JP5510438B2

JP5510438B2 - マイクロ揺動素子

Info

Publication number: JP5510438B2
Application number: JP2011269794A
Authority: JP
Inventors: 修壷井; 悟覚 ▲高▼馬; 弘光曾根田; 久雄奥田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2026-08-29
Also published as: JP2012068675A

Description

本発明は、例えばマイクロミラー素子や、加速度センサ、角速度センサなど、微小な揺動部を有するマイクロ揺動素子に関する。

近年、様々な技術分野において、マイクロマシニング技術により形成される微小構造を有する素子の応用化が図られている。そのような素子には、例えばマイクロミラー素子や、加速度センサ、角速度センサなど、微小な可動部ないし揺動部を有するマイクロ揺動素子が含まれる。マイクロミラー素子は、例えば光ディスク技術や光通信技術の分野において、光反射機能を担う素子として利用される。加速度センサおよび角速度センサは、例えばロボットの姿勢制御やカメラの手ぶれ防止などの用途で、利用される。

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うえで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り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り製造されるマイクロミラー素子とに、大きく二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。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。バルクマイクロマシニング技術については、例えば下記の特許文献１〜３に記載されている。

特開平１０−１９０００７号公報特開平１０−２７０７１４号公報特開平２０００−３１５０２号公報

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が挙げられる。しかしながら、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にミラー面が湾曲しやすく、従って、広面積のミラー面において高い平面度を達成するのが困難である。これに対し、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て当該ミラー部上にミラー面を設けるため、広面積のミラー面であっても、その剛性を確保することができる。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である。

図２６および図２７は、バルクマイクロマシニング技術によって作製される従来の静電駆動型マイクロミラー素子Ｘ４を表す。図２６は、マイクロミラー素子Ｘ４の分解斜視図であり、図２７は、組み立てられた状態のマイクロミラー素子Ｘ４における図２６の線XXVII−XXVIIに沿った断面図である。

マイクロミラー素子Ｘ４は、ミラー基板４０とベース基板４６とが積層する構造を有する。ミラー基板４０は、ミラー部４１と、フレーム４２と、これらを連結する一対のトーションバー４３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り、ミラー基板４０におけるミラー部４１、フレーム４２、および一対のトーションバー４３の外郭形状を成形することができる。ミラー部４１の表面には、ミラー面４４が設けられている。ミラー部４１の裏面には、一対の電極４５ａ，４５ｂが設けられている。一対のトーションバー４３は、ミラー部４１の後述の回転動作における軸心Ａ４を規定する。ベース基板４６には、ミラー部４１の電極４５ａに対向する電極４７ａ、および、電極４５ｂに対向する電極４７ｂが、設けられている。

マイクロミラー素子Ｘ４においては、ミラー基板４０のフレーム４２に電位を付与すると、フレーム４２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４３およびミラー部４１を介して、電極４５ａおよび電極４５ｂに電位が伝達される。したがって、フレーム４２に所定の電位を付与することにより、電極４５ａ，４５ｂ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４６の電極４７ａを負に帯電させると、電極４５ａと電極４７ａの間に静電引力が発生し、ミラー部４１は、一対のトーションバー４３を捩りながら、図２７に示すように矢印Ｍ４の方向に回転する。ミラー部４１は、電極間の静電引力と各トーションバー４３の捩り抵抗力の総和とが釣合う角度まで揺動し得る。これに代えて、ミラー部４１の電極４５ａ，４５ｂを正に帯電させた状態で電極４７ｂを負に帯電させると、電極４５ｂと電極４７ｂの間に静電引力が発生し、ミラー部４１は、矢印Ｍ４とは反対の方向に回転する。以上のようなミラー部４１の揺動駆動により、ミラー面４４により反射される光の反射方向を切り換えることができる。

揺動部を有するマイクロ揺動素子にとって、揺動部の揺動動作に係る固有振動数ないし共振周波数は、揺動部の動作速度や動作振幅（揺動角度の最大値）に対して決定的な影響を与える重要な特性である。従来のマイクロ揺動素子において、素子を一旦完成した後に揺動部の固有振動数を調整するためには、レーザや集束イオンビームを用いたトリミング加工を揺動部に対して施すことにより、当該揺動部を削って当該揺動部の質量したがってイナーシャを減少させ、或は、揺動部とフレーム（固定部）とを連結する連結部に対してトリミング加工を施すことにより、当該連結部を削って当該連結部の捩りバネ定数を減少させる必要がある（揺動部のイナーシャが小さいほど当該固有振動数は大きい傾向にあり、連結部の捩りバネ定数が小さいほど当該固有振動数は小さい傾向にある）。例えばマイクロミラー素子Ｘ４においてミラー部４１（揺動部）の固有振動数を調整するためには、トリミング加工をミラー部４１に施すことによりミラー部４１のイナーシャを減少させ、或は、ミラー部４１とフレーム４２（固定部）を連結するトーションバー４３に対してトリミング加工を施すことによりトーションバー４３の捩りバネ定数を減少させる必要がある。素子を一旦完成した後に揺動部の固有振動数を調整する必要性は、設計上同一のマイクロ揺動素子をウエハに対する一括加工により大量生産する場合に特に高い。大量生産の場合、揺動部や連結部における加工寸法の誤差に起因して、素子間に固有振動数のバラつきを生じてしまうからである。

しかしながら、上述のような事後的な機械的加工（トリミング加工）による固有振動数の調整は、マイクロ揺動素子の製造過程の増加および製造コストの上昇を招き、好ましくない。また、上述のような事後的な機械的加工によると、揺動部のイナーシャや連結部の捩りバネ定数が減少するようにしか調整することができず、揺動部の固有振動数の調整における自由度が低い。

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、揺動部の揺動動作に係る固有振動数（共振周波数）を調整するのに適したマイクロ揺動素子を提供することを、目的とする。

本発明により提供されるマイクロ揺動素子は、揺動部と、フレームと、揺動部およびフレームを連結して当該フレームに対する当該揺動部の揺動動作における揺動軸心を規定する連結部と、第１駆動機構と、第２駆動機構とを備える。第１駆動機構は、揺動部について第１揺動方向（例えば、揺動部の揺動角度が増大する方向）に回転トルクを発生可能であり、且つ、当該回転トルクの大きさ及び／又は発生期間を制御可能に、構成されている。第２駆動機構は、揺動部について第１揺動方向とは反対の第２揺動方向（例えば、揺動部の揺動角度が減少する方向）に回転トルクを発生可能であり、且つ、当該回転トルクの大きさ及び／又は発生期間を制御可能に、構成されている。第１および第２駆動機構は電気的に作動される。

揺動部と、フレームと、当該揺動部およびフレームを連結して当該フレームに対する当該揺動部の揺動動作の揺動軸心を規定する連結部（捩れ連結部）とを備えるマイクロ揺動素子において、揺動部の揺動動作に係る固有振動数（共振周波数）ｆは、下記の式（１）で表される。式（１）において、ｋは連結部の捩りバネ定数を表し、Ｉは揺動部のイナーシャを表す。

本発明の側面のマイクロ揺動素子では、固有振動数ｆの調整において、連結部の捩りバネ定数ｋが増減するのと等価な状態を電気的に作出することができる。具体的には、揺動動作時の揺動部に対して常に同一の回転トルクが作用するように第１および第２駆動機構が作動されるノーマル駆動における第１および第２駆動機構の作動態様に対して、第１および／または第２駆動機構の作動態様を変化させることにより、揺動部の揺動動作における一部の揺動角度範囲にて、連結部の捩りバネ定数が増減するのと等価な状態を作出することができ、これにより、揺動部の揺動動作中の連結部の平均捩りバネ定数ｋが増減するのと等価な状態を作出することができる。

第１駆動機構により発生される回転トルクが、揺動部の揺動角度が増大する方向に当該揺動部に作用するように設計されている場合、例えば、上述のノーマル駆動での揺動部の揺動角度増大中における第１駆動機構の作動態様に比べ、第１駆動機構により発生される回転トルクを大きくしたり、回転トルク発生期間を長くすると、当該揺動角度増大中において、連結部の捩りバネ定数が減少するのと等価な状態を作出することができる。逆に、ノーマル駆動での揺動部の揺動角度増大中における第１駆動機構の作動態様に比べ、第１駆動機構により発生される回転トルクを小さくしたり、回転トルク発生期間を短くすると、当該揺動角度増大中において、連結部の捩りバネ定数が増大するのと等価な状態を作出することができる。

第２駆動機構により発生される回転トルクが、揺動部の揺動角度が減少する方向に当該揺動部に作用するように設計されている場合、例えば、上述のノーマル駆動での揺動部の揺動角度減少中における第２駆動機構の作動態様に比べ、第２駆動機構により発生される回転トルクを大きくしたり、回転トルク発生期間を長くすると、当該揺動角度減少中において、連結部の捩りバネ定数が増大するのと等価な状態を作出することができる。逆に、ノーマル駆動での揺動部の揺動角度減少中における第２駆動機構の作動態様に比べ、第２駆動機構により発生される回転トルクを小さくしたり、回転トルク発生期間を短くすると、当該揺動角度減少中において、連結部の捩りバネ定数が減少するのと等価な状態を作出することができる。

