JPH07218857A

JPH07218857A - 変位検出機能を備えたプレーナー型ガルバノミラー及びその製造方法

Info

Publication number: JPH07218857A
Application number: JP6009824A
Authority: JP
Inventors: Masaki Esashi; 正喜江刺; Norihiro Asada; 規裕浅田
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-01-31
Publication date: 1995-08-18
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: KR960702116A; DE69530248T2; KR100232692B1; DE69530248D1; US5767666A; EP0692729B1; EP0692729A1; WO1995020774A1; JP2657769B2; TW255064B; EP0692729A4

Abstract

(57)【要約】【目的】薄型及び小型で且つミラーの変位角を検出でき
るガルバノミラーを提供する。【構成】シリコン基板２に、可動板５と該可動板５を軸
支するトーションバー６とを半導体素子製造技術で一体
形成する。可動板５側の平面コイル７に流す駆動電流と
ガラス基板３，４側の永久磁石10Ａ，10Ｂ及び11Ａ，11
Ｂによる磁気力によって可動板５を介して全反射ミラー
８を駆動する。また、シリコン基板２の上下に結合する
ガラス基板３，４のうちの下側ガラス基板４に、検出コ
イル12Ａ，12Ｂを設け、平面コイル７に、駆動電流に重
畳させて検出電流を流すことにより、この検出電流に基
づく平面コイル７と検出コイル12Ａ，12Ｂとの間の相互
インダクタンスの変化によってミラーの変位角検出を行
う。また、このガルバノミラーを半導体素子の製造プロ
セスによって製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばレーザ光のスキ
ャニングシステム等に適用するガルバノミラーに関し、
特に、レーザ光をスキャンする反射鏡の変位検出を可能
とする極めて小型のプレーナー型ガルバノミラー及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガルバノミラーは、レーザ光を偏向走査
するレーザスキャナ等に利用されるもので、その原理
は、磁界中に配置した可動コイルに電流を流すと、電流
と磁束とに関連して電磁力が発生して電流に比例した回
転力（トルク）が生じる。このトルクとバネ力とが平衡
する角度まで可動コイルが回動し、この可動コイルを介
して指針を振らせて電流の有無や大小を検出するという
ガルバノメータの原理を利用したもので、可動コイルと
一体に回転する軸に、前記指針の代わりに反射鏡を設け
て構成される。

【０００３】そして、従来の実用的なガルバノミラーと
しては、例えば、磁界中に配置する可動コイルの代わり
に可動鉄片を用い、その周囲に２つの永久磁石と４つの
磁極を設けた磁性体とで磁路を構成し、前記磁性体に巻
回した駆動コイルに流す電流の大小及び方向によって磁
極間の磁束を変化させることにより、可動鉄片を介して
反射鏡を回動させ、レーザ光を偏光走査するようにした
ものがある（例えば、共立出版株式会社「実用レーザ技
術」，Ｐ２１０〜２１２，１９８７年１２月１０日発
行、等参照）。

【０００４】しかし、上記の構成のガルバノミラーで
は、駆動コイルが機械巻き等であることから小型化する
ことが難しい。そこで、かかるガルバノミラーの小型化
を図った技術として、例えば特開平４−２１１２１８号
公報等に開示されたものがある。このものは、枠部分
と、反射鏡部分及び枠に反射鏡部分を軸支するビーム部
分を、シリコン基板を用い半導体製造プロセスを利用し
て一体的に成形したもので、これらシリコン基板で形成
した部分を、反射鏡部分を回動駆動するための電極を設
けたガラス基板上に配置し、反射鏡部分と前記電極間に
作用する静電引力を利用して反射鏡を回動駆動するよう
に構成されている。そして、ガルバノミラーの小型化を
損なうことなく小さい駆動力で板状部材を駆動させるこ
とを目的として、前記ビーム部分をＳ字状にすることで
少ないスペースに長いビームを形成しそのねじり剛性を
小さくするようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ガルバノミ
ラーでは、オープンループでミラーの変位角を制御する
のが一般的であるが、ミラーの変位角を検出し、その検
出信号をミラーの駆動系にフィードバックすることでミ
ラーの変位角を高精度に制御することができる。そし
て、上述のようなプレーナー型ガルバノミラーにおける
ミラーの変位角検出方法としては、図２４に示すよう光
式と図２５に示すような静電容量式等が考えられる。

【０００６】図２４の光式では、軸51を中心に回動する
反射鏡52の裏面側の中心位置に、例えば光ファイバ53等
を用いて光ビームを当て、その反射光をガラス基板54側
に設けたＰＳＤ55で受光する。そして、反射鏡52の角度
変位に伴う反射光のＰＳＤ55への入射位置Ｘの変化を検
出して反射鏡52の変位角φを検出する。尚、前記入射位
置Ｘは、ガラス基板54から水平位置にある反射鏡52まで
の距離をＬ、水平位置にある反射鏡52と光ファイバ53か
らの光ビームとのなす角をθとした時に、Ｘ＝Ｌ／tan
(θ＋φ) として表される。

