる場合に、可動ミラーが基板に向けて変位する（すなわち可動ミラーが沈み込む）。可動ミラーに沈み込みが発生する場合、可撓梁が撓む。下限規制部によって可撓梁を下方から支持し、可撓梁がそれ以上には下方に変位しないようにすれば、可動ミラーの沈み込みを抑止することができる。

下限規制部は、可撓梁と接離可能に設置されており、可動ミラーに沈み込みが無い場合には、可撓梁と下限規制部が離反している。そのために、可動ミラーの正常動作を阻害しない。可撓梁が下方へ変位し、可撓梁が下限規制部と接触しながら可動ミラーが揺動する場合においても、可動ミラーと比較して細長くて弾性がある可撓梁を支持するため、可撓梁と下限規制部との接触による負荷が可撓梁の弾性によって緩和され、可動ミラーの正常動作を阻害しない。下限規制部の位置のずれに対して可動ミラーの揺動特性がばらつきにくい関係が得られる。

ここで、可動ミラーが揺動するとは、可動ミラーが基板に対して所定の軸の周りに回転して揺れることを指し、可動ミラーが傾斜して停止する動作、および傾斜方向を反転させながら繰り返し揺動する動作を含む。

下限規制部がなければ、可動ミラーが沈み込むことを防止できない。可動ミラーが沈み込むことによって可撓梁が下方へ変位する場合、少なくとも第１接合位置からの距離がＬ／２までの領域内の可撓梁は、可動ミラーの沈み込みに追従して下方へ変位する。第１接合位置からの距離がＬ／２までの領域において可撓梁の下方への変位量を下限規制部によって規制すれば、可動ミラーの下方への変位量（沈み込み量）を顕著に規制することができる。

本発明では、可撓梁の短手方向（長手方向と垂直な水平方向）の下限規制部の長さを、可撓梁の短手方向の幅よりも大きくすることが好ましい。光学装置の可動ミラーが水平になるように設置されていない場合に可動ミラーや可撓梁に作用する重力や、光学装置を移動体に搭載した場合に移動体の加速によって光学装置に作用する力の影響によって、可撓梁がその短手方向に変位する場合がある。可撓梁がその短手方向に変化するような場合にも、下限規制部によって確実に可撓梁の下方への変位を規制することができる。量産時に、可撓梁の短手方向における下限規制部の設置位置のマージンを確保することもできる。

また、特許文献１のように、支点突起が可動ミラーの裏面側に配置されていると、製造工程において、支点突起の位置を視覚的に把握することは非常に困難である。可撓梁の短手方向（長手方向と垂直な水平方向）における下限規制部の長さを、可撓梁の短手方向の幅よりも大きくすれば、光学装置を平面視した場合に、下限規制部の位置を容易に確認することができる。可動ミラー上面側から観測することによって下限規制部の位置を確認することができるので、光学装置の量産時に、下限規制部の設置位置や高さ等を容易に検査することができる。

本発明では、下限規制部の上面に可撓梁の下面に沿う凹部を設けたり、あるいは、可撓梁の中心軸に近い側で深く、可撓梁の中心軸から遠い側で浅い傾斜部を設けたりすることができる。凹部や傾斜部によって、可動ミラーが揺動する際に、可撓梁がその短手方向に変位することを効果的に抑制することができる。

また、本発明では、可撓梁に設置された第１導電部と、下限規制部に設置された第２導電部と、第１導電部および第２導電部の間に電圧を印加する手段を付加することもできる。これによって、可撓梁と下限規制部との間に静電気力による引力を作用させ、可撓梁を下限規制部に固定することができる。光学装置の運搬時等における耐衝撃性を向上させることができる。

沈み込みの発生を抑制する目的が、光学装置の運搬時等のためのものである場合、アクチュエータによって可動ミラーを最大に揺動させても下限規制部が可撓梁に接触しないことがある。この場合でも、光学装置の運搬時等には下限規制部が有効に機能し、可動ミラーが沈み込むことを防止できる。

