JP5757034B2 - マイクロスキャナ - Google Patents

Description

本発明は、光スキャナに関し、特にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を利用したマイクロスキャナに関する。

従来、ミラー面が設けられた可動板を揺動させて、そのミラー面に入射した光ビームなどを走査する光スキャナが、例えば、レーザプリンタやバーコードリーダなどの光学機器に使用されている。光スキャナの一例として、ＭＥＭＳ技術を用いて成形される可動構造体を有するマイクロスキャナが挙げられる。マイクロスキャナとしては、対向する２枚の櫛歯電極を電極の延伸方向に対して垂直方向に段差を設けて配置し、所定の電圧が印加されるのに応じて櫛歯電極間に発生する静電気力によってミラー面を揺動させるバーティカルコムアクチュエータ方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されたマイクロスキャナは、２本の梁をねじり回転軸として往復振動可能に支持されたミラー基板と、このミラー基板の自由端に形成された可動櫛歯電極と、この可動櫛歯電極と噛み合うよう設けられた固定櫛歯電極と、から構成される。このマイクロスキャナでは、櫛歯電極間の段差構造を、スティクションパッドを利用して形成している。この方法では、支持基板上に形成された絶縁膜上にスティクションパッドを形成した後、スティクションパッドと重なる領域の絶縁膜をエッチングにより除去し、乾燥工程においてスティクションパッドと支持基板とを直接接着することによって段差構造を形成している。

特開２００６−４７８９７号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、乾燥工程において、スティクションパッドと支持基板のみならず、例えば、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極とが接着してしまうおそれがある。すなわち、マイクロスキャナなどの微細な構造体の駆動用として櫛歯電極間の段差構造を実現する場合、製造プロセスが複雑となるうえに、段差構造を精度よく形成することが困難であった。また、スティクションパッドの面積を大きく取る必要があるため、マイクロスキャナ全体の小型化が困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成によって櫛歯電極間に精度よく段差構造が形成され、かつ、全体の小型化を可能とするマイクロスキャナを提供することを目的とする。

本発明のマイクロスキャナは、反射ミラーと、前記反射ミラーを支持するための第１の支持部と、前記反射ミラーを回転駆動可能とするように前記反射ミラーと前記第１の支持部とを連結する第１のトーションバーと、前記反射ミラーの自由端に形成された櫛歯電極を有する第１の櫛歯部と、前記第１の櫛歯部と対向し互いの櫛歯が噛み合うように配置された櫛歯電極を有する第２の櫛歯部と、前記第２の櫛歯部を支持するための第２の支持部と、前記第２の櫛歯部を回転駆動可能とするように前記第２の櫛歯部と前記第２の支持部とを連結する第２のトーションバーと、前記反射ミラーおよび前記第２の櫛歯部の一方の面に対向するようにスペースを開けて配置された透光性基板と、前記透光性基板を固定端として前記第２の櫛歯部の一部であって前記第２のトーションバーの軸から外れた位置を押圧する押圧部材と、を具備したことを特徴とする。

このマイクロスキャナによれば、押圧部材が、第２の櫛歯部の一部であって第２のトーションバーの軸から外れた位置を押圧することにより、第２の櫛歯部に、トーションバーを回転軸とするトルクを発生させることができる。これにより、第２の櫛歯部が回転駆動され、第２の櫛歯電極と第１の櫛歯電極との間に段差構造を形成することが可能となる。また、押圧部材は、透光性基板に設けられているため、反射ミラーおよび櫛歯部が形成された基板上に、押圧部材を設けるためのスペースを必要としない。したがって、簡単な構成によって櫛歯電極間に精度よく段差構造を形成することが可能となり、また、マイクロスキャナ全体の小型化が実現できる。

また、上記マイクロスキャナにおいて、前記押圧部材は、前記第２の櫛歯部における櫛歯電極側とは反対側の一部を押圧することが考えられる。

さらに、上記マイクロスキャナにおいて、前記押圧部材は、前記第２の櫛歯部における櫛歯電極側の一部を押圧することが考えられる。

本発明によれば、マイクロスキャナ全体の小型化を可能としつつ、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極との段差構造を形成することができる。