【０００７】この方法では、光路が短いため光ビームの
パワーの減衰が少なく検出信号を大きくできる等の利点
があるが、光路が短いため光ビーム径を可能な限り絞ら
ないと最小検出角度（反射鏡の角度検出の分解能）が制
限される、入射光ビームの角度と軸合わせが難しい、超
薄型のＰＳＤが必要である等の欠点を有する。また、図
２５の静電容量式では、反射鏡52の裏面側に軸51に対し
て対称位置に電極56Ａ，57Ａを設け、ガラス基板４側に
前記電極56Ａ，57Ａと対をなす電極56Ｂ，57Ｂを設け
て、コンデンサＣ１，Ｃ２を構成し、反射鏡52の角度変
位に伴う両コンデンサＣ１，Ｃ2 の容量差に基づいて反
射鏡52の変位角を検出する。

【０００８】この方法では、反射鏡52の単位角度当たり
の変位量に対してコンデンサＣ１，Ｃ２のギャップ（ガ
ラス基板54と水平位置にある反射鏡52との距離Ｌ）が極
めて大きく、反射鏡52の角度変化に対するコンデンサＣ
１，Ｃ２の容量変化分が小さくやはり反射鏡の角度検出
の分解能が制限されること、反射鏡52の裏面の電極56
Ａ，57Ａから配線を引き出す必要があり反射鏡部分の製
造が面倒である等の欠点を有する。

【０００９】本発明は上記の事情に鑑みなされたもの
で、半導体製造プロセスを利用したプレーナー型ガルバ
ノミラーにおけるミラーの変位を、コイル間の電磁結合
による相互インダクタンス変化に変換して検出させるこ
とにより、反射鏡の角度変位を高分解能で検出可能にす
ると共に、製造プロセスの容易な変位検出機能を備えた
プレーナー型ガルバノミラーを提供することを目的とす
る。また、このような変位検出機能を備えたプレーナー
型ガルバノミラーの製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため本発明のプレー
ナー型ガルバノミラーでは、半導体基板に、平板状の可
動板と該可動板を半導体基板に対して基板上下方向に揺
動可能に軸支するトーションバーとを一体形成し、前記
可動板の上面周縁部に可動板駆動用電流と変位検出用電
流とを通電可能な平面コイルを敷設し、該平面コイルで
囲まれる上面中央部に反射鏡を設ける一方、半導体基板
の下面に下側絶縁基板を設け、半導体基板の上面には前
記反射鏡への外部からの入射光及び外部への反射光が通
過可能な上側絶縁基板を設け、前記トーションバーの軸
方向と平行な可動板の対辺の平面コイル部に磁界を作用
させる互いに対をなす永久磁石を前記上下絶縁基板に固
定する構成のプレーナー型ガルバノミラーであって、前
記下側絶縁基板側に、前記平面コイルと電磁結合可能で
前記可動板の変位を検出するための複数の検出コイルを
設け、これら検出コイルは、前記トーションバーに対し
て略対称位置に配置される構成とした。

【００１１】また、前記可動板が、第１のトーションバ
ーで半導体基板に対して軸支される枠状の外側可動板
と、前記第１のトーションバーと軸方向が直交する第２
のトーションバーで前記外側可動板の内側に軸支される
内側可動板とからなり、前記外側可動板の上面に第１の
平面コイルを設け、前記内側可動板の上面周縁部に第２
の平面コイルを設けると共に、当該第２の平面コイルで
囲まれた内側可動板中央部に前記反射鏡を設ける構成で
あり、前記検出コイルが、第１及び第２のトーションバ
ーに対してそれぞれ対称位置に配置される構成とすると
よい。

【００１２】また、上側絶縁基板が、透光性を有するガ
ラス基板で構成され、上下側絶縁基板と半導体基板とで
囲まれる可動板収納空間を密閉空間として真空状態とす
る構成とするとよい。また、前記上側絶縁基板が、透光
性を有するガラス基板で構成され、上下側絶縁基板と半
導体基板とで囲まれる可動板収納空間を密閉空間とし、
この密閉空間内に不活性ガスを封入する構成とするとよ
い。

【００１３】本発明のガルバノミラーの製造方法では、
半導体基板のトーションバー形成部分を除いて基板の下
面から上面に向けて異方性エッチングより貫通させて前
記トーションバー部分で半導体基板に揺動可能に軸支さ
れる可動板を形成する工程と、可動板上面周囲に電解め
っきにより平面コイルを形成する工程と、平面コイルで
囲まれた可動板中央部にアルミニウムの蒸着により反射
鏡を形成する工程と、下側絶縁基板の所定位置に検出コ
イルを形成する工程と、半導体基板の上下面に陽極接合
により下側絶縁基板と少なくとも可動板上方部分が光の
通過が可能な構造の上側絶縁基板とを固定する工程と、
トーションバー軸方向と平行な可動板の対辺に対応する
上側絶縁基板部分と下側絶縁基板部分に永久磁石を固定
する工程とからなることを特徴とする。

