JP5783568B2 - 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製造する場合、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第１の櫛歯電極と、前記第１の櫛歯電極と対向し互いの櫛歯が交互に噛み合うように配置された第２の櫛歯電極と、前記第２の櫛歯電極を支持するための第２の支持部と、前記第２の櫛歯電極を回転駆動可能とするように前記第２の櫛歯電極と前記第２の支持部とを連結する第２のトーションバーと、前記第２の櫛歯電極と梁を介して結合された接触部と、前記接触部の上部または下部の少なくとも一方と向かい合う位置に固定配置された電極部と、を有し、前記接触部と前記電極部との間に静電引力を発生させて、前記接触部を変位させることを特徴とする。

このマイクロスキャナによれば、接触部と電極部との間に静電引力を発生させて、接触部を変位させることにより、梁を介して接触部と結合された第２の櫛歯電極に、第２のトーションバーをねじり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の櫛歯電極が回転駆動され、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、トルクを発生させるための電極部を、接触部の上部または下部の少なくとも一方に設けることができるため、反射ミラーおよび第２の櫛歯電極が形成された基板上に、電極部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、前記接触部と前記電極部との間に直流電圧を印加するための電圧印加部を有する。

さらに、上記マイクロスキャナにおいて、前記接触部を前記電極部に接触させて、前記第１の櫛歯電極と前記第２の櫛歯電極との段差構造を維持する構造としてもよい。

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、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の両側部には、反射部材１０の側面から外方へ伸びる一対のトーションバー１１が形成されている。下部基板２１の一方の面には、一対のトーションバー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に連結されている。図２に示すように、反射部材１０の下方には空隙が設けられている。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の重心位置近傍の側面部を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、ミラー面１０ａに対して外部から入射する光ビームを反射する。

反射部材１０のうち一対のトーションバー１１が形成された両側面と隣接する２つの側面が反射部材１０の自由端となる。反射部材１０の自由端側の側縁部には、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の歯列方向の両側部には、一対のトーションバー１６が一体形成されている。トーションバー１６は、固定櫛歯電極部１４ａ、１４ｂの両側部からトーションバー１１の延伸方向と平行となる歯列方向に延伸している。下部基板２１の一方の面には、一対のトーションバー１６のそれぞれの延伸方向に一対の固定部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に連結されている。図２に示すように、固定櫛歯電極部１４ａ、１４ｂの下方には空隙が設けられている。固定櫛歯電極部１４ａ、１４ｂは、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。

固定櫛歯電極部１４ａ、１４ｂの側面であって固定櫛歯電極１５ａ、１５ｂの形成側とは反対側の側面に沿って、所定距離離間して、長方形状で薄板状の接触部１９が配置されている。接触部１９は、例えば、導電性を有する材料で形成される。図１に示すように、接触部１９の一方の長辺と隣接する固定櫛歯電極部１４ａ、１４ｂの側面の両側をＬ字状に切り欠いて所定幅の凸辺部１４１を形成している。凸辺部１４１の両端の側面と接触部１９の両端部とが、Ｌ字形状の梁１８によってそれぞれ連結されている。接触部１９は、梁１８を介して固定櫛歯電極部１４ａ（１４ｂ）と同一平面上に支持されている。

図２に示すように、下部基板２１の一方の面の上方には、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は、反射部材１０および固定櫛歯電極部１４ａ，１４ｂと対向する中央部に肉薄に形成され、接触部１９と対向する周辺部が肉厚に形成されている。そして、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の肉厚部となる周辺部には接触部１９に対向する領域に上部電極２０が配置されている。上部電極２０は、導電材料が充填された貫通孔２３を介して、電圧印加部２４に接続されている。

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。
まず、櫛歯電極間に段差構造を形成するための動作について説明する。
図３は、櫛歯電極間に段差構造を形成した状態における図１のＡ−Ａ線断面模式図である。図４は、櫛歯電極間に段差構造を形成し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、接触部１９および上部電極２０を抜き出して示している。

電圧印加部２４によって、上部電極２０と接触部１９との間に直流電圧が印加されると、上部電極２０と接触部１９とが互いに逆極性に帯電して、両者の間にクーロン力（静電引力）が発生する。この静電引力によって、接触部１９は、上部電極２０に向け上方向に移動（変位）する。そして、印加する直流電圧が、所定の電圧値以上になると、接触部１９は上部電極２０に接触して静止する。接触部１９は、梁１８を介して固定櫛歯電極部１４ａの凸辺部１４１に連結されているため、接触部１９が上方向に変位すると、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、梁１８と接続された凸辺部１４１は上方向に変位し、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、接触部１９が上方向に変位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、梁１８と接続された凸辺部１４１は上方向に変位し、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。

続いて、反射部材１０を揺動し、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を揺動するように構成されている。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、接触部１９と上部電極２０との間に静電引力を発生させて、接触部１９を変位させることにより、梁１８を介して接触部１９と結合された固定櫛歯電極部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上部電極２０は、上部基板２２上に設けることができるため、下部基板２１上に上部電極２０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５および図６に基づいて説明する。図５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６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、固定櫛歯電極部３１ａ，３１ｂおよび接触部３２の構造が、第１の実施の形態と相違する。