第１の実施の形態に係るマイクロスキャナを示す上面図である。 第１の実施の形態に係るマイクロスキャナを示す断面模式図である。 第１の実施の形態に係るマイクロスキャナを示す斜視図である。 第２の実施の形態に係るマイクロスキャナを示す上面図である。 第２の実施の形態に係るマイクロスキャナを示す断面模式図である。 第２の実施の形態に係るマイクロスキャナを示す斜視図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１の実施の形態に係るマイクロスキャナ１を示す上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面模式図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るマイクロスキャナ１は、上面視で１辺が数ｍｍ程度の略正方形または略矩形である直方体状の素子である。マイクロスキャナ１は、下部基板２１の基体となるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を、ＭＥＭＳ技術を用いて加工することにより作製されたＭＥＭＳ素子である。図２に示すように、下部基板２１は、例えば、導電性を有する第１のシリコン層からなる活性層２１ａと、活性層２１ａ上に形成された酸化シリコン層からなる絶縁層２１ｂと、絶縁層２１ｂ上に形成された第２のシリコン層からなる支持層２１ｃと、から構成される３層構造の基板である。

下部基板２１の一方の面には中央部に矩形形状の開口部２１１が形成されていて、開口部２１１内にミラー面１０ａを有する矩形状の薄板体からなる反射部材１０が配置されている。反射部材１０のＸ軸方向（図１参照）の両側部に、Ｘ軸方向となる外方へ伸びる一対のトーションバー１１の一端部が結合（一体形成）されている。下部基板２１の開口部２１１に近接する位置であって各トーションバー１１のそれぞれの延伸方向に一対の固定部１２が設けられている。各トーションバー１１の他端部は、それぞれ対応する各固定部１２に結合（一体形成）されている。図２に示すように、開口部２１１内に浮かせた状態で配置された反射部材１０、は、一対のトーションバー１１をねじり回転軸として揺動可能に支持されている。一対のトーションバー１１は、反射部材１０の重心位置（Ｙ軸方向の中間位置）近傍を両側面から支持することが望ましい。

図２に示すように、反射部材１０およびトーションバー１１は、支持層２１ｃと同一層に形成されている。ミラー面１０ａは、支持層２１ｃ（反射部材１０の形成位置）の上面に、例えばアルミニウム薄膜を形成することで実現される。

反射部材１０のＹ軸方向の両端部が反射部材１０の自由端となる。反射部材１０の双方の自由端には、それぞれ可動櫛歯電極１３ａ，１３ｂが形成されている。各可動櫛歯電極１３ａ，１３ｂと当該各可動櫛歯電極１３ａ，１３ｂと対向する反射部材１０の開口部２１１の側面との間に、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂが配置されている。固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂのうち、可動櫛歯電極１３ａ，１３ｂと向かい合う部分には、それぞれ固定櫛歯電極１５ａ，１５ｂが形成されている。可動櫛歯電極１３ａ，１３ｂおよび固定櫛歯電極１５ａ，１５ｂは、それぞれ複数の櫛歯を有し、互いに櫛歯が噛み合うように配置されている。

固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂは、反射部材１０の双方の自由端に沿って延在している。固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂは、歯列方向となるＸ軸方向の両側部に、Ｘ軸方向に延伸する一対のトーションバー１６の一端部が結合（一体形成）されている。下部基板２１の開口部２１１の近傍であって各トーションバー１６の延伸方向の対向位置に、それぞれ固定部１７が設けられている。各トーションバー１６の他端部は、それぞれ対応する各固定部１７に連結（一体形成）されている。図２に示すように、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂは、反射部材１０と共に開口部２１１内に配置されており、一対のトーションバー１６をねじり回転軸として揺動可能に支持されている。

図２に示すように、下部基板２１の上方には、所定のスペースを介して上部基板２２が配置されている。上部基板２２の材料として、光を走査するために透光性を有する材料、例えば、パイレックスガラス（パイレックスは登録商標）を用いることができる。上部基板２２の外周部には、スペーサとして機能する外壁部２２１が形成されている。上部基板２２を固定端として、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂの一部であって、トーションバー１６の回転軸上から外れた場所を押圧する押圧部材２３が設けられている。押圧部材２３は、その先端が支持層２１ｃの表面位置より所定距離だけ下方（上部基板２２とは反対方向）に到達する長さに調整されている。これにより、押圧部材２３の先端が、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂの表面（支持層２１ｃの上面位置と同じ高さ）を下方へ所定距離だけ押しこむように構成されている。なお、図１〜３において、押圧部材２３は、角柱形状に図示されているが、押圧部材２３の形状はこれに限定されない。

