JP5277977B2

JP5277977B2 - 光学装置

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Publication number: JP5277977B2
Application number: JP2009005770A
Authority: JP
Inventors: 徳夫藤塚; 勲青柳; 千恵豊田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-01-14
Also published as: JP2010164699A

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、可動ミラーの揺動軸が基板に接近する現象も生じる。可動ミラーの揺動軸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い、可動ミラーの揺動可能角が小さくなってしまう。揺動可能角の小さい可動ミラーでは、光源からの光ビームの使用効率を大きくできないという問題がある。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、可動ミラーの揺動軸が基板に向けて接近することを防止する必要がある。

可動ミラーの揺動軸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、導電体で形成した可動ミラーを可動電極として用い、可動電極と対向する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、両電極間に静電力が作用する。この静電力によって基板側（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。この静電力は、可動電極と固定電極との距離の二乗に反比例する。可動電極と固定電極との距離を小さくすることで、可動ミラーを揺動させるための静電力を大きくすることができる。しかしながら、可動電極と固定電極との距離が小さくなり過ぎると、可動ミラーの沈み込みが発生してしまい、可動ミラーの揺動可能角が小さくなってしまう。加えて、可動ミラーが大きく揺動し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過ぎると、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。可動ミラーの揺動可能角が小さくなることを抑制し、加えてpull-in現象が発生することを防ぐために、沈み込みを防止する必要がある。

静電駆動型の光学装置では、低い駆動電圧で可動ミラーの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可動ミラーの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、可動ミラーの揺動軸が基板に接近して可動ミラーと基板との距離が小さくなってしまうと、可動ミラーの揺動可能角が小さくなってしまう。加えて、pull-in現象が起こり易くなってしまう。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１６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１６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１６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１６に示す位置に１対設置されており、図１６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、所望の可動ミラー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。本発明では、可動ミラーの揺動動作に与える影響が抑制された態様で可動ミラーの沈み込みを規制する構造が作り込まれている光学装置を提案する。

そこで、本発明では、基板と、可動ミラーと、基板から離反した位置において可動ミラーを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を備えており、可動ミラーが、可撓梁の上方から可撓梁に接離可能な抑止部を備えている光学装置を提供する。この光学装置では、アクチュエータによって可動ミラーが揺動する際に、抑止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ことが好ましい。

本発明の光学装置では、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、可動ミラーに形成されている抑止部は、第２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ことが好ましい。

本発明の光学装置では、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）。このような場合には、抑止部も可動ミラーと一体となって下方に変位する。可動ミラーに沈み込みが発生する場合、可撓梁が撓む。可撓梁の基板側への変位量は、基板との接合位置（第２接合位置）に近い側ほど小さく、可動ミラーとの接合位置（第１接合位置）に近い側ほど大きい。抑止部が可撓梁と基板の接合位置に近い領域（第２接合位置からの距離がＬ／２までの領域）内に位置している部分を備えていれば、可動ミラーが沈み込むと抑止部が可撓梁の上面に接触する関係が得られる。抑止部が可撓梁の上面に接触すると、抑止部ひいては可動ミラーが可撓梁の上面によって支持されることになり、抑止部ひいては可動ミラーがそれ以上に沈み込むことが抑止される。可動ミラーの沈み込み量が規制される。

抑止部は、第２接合位置からの距離がＬ／２までの領域内に位置する範囲を備えておれば足り、その領域に収まっている必要はない。例えば、抑止部が第２接合位置からの距離がＬ／４の位置から距離がＬの位置にまで亘って設置されていてもよい。

抑止部は、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抑止部が離反している。そのために、可動ミラーの正常動作を阻害しない。可動ミラーが沈み込み、可撓梁と抑止部が接触している状態で可動ミラーが揺動する場合には、可動ミラーの揺動軸となる可撓梁に抑止部が接触するため、抑止部が可動ミラーの正常な揺動動作を阻害することがない。抑止部の形成位置がばらついても、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平行な軸の周りに回転することを指し、可動ミラーが基板に対して傾斜して停止する動作、あるいは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。

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。本発明に係る抑止部は、可撓梁の上方に設置されるから、抑止部の位置を容易に確認することができる。光学装置の量産時に、可動ミラー上面側から観測することによって、抑止部の設置位置を容易に検査することができる。