【００１４】

【作用】かかる構成によれば、半導体素子製造プロセス
を利用して半導体基板に反射鏡可動部を形成すると共
に、反射鏡可動部に設けた平面コイルと電磁結合する反
射鏡変位角検出用の検出コイルを下側絶縁基板に設け、
平面コイルに駆動電流に重畳して検出電流を通電する。
これにより、反射鏡の変位角変化に応じて平面コイルと
検出コイル間の相互インダクタンスが変化するので、こ
の変化を検出すれば反射鏡の変位角が検出できる。

【００１５】このようにすれば、検出コイルの巻数に応
じて相互インダクタンスの検出値が変化するので、反射
鏡の変位角の検出分解能に合わせて検出コイルの巻数を
設定すればよい。また、反射鏡側には何ら新たに付加す
るものはなく、従来のプレーナー型ガルバノミラーと同
じであるので、製造が容易である。また、可動板を反射
鏡と平面コイルを設けた内側可動板と平面コイルのみを
設けた外側可動板とに分割構成し、内側可動板を軸支す
るトーションバーと外側可動板を軸支するトーションバ
ーとを互いに直交するよう配置すると共に、各可動板の
平面コイルに対応させて検出コイルを所定位置に配置す
る構成とすれば、各可動板の変位角度の検出が可能であ
ると共に、レーザ光の偏光走査を２次元で行うことがで
きレーザ光等のスキャン領域を拡大できる。

【００１６】更に、可動板の収納空間を密閉して真空封
止するようにすれば、空気等による可動板の回動抵抗を
低減できるようになり、可動板の追従性を高めることが
できるようになる。また、密閉空間に不活性ガス（ヘリ
ウム、アルゴン等）を封入するようにすれば、可動板の
変位量を大きくするべく平面コイルに流す駆動電流を大
きくした場合に、平面コイルの発熱の影響を真空の場合
に比べて低減できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１及び図２に本発明に係るプレーナー型ガルバ
ノミラーの第１実施例を示す。これはトーションバーが
１軸の場合の例である。図１及び図２において、ガルバ
ノミラー１は、半導体基板であるシリコン基板２の上下
面に、それぞれ例えばホウケイ酸ガラス等からなる上側
及び下側絶縁基板としての平板状の上側及び下側ガラス
基板３，４を陽極接合した３層構造となっている。前記
上側ガラス基板３は、後述する可動板５上方部分を開放
するようシリコン基板２の図１の左右端に積層されてい
る。

【００１８】前記シリコン基板２には、平板状の可動板
５と、この可動板５の中心位置でシリコン基板２に対し
て基板上下方向に揺動可能に可動板５を軸支するトーシ
ョンバー６とが半導体製造プロセスにおける異方性エッ
チングによって一体形成されている。従って、可動板５
及びトーションバー６もシリコン基板２と同一材料から
なっている。前記可動板５の上面周縁部には、可動板５
駆動用の駆動電流と、この駆動電流に重畳する変位角検
出用の検出電流とを流すための銅薄膜からなる平面コイ
ル７が、絶縁被膜で覆われて設けられている。前記検出
電流は、下側ガラス基板４に後述するように設けられる
検出コイル12Ａ，12Ｂとの相互インダクタンスに基づい
て可動板５の変位を検出するためのものである。

【００１９】ここで、コイルは抵抗分によってジュール
熱損失があり抵抗の大きな薄膜コイルを平面コイル７と
して高密度に実装すると発熱により駆動力が制限される
ことから、本実施例では、従来公知の電解めっきによる
電鋳コイル法によって前記平面コイル７を形成してあ
る。電鋳コイル法は、基板上にスパッタで薄いニッケル
層を形成し、このニッケル層の上に銅電解めっきを行っ
て銅層を形成し、コイルに相当する部分を除いて銅層及
びニッケル層を除去することで、銅層とニッケル層から
なる薄膜の平面コイルを形成するもので、薄膜コイルを
低抵抗で高密度に実装できる特徴があり、マイクロ磁気
デバイスの小型化・薄型化に有効である。また、可動板
５の平面コイル７で囲まれる上面中央部には、反射鏡と
しての全反射ミラー８がアルミニウム蒸着により形成さ
れている。更に、シリコン基板２のトーションバー６の
側方上面には、平面コイル７とトーションバー６の部分
を介して電気的に接続する一対の電極端子９，９が設け
られており、この電極端子９，９は、シリコン基板２上
に電鋳コイル法により平面コイル７と同時形成される。