例えば以上のようにして、ノーマル駆動における第１および第２駆動機構の作動態様に対して、第１および／または第２駆動機構の作動態様を変化させることにより、揺動部の揺動動作における一部の揺動角度範囲にて、連結部の捩りバネ定数が増減するのと等価な状態を作出することができ、これにより、揺動部の揺動動作中の連結部の平均捩りバネ定数ｋが増減するのと等価な状態を作出することができるのである。

上記の式（１）から理解できるように、連結部の捩りバネ定数ｋが小さいほど、揺動部の揺動動作に係る固有振動数（共振周波数）ｆは小さく、捩りバネ定数ｋが大きいほど固有振動数ｆは大きい。

したがって、本発明のマイクロ揺動素子においては、第１および／または第２駆動機構における作動態様の変化により、連結部の捩りバネ定数ｋを電気的に制御して、揺動部の揺動動作に係る固有振動数ｆを調整することが可能である。このような固有振動数調整によると、機械的加工を利用した上述の従来の固有振動数調整によるよりも、揺動部の揺動動作に係る固有振動数ｆを、アナログ的に微細に調整することができ、従って高精度に調整することができる。

また、本マイクロ揺動素子においては、固有振動数ｆを調整するうえで、素子を一旦完成した後に揺動部に対して機械的加工を施す必要はない。加えて、本マイクロ揺動素子においては、連結部の捩りバネ定数ｋを電気的に減少させることも増大させることも可能であり、従って、固有振動数ｆの調整における自由度は高い。

以上のように、本発明のマイクロ揺動素子は、揺動部の揺動動作に係る固有振動数（共振周波数）を調整するのに適するのである。

本発明において、好ましくは、第１駆動機構および第２駆動機構は、第１櫛歯電極、当該第１櫛歯電極と協働して静電引力を発生させるための第２櫛歯電極、および、第１櫛歯電極と協働して静電引力を発生させるための第３櫛歯電極を含み、第１櫛歯電極は揺動部に固定され、第２櫛歯電極は、非駆動時において第１櫛歯電極に対向しない位置にてフレームに固定され、第３櫛歯電極は、非駆動時において第１櫛歯電極に対向する位置にてフレームに固定され、当該第２および第３櫛歯電極は並列する。このような構成は、第１および第２駆動機構による捩りバネ定数の電気的制御を良好に行ううえで好ましい。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロミラー素子の平面図である。本発明の第１の実施形態に係るマイクロミラー素子の他の平面図である。図１の線III−IIIに沿った断面図である。図１の線IV−IVに沿った断面図である。図２の線V−Vに沿った断面図である。図２の線VI−VIに沿った断面図である。図２の線VII−VIIに沿った断面図である。錘部の位置制御の態様を表す。本発明の第２の実施形態に係るマイクロミラー素子の平面図である。本発明の第２の実施形態に係るマイクロミラー素子の他の平面図である。図９の線XI−XIに沿った断面図である。図９の線XII−XIIに沿った断面図である。図１０の線XIII−XIIIに沿った断面図である。図１０の線XIV−XIVに沿った断面図である。連結部の幅制御の態様を表す。本発明の第３の実施形態に係るマイクロミラー素子の平面図である。本発明の第３の実施形態に係るマイクロミラー素子の他の平面図である。図１６の線XVIII−XVIIIに沿った断面図である。図１６の線XIX−XIXに沿った断面図である。図１６の線XX−XXに沿った断面図である。図１６のマイクロミラー素子の駆動態様の一例を表す。櫛歯電極に対する他の電圧印加態様を表す。櫛歯電極に対する他の電圧印加態様を表す。櫛歯電極に対する他の電圧印加態様を表す。櫛歯電極に対する他の電圧印加態様を表す。従来のマイクロミラー素子の分解斜視図である。組み立てられた状態における図２６のマイクロミラー素子の線XXVII−XXVIIに沿った断面図である。

図１から図７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。図１はマイクロミラー素子Ｘ１の平面図であり、図２はマイクロミラー素子Ｘ１の他の平面図である。図３および図４は、各々、図１の線III−IIIおよび線IV−IVに沿った断面図である。図５から図７は、各々、図２の線V−V、線VI−VI、および線VII−VIIに沿った断面図である。

マイクロミラー素子Ｘ１は、揺動部１１０と、フレーム１２０と、一対の連結部１３０と、櫛歯電極１４０，１５０，１６０，１７０とを備える。また、マイクロミラー素子Ｘ１は、ＭＥＭＳ技術などのバルクマイクロマシニング技術により、いわゆるＳＯＩ（silicon on insulator）基板である材料基板に対して加工を施すことによって製造されたものである。当該材料基板は、例えば、第１および第２シリコン層ならびに当該シリコン層間の絶縁層よりなる積層構造を有し、各シリコン層は、不純物のドープにより所定の導電性が付与されている。図１は、第１シリコン層に由来する構造を主に表すための平面図であり、図２は、第２シリコン層に由来する構造を主に表すための平面図である。図の明確化の観点より、図１においては、第１シリコン層に由来して絶縁層より紙面手前方向に突き出る部位（後述のミラー面１１１ａは除く）について、斜線ハッチングを付して表し、図２においては、第２シリコン層に由来して絶縁層より紙面手前方向に突き出る部位について、斜線ハッチングを付して表す。

揺動部１１０は、揺動主部１１１と、一対の錘部１１２と、支持基部１１３Ａ，１１３Ｂと、支持梁１１４Ａ，１１４Ｂと、一対の櫛歯電極１１５と、配線部１１６，１１７とを有し、フレーム１２０に対して揺動可能である。

揺動主部１１１は、第１シリコン層において成形された部位であり、例えば図１に示すように、光反射機能を有するミラー面１１１ａをその表面に有する。ミラー面１１１ａは、第１シリコン層上に成膜されたＣｒ層およびその上のＡｕ層よりなる積層構造を有する。

各錘部１１２は、図５に示すように、絶縁層１１８を介して揺動主部１１１に固定された支持基部１１３Ａ，１１３Ｂ、支持基部１１３Ａと錘部１１２を連結する支持梁１１４Ａ、および、支持基部１１３Ｂと錘部１１２を連結する支持梁１１４Ｂを介して、揺動主部１１１に取り付けられており、図２における矢印Ｄ１で表すように変移可能である。各錘部１１２は、平行な複数の電極歯１１２ａ’からなる櫛歯電極１１２ａを有する。可動体である錘部１１２の有する櫛歯電極１１２ａは、錘部変移機構における可動電極を構成する。また、各支持基部１１３Ａは、図２に示すように、配線部１１６と連結している。配線部１１６は、図６に示すように、絶縁層１１８を介して揺動主部１１１に対して固定されている。錘部１１２、支持基部１１３Ａ，１１３Ｂ、支持梁１１４Ａ，１１４Ｂ、および配線部１１６は、第２シリコン層において成形された部位である。

各櫛歯電極１１５は、錘部１１２の櫛歯電極１１２ａと協働して静電引力を発生させるためのものであり、配線部１１７に対して図２に示すように固定された、平行な複数の電極歯１１５ａからなる。配線部１１７は、図６および図７に示すように、絶縁層１１８を介して揺動主部１１１に対して部分的に固定されている。揺動主部１１１に固定された配線部１１７に対して固定された各櫛歯電極１１５は、錘部変移機構における固定電極を構成する。櫛歯電極１１５および配線部１１７は、第２シリコン層において成形された部位である。

フレーム１２０は、第１層部１２１および第２層部１２２を有し、揺動部１１０を囲む形状を有する。第１層部１２１は、第１シリコン層において成形された部位であり、第２層部１２２は、第２シリコン層において成形された部位である。これら第１層部１２１および第２層部１２２は、絶縁層１２３を介して接合している。

一対の連結部１３０は、図１、図２、および図４に表れているように、各々、三本のトーションバー１３１，１３２，１３３よりなり、揺動部１１０およびフレーム１２０を連結する。トーションバー１３１，１３２は、第１シリコン層において成形された部位であり、図１に示すように、揺動部１１０の揺動主部１１１とフレーム１２０の第１層部１２１とを連結する。各連結部１３０におけるトーションバー１３１，１３２の間隔は、フレーム１２０の側から揺動部１１０の側にかけて次第に広くなっている。各トーションバー１３３は、第２シリコン層において成形された部位である。図２および図６に示すように、一方のトーションバー１３３は、揺動部１１０の配線部１１６とフレーム１２０の第２層部１２２とを連結し、他方のトーションバー１３３は、揺動部１１０の配線部１１７とフレーム１２０の第２層部１２２とを連結する。各連結部１３０において、トーションバー１３１，１３２とトーションバー１３３とは、電気的に分離されている。また、第２層部１２２において一方のトーションバー１３３が接合する部位と、第２層部１２２において他方のトーションバー１３３が接合する部位とは、電気的に分離されており、従って、これらトーションバー１３３は電気的に分離されている。