その一方において、下限規制部の位置が、アクチュエータによって可動ミラーが揺動する際に、下限規制部が可撓梁に接触してそれ以上に可動ミラーが沈み込むことを防止した状態で可撓梁がさらに変形する関係が得られる位置に設定されていることが好ましい。

上記の関係が得られていると、下限規制部によってそれ以上の沈み込みを防止しながらアクチュエータによって可動ミラーを揺動させることができる。可動ミラーを大きく揺動させることと可動ミラーが基板に接触するのを防止することの両者を同時に実現することができる。

本発明によれば、可動ミラーの正常動作を阻害することなく、可動ミラーの沈み込みを抑止することができる。

以下に説明する実施例の主要な特徴を以下に列記する。
（特徴１）１対の可撓梁で可動ミラーを揺動可能に支持している。各々の可撓梁が捻れることによって可動ミラーが揺動する。各々の可動梁の下方に下限規制部が設置されている。
（特徴２）１対の可撓梁の両側に分けて、一対のアクチュエータが配置されている。
（特徴３）各々のアクチュエータは静電駆動型であり、アクチュエータに向かい合う範囲の可動ミラーを基板に向けて引き付ける吸引力を生成する。一方のアクチュエータを作動させると可動ミラーは基板に対して揺動する。下限規制部がなければ、可動ミラーは基板に対して揺動する際に、その揺動中心が基板に接近する。下限規制部は揺動中心が基板に接近する途中で、可撓梁の下面に接触し、可撓梁がそれ以上に下方に変位することを規制する。

図１は、本実施例の光学装置１００を上面から見た平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図１〜図３に示すように、光学装置１００は、下部基板１０１、下部基板１０１上に固定された枠状の上部基板１０２、可動ミラー１０３、上部基板１０２と可動ミラー１０３とを接続する１対の可撓梁１０４を備えている。図１と図２に示すように、各々の可撓梁１０４の下方に、下限規制部１０９が設置されている。下限規制部１０９は、可撓梁１０４と可動ミラー１０３との接合位置（第１接合位置）１１０と距離Ａだけ離れた位置から、可撓梁１０４と上部基板１０２の接合位置（第２接合位置）１１１に向けて延びている。

図２、図３に示すように、上部基板１０２は、上部基板下層１０２ａに上部基板上層１０２ｂが積層されることによって形成されている。可動ミラー１０３は、可動ミラー下層１０３ａ、可動ミラー上層１０３ｂ、ミラー１０５が積層されることによって形成されている。上部基板下層１０２ａは、下部基板１０１の絶縁膜層の上に設置された導電層と、その側面および上面に形成された絶縁膜層とを備えている。上部基板上層１０２ｂは、可撓梁１０４および可動ミラー下層１０３ａと同一の層によって一体に形成されており、導電層からなる可動電極１２２がその内部に設置され、可動電極１２２の上下面および側面は絶縁膜層によって被覆されている。可動ミラー上層１０３ｂは、可動ミラー下層１０３ａの上面を被覆する絶縁膜層の上面に形成された導電層と、その側面および上面に形成された絶縁膜層とを備えている。下限規制部１０９は、下部基板１０１の絶縁膜層の上に設置された導電層と、その側面および上面に形成された絶縁膜層とを備えている。下限規制部１０９は、可撓梁１０４と距離Ｄだけ離反している。

図３に示すように、下部基板１０１には、固定電極１２１ａ、１２１ｂが埋め込まれており、２つの固定電極用コンタクトパッド（図示しない）にそれぞれ導通している。可動ミラー１０３に設置された可動電極１２２は、可動電極用コンタクトパッド（図示しない）に導通している。固定電極用コンタクトパッドおよび可動電極用コンタクトパッドは、制御装置（図示しない）に接続されている。制御装置は、固定電極１２１ａ、１２１ｂ、可動電極１２２に印加する電圧を制御する。これによって、例えば、固定電極１２１ａと可動電極１２２との間に静電気力による引力を作用させ、可動ミラー１０３を固定電極１２１ａ側に引き寄せるように揺動させることができる。