次に、上記のように構成されたマイクロスキャナ１における櫛歯電極間の段差構造について説明する。
図２および図３には、櫛歯電極間に段差構造が形成された状態が示されている。図３は、櫛歯電極間に段差構造が形成された状態のマイクロスキャナ１を示す斜視図であり、反射部材１０、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂおよび押圧部材２３を抜き出して示している。

押圧部材２３は、下部基板２１に上部基板２２を取り付けて固定した状態で、固定櫛歯電極部１４ａの上面であってトーションバー１６の回転軸よりも固定櫛歯電極１５ａとは反対側の一部を押圧する。押圧部材２３の先端が固定櫛歯電極部１４ａの表面よりも所定距離だけ下方へ位置する。押圧部材２３の押圧力によって固定櫛歯電極部１４ａには、トーションバー１６をねじり回転軸とする所定回転方向のトルクに変換される。したがって、固定櫛歯電極部１４ａのうち、固定櫛歯電極１５ａとは反対側は下方向に変位し、固定櫛歯電極１５ａ側は上方向に変位する。これにより、可動櫛歯電極１３ａと固定櫛歯電極１５ａとの間には垂直方向に段差が生じる。すなわち、櫛歯電極間に段差構造が形成される。

固定櫛歯電極部１４ｂでも同様に、押圧部材２３が、固定櫛歯電極部１４ｂにおける固定櫛歯電極１５ｂとは反対側の一部を押圧することにより、トーションバー１６をねじり回転軸とするトルクに変換される。したがって、固定櫛歯電極部１４ｂのうち、固定櫛歯電極１５ｂとは反対側は下方向に変位し、固定櫛歯電極１５ｂ側は上方向に変位する。これにより、可動櫛歯電極１３ｂと固定櫛歯電極１５ｂとの間には垂直方向に段差が生じる。すなわち、櫛歯電極間に段差構造が形成される。

次に、上記のように構成されたマイクロスキャナ１の動作について説明する。
マイクロスキャナ１は、反射部材１０を回転駆動し、ミラー面１０ａで反射する光の反射角を１軸方向に連続的に変化させて光走査する。マイクロスキャナ１は、例えば、静電気力を駆動力として反射部材１０を揺動する。可動櫛歯電極１３ａと固定櫛歯電極１５ａとの間に電圧が印加されると、両電極間に互いに引き合う方向に作用するクーロン力（静電気力）が発生し、このクーロン力が反射部材１０の自由端部において反射部材１０（ミラー面１０ａ）の上面に対し略垂直方向に作用する。これにより、反射部材１０には、トーションバー１１をねじり回転軸とする第１方向（時計回り）のトルクが発生する。また、可動櫛歯電極１３ｂと固定櫛歯電極１５ｂとの間に電圧が印加されると、可動櫛歯電極１３ａと固定櫛歯電極１５ａとの間のクーロン力（引力）は解除され、ねじられたトーションバー１１が弾性復帰力により反射部材１０（ミラー面１０ａ）を元の位置に戻そうとするとともに、可動櫛歯電極１３ｂと固定櫛歯電極１５ｂとの間に互いに引き合う方向に作用するクーロン力が発生し、このクーロン力が反射部材１０の自由端部に対して略垂直方向に作用する。これにより、反射部材１０には、トーションバー１１をねじり回転軸とする第１方向とは反対方向となる第２方向（反時計回り）のトルクが発生する。

したがって、例えば切り換えスイッチにより、可動櫛歯電極１３ａと固定櫛歯電極１５ａの間と、可動櫛歯電極１３ｂと固定櫛歯電極１５ｂの間と、に交互に電圧を印加することによって、反射部材１０は１軸方向に連続的に回転する。ミラー面１０ａに入射した光ビームは、反射部材１０の回転にしたがったミラー面１０ａの回転によって反射角が変更されることにより１軸方向に走査される。