このような一対の連結部１３０は、フレーム１２０に対する揺動部１１０の回転動作の揺動軸心Ａ１を規定する。フレーム１２０の側から揺動部１１０の側にかけて間隔が漸増する二本のトーションバー１３１，１３２を含む各連結部１３０は、揺動部１１０の回転動作における不要な変位成分を防止するのに好適である。

櫛歯電極１４０は、第１シリコン層において成形された複数の電極歯１４１からなり、これら電極歯１４１は、例えば図１に示すように、揺動部１１０の揺動主部１１１から各々が延出し、相互に平行である。

櫛歯電極１５０は、第１シリコン層において成形された複数の電極歯１５１からなり、これら電極歯１５１は、例えば図１に示すように、櫛歯電極１４０の電極歯１４１とは反対の側に揺動主部１１１から各々が延出し、相互に平行である。

櫛歯電極１６０は、櫛歯電極１４０と協働して静電引力を発生させるための部位であり、第２シリコン層に由来する複数の電極歯１６１からなる。これら電極歯１６１は、図２に示すように、フレーム１２０の第２層部１２２から各々が延出し、相互に平行であり且つ櫛歯電極１４０の電極歯１４１に対しても平行である。櫛歯電極１４０，１６０は、例えば図３に示すように、それらの電極歯１４１，１６１が位置ずれした態様で配されている。一対の櫛歯電極１４０，１６０は、マイクロミラー素子Ｘ１における一のアクチュエータを構成する。

櫛歯電極１７０は、櫛歯電極１５０と協働して静電引力を発生させるための部位であり、第２シリコン層に由来する複数の電極歯１７１からなる。これら電極歯１７１は、図２に示すように、フレーム１２０の第２層部１２２から各々が延出し、相互に平行であり且つ櫛歯電極１５０の電極歯１５１に対しても平行である。櫛歯電極１５０，１７０は、それらの電極歯１５１，１７１が位置ずれした態様で配されている。一対の櫛歯電極１５０，１７０は、マイクロミラー素子Ｘ１における一のアクチュエータを構成する。また、第２層部１２２において櫛歯電極１６０が接合する部位と、第２層部１２２において櫛歯電極１７０が接合する部位とは、電気的に分離されており、従って、これら櫛歯電極１６０，１７０は電気的に分離されている。

マイクロミラー素子Ｘ１は、上述のように、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加工を施すことによって製造されたものである。また、当該材料基板は、上述のように、本実施形態では第１および第２シリコン層およびこれらの間の絶縁層よりなる積層構造を有する。

マイクロミラー素子Ｘ１の製造においては、例えば、揺動主部１１１、第１層部１２１、およびトーションバー１３１，１３２に対応する箇所を覆うエッチングマスクや、錘部１１２、支持基部１１３Ａ，１１３Ｂ、支持梁１１４Ａ，１１４Ｂ、櫛歯電極１１５、配線部１１６，１１７、第２層部１２２、およびトーションバー１３３に対応する箇所を覆うエッチングマスクなどを、適宜用いたエッチング処理を所定のタイミングで材料基板に施すことにより、各シリコン層を加工する。エッチング手法としては、ＤｅｅｐＲＩＥ
（Reactive Ion Etching）法によるドライエッチングや、ＫＯＨなどのウエットエッチングなどを利用することができる。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。このようにして、第１および第２シリコン層ならびに絶縁層を有する材料基板において、マイクロミラー素子Ｘ１の各部位が、形成されることとなる。

マイクロミラー素子Ｘ１においては、櫛歯電極１４０，１５０，１６０，１７０の各々に対して必要に応じて所定の電位を付与することにより、揺動部１１０を揺動軸心Ａ１まわりに揺動動作ないし回転変位させることができる。櫛歯電極１４０，１５０に対する電位付与は、フレーム１２０の第１層部１２１、各連結部１３０のトーションバー１３１，１３２、および揺動部１１０の揺動主部１１１を介して、実現することができる。櫛歯電極１４０，１５０は、例えばグラウンド接続される。一方、櫛歯電極１６０に対する電位付与は、フレーム１２０の第２層部１２２の一部を介して実現することができ、櫛歯電極１７０に対する電位付与は、第２層部１２２の他の一部を介して実現することができる。櫛歯電極１６０と櫛歯電極１７０とは上述のように電気的に分離されているため、櫛歯電極１６０，１７０に対する電位付与は独立して行うことができる。

櫛歯電極１４０，１６０の各々に所定の電位を付与することにより櫛歯電極１４０，１６０間に所望の静電引力を発生させると、櫛歯電極１４０は櫛歯電極１６０に引き込まれる。そのため、揺動部１１０は、揺動軸心Ａ１まわりに揺動動作し、当該静電引力と、捩れ変形した各連結部１３０の捩り抵抗力の総和とが、釣り合う角度まで回転変位する。このような揺動動作における回転変位量は、櫛歯電極１４０，１６０への付与電位を調整することにより、調節することができる。また、櫛歯電極１４０，１６０間の静電引力を消滅させると、各連結部１３０（トーションバー１３１，１３２，１３３）は、その捩り応力を解放して自然状態に復帰する。

また、櫛歯電極１５０，１７０の各々に所定の電位を付与することにより櫛歯電極１５０，１７０間に所望の静電引力を発生させると、櫛歯電極１５０は櫛歯電極１７０に引き込まれる。そのため、揺動部１１０は、揺動軸心Ａ１まわりに、先述の揺動動作とは逆方向に揺動動作し、当該静電引力と、各連結部１３０の捩り抵抗力の総和とが、釣り合う角度まで回転変位する。このような揺動動作における回転変位量は、櫛歯電極１５０，１７０への付与電位を調整することにより、調節することができる。また、櫛歯電極１５０，１７０間の静電引力を消滅させると、各連結部１３０（トーションバー１３１，１３２，１３３）は、その捩り応力を解放して自然状態に復帰する。

マイクロミラー素子Ｘ１においては、以上のような揺動部１１０の揺動駆動により、揺動主部１１１上に設けられたミラー面１１１ａにて反射される光の反射方向を適宜切り換えることができる。

一方、マイクロミラー素子Ｘ１においては、揺動部１１０における各錘部１１２の櫛歯電極１１２ａおよび各櫛歯電極１１５に対して必要に応じて所定の電位を付与することにより、各錘部１１２を揺動軸心Ａ１と交差する方向（本実施形態では直交する方向）に変移させることができる。櫛歯電極１１２ａに対する電位付与は、フレーム１２０の第２層部１２２の一部、一方の連結部１３０のトーションバー１３３、揺動部１１０の配線部１１６、支持基部１１３Ａ、および支持梁１１４Ａを介して、実現することができる。櫛歯電極１１２ａは、例えばグラウンド接続される。一方、櫛歯電極１１５に対する電位付与は、フレーム１２０の第２層部１２２の他の一部、他方の連結部１３０のトーションバー１３３、および揺動部１１０の配線部１１７を介して実現することができる。両トーションバー１３３は上述のように電気的に分離されているため、櫛歯電極１１２ａ，１１５に対する電位付与は独立して行うことができる。

櫛歯電極１１２ａ，１１５の各々に所定の電位を付与することにより櫛歯電極１１２ａ，１１５間に所望の静電引力を発生させると、各櫛歯電極１１２ａはこれに対向する櫛歯電極１１５に引き込まれる。各錘部１１２は、例えば図８に示すように、弾性変形した支持梁１１４Ａ，１１４Ｂの復元力の総和と当該静電引力とが釣り合う位置にて静止する。櫛歯電極１１２ａ，１１５への付与電位を調整することにより、櫛歯電極１１２ａ，１１５間に発生する静電引力を調節することができ、従って、各錘部１１２の静止位置、ないし各錘部１１２の揺動軸心Ａ１からの距離を、制御することができる。

マイクロミラー素子Ｘ１においては、揺動部１１０は、揺動軸心Ａ１と交差（本実施形態では直交）する方向に上述のように変移可能な錘部１１２を有するところ、錘部１１２が変移することにより揺動部１１０のイナーシャＩが変化する（イナーシャＩは、揺動部１１０を構成する各部のイナーシャ成分を含む）。錘部１１２が揺動軸心Ａ１に近いほど、即ち、錘部１１２の回転半径が小さいほど、錘部１１２のイナーシャ成分は小さくて揺動部１１０のイナーシャＩは小さい。錘部１１２が揺動軸心Ａ１から遠いほど、即ち、錘部１１２の回転半径が大きいほど、錘部１１２のイナーシャ成分は大きくて揺動部のイナーシャＩは大きい。上記の式（１）から理解できるように、揺動部１１０のイナーシャＩが小さいほど、揺動部１１０の揺動動作に係る固有振動数（共振周波数）ｆは大きく、イナーシャＩが大きいほど固有振動数ｆは小さい。

したがって、マイクロミラー素子Ｘ１においては、揺動部１１０の錘部１１２の変移により、揺動部１１０のイナーシャＩを制御して、揺動部１１０の揺動動作に係る固有振動数ｆを調整することが可能である。このような固有振動数調整によると、機械的加工を利用した上述の従来の固有振動数調整によるよりも、揺動部の揺動動作に係る固有振動数ｆを、アナログ的に微細に調整することができ、従って高精度に調整することができる。