固定櫛歯電極部３１ａ、３１ｂの歯列方向となる両側部には、それぞれの歯列方向に延びるトーションバー１６が一体形成されている。固定櫛歯電極部３１ａ、３１ｂの両側部におけるトーションバー１６の形成位置は、固定櫛歯電極１５ａ、１５ｂの突出方向と反対側となる背面端部の近傍に設定している。

固定櫛歯電極部３１ａ、３１ｂの背面端部は、固定櫛歯電極１５ａ、１５ｂの突出方向に向けて所定の深さで凹型に加工された凹部３１１が形成されている。その凹部３１１の形成範囲は、固定櫛歯電極１５ａ、１５ｂの両端の櫛歯よりわずかに内側となるようにしている。凹部３１１の底面中央部の所定範囲に、わずかに突出した凸辺部３１２が形成されている。接触部３２は、固定櫛歯電極部３１ａ、３１ｂの背面端部に沿うように、所定距離離間して配置されている。接触部３２は、固定櫛歯電極１５ａ、１５ｂの凹部３１１に入り込む凸辺部３２１を有する。固定櫛歯電極部３１ａ、３１ｂの凹部３１１に形成した凸辺部３１２の両端と、接触部３２における凸辺部３２１を挟んだ２か所とを、略Ｌ字形状の一対の梁１８によって連結している。接触部３２は、梁１８を介して固定櫛歯電極部３１ａ、３１ｂと同一平面上に支持されている。

次に、上記のように構成されたマイクロスキャナ３の櫛歯電極間に段差構造を形成する動作について説明する。図６は、櫛歯電極間に段差構造が形成されたマイクロスキャナ３を図示している。電圧印加部２４によって、上部電極２０と接触部３２との間に直流電圧が印加されると、上部電極２０と接触部３２とが互いに逆極性に帯電して、両者の間にクーロン力（静電引力）が発生する。この静電引力によって、接触部３２は、上部電極２０に向け上方向に移動（変位）する。そして、印加する直流電圧が、所定の電圧値以上になると、接触部３２は上部電極２０に接触して静止する。接触部３２は、梁１８を介して固定櫛歯電極部３１ａに連結されているため、接触部３２が上方向に変位すると、固定櫛歯電極部３１ａにはトーションバー１６をねじり回転軸とする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３１ａの固定櫛歯電極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。

同様に、固定櫛歯電極部３１ｂには、接触部３２が上方向に変位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３１ｂの固定櫛歯電極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。

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、接触部３２と上部電極２０との間に静電引力を発生させて、接触部３２を変位させることにより、梁１８を介して接触部３２と結合された固定櫛歯電極部３１ａ，３１ｂ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３１ａ，３１ｂ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上部電極２０は、上部基板２２上に設けることができるため、下部基板２１上に上部電極２０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、一対の固定櫛歯電極１５ａ，１５ｂが、ともに可動櫛歯電極１３ａ，１３ｂ表面より下側または上側に移動して段差構造が形成され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、一方の固定櫛歯電極１５ａ（１５ｂ）が可動櫛歯電極１３ａ（１３ｂ）表面より下側に移動し、他方の固定櫛歯電極１５ａ（１５ｂ）が可動櫛歯電極１３ａ（１３ｂ）表面より上側に移動して段差構造が形成される構成であってもよい。

また、上記実施の形態においては、接触部１９（３２）の上部に上部電極２０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、接触部１９（３２）の下部に上部電極２０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（３１ａ，３１ｂ）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 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、第２の支持部）
１３ａ，１３ｂ 可動櫛歯電極
１４ａ，１４ｂ 固定櫛歯電極部
１４１ 凸辺部
１５ａ，１５ｂ 固定櫛歯電極
１６ トーションバー
１７ 固定部
１８ 梁
１９ 接触部
２０ 上部電極（電極部）
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
２２１ 外壁部
２３ 貫通孔
２４ 電圧印加部
３ マイクロスキャナ
３１ａ，３１ｂ 固定櫛歯電極部
３１１ 凹部
３１２ 凸辺部
３２ 接触部
３２１ 凸辺部

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第１の櫛歯電極と、前記第１の櫛歯電極と対向し互いの櫛歯が交互に噛み合うように配置された第２の櫛歯電極と、前記第２の櫛歯電極を支持するための第２の支持部と、前記第２の櫛歯電極を回転駆動可能とするように前記第２の櫛歯電極と前記第２の支持部とを連結する第２のトーションバーと、前記第２の櫛歯電極と梁を介して結合された接触部と、前記接触部の上部または下部の少なくとも一方と向かい合う位置に固定配置された電極部と、を有し、
   前記接触部と前記電極部との間に静電引力を発生させて、前記接触部を変位させることを特徴とするマイクロスキャナ。
2. 前記接触部と前記電極部との間に直流電圧を印加するための電圧印加部を有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. 前記接触部を前記電極部に接触させて、前記第１の櫛歯電極と前記第２の櫛歯電極との段差構造を維持することを特徴とする請求項１または請求項２記載のマイクロスキャナ。

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