以上説明したように、第１の実施の形態に係るマイクロスキャナ１によれば固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂにおける固定櫛歯電極１５ａ，１５ｂ側とは反対側の一部であってトーションバー１６から外れた位置を押圧部材２３によって押圧する構成により、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂに、トーションバー１６を回転軸とするトルクを発生させることができ、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂを所定角度だけ回転させて固定櫛歯電極１５ａ，１５ｂと可動櫛歯電極１３ａ，１３ｂとの間に段差構造を形成することが可能となる。また、トルクを発生させるための押圧部材２３は、上部基板２２上に設けることができるため、下部基板２１上に押圧部材２３を設けるためのスペースを必要としない。したがって、簡単な構成によって櫛歯電極間に精度よく段差構造を形成することが可能となり、また、マイクロスキャナ１全体の小型化が実現できる。

（第２の実施の形態）
以下、第２の実施の形態に係るマイクロスキャナ３について、図面に基づいて説明する。図４は、第２の実施の形態に係るマイクロスキャナ３を示す上面図である。図５は、第２の実施の形態に係るマイクロスキャナ３のＢ−Ｂ線断面模式図である。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態に係るマイクロスキャナ１と共通する構成については同一の符号を付与してその説明を省略し、第１の実施の形態で示したマイクロスキャナ１とは異なる構造について主に説明する。マイクロスキャナ３は、トーションバー１６の結合位置および押圧部材の押圧位置が、第１の実施の形態と相違する。

固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂの歯列方向となるＸ軸方向の両側部には、それぞれＸ軸方向に延伸する一対のトーションバー１６の一端部が結合（一体形成）されている。本実施の形態では、トーションバー１６の固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂへの結合位置を、固定櫛歯電極１５ａ，１５ｂとは反対側となるＹ軸方向の端部にしている。したがって、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂの固定櫛歯電極１５ａ，１５ｂ側を前面とし固定櫛歯電極１５ａ，１５ｂとは反対側を背面とすれば、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂの背面端部に沿ったＸ軸方向の直線がトーションバー１６によるねじり回転軸となる。上部基板２２の下面に固定端が固定された押圧部材２３の先端は、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂの上面であってトーションバー１６によるねじり回転軸と固定櫛歯電極１５ａ，１５ｂとの中間に当接している。第１の実施の形態と同様に、押圧部材２３の先端が支持層２１ｃの表面位置より所定距離だけ下方（上部基板２２とは反対方向）に到達する長さに調整されている。これにより、押圧部材２３の先端が、常に固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂの表面（支持層２１ｃの上面位置と同じ高さ）を下方へ所定距離だけ押しこむ。

次に、上記のように構成されたマイクロスキャナ３における櫛歯電極間の段差構造について説明する。図６は、櫛歯電極間に段差構造が形成された状態のマイクロスキャナ３を示す斜視図であり、反射部材１０、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂおよび押圧部材２３を抜き出して示している。

押圧部材２３は、下部基板２１に上部基板２２を取り付けて固定した状態で、固定櫛歯電極部１４ａの上面であってトーションバー１６の回転軸よりも固定櫛歯電極１５ａ寄りの一部を押圧する。押圧部材２３の先端が固定櫛歯電極部１４ａの表面よりも所定距離だけ下方へ位置するので、押圧部材２３の押圧力によって固定櫛歯電極部１４ａにおける固定櫛歯電極１５ａの基端部近傍を上部基板２２側から下方に向けて押圧する。この力によって、固定櫛歯電極部１４ａには、トーションバー１６をねじり回転軸とする第１の方向（時計回り）のトルクが発生する。したがって、固定櫛歯電極部１４ａのうち、固定櫛歯電極１５ａ側は下方向に変位する。これにより、可動櫛歯電極１３ａと固定櫛歯電極１５ａとの間には垂直方向に段差が生じる。すなわち、櫛歯電極間に段差構造が形成される。

固定櫛歯電極部１４ｂでも同様に、押圧部材２３が、固定櫛歯電極部１４ｂにおけるトーションバー１６の軸よりも固定櫛歯電極１５ｂ寄りの一部を押圧することにより、トーションバー１６をねじり回転軸とする第１方向とは反対方向となる第２方向（反時計回り）のトルクが発生する。したがって、固定櫛歯電極部１４ｂのうち、固定櫛歯電極１５ｂ側は下方向に変位する。これにより、可動櫛歯電極１３ｂと固定櫛歯電極１５ｂとの間には垂直方向に段差が生じる。すなわち、櫛歯電極間に段差構造が形成される。