また、マイクロミラー素子Ｘ１においては、固有振動数ｆを調整するうえで、素子を一旦完成した後に揺動部１１０に対して機械的加工を施す必要はない。加えて、マイクロミラー素子Ｘ１においては、揺動部１１０のイナーシャＩを増大させることも減少させることも可能であり、従って、固有振動数ｆの調整における自由度は高い。

図９から図１４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。図９はマイクロミラー素子Ｘ２の平面図であり、図１０はマイクロミラー素子Ｘ２の他の平面図である。図１１および図１２は、各々、図９の線XI−XIおよび線XII−XIIに沿った断面図である。図１３および図１４は、各々、図１０の線XIII−XIIIおよび線XIV−XIVに沿った断面図である。

マイクロミラー素子Ｘ２は、揺動部２１０と、フレーム２２０と、一対の連結部２３０と、櫛歯電極２４０，２５０，２６０，２７０とを備える。また、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、いわゆるＳＯＩ基板である材料基板に対して加工を施すことによって製造されたものである。当該材料基板は、例えば、第１および第２シリコン層ならびに当該シリコン層間の絶縁層よりなる積層構造を有し、各シリコン層は、不純物のドープにより所定の導電性が付与されている。図９は、第１シリコン層に由来する構造を主に表すための平面図であり、図１０は、第２シリコン層に由来する構造を主に表すための平面図である。図の明確化の観点より、図９においては、第１シリコン層に由来して絶縁層より紙面手前方向に突き出る部位（後述のミラー面２１１ａは除く）について、斜線ハッチングを付して表し、図１０においては、第２シリコン層に由来して絶縁層より紙面手前方向に突き出る部位について、斜線ハッチングを付して表す。

揺動部２１０は、揺動主部２１１と、一対の可動部２１２Ａ，２１２Ｂと、四つの支持基部２１３と、四本のバネ部２１４とを有し、フレーム２２０に対して揺動可能である。

揺動主部２１１は、第１シリコン層において成形された部位であり、例えば図９に示すように、光反射機能を有するミラー面２１１ａをその表面に有する。ミラー面２１１ａは、第１シリコン層上に成膜されたＣｒ層およびその上のＡｕ層よりなる積層構造を有する。

可動部２１２Ａ，２１２Ｂの各々は、図１０および図１３を組み合わせて参照すると理解できるように、絶縁層２１５を介して揺動主部２１１に固定された支持基部２１３、および、支持基部２１３と当該可動部を連結するバネ部２１４を介して、揺動主部２１１に取り付けられており、図１０における矢印Ｄ２で表すように変移可能である。可動部２１２Ａ，２１２Ｂ、支持基部２１３、およびバネ部２１４は、第２シリコン層において成形された部位である。

フレーム２２０は、第１層部２２１と、第２層部２２２と、二つの可動部２２３Ａと、二つの可動部２２３Ｂと、四つの支持基部２２４と、四本のバネ部２２５と、四つの櫛歯電極２２６と、２つの配線部２２７とを有し、揺動部２１０を囲む形状を有する。第１層部２２１は、第１シリコン層において成形された部位である。第２層部２２２は、第２シリコン層において成形された部位である。これら第１および第２層部２２１，２２２は、絶縁層２２８を介して接合している。また、可動部２２３Ａ，２２３Ｂ、支持基部２２４、バネ部２２５、櫛歯電極２２６、および配線部２２７は、第２シリコン層において成形された部位である。

可動部２２３Ａ，２２３Ｂの各々は、図１０、図１３、および図１４を組み合わせて参照すると理解できるように、絶縁層２２８を介して第１層部２２１に固定された支持基部２２４、および、支持基部２２４と当該可動部を連結するバネ部２２５を介して、第１層部２２１に取り付けられており、図１０における矢印Ｄ３で表すように変移可能である。また、各可動部２２３Ａ，２２３Ｂは、平行な複数の電極歯２２３ａ’からなる櫛歯電極２２３ａを有する。可動部２２３Ａ，２２３Ｂの有する各櫛歯電極２２３ａは、可動部変移機構における可動電極を構成する。

各櫛歯電極２２６は、可動部２２３Ａ，２２３Ｂの櫛歯電極２２３ａと協働して静電引力を発生させるためのものであり、配線部２２７に対して図１０に示すように固定された、平行な複数の電極歯２２６ａからなる。配線部２２７は、図１４に示すように、絶縁層２２８を介して第１層部２２１に対して固定されている。第１層部２２１に固定された配線部２２７に対して固定された各櫛歯電極２２６は、可動部変移機構における固定電極を構成する。

一対の連結部２３０は、図９、図１０、および図１２に表れているように、各々、三本のトーションバー２３１，２３２，２３３よりなり、揺動部２１０およびフレーム２２０を連結する。各トーションバー２３１は、第１シリコン層において成形された部位であり、図９に示すように、揺動部２１０の揺動主部２１１とフレーム２２０の第１層部２２１とを連結する。一方、トーションバー２３２，２３３は、第２シリコン層において成形された部位である。図１０に示すように、トーションバー２３２の一端は、揺動部２１０の可動部２１２Ａに連結し、トーションバー２３２の他端は、フレーム２２０の可動部２２３Ａに連結している。トーションバー２３３の一端は、揺動部２１０の可動部２１２Ｂに連結し、トーションバー２３３の他端は、フレーム２２０の可動部２２３Ｂに連結している。各連結部２３０におけるトーションバー２３１，２３２，２３３は、相互に平行であり、トーションバー２３１とトーションバー２３２，２３３とは電気的に分離されている。このような一対の連結部２３０は、フレーム２２０に対する揺動部２１０の回転動作の揺動軸心Ａ２を規定する。

櫛歯電極２４０は、第１シリコン層において成形された複数の電極歯２４１からなり、これら電極歯２４１は、例えば図９に示すように、揺動部２１０の揺動主部２１１から各々が延出し、相互に平行である。

櫛歯電極２５０は、第１シリコン層において成形された複数の電極歯２５１からなり、これら電極歯２５１は、例えば図９に示すように、櫛歯電極２４０の電極歯２４１とは反対の側に揺動主部２１１から各々が延出し、相互に平行である。

櫛歯電極２６０は、櫛歯電極２４０と協働して静電引力を発生させるための部位であり、第２シリコン層に由来する複数の電極歯２６１からなる。これら電極歯２６１は、図１０に示すように、フレーム２２０の第２層部２２２から各々が延出し、相互に平行であり且つ櫛歯電極２４０の電極歯２４１に対しても平行である。櫛歯電極２４０，２６０は、例えば図１１に示すように、それらの電極歯２４１，２６１が位置ずれした態様で配されている。一対の櫛歯電極２４０，２６０は、マイクロミラー素子Ｘ２における一のアクチュエータを構成する。

櫛歯電極２７０は、櫛歯電極２５０と協働して静電引力を発生させるための部位であり、第２シリコン層に由来する複数の電極歯２７１からなる。これら電極歯２７１は、図１０に示すように、フレーム２２０の第２層部２２２から各々が延出し、相互に平行であり且つ櫛歯電極２５０の電極歯２５１に対しても平行である。一対の櫛歯電極２５０，２７０は、マイクロミラー素子Ｘ２における一のアクチュエータを構成する。櫛歯電極２５０，２７０は、それらの電極歯２５１，２７１が位置ずれした態様で配されている。また、第２層部２２２において櫛歯電極２６０が接合する部位と、第２層部２２２において櫛歯電極２７０が接合する部位とは、電気的に分離されており、従って、これら櫛歯電極２６０，２７０は電気的に分離されている。

マイクロミラー素子Ｘ２は、上述のように、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加工を施すことによって製造されたものである。また、当該材料基板は、上述のように、本実施形態では第１および第２シリコン層およびこれらの間の絶縁層よりなる積層構造を有する。

マイクロミラー素子Ｘ２の製造においては、例えば、揺動主部２１１、第１層部２２１、およびトーションバー２３１に対応する箇所を覆うエッチングマスクや、可動部２１２Ａ，２１２Ｂ、支持基部２１３、バネ部２１４、第２層部２２２、可動部２２３Ａ，２２３Ｂ、支持基部２２４、バネ部２２５、櫛歯電極２２６、配線部２２７、およびトーションバー２３２，２３３に対応する箇所を覆うエッチングマスクなどを、適宜用いたエッチング処理を所定のタイミングで材料基板に施すことにより、各シリコン層を加工する。エッチング手法としては、ＤｅｅｐＲＩＥ法によるドライエッチングや、ＫＯＨなどのウ
エットエッチングなどを利用することができる。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。このようにして、第１および第２シリコン層ならびに絶縁層を有する材料基板において、マイクロミラー素子Ｘ２の各部位が、形成されることとなる。