【００２０】上側及び下側ガラス基板３，４の図中左右
側には、前記トーションバー６の軸方向と平行な可動板
５の対辺の平面コイル７部分に磁界を作用させる互いに
対をなす円形状の永久磁石10Ａ，10Ｂと11Ａ，11Ｂが設
けられている。上下の互いに対をなす各３個づつの永久
磁石10Ａ，10Ｂは、上下の極性が同じとなるよう、例え
ば図２に示すように、下側がＮ極、上側がＳ極となるよ
う設けられる。また、他方の各３個づつの永久磁石11
Ａ，11Ｂも、上下の極性が同じとなるよう、例えば図２
に示すように、下側がＳ極、上側がＮ極となるよう設け
られている。そして、上側ガラス基板３側の永久磁石10
Ａと11Ａ及び下側ガラス基板４側の永久磁石10Ｂと11Ｂ
は、図２からも判るように、互いに上下の極性が反対と
なるように設けられる。

【００２１】また、前述したように、下側ガラス基板４
の下面には、平面コイル７と電磁結合可能に配置され各
端部がそれぞれ対をなす電極端子13，14に電気的に接続
された一対の検出コイル12Ａ，12Ｂがパターニングされ
て設けられている（尚、図１では、模式的に１本の破線
で示したが複数巻回してある）。検出コイル12Ａ，12Ｂ
は、トーションバー６に対して対称位置に配置されて可
動板５の変位角を検出するもので、平面コイル７に駆動
電流に重畳して流す検出電流に基づく平面コイル７と検
出コイル12Ａ，12Ｂとの相互インダクタンスが、可動板
５の角度変位により一方が接近して増加し他方が離間し
て減少するよう変化するので、例えば相互インダクタン
スに基づいて出力される電圧信号の変化を差動で検出す
ることより可動板５の変位角が検出できる。

【００２２】次に、第１実施例の動作について説明す
る。例えば、一方の電極端子９を＋極、他方の電極端子
９を−極として平面コイル７に電流を流す。可動板５の
両側では、永久磁石10Ａと10Ｂ、永久磁石11Ａと11Ｂに
よって、図３の矢印で示すような可動板５の平面に沿っ
て平面コイル７を横切るような方向に磁界が形成されて
おり、この磁界中の平面コイル７に電流が流れると、平
面コイル７の電流密度と磁束密度に応じて平面コイル
７、言い換えれば可動板５の両端に、電流・磁束密度・
力のフレミングの左手の法則に従った方向（図３の矢印
で示す）に磁気力Ｆが作用し、この力はローレンツ力か
ら求められる。

【００２３】この磁気力Ｆは、平面コイル７に流れる電
流密度をｉ、上下の永久磁石による磁束密度をＢとする
と、下記の（１）式で求められる。Ｆ＝ｉ×Ｂ・・・（１）実際には、平面コイル７の巻数ｎと、磁気力Ｆが働くコ
イル長ｗ（図３中に示す）により異なり、下記の（２）
式のようになる。

【００２４】Ｆ＝ｎｗ（ｉ×Ｂ）・・・（２）一方、可動板５が回動することによりトーションバー６
が捩じられ、これによって発生するトーションバー６の
ばね反力Ｆ′と可動板５の変位角φの関係は、下記の
（３）式のようになる。 φ＝（Ｍx ／ＧＩp ）＝（Ｆ′Ｌ／8.5 ×10⁹ｒ⁴）×ｌ₁・・・（３）ここで、Ｍx は捩りモーメント、Ｇは横弾性係数、Ｉp
は極断面二次モーメントである。また、Ｌ、ｌ₁、ｒ
は、それぞれ、トーションバーの中心軸から力点までの
距離、トーションバーの長さ、トーションバーの半径で
あり、図３に示してある。

【００２５】そして、前記磁気力Ｆとばね反力Ｆ′が釣
り合う位置まで可動板５が回動する。従って、（３）式
のＦ′に（２）式のＦを代入することにより、可動板５
の変位角φは平面コイル７に流れる電流ｉに比例するこ
とが判る。従って、平面コイル７に流す電流を制御する
ことにより、可動板５の変位角φを制御することができ
るので、例えば、トーションバー６の軸に対して垂直な
面内において全反射ミラー８に入射するレーザ光の反射
方向を自由に制御でき、全反射ミラー８を反復動作させ
て連続的にその変位角を変化させれば、レーザ光のスキ
ャニングができる。

【００２６】この全反射ミラー８の変位角φをに制御す
る際に、平面コイル７に、駆動電流に重畳して駆動電流
周波数（ミラー８の駆動周波数に関連する）に比べて少
なくとも１００倍以上の周波数で変位角検出用の検出電
流を流す。すると、この検出電流に基づいて、平面コイ
ル７と下側ガラス基板４に設けた検出コイル12Ａ，12Ｂ
との間の相互インダクタンスによる誘導電圧がそれぞれ
の検出コイル12Ａ，12Ｂに発生する。検出コイル12Ａ，
12Ｂに発生する各誘導電圧は、可動板５、言い換えれ
ば、全反射ミラー８が水平位置にある時には、検出コイ
ル12Ａ，12Ｂと対応する平面コイル７との距離が等しい
ことから等しくなりその差は零である。可動板５が前述
の駆動力でトーションバー６を支軸として回動すると、
一方の検出コイル12Ａ（又は12Ｂ）では接近して相互イ
ンダクタンスの増加により誘導電圧は増大し、他方の検
出コイル12Ｂ（又は12Ａ）では離間して相互インダクタ
ンスの減少により誘導電圧は低下する。従って、検出コ
イル12Ａ，12Ｂに発生する誘導電圧は全反射ミラー８の
変位に応じて変化し、この誘導電圧を検出することで、
全反射ミラー８の変位角φを検出することができる。