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抑止部が可撓梁の上面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抑止部が有効に機能し、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、抑止部の位置が、アクチュエータによって可動ミラーが揺動する際に、抑止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、抑止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。

抑止部の上面にミラーを設けることもできる。ミラーの面積が大きくなるため、開口率（基板面積に対するミラー面積の割合）を大きくすることができる。

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。

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。実施例の光学装置の可動ミラーの沈み込みを説明する図であり、沈み込みが抑止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。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。従来例の光学装置の可動ミラーの沈み込みを説明する図である。図１５（ａ）は沈み込みのない状態を示し、図１５（ｂ）は沈み込みがある状態を示し、図１５（ｃ）はスティッキング状態を示す。従来例の光学装置を示す図である。

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。各々の可動梁の上方に可動ミラーの一部を構成する抑止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。抑止部がなければ、可動ミラーは基板に対して揺動する際に、その揺動軸が基板に接近する。抑止部は揺動軸が基板に接近する途中で、可撓梁の上面に接触し、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および図２に示すように、可動ミラー１０３は実線で示す上面側の形状は長方形であるが、下面側の形状は可撓梁１０４の長手方向に窪んだバタフライ型である。図１の破線で示すように、可撓梁１０４の長手方向における可動ミラー１０３の長さは、可撓梁１０４の近傍において小さくなっており、可動ミラー１０３の下面側の窪んだ部分において可撓梁１０４と可動ミラー１０３は接合している。図１および図２に示すように、可撓梁１０４と可動ミラー１０３が接合する位置を第１接合位置１１０、可撓梁１０４と上部基板１０２が接合する位置を第２接合位置１１１とする。

図１および図２に示すように、可動ミラー１０３の上面側は長方形であり、下面側はバタフライ側であるため、可撓梁１０４の上方となる位置には、可動ミラー１０３の一部が存在する。この可撓梁１０４の上方となる位置に存在する可動ミラー１０３の一部分が抑止部１０９である。図１に示すように、抑止部１０９は、第２接合位置１１１との距離がＡである位置から、第１接合位置１１０まで延びている。抑止部１０９を含む可動ミラー１０３の上面には、ミラー１０５が形成されている。

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ている。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さらに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。抑止部１０９は、可動ミラー上層１０３ｂの一部であり、同一の層によって一体に形成されている。可動ミラー１０３ｂの上面と抑止部１０９の上面とは同一の面であり、ミラー１０５によって覆われている。抑止部１０９の下面は、可動ミラー上層１０３ｂの下面よりも上方（ミラー１０５側）に位置している。すなわち、抑止部１０９は可動ミラー上層１０３ｂよりも層の厚さが薄くなっており、これによって可撓梁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との間に静電力による引力を作用させ、可動ミラー１０３を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。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に示すように、可撓梁１０４の両側には可動ミラー下層１０３ａが水平方向に距離Ｂだけ離反して形成されている。可撓梁１０４の短手方向の長さはＷ１であり、両側の可動ミラー下層１０３ａの間のほぼ中央に設置されている。可動ミラー上層１０３ｂは、下方から上方へ窪み部分が設けられた凹部を備えている。凹部の短手方向の幅はＢであり、深さはＤである。この凹部の窪み部分の上方に位置する可動ミラー１０３の部分が抑止部１０９である。

図５および図１５（ａ）〜（ｃ）は、可動ミラーの変位によって、可撓梁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は本実施例に係る抑止部１０９を有する可動ミラー１０３を備えた光学装置１００において、抑止部１０９によって可動ミラーの沈み込みが抑止される状態を示している。図１５（ａ）〜（ｃ）は、従来の抑止部を備えていない可動ミラー２０３を備えた光学装置２００を図示しており、本実施例に係る光学装置１００と共通する部分（可撓梁１０４等）については、同じ符号を用いている。図１５（ａ）は、可動ミラーに沈み込みが無い場合を示しており、図１５（ｂ）は、可動ミラー２０３に沈み込みが発生した場合を示しており、図１５（ｃ）は可動ミラー２０３の沈み込みによって、可動ミラー２０３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１５（ｂ）に示すように、可動ミラー２０３に沈み込みが発生すると、可動ミラー２０３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２０３の位置が下方へ変位する。図１５（ｂ）に示すように沈み込みが発生すると、図１５（ａ）の場合と比較して、下部基板１０１と可動ミラー２０３との距離が小さくなってしまい、可動ミラー２０３の揺動可能角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１５（ｃ）のように、可動ミラー２０３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２０３を下部基板１０１から離すことは、非常に困難である。