マイクロミラー素子Ｘ２においては、櫛歯電極２４０，２５０，２６０，２７０の各々に対して必要に応じて所定の電位を付与することにより、揺動部２１０を揺動軸心Ａ２まわりに揺動動作ないし回転変位させることができる。櫛歯電極２４０，２５０に対する電位付与は、フレーム２２０の第１層部２２１、各連結部２３０のトーションバー２３１、および揺動部２１０の揺動主部２１１を介して、実現することができる。櫛歯電極２４０，２５０は、例えばグラウンド接続される。一方、櫛歯電極２６０に対する電位付与は、フレーム２２０の第２層部２２２の一部を介して実現することができ、櫛歯電極２７０に対する電位付与は、第２層部２２２の他の一部を介して実現することができる。櫛歯電極２６０と櫛歯電極２７０とは上述のように電気的に分離されているため、櫛歯電極２６０，２７０に対する電位付与は独立して行うことができる。

櫛歯電極２４０，２６０の各々に所定の電位を付与することにより櫛歯電極２４０，２６０間に所望の静電引力を発生させると、櫛歯電極２４０は櫛歯電極２６０に引き込まれる。そのため、揺動部２１０は、揺動軸心Ａ２まわりに揺動動作し、当該静電引力と、捩れ変形した各連結部２３０の捩り抵抗力の総和とが、釣り合う角度まで回転変位する。このような揺動動作における回転変位量は、櫛歯電極２４０，２６０への付与電位を調整することにより、調節することができる。また、櫛歯電極２４０，２６０間の静電引力を消滅させると、各連結部２３０（トーションバー２３１，２３２，２３３）は、その捩り応力を解放して自然状態に復帰する。

また、櫛歯電極２５０，２７０の各々に所定の電位を付与することにより櫛歯電極２５０，２７０間に所望の静電引力を発生させると、櫛歯電極２５０は櫛歯電極２７０に引き込まれる。そのため、揺動部２１０は、揺動軸心Ａ２まわりに、先述の揺動動作とは逆方向に揺動動作し、当該静電引力と各連結部２３０の捩り抵抗力の総和とが釣り合う角度まで回転変位する。このような揺動動作における回転変位量は、櫛歯電極２５０，２７０への付与電位を調整することにより、調節することができる。また、櫛歯電極２５０，２７０間の静電引力を消滅させると、各連結部２３０（トーションバー２３１，２３２，２３３）は、その捩り応力を解放して自然状態に復帰する。

マイクロミラー素子Ｘ２においては、以上のような揺動部２１０の揺動駆動により、揺動主部２１１上に設けられたミラー面２１１ａにて反射される光の反射方向を適宜切り換えることができる。

一方、マイクロミラー素子Ｘ２では、フレーム２２０における各可動部２２３Ａ，２２３Ｂの合計四つの櫛歯電極２２３ａをグラウンド接続させた状態で、これらに対向する櫛歯電極２２６に対して必要に応じて所定の電位を付与することにより、各連結部２３０におけるトーションバー２３２，２３３間の距離を変化させることができる。櫛歯電極２２３ａのグラウンド接続は、例えば、上述の絶縁層２２８を貫通して支持基部２２４と第１層部２２１を電気的に接続する導電プラグを設け且つ第１層部２２１をグラウンド接続することにより、実現することができる。櫛歯電極２２６に対する電位付与は、配線部２２７を介して実現することができる。

櫛歯電極２２６に所定の電位を付与することにより相対向する櫛歯電極２２３ａ，２２６間に所望の静電引力を発生させると、各櫛歯電極２２３ａはこれに対向する櫛歯電極２２６に引き込まれる。これに連動して、可動部２２３Ａと共にトーションバー２３２および可動部２１２Ａが変位し、且つ、可動部２２３Ｂと共にトーションバー２３３および可動部２１２Ｂが変位する。可動部２１２Ａ，２２３Ａおよびトーションバー２３２からなる可動ユニットは、例えば図１５に示すように、当該可動ユニットに連結して弾性変形したバネ部２１４，２２５の復元力の総和と、当該可動ユニットの二箇所に作用する静電引力とが、釣り合う位置にて静止する。これとともに、可動部２１２Ｂ，２２３Ｂおよびトーションバー２３３からなる可動ユニットは、例えば図１５に示すように、当該可動ユニットに連結して弾性変形したバネ部２１４，２２５の復元力の総和と、当該可動ユニットの二箇所に作用する静電引力とが、釣り合う位置にて静止する。櫛歯電極２２６への付与電位を調整することにより、相対向する櫛歯電極２２３ａ，２２６間に発生する静電引力を調節することができ、従って、各連結部２３０におけるトーションバー２３２，２３３の静止位置、ないし当該トーションバー２３２，２３３間の距離を、制御することができる。

マイクロミラー素子Ｘ２においては、各連結部２３０は、相対的に接近離反動可能な二本のトーションバー２３２，２３３を有するところ、トーションバー２３２，２３３が相対的に接近離反動することにより各連結部２３０の捩りバネ定数ｋが変化する。トーションバー２３２，２３３間の距離が短いほど、トーションバー２３２，２３３を含んでなる連結部２３０の捩りバネ定数ｋは小さい。トーションバー２３２，２３３間の距離が長いほど連結部２３０の捩りバネ定数ｋは大きい。上記の式（１）から理解できるように、連結部２３０の捩りバネ定数ｋが小さいほど、揺動部２１０の揺動動作に係る固有振動数（共振周波数）ｆは小さく、捩りバネ定数ｋが大きいほど固有振動数ｆは大きい。

したがって、マイクロミラー素子Ｘ２においては、トーションバー２３２，２３３の相対的な接近離反動により、連結部２３０の捩りバネ定数ｋを制御して、揺動部２１０の揺動動作に係る固有振動数ｆを調整することが可能である。このような固有振動数調整によると、機械的加工を利用した上述の従来の固有振動数調整によるよりも、揺動部の揺動動作に係る固有振動数ｆを、アナログ的に微細に調整することができ、従って高精度に調整することができる。

また、マイクロミラー素子Ｘ２においては、固有振動数ｆを調整するうえで、素子を一旦完成した後に揺動部２１０に対して機械的加工を施す必要はない。加えて、マイクロミラー素子Ｘ２においては、連結部２３０の捩りバネ定数ｋを増大させることも減少させることも可能であり、従って、固有振動数ｆの調整における自由度は高い。

本実施形態では、可動ユニットを変移させるための駆動機構はフレーム２２０側に設けられているが、本発明では、そのような構成に代えて、可動ユニットを変移させるための駆動機構を揺動部２１０側に設けてもよい。その場合、マイクロミラー素子Ｘ２における上述の揺動部２１０は、揺動主部２１１に固定された二つの第１櫛歯電極を有し、上述の可動部２１２Ａは、一方の第１櫛歯電極と協働して静電引力を発生させるための第２櫛歯電極を有し、上述の可動部２１２Ｂは、他方の第１櫛歯電極と協働して静電引力を発生させるための第２櫛歯電極を有する。

図１６から図２０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。図１６はマイクロミラー素子Ｘ３の平面図である。図１７はマイクロミラー素子Ｘ３の他の平面図である。図１８から図２０は、各々、図１６の線XVIII−XVIII、線XIX−XIX、および線XX−XXに沿った断面図である。

マイクロミラー素子Ｘ３は、揺動部３１０と、フレーム３２０と、一対の連結部３３０と、櫛歯電極３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０とを備える。また、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、いわゆるＳＯＩ基板である材料基板に対して加工を施すことによって製造されたものである。当該材料基板は、例えば、第１および第２シリコン層ならびに当該シリコン層間の絶縁層よりなる積層構造を有し、各シリコン層は、不純物のドープにより所定の導電性が付与されている。図１６は、第１シリコン層に由来する構造を主に表すための平面図であり、図１７は、第２シリコン層に由来する構造を主に表すための平面図である。図の明確化の観点より、図１６においては、第１シリコン層に由来して絶縁層より紙面手前方向に突き出る部位（後述のミラー面３１１は除く）について、斜線ハッチングを付して表し、図１７においては、第２シリコン層に由来して絶縁層より紙面手前方向に突き出る部位について、斜線ハッチングを付して表す。

揺動部３１０は、第１シリコン層において成形された部位であり、図１６に示すように、光反射機能を有するミラー面３１１をその表面に有する。ミラー面３１１は、第１シリコン層上に成膜されたＣｒ層およびその上のＡｕ層よりなる積層構造を有する。

フレーム３２０は、第１層部３２１および第２層部３２２を有し、揺動部３１０を囲む形状を有する。第１層部３２１は、第１シリコン層において成形された部位であり、第２層部３２２は、第２シリコン層において成形された部位である。これら第１および第２層部３２１，３２２は、図１８および図１９に示すように、絶縁層３２３を介して接合している。

一対の連結部３３０は、図１６、図１７、および図２０に示すように、各々、二本のトーションバー３３１よりなり、揺動部３１０およびフレーム３２０を連結する。トーションバー３３１は、第１シリコン層において成形された部位であり、揺動部３１０とフレーム３２０の第１層部３２１とを連結する。各連結部３３０における二本のトーションバー３３１の間隔は、フレーム３２０の側から揺動部３１０の側にかけて次第に広くなっている。このような一対の連結部３３０は、フレーム３２０に対する揺動部３１０の回転動作の揺動軸心Ａ３を規定する。フレーム３２０の側から揺動部３１０の側にかけて間隔が漸増する二本のトーションバー３３１からなる各連結部３３０は、揺動部３１０の回転動作における不要な変位成分を防止するのに好適である。