【００２７】そして、例えば、図４に示すように、検出
コイル12Ａ，12Ｂの他に２つの抵抗を設けて構成したブ
リッジ回路に電源を接続し、検出コイル12Ａと検出コイ
ル12Ｂとの中点と２つの抵抗の中点との電圧を入力とす
る差動増幅器を設けて構成した回路を用い、前記両中点
の電圧差に応じた差動増幅器の出力を、可動板の駆動系
にフィードバックし、駆動電流を制御するようにすれ
ば、全反射ミラー８の変位角φを精度良く制御すること
が可能である。

【００２８】ここで、例えば可動板の大きさを６ｍｍ×
６ｍｍ、検出コイルエリアを５ｍｍ×５ｍｍ、可動板と
検出コイル間の距離を２５０μｍとし、検出コイルの巻
数が１０ターンの時の一方の検出コイルの相互インダク
タンスを、相互インダクタンスのノイマンの公式を用い
て計算した結果を図５に示す。尚、図５は、可動板が水
平の時の変位角を０度とし、相反する方向にそれぞれ３
度づつ変位させた時の結果である。

【００２９】図５から、０度では0.222 μＨ、−３度で
0.202 μＨ、＋３度で0.247 μＨであり、±３度での相
互インダクタンスの差は0.045 μＨである。従って、ミ
ラーの最小分解能を0.1 度とすると0.75ｎＨを検出する
必要があり、相互インダクタンスの検出値は極めて小さ
い値となる。しかし、例えば検出コイルの巻数を２０タ
ーンとすれば、約４倍の３ｎＨが検出できればよい。こ
のことから、検出コイルの巻数を適当に設定すれば、十
分に精度良くミラーの変位角の検出が可能となる。

【００３０】次に、本発明のプレーナー型ガルバノミラ
ーの特性について説明する。まず、永久磁石による磁束
密度分布について説明する。図６は、第１実施例に使用
した円柱状の永久磁石の磁束密度分布計算モデルを示
し、永久磁石のＮ極とＳ極それぞれの表面を微小領域dy
に分割し、求める点の磁束を計算した。

【００３１】Ｎ極表面で形成される磁束密度をＢn 、Ｓ
極表面で形成される磁束密度をＢsとすると、これらは
円柱状の永久磁石による磁束密度分布の計算式から数
１、数２の各（４）、（５）式によって求めることがで
き、任意の点における磁束密度Ｂは、Ｂn とＢs を合成
したものになり、（６）式で示される。

【００３２】

【数１】

【００３３】

【数２】

【００３４】Ｂ＝Ｂn ＋Ｂs ・・・（６）ここで、数１、数２の各式において、Ｂr は永久磁石の
残留磁束密度、ｘ、ｙ、ｚは永久磁石の周りの空間の任
意の点を表す座標、ｌは永久磁石のＮ極面とＳ極面との
距離、ｄは各極面の半径である。例えば、半径１ｍｍ，
高さ１ｍｍ，残留磁束密度0.85ＴのＳｍ−Ｃｏ永久磁石
ＤＩＡＮＥＴＤＭ−１８（商品名、セイコー電子部品
製）を用いて、図７に示すように配置した永久磁石の表
面に垂直な面ａの磁束密度分布を計算した結果を図８に
示す。図７のように配置した場合には、磁石間の空間
は、略0.3 Ｔ以上の磁束密度となっている。

【００３５】次に、可動板の変位量について説明する。
例えば、可動板に形成する平面コイルの幅を１００μ
ｍ、巻数を１４、可動板の厚さを２０μｍとし、トーシ
ョンバーの半径を２５μｍ，長さを１ｍｍ、可動板の幅
を４ｍｍ、長さを５ｍｍとして、（２）式と（３）式か
ら求めた。尚、磁束密度は、前述の磁束密度分布計算で
得られた0.3 Ｔを使用した。

【００３６】その結果、図９の（Ａ）及び（Ｂ）図から
電流1.5 ｍＡで２度の変位角が得られることがわかる。
尚、（Ｃ）は電流と発生する熱量Ｑとの関係を示すもの
で、この時の単位面積当たりの発生熱量は１３μワット
／cm²となった。次に、発熱量と放熱の関係について説
明する。発熱量はコイルの抵抗で発生するジュール熱で
あり、従って、単位時間当たりに発生する熱量Ｑは下記
の（７）式によって表される。