図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線断面を拡大した図である。尚、可動ミラー下層１０３ａ上に積層された可動ミラー上層１０３ｂおよびミラー１０５については、図４においては図示を省略している。図４は、可撓梁１０４の短手方向（長手方向と垂直な水平方向）に沿った断面図に相当する。図４の下部に矢印で示す可撓梁１０４の短手方向において、下限規制部１０９の幅Ｗ２は、可撓梁１０４の幅Ｗ１よりも大きくなっている。これによって、光学装置１００を上面視した図１において、下限規制部１０９の設置位置を容易に把握することが可能となる。また、可撓梁１０４の短手方向における下限規制部１０９の設置位置のマージンを確保することができる。また、可動ミラー１０３が揺動することによって、可撓梁１０４がその短手方向に変位した場合にも、その下方に存在する下限規制部１０９によって、可撓梁１０４の下方への変位量を規制することができる。また、図４に示すように、下限規制部１０９の幅Ｗ２は、可撓梁１０４を挟んで対向する位置にある可動ミラー１０３の端部間の距離Ｂよりも小さいため、可動ミラー１０３と下限規制部１０９が接触することはない。下限規制部１０９によって可動ミラー１０３の揺動が阻害されることはない。

図１および図４に示すように、可動ミラー１０３の正常動作を阻害しないように、下限規制部１０９は、可撓梁１０４の下方に設置されており、可動ミラー１０３の下面には侵入していない。また、可動ミラー１０３に沈み込みが無い場合には、可撓梁１０４と下限規制部１０９は離反しており、可撓梁１０４の変形を阻害しないから、可動ミラー１０３の正常動作は阻害されない。可動ミラー１０３の沈み込みによって可撓梁１０４が下方へ変位し、可撓梁１０４が下限規制部１０９と接触している場合であっても、可動ミラー１０３と比較して細長くて弾性のある可撓梁１０４に対しては、下限規制部１０９との接触による影響は殆どなく、可動ミラー１０３の正常動作は阻害されない。

尚、本実施例においては、上記のとおり、下限規制部１０９の幅Ｗ２は可撓梁１０４の幅Ｗ１よりも大きくなっているが、幅Ｗ２と幅Ｗ１の大きさがほぼ同程度である場合や、幅Ｗ２が幅Ｗ１よりも小さい場合であっても、可撓梁１０４の下方への変位量を規制することは可能である。

図５（ａ）〜（ｄ）は、可動ミラー１０３の変位によって、可撓梁１０４がどのように変位するかを説明する図であり、図２と同じ位置での断面図を示している。図５（ａ）は、可動ミラー１０３に沈み込みが無い場合を示しており、図５（ｂ）は、可動ミラー１０３に沈み込みが発生した場合を示しており、図５（ｃ）は可動ミラー１０３の沈み込みによって、可動ミラー１０３が下部基板１０１と接触して固着した状態（スティッキング）を示している。図５（ｄ）は下限規制部１０９によって沈み込みが抑止される場合を示している。

図５（ｂ）に示すように、可動ミラー１０３に沈み込みが発生すると、可動ミラー１０３は平面の状態を維持したまま、可撓梁１０４が歪曲することによって、可動ミラー１０３の位置が下方へ変位する。図５（ｂ）に示すように沈み込みが発生すると、図５（ａ）の場合と比較して、下部基板１０１と可動ミラー１０３との距離が小さくなってしまい、可動ミラー１０３が揺動する際の揺動角の最大値が小さくなってしまう。さらに、沈み込み量が大き過ぎると図５（ｃ）のように、可動ミラー１０３が下部基板１０１と接触するまで沈み込み、固着してしまう（スティッキング）。スティッキングが起こった場合、破壊を伴わずに可動ミラー１０３を下部基板１０１から離すことは、非常に困難である。

図５（ｂ）に示すように、可撓梁１０４は、可動ミラー下層１０３ａおよび上部基板上層１０２ｂと同一の層によって形成されている。そのため、可撓梁１０４の歪曲は、可動ミラー１０３との接合位置である第１接合位置１１０、上部基板１０２との接合位置である第２接合位置１１１、およびこれらの近傍では小さくなっている。第１接合位置１１０、第２接合位置１１１、およびこれらの近傍では、可撓梁１０４は、ほぼ水平な状態を維持している。本実施例のように、下限規制部１０９を設置すれば、図５（ｄ）に示すように、可撓梁１０４が下限規制部１０９によって下方から支持される。これよって、可動ミラー１０３の沈み込みを抑止することができる。