図１５（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２０３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、可動ミラー１０３が抑止部１０９を備えていると、図５に示すように、抑止部１０９は可動ミラー１０３と一体となって下方に変位する。抑止部１０９が下方に変位して、抑止部１０９の下面と可撓梁１０４の上面が接触し、可撓梁１０４によって抑止部１０９が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１５（ｂ）に示すように可動ミラー２０３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、抑止部１０９を備えていない可動ミラー２０３を備えた光学装置２００の可撓梁１０４の変位を説明する図であり、第２接合位置１１１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と上部基板１０２とが接合する第２接合位置１１１は、距離ｘ＝０の位置であり、可撓梁１０４と可動ミラー２０３が接合する第１接合位置１１０は、図６において距離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なっており、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２０３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２０３の変位に対して、図６に示す可撓梁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２０３側ほど大きく、上部基板１０２側ほど小さくなっている。ｘ＝０〜Ｌ／２の領域では、距離ｘに対する可撓梁１０４の変位を示す曲線は上に凸であり、この曲線上のｘ＝Ｌ／２となる点は可撓梁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の変位を示す曲線は下に凸となる。第２接合位置１１１では、可撓梁１０４の変位量はゼロであり、第１接合位置１１０では、可撓梁１０４の変位量は可動ミラー２０３の沈み込み量ｔ１に等しい。図６より、少なくとも可撓梁の第２接合位置１１１からの距離が０〜Ｌ／２までの領域では、可動ミラー２０３の沈み込み量に対して、可撓梁１０４の下方へ変位量が比較的小さいことがわかる。すなわち、本実施例の光学装置１００において、図１に示す距離Ａ（第２接合位置１１１からの距離）を０≦Ａ≦Ｌ／２に設定すれば、図５に示すように可動ミラーの沈み込みに際して抑止部１０９と可撓梁１０４とが接触し、抑止部１０９によって可動ミラー１０３の下方への変位が抑止される。可動ミラーの沈み込み量に対し、第２接合位置１１１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、これに応じて変形前の可撓梁１０４の上面と抑止部１０９の下面との距離Ｄを設定し、第２接合位置１１１からの距離がＡとなる位置に設置すれば、可動ミラーの沈み込み量が所定量以下となるように設計できる。

抑止部１０９の設置位置と、変形前の可撓梁１０４の上面と抑止部１０９の下面との距離Ｄ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を揺動させる際に可動ミラー１０３が下部基板１０１に向けて変位する場合に、抑止部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がさらに変形して可動ミラー１０３が揺動でき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、抑止部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、抑止部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抑止部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、抑止部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の上方に抑止部１０９が設置されている。このため、図５に示すように、可動ミラーの沈み込みが発生した場合には、２つの抑止部１０９が２つの可撓梁１０４と接触することによって、可動ミラー１０３が支持される。また、図５に示すように、抑止部１０９の下面を可撓梁１０４の上面によって支持しており、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と抑止部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。

尚、本実施例では、抑止部１０９は、第２接合位置１１１からの距離がＡである位置から第１接合位置１１０に達するまで形成されているが、抑止部１０９によって可動ミラー１０３の沈み込みを抑止するためには、抑止部１０９が第１接合位置１１０まで延びていることは必須ではない。

上記のとおり、本実施例の光学装置では、可動ミラーは、可撓梁の上方となる位置に可撓梁と接離可能な抑止部を備えている。可動ミラーが沈み込むことによって抑止部が沈みこむと、抑止部の下方に位置する可撓梁の上面に抑止部の下面が接触する。可撓梁の上面によって支持されることによって、抑止部の下方への変位量が規制され、ひいては可動ミラーの沈み込みを抑止することができる。抑止部は、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、可撓梁と抑止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。可動ミラーが沈み込み、可撓梁と抑止部が接触している状態で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に抑止部が接触するため、可撓梁と抑止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。可動ミラーと抑止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。