【００３７】Ｑ＝ｉ²Ｒ・・・（７）ここで、ｉはコイルに流れる電流、Ｒはコイルの抵抗で
ある。発熱量対流による放熱量Ｑc は下記の（８）式で
表される。Ｑc ＝ｈＳΔＴ・・・（８）ここで、ｈは熱伝達係数（空気は５×１０^-3〜５×１０
^-2〔ワット／cm²℃〕）、Ｓは素子の表面積、ΔＴは素
子表面と空気との温度差である。

【００３８】発熱部となる可動板の面積を２０ｍｍ
²（４×５）とすると、（８）式は、Ｑc ＝1.0 ΔＴ〔ｍワット／℃〕・・・（８）′ となり、数十μワット／cm²程度の発熱量ならば素子の
温度上昇の問題は無視できることがわかる。尚、参考ま
で、輻射による放熱量Ｑr は下記の（９）式で表され
る。

【００３９】Ｑr ＝εＳσＴ⁴・・・（９）ここで、εは輻射率（黒体はε＝１Ｄ一般にε＜
１）、Ｓは素子の表面積、σはステファンボルツマン定
数（π²k⁴/60h³c²）、Ｔは素子の表面温度である。ま
た、トーションバーからの伝導による放熱量Ｑa は下記
の（10）式で表される。

【００４０】Ｑa ＝２λ（Ｓ／ｌ₁）ΔＴ・・・（10）ここで、λは熱伝導率（シリコンは８４ワット／ｍ
Ｋ）、Ｓはトーションバーの断面積、ｌ₁はトーション
バーの長さ、ΔＴはトーションバーの両端の温度差であ
る。トーションバーの半径を２５μｍ、長さを１ｍｍと
すると（10）式は、Ｑa ＝0.1 ΔＴ〔ｍワット／℃〕・・・（10）′ となる。

【００４１】次にトーションバーの可動板自重による撓
みと、電磁力による可動板の撓みについて説明する。図
１０にこれらの計算モデルを示す。トーションバーの長
さをｌ₁、トーションバーの幅をｂ、可動板の重さを
ｆ、可動板の厚さをｔ、可動板の幅をＷ、可動板の長さ
をＬ₁とすると、トーションバーの撓み量ΔＹは、片持
ち梁の撓み量の計算方法を用いて、下記の（11）式のよ
うになる。

【００４２】 ΔＹ＝（１／２）（４ｌ₁ ³ｆ／Ｅｂｔ³）・・・（11）ここで、Ｅはシリコンのヤング率である。また、可動板
の重さｆは下記の（12）式で表される。ｆ＝ＷＬ₁ｔρｇ・・・（12）ここで、ρは可動板の体積密度、ｇは重力加速度であ
る。

【００４３】また、可動板の撓み量ΔＸは、同じく片持
ち梁の撓み量の計算方法を用いて、下記の（13）式のよ
うになる。 ΔＸ＝４（Ｌ₁/２)³Ｆ／ＥＷｔ³ ・・・（13）ここで、Ｆは可動板の端に作用する磁気力である。そし
て、前記磁気力Ｆは（２）式のコイル長ｗを可動板の長
さＷと見做して求めた。

【００４４】これら、トーションバーの撓み量と可動板
の撓み量の計算結果を表１に示す。尚、可動板の撓み量
は、磁気力Ｆを３０μＮとして計算したものである。

【００４５】

【表１】

【００４６】上記の表１から明らかなように、幅５０μ
ｍ、長さ1.0 ｍｍのトーションバーの場合、幅６ｍｍ、
長さ１３ｍｍ、厚さ５０μｍの可動板による撓み量ΔＹ
は、0.178 μｍであり、可動板の厚さを倍の１００μｍ
としても、撓み量ΔＹは、0.356 μｍである。また、幅
６ｍｍ、長さ１３ｍｍ、厚さ５０μｍの可動板の場合、
磁気力による撓み量ΔＸは、0.125 μｍであり、可動板
両端の変位量を２００μｍ程度とすれば、プレーナー型
ガルバノミラーの特性には何ら影響はない。

【００４７】次に、変位角を検出するために平面コイル
に流す変位角検出電流の全反射ミラーの変位に与える影
響について説明する。モーメントＭ（ｔ）＝Ｍ cosωt
が作用し、減衰系がある場合のねじり振動の方程式は以
下のようになる。 (d²φ/dt²) ＋２γ(dφ/dt)＋ω₀ ²φ＝（Ｍ／Ｊ） cosωt ・・（14）ただし、２γ＝ｃ／Ｊである。ここで、φ：変位角、
Ｊ：慣性モーメント、ｃ：減衰係数、ω₀：固有振動数
である。

【００４８】尚、前記固有振動数ω₀は、 ω₀＝（ｋ／Ｊ）^1/2 ・・・（15）と表され、ここで、ｋはバネ定数であり、以下のように
表される。ｋ＝（Ｇ・Ｉp ）／ｌ₁・・・（16）Ｇ、Ｉp は、前述した横弾性係数、極断面二次モーメン
トであり、ｌ₁はトーションバーの長さである。