図６は、図５（ｂ）に示すように可動ミラー１０３が沈み込んだ場合に、可撓梁１０４の各部がどの程度変位するかを説明する図である。すなわち、可撓梁１０４が下限規制部１０９によって下方から支持されない場合の変位を説明する図であり、第１接合位置１１０からの距離ｘと、その位置における可撓梁１０４の変位ｙの関係を示している。図６において、可撓梁１０４と可動ミラー１０３が接合している第１接合位置１１０は、距離ｘ＝０の位置であり、可撓梁１０４と上部基板１０２が接合している第２接合位置１１１は、距離ｘ＝Ｌの位置である。図６では、第２接合位置１１１での変位量がゼロとされており、それよりも下方に変位する場合に変位ｙはマイナスとなる。（０−ｙ）が下方への変位量となる。

図６の縦軸に示す変位ｙ＝−ｔ_１は、可動ミラー１０３の変位に等しく、この場合の変位量（沈み込み量）はｔ_１である。可動ミラー１０３の変位量に対して、可撓梁１０４の距離ｘにおける変位ｙは変化し得るが、これらの関係については、例えば予め試作、実験等を行うことによって知ることができる。

図６に示すように、可撓梁１０４の下方への変位量は、可動ミラー１０３側ほど大きく、上部基板１０２側ほど小さくなっている。ｘ＝０〜ｘ_１の領域（第１接合位置１１０の近傍の領域）では、可撓梁１０４の下方への変位量は、可動ミラー１０３の沈み込み量ｔ_１とほぼ等しい。

ｘ＝０〜Ｌ／２の領域では、距離ｘに対する可撓梁１０４の変位量を示す曲線は下に凸であり、ｘ＝Ｌ／２は可撓梁１０４の変位量を示す曲線の変曲点である。ｘ＝Ｌ／２における可撓梁１０４の下方への変位ｙは、ｙ＝−ｔ_１／２である。ｘ＝Ｌ／２〜Ｌの領域では、距離ｘに対する可撓梁１０４の変位量を示す曲線は上に凸となり、ｘ＝ｘ_２〜Ｌの領域（第２接合位置１１１の近傍の領域）では、変位量はほぼ０である。第２接合位置１１１では、可撓梁１０４の下方への変位量はゼロである。図６より、少なくとも可撓梁の第１接合位置１１０からの距離がＬ／２までの領域では、可動ミラー１０３の沈み込みに追従して、可撓梁１０４が大きく下方へ変位することがわかる。図１に示す距離Ａを０≦Ａ≦Ｌ／２に設定すれば、図５（ｄ）に示すように下限規制部１０９によって可撓梁１０４の下方への変位が抑止され、可動ミラー１０３の下方への変位も抑止される。可動ミラー１０３の沈み込み量ｔ_１に対し、第１接合位置１１０からの距離がＡとなる位置での可撓梁１０４の下方への変位ｙを調べ、これに応じて下限規制部１０９の高さを設定し、第１接合位置１１０からの距離がＡとなる位置に設置すれば、可動ミラー１０３の沈み込み量が所定量以下となるように設計できる。

図６に示すように、ｘ＝０〜ｘ_１の領域（第１接合位置１１０の近傍の領域）における可撓梁１０４の下方への変位量は、可動ミラー１０３の沈み込み量ｔ_１とほぼ同じである。また、この領域内において可撓梁１０４はほぼ水平の状態となっている。すなわち、図１の距離Ａを０≦Ａ≦ｘ_１に設定すれば、図２等に示す距離Ｄが可動ミラー１０３の沈み込み量ｔ_１とほぼ等しくなる。また、光学装置１００の製造工程において、下限規制部１０９を設置する位置（図１に示す第１接合位置１１０からの距離）のずれが生じた場合であっても、可撓梁１０４の下方への変位量が大きく変化しない。