櫛歯電極３４０は、第１シリコン層において成形された複数の電極歯３４１からなり、これら電極歯３４１は、例えば図１６に示すように、揺動部３１０から各々が延出し、相互に平行である。

櫛歯電極３５０は、第１シリコン層において成形された複数の電極歯３５１からなり、これら電極歯３５１は、例えば図１６に示すように、櫛歯電極３４０の電極歯３４１とは反対の側に揺動部３１０から各々が延出し、相互に平行である。

櫛歯電極３６０は、櫛歯電極３４０と協働して静電引力を発生させるための部位であり、本素子の非揺動駆動時において櫛歯電極３４０に対向する位置にて、フレーム３２０に固定され、第１シリコン層に由来する複数の電極歯３６１からなる。これら電極歯３６１は、図１６に示すように、第１層部３２１から各々が延出し、相互に平行であり且つ櫛歯電極３４０の電極歯３４１に対しても平行である。

櫛歯電極３７０は、櫛歯電極３４０と協働して静電引力を発生させるための部位であり、非駆動時において櫛歯電極３４０に対向しない位置にて、フレーム３２０に固定され、第２シリコン層に由来する複数の電極歯３７１からなる。これら電極歯３７１は、図１７に示すように、第２層部３２２から各々が延出し、相互に平行であり且つ櫛歯電極３４０，３６０の電極歯３４１，３６１に対しても平行である。櫛歯電極３７０の電極歯３７１と櫛歯電極３６０の電極歯３６１との間には絶縁部が介在するのが好ましい。

櫛歯電極３８０は、櫛歯電極３５０と協働して静電引力を発生させるための部位であり、非駆動時において櫛歯電極３５０に対向する位置にて、フレーム３２０に固定され、第１シリコン層に由来する複数の電極歯３８１からなる。これら電極歯３８１は、図１６に示すように、第１層部３２１から各々が延出し、相互に平行であり且つ櫛歯電極３５０の電極歯３５１に対しても平行である。

櫛歯電極３９０は、櫛歯電極３５０と協働して静電引力を発生させるための部位であり、非駆動時において櫛歯電極３５０に対向しない位置にて、フレーム３２０に固定され、第２シリコン層に由来する複数の電極歯３９１からなる。これら電極歯３９１は、図１７に示すように、第２層部３２２から各々が延出し、相互に平行であり且つ櫛歯電極３５０，３８０の電極歯３５１，３８１に対しても平行である。櫛歯電極３９０の電極歯３９１と櫛歯電極３８０の電極歯３８１との間には絶縁部が介在するのが好ましい。

櫛歯電極３４０，３５０と櫛歯電極３６０〜３９０とは、電気的に分離されている。また、櫛歯電極３６０〜３９０は、互いに電気的に分離されている。

以上のような櫛歯電極３４０〜３９０において、一組の櫛歯電極３４０，３６０、一組の櫛歯電極３４０，３７０、一組の櫛歯電極３５０，３８０、および一組の櫛歯電極３５０，３９０は、各々、本発明における一の駆動機構を構成する。例えば櫛歯電極３６０〜３９０は、各々、付与電位の大きさ及び電位付与期間を制御可能な電圧発生機構に電気的に接続されている。これにより、櫛歯電極３４０，３６０からなる駆動機構では、当該櫛歯電極３４０，３６０間に生ずる静電引力の大きさ及び静電引力発生期間が制御可能とされている。同様に、櫛歯電極３４０，３７０からなる駆動機構では、当該櫛歯電極３４０，３７０間に生ずる静電引力の大きさ及び静電引力発生期間が制御可能とされ、櫛歯電極３５０，３８０からなる駆動機構では、当該櫛歯電極３５０，３８０間に生ずる静電引力の大きさ及び静電引力発生期間が制御可能とされ、櫛歯電極３５０，３９０からなる駆動機構では、当該櫛歯電極３５０，３９０間に生ずる静電引力の大きさ及び静電引力発生期間が制御可能とされている。

マイクロミラー素子Ｘ３は、上述のように、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加工を施すことによって製造されたものである。また、当該材料基板は、上述のように、本実施形態では第１および第２シリコン層およびこれらの間の絶縁層よりなる積層構造を有する。

マイクロミラー素子Ｘ３の製造においては、例えば、揺動部３１０、第１層部３２１、トーションバー３３１、および櫛歯電極３４０，３５０，３６０，３８０に対応する箇所を覆うエッチングマスクや、第２層部３２２および櫛歯電極３７０，３９０に対応する箇所を覆うエッチングマスクなどを、適宜用いたエッチング処理を所定のタイミングで材料基板に施すことにより、各シリコン層を加工する。エッチング手法としては、ＤｅｅｐＲＩＥ法によるドライエッチングや、ＫＯＨなどのウエットエッチングなどを利用することができる。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。このようにして、第１および第２シリコン層ならびに絶縁層を有する材料基板において、マイクロミラー素子Ｘ３の各部位が、形成されることとなる。

マイクロミラー素子Ｘ３においては、櫛歯電極３４０〜３９０の各々に対して必要に応じて所定の電位を付与することにより、揺動部３１０を回転軸心Ａ３まわりに回転動作させることができ、揺動部３１０上に設けられたミラー面３１１にて反射される光の反射方向を適宜切り換えることができる。

図２１は、マイクロミラー素子Ｘ３の駆動態様の一例を表す。本駆動態様は、ノーマル駆動例である。図２１（ａ）は、櫛歯電極３７０に印加される電圧の時間変化を表す。図２１（ｂ）は、櫛歯電極３９０に印加される電圧の時間変化を表す。図２１（ｃ）は、櫛歯電極３６０，３８０に印加される電圧の時間変化を表す。本駆動態様においては、櫛歯電極３４０，３５０はグラウンド接続されている。図２１（ａ）から図２１（ｃ）のグラフの各々においては、横軸にて時間（ｔ）を表し、縦軸にて印加電圧（ｖ）を表す。また、図２１（ｄ）は、本駆動態様における揺動部３１０の揺動角度の時間変化を表す。図２１（ｄ）のグラフでは、横軸にて時間（ｔ）を表し、縦軸にて揺動角度（θ）を表す。

本駆動態様においては、まず、時間Ｔ₀にて初期状態（揺動部３１０の揺動角度が０°）にあるマイクロミラー素子Ｘ３の櫛歯電極３７０に対し、時間Ｔ₁にて揺動部３１０の回転変位が最大揺動角度θ₁に至るように、時間Ｔ₀から時間Ｔ₁の間、図２１（ａ）に示すように所定の電圧Ｖ₁が印加される。時間Ｔ₀から時間Ｔ₁の間、櫛歯電極３７０と櫛歯電極３４０の間には静電引力が生じ、揺動部３１０の揺動角度は、第１揺動方向に増大し続ける。時間Ｔ₁では、一組の櫛歯電極３４０，３７０は例えば図１８（ｂ）に示す配向をとり、揺動角度は図２１（ｄ）に示すようにθ₁に至る。このとき、各連結部３３０には所定の捩れ応力が生じる。

次に、時間Ｔ₁から時間Ｔ₂の間、櫛歯電極３６０，３８０に対して図２１（ｃ）に示すように所定の電圧Ｖ₂が印加される。この間、各連結部３３０の捩れ応力が復元力として作用するのに加え、櫛歯電極３４０，３６０間および櫛歯電極３５０，３８０間には静電引力が生じ、揺動部３１０の揺動角度は減少し続ける。時間Ｔ₂では、一組の櫛歯電極３４０，３６０は図１８（ａ）に示す配向をとり、一組の櫛歯電極櫛３５０，３８０は図１９（ａ）に示す配向をとり、揺動角度は図２１（ｄ）に示すように０°に至る。

次に、時間Ｔ₃にて揺動部３１０の回転変位が最大揺動角度θ₂に至るように、時間Ｔ₂から時間Ｔ₃の間、櫛歯電極３９０に対して図２１（ｂ）に示すように所定の電圧Ｖ₃が印加される。時間Ｔ₂から時間Ｔ₃の間、櫛歯電極３９０と櫛歯電極３５０の間には静電引力が生じ、揺動部３１０の揺動角度は、上述の第１揺動方向とは反対の第２揺動方向に増大し続ける。時間Ｔ₃では、一組の櫛歯電極３５０，３９０は例えば図１９（ｂ）に示す配向をとり、揺動角度は図２１（ｄ）に示すようにθ₂に至る。このとき、各連結部３３０には所定の捩れ応力が生じる。