【００４９】（15）式と（16）式から、 ω₀＝（Ｇ・Ｉp ／Ｊ・ｌ₁）^1/2 ・・・（17）となる。一方、慣性モーメントＪ、極断面二次モーメン
トＩp は次式で表される。Ｊ＝〔Ｍ（ｔ²＋Ｌ₁ ²）〕／１２・・・（18）Ｉp ＝πｒ⁴／３２・・・（19）Ｍは可動板の質量、ｔは可動板の厚さ、Ｌ₁ は可動板の
長さ、ｒはトーションバーの半径である。

【００５０】従って、（17）〜（19）式から前記固有振
動数ω₀が算出できる。（14）式から、振幅、即ち可動
板の変位角の大きさをＡとすると、Ａ＝（Ｍ／Ｊ）〔１／｛( ω₀ ²−ω²)²＋4 γ²ω²｝^1/2〕・・（20）が求められる。ここで、検出に用いる周波数ω_sをｎω
₀、ミラーを駆動する周波数ω_dを(1/n) ω₀（ｎ：
（検出電流周波数／駆動電流周波数）＞１）とすると、
それぞれの変位角の大きさＡs 、Ａd の比をとると次の
数３のようになる。

【００５１】

【数３】

【００５２】この結果から、変位角検出に用いる周波数
の電流によるミラーに与える影響は減衰にかかわりなく
駆動周波数電流による変位の１／ｎ²となることがわか
る。従って、例えば検出電流周波数を駆動電流周波数の
１００倍以上、即ちｎ＝１００以上とすれば、Ａs ／Ａ
d は１／１００００以下となり、平面コイルに、駆動電
流に重畳させて検出電流を流したとしても、ミラーの駆
動に殆ど影響を及ぼすことなくミラーの変位検出ができ
る。

【００５３】更に、駆動に固有振動数を使用した場合に
ついて検討してみる。検出に用いる周波数ω_sをｎ²ω
₀、ミラーを駆動する周波数ω_dをω₀とすると、それ
ぞれの変位角の大きさＡs 、Ａd の比をとると次の数４
のようになる。

【００５４】

【数４】

【００５５】ここで、数４の式の平方根の中をＹとおい
て、Ｙとγとの関係を求めると、数５のようになる。

【００５６】

【数５】

【００５７】かかる数５におけるＹとγとの関係を図示
すると図１１のようになる。図１１からγ＞０の範囲で
は、０から１／ｎ⁴に単調増加していることがわかる。
これは、変位角の大きさＡs 、Ａd の比（＝Ａs ／Ａd
）が１／ｎ²より小さいことを示している。このよう
に、駆動周波数を固有振動数とすると、以下の２つの特
徴があることがわかる。１つは駆動周波数が固有振動数
より小さい場合と比較して変位角検出周波数電流がミラ
ーに与える影響は小さいと言える。更に、減衰がない場
合には変位角検出周波数電流がミラーに与える影響は零
となることがわかる。

【００５８】以上説明したように、かかるプレーナー型
ガルバノミラー１では、コイルの発熱による影響も無視
でき、また、可動板５の揺動特性も何ら問題はなく、従
来と同様の機能を発揮できることが判る。そして、半導
体素子の製造プロセスを利用することによって、超小型
で薄型のガルバノミラーとすることができる。このた
め、ガルバノミラーによるレーザ光のスキャニングシス
テムの小型化を図ることができ、延いては、このスキャ
ニングシステムを利用するレーザ応用機器の小型化が図
れる。また、半導体素子の製造プロセスで製造すること
で、大量生産が可能となる。そして、平面コイル７に駆
動電流に重畳して所定周波数の検出電流を流すと共に、
下側ガラス基板４に平面コイル７と電磁結合させて一対
の検出コイル12Ａ，12Ｂを配置し、可動板５の変位に応
じた平面コイル７と検出コイル12Ａ，12Ｂとの間の相互
インダクタンス変化を検出することで、可動板５、即
ち、全反射ミラー８の変位角を検出するようにしたの
で、ミラーの変位角の検出を精度よく検出でき、変位角
の制御精度を向上させることが可能である。また、可動
板５側に新たな構成を付加することなく、下側ガラス基
板４側に検出コイル12Ａ，12Ｂを設けるだけでよく可動
板５側の構成を変更する必要はないので、ミラーの変位
角検出機能を容易に付加することができ、製造が容易で
ある。

【００５９】次に上記第１実施例のガルバノミラーの製
造工程を、図１２〜図１４を参照しながら説明する。厚
さ300 μｍのシリコン基板101 の上下面を熱酸化して酸
化膜（１μｍ）102を形成する（ａ工程）。次に、裏面
側にホトリソグラフにより貫通穴のパターンを形成し、
貫通穴部分の酸化膜をエッチング除去し（ｂ工程）、更
に、可動板形成部の酸化膜を厚さ0.5 μｍまで除去する
（工程ｃ）。