下限規制部１０９の高さおよび設置位置については、例えば、アクチュエータによって可動ミラー１０３を揺動させることによって可動ミラー１０３が下部基板１０１に向けて変位する場合に、下限規制部１０９が可撓梁１０４に接触してそれ以上に可動ミラー１０３が沈み込むことを防止した状態で、可撓梁１０４がさらに変形する関係が得られるように設計することが好ましい。例えば、本実施例のように静電駆動型のアクチュエータを用いている場合には、プル・イン（pull-in）の発生を防ぐために、静止時の可動ミラー１０３の下面と下部基板１０１の上面との距離をＨとすると、揺動時の可動ミラー１０３と下部基板１０１との最短距離が２Ｈ／３以上となる範囲で可動ミラー１０３が揺動できるように、光学装置１００を設計し、制御することが好ましい。そのため、可動ミラー１０３の沈み込み量がＨ／３より小さくなるように、下限規制部１０９の設定位置および高さを設計することが好ましい。この場合は、下限規制部１０９によってそれ以上の沈み込みを防止しながらアクチュエータによって可動ミラー１０３を揺動させることができる。可動ミラー１０３を大きく揺動させることと可動ミラー１０３が下部基板１０１に接触するのを防止することの両者を同時に実現することができる。

尚、アクチュエータによって可動ミラー１０３を最大に揺動させても下限規制部１０９が可撓梁１０４に接触しない場合であっても、光学装置１００の運搬時等には、下限規制部１０９が有効に機能する。すなわち、光学装置１００の運搬時等に可動ミラー１０３が沈み込むことを、下限規制部１０９によって防止できる。

また、本実施例では、１対の可撓梁１０４によって可動ミラー１０３が支持されており、各々の可動梁１０４の下方に下限規制部１０９が設置されている。このため、図５（ｄ）に示すように、沈み込みが発生した場合には、２つの下限規制部１０９によって、２つの可撓梁１０４を支持できる。また、図５（ｄ）に示すように、可撓梁１０４の下面を下限規制部１０９の上面により支持しており、接触面積がある程度確保できる。ＭＥＭＳ技術を用いた光学装置では、搬送時などに強い衝撃が加わることによって、可撓梁が折れたり、スティッキングが発生したりすることがある。本実施例によれば、可撓梁１０４と下限規制部１０９との接触面積がある程度確保されているため、搬送時などに受けた衝撃による負荷を分散することができ、可撓梁の折れやスティッキングが発生しにくい。

上記のとおり、本実施例の光学装置によれば、下限規制部によって可撓梁を下方から支持することによって、可動ミラーの沈み込みを抑止する。下限規制部は、可撓梁と接離可能に設置されており、可動ミラーに沈み込みが無い場合には、可撓梁と下限規制部は離反しているため、可動ミラーの正常動作を阻害しない。可撓梁が下方へ変位し、可撓梁が下限規制部と接触しながら可動ミラーが揺動する場合においても、可動ミラーと比較して細長くて弾性がある可撓梁を支持するため、可撓梁と下限規制部との接触による負荷が可撓梁の弾性によって緩和され、可動ミラーの正常動作を阻害しない。可動ミラーの位置のずれに対して可動ミラーの揺動特性がばらつきにくい。

また、可撓梁の短手方向の下限規制部の長さを可撓梁の短手方向の幅よりも大きくしているため、光学装置の可動ミラーが水平になるように設置されていない場合に可動ミラーや可撓梁に作用する重力や、光学装置を移動体に搭載した場合に移動体の加速によって光学装置に作用する力の影響によって、可撓梁がその短手方向に変位した場合にも、下限規制部によって、確実に可撓梁の下方への変位量を規制することができる。可撓梁の短手方向における下限規制部の設置位置のマージンを確保することができ、所望の揺動特性を有する光学装置を安定して製造することができる。また、可動ミラー上面側から下限規制部の位置を視覚的に確認できるため、製造工程等において下限規制部の設置位置の確認を容易に実施できる。