次に、時間Ｔ₃から時間Ｔ₄の間、櫛歯電極３６０，３８０に対して図２１（ｃ）に示すように所定の電圧Ｖ₄が印加される。この間、各連結部３３０の捩れ応力が復元力として作用するのに加え、櫛歯電極３４０，３６０間および櫛歯電極３５０，３８０間には静電引力が生じ、揺動部３１０の揺動角度は減少し続ける。時間Ｔ₄では、一組の櫛歯電極３４０，３６０は図１８（ａ）に示す配向をとり、一組の櫛歯電極櫛３５０，３８０は図１９（ａ）に示す配向をとり、揺動角度は図２１（ｄ）に示すように０°に至る。時間Ｔ₀から時間Ｔ₄にわたる以上のような一連の電圧印加およびそれに伴う揺動部３１０の動作が、必要に応じて繰り返される。

マイクロミラー素子Ｘ３のノーマル駆動においては、揺動動作時の揺動部３１０に対して常に同一の回転トルクが作用するように、電圧Ｖ₁および電圧Ｖ₃は同一に設定され、電圧Ｖ₂および電圧Ｖ₄は同一に設定され、電圧Ｖ₂，Ｖ₄は電圧Ｖ₁，Ｖ₃より所定程度に小さく設定され、また、時間Ｔ₀から時間Ｔ₁の間、時間Ｔ₁から時間Ｔ₂の間、時間Ｔ₂から時間Ｔ₃の間、および時間Ｔ₃から時間Ｔ₄の間は、同一の長さに設定されて、各々、揺動部３１０の揺動動作の４分の１周期とされる。そして、揺動角度θ₁の絶対値は揺動角度θ₂の絶対値と同一である。揺動動作時の揺動部３１０に対して常に同一の回転トルクが作用する以上のようなノーマル駆動により、マイクロミラー素子Ｘ３の揺動部３１０について周期的な揺動動作を達成することができる。

一方、マイクロミラー素子Ｘ３では、揺動部３１０の揺動動作に係る固有振動数ｆの調整において、連結部３１０の捩りバネ定数ｋが増減するのと等価な状態を電気的に作出することができる。具体的には、揺動動作時の揺動部３１０に対して常に同一の回転トルクが作用するように各櫛歯電極が作動される上述のノーマル駆動における各櫛歯電極の作動態様に対して、所定の櫛歯電極の作動態様を変化させることにより、揺動部３１０の揺動動作における一部の揺動角度範囲にて、連結部３３０の捩りバネ定数が増減するのと等価な状態を作出することができ、これにより、揺動部３１０の揺動動作中の連結部３３０の平均捩りバネ定数ｋが増減するのと等価な状態を作出することができる。

例えば、上述のノーマル駆動において時間Ｔ₀から時間Ｔ₁の間に櫛歯電極３７０に印加される電圧Ｖ₁を、図２２（ａ）に示すようにＶ₁₁（＞Ｖ₁）に代えると、時間Ｔ₀から時間Ｔ₁の間に揺動部３１０に作用する回転トルクは、ノーマル駆動時のそれよりも大きくなる。このような回転トルクの増大により、時間Ｔ₀から時間Ｔ₁の間（即ち、揺動部３１０の揺動角度が０°からθ₁に増大する間）、連結部３３０の捩りバネ定数が減少するのと等価な状態を作出することができる。

上述のノーマル駆動において時間Ｔ₀から時間Ｔ₁の間に櫛歯電極３７０に印加される電圧Ｖ₁を、図２２（ｂ）に示すようにＶ₁₂（＜Ｖ₁）に代えると、時間Ｔ₀から時間Ｔ₁の間に揺動部３１０に作用する回転トルクは、ノーマル駆動時のそれよりも小さくなる。このような回転トルクの減少により、時間Ｔ₀から時間Ｔ₁の間（即ち、揺動部３１０の揺動角度が０°からθ₁に増大する間）、連結部３３０の捩りバネ定数が増大するのと等価な状態を作出することができる。

上述のノーマル駆動において時間Ｔ₁から時間Ｔ₂の間に櫛歯電極３６０，３８０に印加される電圧Ｖ₂を、図２３（ａ）に示すようにＶ₂₁（＞Ｖ₂）に代えると、時間Ｔ₁から時間Ｔ₂の間に揺動部３１０に作用する回転トルクは、ノーマル駆動時のそれよりも大きくなる。このような回転トルクの増大により、時間Ｔ₁から時間Ｔ₂の間（即ち、揺動部３１０の揺動角度がθ₁から０°に減少する間）、連結部３３０の捩りバネ定数が増大するのと等価な状態を作出することができる。

上述のノーマル駆動において時間Ｔ₁から時間Ｔ₂の間に櫛歯電極３６０，３８０に印加される電圧Ｖ₂を、図２３（ｂ）に示すようにＶ₂₂（＜Ｖ₂）に代えると、時間Ｔ₁から時間Ｔ₂の間に揺動部３１０に作用する回転トルクは、ノーマル駆動時のそれよりも小さくなる。このような回転トルクの減少により、時間Ｔ₁から時間Ｔ₂の間（即ち、揺動部３１０の揺動角度がθ₁から０°に減少する間）、連結部３３０の捩りバネ定数が減少するのと等価な状態を作出することができる。

上述のノーマル駆動において時間Ｔ₂から時間Ｔ₃の間に櫛歯電極３９０に印加される電圧Ｖ₃を、図２４（ａ）に示すようにＶ₃₁（＞Ｖ₃）に代えると、時間Ｔ₂から時間Ｔ₃の間に揺動部３１０に作用する回転トルクは、ノーマル駆動時のそれよりも大きくなる。このような回転トルクの増大により、時間Ｔ₂から時間Ｔ₃の間（即ち、揺動部３１０の揺動角度が０°からθ₂に増大する間）、連結部３３０の捩りバネ定数が減少するのと等価な状態を作出することができる。

上述のノーマル駆動において時間Ｔ₂から時間Ｔ₃の間に櫛歯電極３９０に印加される電圧Ｖ₃を、図２４（ｂ）に示すようにＶ₃₂（＜Ｖ₃）に代えると、時間Ｔ₂から時間Ｔ₃の間に揺動部３１０に作用する回転トルクは、ノーマル駆動時のそれよりも小さくなる。このような回転トルクの減少により、時間Ｔ₂から時間Ｔ₃の間（即ち、揺動部３１０の揺動角度が０°からθ₂に増大する間）、連結部３３０の捩りバネ定数が増大するのと等価な状態を作出することができる。

上述のノーマル駆動において時間Ｔ₃から時間Ｔ₄の間に櫛歯電極３６０，３８０に印加される電圧Ｖ₄を、図２５（ａ）に示すようにＶ₄₁（＞Ｖ₄）に代えると、時間Ｔ₃から時間Ｔ₄の間に揺動部３１０に作用する回転トルクは、ノーマル駆動時のそれよりも大きくなる。このような回転トルクの増大により、時間Ｔ₃から時間Ｔ₄の間（即ち、揺動部３１０の揺動角度がθ₂から０°に減少する間）、連結部３３０の捩りバネ定数が増大するのと等価な状態を作出することができる。

上述のノーマル駆動において時間Ｔ₃から時間Ｔ₄の間に櫛歯電極３６０，３８０に印加される電圧Ｖ₄を、図２５（ｂ）に示すようにＶ₄₂（＜Ｖ₄）に代えると、時間Ｔ₃から時間Ｔ₄の間に揺動部３１０に作用する回転トルクは、ノーマル駆動時のそれよりも小さくなる。このような回転トルクの減少により、時間Ｔ₃から時間Ｔ₄の間（即ち、揺動部３１０の揺動角度がθ₂から０°に減少する間）、連結部３３０の捩りバネ定数が減少するのと等価な状態を作出することができる。

マイクロミラー素子Ｘ３においては、例えば以上のような駆動態様変化（上述のノーマル駆動からの変化）のいずれかを採用することにより、或は、例えば以上のような駆動態様変化の適宜の組み合わせを採用することにより、揺動部３１０の揺動動作における一部の揺動角度範囲にて、連結部３１０の捩りバネ定数が増減するのと等価な状態を作出することができ、これにより、揺動部３１０の揺動動作中の連結部３３０の平均捩りバネ定数ｋが変化するのと等価な状態を作出することができる。

上記の式（１）から理解できるように、連結部３３０の捩りバネ定数ｋが小さいほど、揺動部３１０の揺動動作に係る固有振動数（共振周波数）ｆは小さく、捩りバネ定数ｋが大きいほど固有振動数ｆは大きい。したがって、マイクロミラー素子Ｘ３においては、例えば以上のような駆動態様変化のいずれかを採用することにより、或は、例えば以上のような駆動態様変化の適宜の組み合わせを採用することにより、連結部３１０の捩りバネ定数ｋを電気的に制御して、揺動部３１０の揺動動作に係る固有振動数ｆを調整することが可能である。このような固有振動数調整によると、機械的加工を利用した上述の従来の固有振動数調整によるよりも、揺動部の揺動動作に係る固有振動数ｆを、アナログ的に微細に調整することができ、従って高精度に調整することができる。

また、マイクロミラー素子Ｘ３においては、固有振動数ｆを調整するうえで、素子を一旦完成した後に揺動部３３０に対して機械的加工を施す必要はない。加えて、マイクロミラー素子Ｘ３においては、連結部３３０の捩りバネ定数ｋを電気的に減少させることも増大させることも可能であり、従って、固有振動数ｆの調整における自由度は高い。