また、本実施例においては、抑止部の上面と可動ミラー上層の上面とを同一面としており、その上面にミラーを設けているため、ミラーの面積が大きくなり、開口率（シリコン基板表面の面積に対するミラーの面積の割合）が大きくなっている。

また、抑止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る場合には、静電力は可動電極と固定電極間の距離（ギャップ）の二乗に反比例するので、他の駆動方式と比較して、可動ミラーの揺動角を大きくしたり、サイズの大きいミラーを揺動させたりすることが難しい。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。また、静電駆動型は、ミラーの小型化、回路とミラー作成プロセスの整合性、消費電力などの観点から、集積化ミラーアレイに適している。本実施例の光学装置によれば、駆動電圧を低減するために細長い可撓梁を採用しても、抑止部によって可動ミラーの沈み込みを抑制でき、可動ミラーの揺動角を大きくできる。集積化ミラーアレイにおいて、駆動電圧を低減するとともに、沈み込みを抑制して可動ミラーの揺動可能角を大きくすることができる。さらには、集積化ミラーアレイの開口率を向上できる。

さらに、本実施例では、可撓梁が抑止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。

次に、光学装置１００の抑止部１０９の製造方法について、図７〜図１４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、酸化膜などの絶縁膜を形成し、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し、さらにその表面に第１犠牲層３０１を形成する。次に、熱酸化を行い、第１犠牲層３０１の表面に酸化膜３０２を形成する。下部基板１０１上に酸化膜３０２まで積層した状態を図４に示す断面で見た図が、図７である。

次に、ポリシリコン等によって、図８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８に示す断面とは別の面において、接続されている。図８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９に示すように、可動電極層３０５ａ、３０５ｂ等の表面に酸化膜３０４を形成する。さらに、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によって酸化膜３０４にドライエッチングを行い、図１０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３０２および酸化膜３０４を除去する。図１０に示す可動電極層３０５ａと、その表面を被覆する酸化膜３０２および酸化膜３０４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３０２および酸化膜３０４は、図４における可動ミラー下層１０３ａとなる。

次に、図１０に示す幅ｂの領域に、ポリシリコン等によって第２犠牲層３０３を形成する。図１１に示すように、第２犠牲層３０３の上面は、酸化膜３０４の上面より高さｄだけ高くなっている。図１１に示す高さｄは、図４に示す可撓梁１０４の上面と抑止部１０９の下面との距離Ｄに応じて設計される。次に、熱酸化を行い、図１２に示すように、第２犠牲層３０３の表面を酸化膜３０６によって被覆する。次に、酸化膜３０６の上面にポリシリコン等を積層して可動ミラー上層内部３０７を形成する。さらに熱酸化を行って、可動ミラー上層内部３０７の表面に酸化膜３０８を形成し、図１３に示す状態を得る。

酸化膜３０８の表面に、さらにミラー１０５を形成した後、図１３に示す第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１４の状態となる。図１４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。これによって、図４に示すように、可動ミラー１０３、可撓梁１０４、抑止部１０９等を形成することが可能である。

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。

１００、２００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、２０３可動ミラー
１０３ａ、２０３ａ可動ミラー下層
１０３ｂ，２０３ｂ可動ミラー上層
１０４可撓梁
１０５ミラー
１０９抑止部
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
３０１第１犠牲層
３０２、３０４、３０６、３０８酸化膜
３０３第２犠牲層
３０５ａ、３０５ｂ可動電極層
３０７可動ミラー上層内部

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を備えた光学装置であって、
前記可動ミラーは、前記可撓梁の上方から前記可撓梁に接離可能な抑止部を備えており、
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、前記抑止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ており、
前記抑止部は、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２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ことを特徴とする光学装置。
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を備えた光学装置であって、
前記可動ミラーは、前記可撓梁の上方から前記可撓梁に接離可能な抑止部を備えており、
前記抑止部の位置は、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、前記抑止部が前記可撓梁の上面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おり、
前記抑止部は、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２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ことを特徴とする光学装置。
前記抑止部の上面にミラーが設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。