また、下限規制部によって可動ミラーの沈み込みを抑止することができるため、可動ミラーを支持する可撓梁を従来よりも細長く設計することも可能である。可動ミラーの揺動角は、可撓梁の捻り抵抗力と、アクチュエータによる駆動力とが釣り合う位置によって決まるため、可撓梁を細長くし、捻り抵抗力を低減することができれば、少ない駆動力によって大きな揺動角を得ることができる。特に、静電駆動型のアクチュエータを用いている場合には、他の駆動方式と比較して、可動ミラーの揺動角を大きくすることが難しい。本実施例の光学装置では、可撓梁をより細長く、変形し易いように設計することができるため、静電駆動型のアクチュエータを利用した場合にも、低い駆動電圧で可動ミラーを揺動させることができ、揺動角の最大値を大きくすることができる。静電駆動型アクチュエータを用いた可動ミラーは、可動ミラーの応答性、消費電力、加工性などの観点から、集積化してミラーアレイ構造を形成するのに適している。本実施例の光学装置によれば、可動ミラーの揺動角が大きく、ミラーサイズの大きいミラーアレイ構造の光学装置を提供することもできる。

さらに、本実施例では、可撓梁が下限規制部と接触する際の接触面積をある程度確保することができる。接触面積が大きいため、光学装置が衝撃を受けた場合にも、衝撃による負荷を分散することができ、光学装置の耐衝撃性を向上させることができる。

尚、本実施例においては、図７（ａ）に示すように、下限規制部１０９の上面に可撓梁１０４の下面に沿う凹部１３１を設けたり、図７（ｂ）に示すように、可撓梁１０４の中心軸に近い側で深く、中心軸に遠い側で浅い傾斜部１３２を設けたりすることもできる。可撓梁１０４がその短手方向に変位した場合には凹部や傾斜部に当たるため、可撓梁１０４がその短手方向に変位することを抑制することができる。

また、本実施例においては、下限規制部１０９の内部にポリシリコン等の導電部が充填されており、この導電部を電極として用いることも可能である。下限規制部１０９内部の電極と導通するコンタクトパッドを形成し、制御装置によって適宜電圧を印加して、例えば、可撓梁１０４と下限規制部１０９との間に静電気力による引力を発生させることも可能である。これによって、可撓梁１０４と下限規制部１０９とを静電気力（引力）によって固定させることができる。例えば、予め静電気力によって可撓梁１０４と下限規制部１０９とを図５（ｄ）に示す状態に固定しておけば、光学装置が衝撃を受けた場合にも、可動ミラー１０３が動くことを抑制できるため、より効果的に可撓梁の折れやスティッキングの発生を抑制することができる。

次に、光学装置１００の下限規制部１０９の製造方法について、図８〜図１７を用いて説明する。尚、光学装置１００のその他の構成については、従来用いられている一般的なＭＥＭＳ技術を用いた光学装置の製造方法を適用することができる。

まず、シリコン基板をエッチングして凹部を設け、ポリシリコン等を充填して、固定電極１２１を図３に示す位置に形成する。次に、熱酸化を行い、下部基板１０１の表面に酸化膜を形成する。酸化膜によって表面が被覆された状態の下部基板１０１を、図４に示す断面で見た図が、図８である。図８の状態の下部基板１０１に対して、ポリシリコン等を用いて、第１犠牲層３０１を形成する。図９に示すように、第１犠牲層３０１には、孔部３１１が２箇所に設置されている。２つの孔部３１１の距離Ｗ３は、下限規制部１０９の幅Ｗ２に応じて設計する。第１犠牲層の厚さは、下限規制部１０９の高さに応じて設計する。次に、熱酸化を行い、図１０に示すように、孔部３１１を含む第１犠牲層３０１の表面に酸化膜３０２を形成する。次に、図１１に示すように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によって酸化膜３０２にドライエッチングを行い、図１１に示すように、第１犠牲層３０１上面の酸化膜３０２を、２つの孔部３１１の幅Ｗ３と同程度の幅だけ残して取り除く。