したがって、例えば切り換えスイッチにより、可動櫛歯電極１３ａと固定櫛歯電極１５ａの間と、可動櫛歯電極１３ｂと固定櫛歯電極１５ｂの間と、に交互に電圧を印加することによって、反射部材１０は１軸方向に連続的に回転する。その結果、ミラー面１０ａに入射した光ビームは、反射部材１０の回転にしたがったミラー面１０ａの回転によって反射角が変更されることにより１軸方向に走査される。

以上説明したように、第２の実施の形態に係るマイクロスキャナ３によれば、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂの上面であってトーションバー１６の軸から外れた固定櫛歯電極１５ａ，１５ｂ側の一部を押圧部材２３によって押圧する構成により、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂに、トーションバー１６を回転軸とするトルクを発生させることができ、固定櫛歯電極１５ａ，１５ｂと可動櫛歯電極１３ａ，１３ｂとの間に段差構造を形成することが可能となる。また、トルクを発生させるための押圧部材２３は、上部基板２２上に設けることができるため、下部基板２１上に押圧部材２３を設けるためのスペースを必要としない。したがって、簡単な構成によって櫛歯電極間に精度よく段差構造を形成することが可能となり、また、マイクロスキャナ３全体の小型化が実現できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。

上記実施の形態においては、固定櫛歯電極部１４ａ（１４ｂ）の上部に押圧部材２３を配置する構成について説明しているが、この構成に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、固定櫛歯電極部１４ａ（１４ｂ）の下部に押圧部材２３を配置する構成であってもよい。

さらに、上記実施の形態においては、ミラー面１０ａが上面視で略矩形形状である構成について説明しているが、この構成に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、ミラー面１０ａは、円形など、他の形状であってもよい。これに伴って、固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂなどの形状も適宜変更が可能である。

本発明は、マイクロスキャナのみならず、他のデバイスに適用されるバーティカルコムアクチュエータに利用することができる。

１，３ マイクロスキャナ
１０ 反射部材
１０ａ ミラー面（反射ミラー）
１１ トーションバー
１２ 固定部（第１の支持部）
１３ａ，１３ｂ 可動櫛歯電極
１４ａ，１４ｂ 固定櫛歯電極部（第２の櫛歯部）
１５ａ，１５ｂ 固定櫛歯電極
１６ トーションバー
１７ 固定部（第２の支持部）
２１ 下部基板
２１ａ 活性層
２１ｂ 絶縁層
２１ｃ 支持層
２１１ 開口部
２２ 上部基板（透光性基板）
２２１ 外壁部
２３ 押圧部材

Claims (3)

1. 反射ミラーと、前記反射ミラーを支持するための第１の支持部と、前記反射ミラーを回転駆動可能とするように前記反射ミラーと前記第１の支持部とを連結する第１のトーションバーと、前記反射ミラーの自由端に形成された櫛歯電極を有する第１の櫛歯部と、前記第１の櫛歯部と対向し互いの櫛歯が噛み合うように配置された櫛歯電極を有する第２の櫛歯部と、前記第２の櫛歯部を支持するための第２の支持部と、前記第２の櫛歯部を回転駆動可能とするように前記第２の櫛歯部と前記第２の支持部とを連結する第２のトーションバーと、前記反射ミラーおよび前記第２の櫛歯部の一方の面に対向するようにスペースを開けて配置された透光性基板と、前記透光性基板を固定端として前記第２の櫛歯部の一部であって前記第２のトーションバーの軸から外れた位置を押圧する押圧部材と、
   を具備したことを特徴とするマイクロスキャナ。
2. 前記押圧部材は、前記第２の櫛歯部における櫛歯電極側とは反対側の一部を押圧することを特徴とする請求項１記載のマイクロスキャナ。
3. 前記押圧部材は、前記第２の櫛歯部における櫛歯電極側の一部を押圧することを特徴とする請求項１記載のマイクロスキャナ。

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