上述のマイクロミラー素子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３は、いずれも、揺動部と、フレームと、当該揺動部およびフレームを連結して当該フレームに対する当該揺動部の揺動動作における揺動軸心を規定する連結部と、を備えるマイクロ揺動素子である。マイクロミラー素子Ｘ１は、マイクロ揺動素子における揺動部のイナーシャを変化させるための構成（第１の構成）を具備する。マイクロミラー素子Ｘ２は、マイクロ揺動素子における連結部の形状変化により当該連結部の捩りバネ定数を変化させるための構成（第２の構成）を具備する。マイクロミラー素子Ｘ３は、マイクロ揺動素子における連結部の捩りバネ定数が変化するのと等価な状態を電気的に作出するための構成（第３の構成）を具備する。本発明においては、第１の構成と第２の構成を組み合わせてもよいし、第２の構成と第３の構成を組み合わせてもよいし、第３の構成と第１の構成を組み合わせてもよいし、第１から第３の構成を全て組み合わせてもよい。

以上のまとめとして、本発明の構成およびそのバリエーションを以下に付記として列挙する。

（付記１）揺動部と、
フレームと、
前記揺動部および前記フレームを連結し、且つ、当該フレームに対する当該揺動部の揺動動作における揺動軸心を規定する、連結部と、を備え、
前記揺動部は、揺動主部、および、当該揺動主部に取り付けられ且つ前記揺動軸心と交差する方向に変移可能な錘部を有する、マイクロ揺動素子。
（付記２）前記揺動部は、前記揺動主部に固定された支持基部、および、当該支持基部と前記錘部とを連結する支持梁を有する、付記１に記載のマイクロ揺動素子。
（付記３）前記揺動部は、前記揺動主部に固定された第１櫛歯電極を有し、前記錘部は、当該第１櫛歯電極と協働して静電引力を発生させるための第２櫛歯電極を有する、付記１または２に記載のマイクロ揺動素子。
（付記４）前記連結部は、並列する複数のトーションバーを含み、当該複数のトーションバーから選択される二本のトーションバーは、相対的に接近離反動可能に設けられている、付記１から３のいずれか一つに記載のマイクロ揺動素子。
（付記５）前記揺動部について第１揺動方向に回転トルクを発生可能であり、且つ、当該回転トルクの大きさ及び／又は発生期間を制御可能な、第１駆動機構と、前記揺動部について前記第１揺動方向とは反対の第２揺動方向に回転トルクを発生可能であり、且つ、当該回転トルクの大きさ及び／又は発生期間を制御可能な、第２駆動機構と、を更に備える、付記１から４のいずれか一つに記載のマイクロ揺動素子。
（付記６）揺動部と、
フレームと、
前記揺動部および前記フレームを連結し、且つ、当該フレームに対する当該揺動部の揺動動作における揺動軸心を規定する、連結部と、を備え、
前記連結部は、並列する複数のトーションバーを含み、当該複数のトーションバーから選択される二本のトーションバーは、相対的に接近離反動可能に設けられている、マイクロ揺動素子。
（付記７）前記揺動部は、揺動主部と、当該揺動主部に取り付けられ且つ前記揺動軸心と交差する方向に変移可能な第１可動部とを有し、前記フレームは、フレーム主部と、当該フレーム主部に取り付けられ且つ前記第１可動部と同方向に変移可能な第２可動部とを有し、前記連結部に含まれる一のトーションバーは、当該第１および第２可動部を連結する、付記４または６に記載のマイクロ揺動素子。
（付記８）前記揺動部は、前記揺動主部に固定された第１櫛歯電極を有し、前記第１可動部は、当該第１櫛歯電極と協働して静電引力を発生させるための第２櫛歯電極を有する、付記７に記載のマイクロ揺動素子。
（付記９）前記フレームは、前記フレーム主部に固定された第１櫛歯電極を有し、前記第２可動部は、当該第１櫛歯電極と協働して静電引力を発生させるための第２櫛歯電極を有する、付記７または８に記載のマイクロ揺動素子。
（付記１０）前記揺動部について第１揺動方向に回転トルクを発生可能であり、且つ、当該回転トルクの大きさ及び／又は発生期間を制御可能な、第１駆動機構と、前記揺動部について前記第１揺動方向とは反対の第２揺動方向に回転トルクを発生可能であり、且つ、当該回転トルクの大きさ及び／又は発生期間を制御可能な、第２駆動機構と、を更に備える、付記６から９のいずれか一つに記載のマイクロ揺動素子。
（付記１１）揺動部と、
フレームと、
前記揺動部および前記フレームを連結し、且つ、当該フレームに対する当該揺動部の揺動動作における揺動軸心を規定する、連結部と、
前記揺動部について第１揺動方向に回転トルクを発生可能であり、且つ、当該回転トルクの大きさ及び／又は発生期間を制御可能な、第１駆動機構と、
前記揺動部について前記第１揺動方向とは反対の第２揺動方向に回転トルクを発生可能であり、且つ、当該回転トルクの大きさ及び／又は発生期間を制御可能な、第２駆動機構と、を備えるマイクロ揺動素子。
（付記１２）前記第１駆動機構および前記第２駆動機構は、第１櫛歯電極、当該第１櫛歯電極と協働して静電引力を発生させるための第２櫛歯電極、および、前記第１櫛歯電極と協働して静電引力を発生させるための第３櫛歯電極を含み、前記第１櫛歯電極は前記揺動部に固定され、前記第２櫛歯電極は、非駆動時において前記第１櫛歯電極に対向しない位置にて前記フレームに固定され、前記第３櫛歯電極は、非駆動時において前記第１櫛歯電極に対向する位置にて前記フレームに固定され、当該第２および第３櫛歯電極は並列する、付記５，１０，１１のいずれか一つに記載のマイクロ揺動素子。

Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４マイクロミラー素子
１１０揺動部
１１１揺動主部
１１２錘部
１１２ａ，１１５，１４０，１５０，１６０，１７０櫛歯電極
１１３Ａ，１１３Ｂ支持基部
１１４Ａ，１１４Ｂ支持梁
１１６，１１７配線部
１２０フレーム
１２１第１層部
１２２第２層部
１３０連結部
１３１，１３２，１３３トーションバー
２１０揺動部
２１１揺動主部
２１２Ａ，２１２Ｂ，２２３Ａ，２２３Ｂ可動部
２１３，２２４支持基部
２１４，２２５バネ部
２２０フレーム
２２１第１層部
２２２第２層部
２２３ａ，２２６，２４０，２５０，２６０，２７０櫛歯電極
２２７配線部
２３０連結部
２３１，２３２，２３３トーションバー
３１０揺動部
３２０フレーム
３２１第１層部
３２２第２層部
３３０連結部
３３１トーションバー
３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０櫛歯電極

Claims

揺動部と、
フレームと、
前記揺動部および前記フレームを連結し、且つ、当該フレームに対する当該揺動部の揺動動作における揺動軸心を規定する、連結部と、
前記揺動部について第１揺動方向に回転トルクを発生可能であり、且つ、当該回転トルクの大きさ及び／又は発生期間が変更される、第１駆動機構と、
前記揺動部について前記第１揺動方向とは反対の第２揺動方向に回転トルクを発生可能であり、且つ、当該回転トルクの大きさ及び／又は発生期間が変更される、第２駆動機構と、を備え、
前記第１駆動機構および前記第２駆動機構により発生される回転トルクが前記揺動部の揺動角度が増大する方向に作用するときにノーマル動作に比べ前記回転トルクが大きく及び／又は前記発生期間が長くなるように変更されたとき、前記回転トルクが前記揺動角度が減少する方向に作用するときには前記ノーマル動作に比べ前記回転トルクが小さく及び／又は前記発生期間が短くなるように変更され、前記回転トルクが前記揺動角度が増大する方向に作用するときに前記ノーマル動作に比べ前記回転トルクが小さく及び／又は前記発生期間が短くなるように変更されたとき、前記回転トルクが前記揺動角度が減少する方向に作用するときには前記回転トルクが前記ノーマル動作に比べ大きく及び／又は前記発生期間が長くなるように変更され、
前記ノーマル動作は、前記揺動部の前記揺動角度が増大する方向に作用するときと、前記揺動部の前記揺動角度が減少する方向に作用するときと、で前記回転トルクが同じである動作である、マイクロ揺動素子。
前記第１駆動機構および前記第２駆動機構は、第１櫛歯電極、当該第１櫛歯電極と協働して静電引力を発生させるための第２櫛歯電極、および、前記第１櫛歯電極と協働して静電引力を発生させるための第３櫛歯電極を含み、前記第１櫛歯電極は前記揺動部に固定され、前記第２櫛歯電極は、非駆動時において前記第１櫛歯電極に対向しない位置にて前記フレームに固定され、前記第３櫛歯電極は、非駆動時において前記第１櫛歯電極に対向する位置にて前記フレームに固定され、当該第２および第３櫛歯電極は並列する、請求項１に記載のマイクロ揺動素子。