次に、図１２に示すように、第１犠牲層３０１および酸化膜３０２の上層に、ポリシリコン等を用いて第２犠牲層３０３を形成する。図１２に示す第２犠牲層３０３と接する酸化膜３０２の上表面と、第２犠牲層３０３の上表面との距離ｄは、図４に示す可撓梁１０４の下表面と下限規制部１０９の上表面との距離Ｄに応じて設計する。次に、熱酸化を行い、図１３に示すように、第２犠牲層３０３の表面に酸化膜３０４を形成する。

次に、ポリシリコン等によって、図１４に示すように、可動電極層３０５ａ、３０５ｂを形成する。可動電極層３０５ａ、３０５ｂは、図１４に示す断面とは別の面において、接合されている。図１４において、中央部の可動電極層３０５ａの幅Ｗ４は、図４に示す可撓梁１０４の幅Ｗ１に応じて設計される。また、両側の可動電極層３０５ｂ間の距離ｂは、図４に示す可動ミラー下層１０３ａ間の距離Ｂに応じて設計される。

次に、熱酸化を行い、図１５に示すように、可動電極層３０５ａ、３０５ｂ等の表面に酸化膜３０６を形成する。さらに、ＲＩＥ等によって酸化膜３０６にドライエッチングを行い、図１６に示すように、可動電極層３０５ａ、３０５ｂの表面を被覆する以外の酸化膜３０４および３０６を除去する。図１６に示す可動電極層３０５ａと、その表面を被覆する酸化膜３０４、３０６は、図４における可撓梁１０４となる。可動電極層３０５ｂと、その表面を被覆する酸化膜３０４、３０６は、図４における可動ミラー下層１０３ａとなる。可動ミラー下層１０３ａとなる層の上層に、さらに可動ミラー上層１０３ｂおよびミラー１０５を形成した後、第１犠牲層３０１および第２犠牲層３０３をＸｅＦ_２ガスによる気相等方性エッチング等によって除去すると、図１７の状態となる。尚、図１７では、可動ミラー上層１０３ｂおよびミラー１０５となる層については図示を省略している。図１７に示すように、酸化膜３０２等によって囲まれている部分は除去されず残る。例えば、第１犠牲層３０１のうち、孔部３１１の間にある層は、酸化膜３０２等によって囲まれているので、除去されず、下限規制部１０９の内部の導電部となる。これによって、図４等に示すように、下限規制部１０９、可撓梁１０４等を形成することが可能である。

尚、図７（ａ）（ｂ）に示す凹部１３１や傾斜部１３２は、下限規制部１０９の製造工程において、エッチングを行うことによって形成することができる。例えば、図９の状態で、下限規制部１０９となる層（第１犠牲層３０１の２つの孔部３１１間の部分）の上面に、等方性エッチングを行うことで、図７（ａ）のような断面が半円状の凹部１３１を設けることができる。傾斜部１３２は、例えば、下限規制部１０９となる層の上面がシリコン結晶の（１００）結晶面となるようにし、ＫＯＨ溶液などを用いて｛１１１｝結晶面に対する異方性エッチングを行うことで形成できる。これによって、図７（ｂ）に示す角度αが約５４°となる傾斜部１３２を得ることができる。

上記のように、本実施例の光学装置は、一般的なＭＥＭＳ製造技術を応用して製造することが可能である。従来の製造工程を大幅に変更する必要がないため、製造工程での手間やコスト、時間を大幅に増大させることなく製造することが可能である。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

実施例の光学装置の平面図である。図１に示す光学装置のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。図１に示す光学装置のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。図１に示す光学装置のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。光学装置の可動ミラーの沈み込みを説明する図である。図５（ａ）は沈み込みのない状態を示し、図５（ｂ）は沈み込みがある状態を示し、図５（ｃ）はスティッキング状態を示し、図５（ｄ）は沈み込みが下限規制部によって抑止されている状態を示す。光学装置の可動ミラーの沈み込み量と、可撓梁の変位量を説明する図である。変形例の光学装置を説明する図である。図７（ａ）は、凹部のある下限規制部を示し、図７（ｂ）は傾斜部のある下限規制部を示している。実施例の光学装置の製造工程を説明する図である。実施例の光学装置の製造工程を説明する図である。実施例の光学装置の製造工程を説明する図である。実施例の光学装置の製造工程を説明する図である。実施例の光学装置の製造工程を説明する図である。実施例の光学装置の製造工程を説明する図である。実施例の光学装置の製造工程を説明する図である。実施例の光学装置の製造工程を説明する図である。実施例の光学装置の製造工程を説明する図である。実施例の光学装置の製造工程を説明する図である。従来例の光学装置を示す図である。

符号の説明

１００光学装置
１０１下部基板
１０２上部基板
１０２ａ上部基板下層
１０２ｂ上部基板上層
１０３可動ミラー
１０３ａ可動ミラー下層
１０３ｂ可動ミラー上層
１０４可撓梁
１０５ミラー
１０９下限規制部
１１０第１接合位置
１１１第２接合位置
１２１ａ、１２１ｂ固定電極
１２２可動電極
１３１凹部
１３２傾斜部
３０１第１犠牲層
３０２、３０４、３０６酸化膜
３０３第２犠牲層
３０５ａ、３０５ｂ可動電極層
３１１孔部

Claims

基板と、可動ミラーと、前記可動ミラーを前記基板から離反した位置で揺動可能に支持する可撓梁と、前記可動ミラーを揺動させるアクチュエータと、前記基板上に設置されているとともに前記可撓梁の下方から前記可撓梁に接離可能な下限規制部を備えた光学装置であって、
前記下限規制部は、前記可撓梁が前記可動ミラーに接合する第１接合位置から前記可撓梁が前記基板に接合する第２接合位置までの長さをＬとした場合に、前記第１接合位置からの距離がＬ／２までの領域内に位置する部分を備えており、
前記下限規制部の上面に、前記可撓梁の下面に沿う凹部が設けられており、
前記アクチュエータによって前記可動ミラーが揺動する際に、前記下限規制部が前記可撓梁に接触した状態で前記可撓梁が変形可能に構成された、光学装置。
基板と、可動ミラーと、前記可動ミラーを前記基板から離反した位置で揺動可能に支持する可撓梁と、前記可動ミラーを揺動させるアクチュエータと、前記基板上に設置されているとともに前記可撓梁の下方から前記可撓梁に接離可能な下限規制部を備えた光学装置であって、
前記下限規制部は、前記可撓梁が前記可動ミラーに接合する第１接合位置から前記可撓梁が前記基板に接合する第２接合位置までの長さをＬとした場合に、前記第１接合位置からの距離がＬ／２までの領域内に位置する部分を備えており、
前記下限規制部の上面に、前記可撓梁の中心軸に近い側で深く、前記中心軸から遠い側で浅い傾斜部が設けられており、
前記アクチュエータによって前記可動ミラーが揺動する際に、前記下限規制部が前記可撓梁に接触した状態で前記可撓梁が変形可能に構成された、光学装置。
。
基板と、可動ミラーと、前記可動ミラーを前記基板から離反した位置で揺動可能に支持する可撓梁と、前記可動ミラーを揺動させるアクチュエータと、前記基板上に設置されているとともに前記可撓梁の下方から前記可撓梁に接離可能な下限規制部を備えた光学装置であって、
前記下限規制部は、前記可撓梁が前記可動ミラーに接合する第１接合位置から前記可撓梁が前記基板に接合する第２接合位置までの長さをＬとした場合に、前記第１接合位置からの距離がＬ／２までの領域内に位置する部分を備えており、
前記可撓梁に設置された第１導電部と、前記下限規制部に設置された第２導電部と、前記第１導電部および第２導電部の間に電圧を印加する手段が付加されており、
前記アクチュエータによって前記可動ミラーが揺動する際に、前記下限規制部が前記可撓梁に接触した状態で前記可撓梁が変形可能に構成された、光学装置。
前記下限規制部の位置が、前記アクチュエータによって前記可動ミラーが揺動する際に、前記下限規制部が前記可撓梁に接触してそれ以上に前記可動ミラーが沈み込むことを防止した状態で前記可撓梁がさらに変形する関係が得られる位置に設定されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学装置。
前記下限規制部の前記可撓梁の短手方向の長さが、前記可撓梁の短手方向の幅よりも大きい、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学装置。