【００６０】次に、表面側にワックス層103 を設けた
後、貫通穴部分に異方性エッチングを100 μｍ行う（工
程ｄ）。裏面側の可動板部分の薄い酸化膜を除去し（工
程ｅ）、貫通穴と可動板部分に異方性エッチングを100
μｍ行う（工程ｆ）。表面側のワックス層103 を除去
し、表面側の酸化膜102 上に、従来公知の電鋳コイル法
によって平面コイル、電極端子部（図示せず）を形成
し、また、アルミニウムの蒸着によって全反射ミラーを
形成する（工程ｇ）。電鋳コイル法は、シリコン基板10
1 の表面側にニッケルのスパッタを行ってニッケル層を
形成し、銅電解めっきを行って銅層を形成する。次にポ
ジ型のレジストで平面コイル及び電極端子に相当する部
分をマスクし、銅エッチング、ニッケルエッチングを順
次行い、エッチング後、レジストを除去し、更に、銅電
解めっきを行ってニッケル層の全周を銅で覆い平面コイ
ル及び電極端子に相当する銅層を形成する。次に、銅層
を除いた部分にネガ型のメッキレジストを塗布した後、
銅電解めっきを行って銅層を厚くして、平面コイル及び
電極端子を形成する。そして、平面コイル部分を例えば
感光性ポリイミド等の絶縁層で覆う。平面コイルを２層
にする場合は、再度ニッケルのスパッタ工程から絶縁層
形成までの工程を繰り返し行えばよい。

【００６１】次に、表面側にワックス層103 ′を設けた
後、貫通穴及び可動板部分に異方性エッチングを100 μ
ｍ行い、貫通穴部分を貫通させ、可動板部分を除いてワ
ックス層103 ′を除去する。この際に、上下の酸化膜10
2 も除去する。これにより、可動板５とトーションバー
（図示せず）が形成され、図１のシリコン基板２が形成
される（工程ｈ，ｉ）。

【００６２】次に、可動板部分のワックス層を除去した
後、シリコン基板２の上下面に上側ガラス基板３と検出
コイル12Ａ，12Ｂ（図示せず）を備えた下側ガラス基板
４とをそれぞれ陽極接合によって結合する（工程ｊ，
ｋ）。尚、この陽極接合する以前に、下側ガラス基板４
の接合面とは反対側の所定位置に、検出コイル12Ａ，12
Ｂを予め形成しておく。この検出コイルは、下側ガラス
基板４の形成面に全体にニッケル或いは銅等の導電性の
良好な金属をスパッタして金属層を形成し、検出コイル
に相当する部分をマスクしてその他の金属をエッチング
して除去することで形成する。

【００６３】次に、上下のガラス基板３，４の所定位置
に永久磁石１０Ａ，１０Ｂと１１Ａ，１１Ｂを取付ける
（工程ｌ）。このように、半導体の製造プロセスを利用
して製造することで、相互インダクタンスを利用したミ
ラーの変位検出機能を備えたプレーナー型ガルバノミラ
ーの大量生産が可能となる。

【００６４】次に、本発明に係るプレーナー型ガルバノ
ミラーの第２実施例を図１５に示し説明する。前述した
第１実施例のガルバノミラーでは、レーザ光等を１次元
でスキャンするものであるが、この第２実施例は、レー
ザ光等を１次元でスキャンする場合に比べてそのスキャ
ン領域を拡大するため、２次元でスキャンできるように
トーションバーを互いに直交させて２つ設けた２軸のガ
ルバノミラーの例である。尚、第１実施例と同一の要素
には同一符号を付してある。

【００６５】図１５において、第２実施例のガルバノミ
ラー21は、半導体基板であるシリコン基板２の上下面
に、それぞれホウケイ酸ガラス等からなる上側及び下側
絶縁基板としての上側及び下側ガラス基板３，４を、矢
印で示すように重ねて陽極接合した３層構造とする。上
側及び下側ガラス基板３，４は、図に示すように、それ
ぞれ中央部に例えば超音波加工によって形成した方形状
の溝３Ａ，４Ａを設けた構造であり、シリコン基板２に
陽極接合する場合、上側ガラス基板３では、溝３Ａを下
側にしてシリコン基板２側に位置するようにして接合
し、下側ガラス基板４では、溝４Ａを上側にして同じく
シリコン基板２側に位置するようにして接合する。これ
により、後述する全反射ミラー８を設ける可動板５の揺
動空間を確保すると共に密閉する構成としている。

【００６６】前記シリコン基板２には、枠状に形成され
た外側可動板５Ａと、該外側可動板５Ａの内側に軸支さ
れる内側可動板５Ｂとからなる平板状の可動板５が設け
られている。前記外側可動板５Ａは、第１のトーション
バー６Ａ，６Ａによってシリコン基板２に軸支され、前
記内側可動板５Ｂは、前記第１のトーションバー６Ａ，
６Ａとは軸方向が直交する第２のトーションバー６Ｂ，
６Ｂで外側可動板５Ａの内側に軸支されている。可動板
５と第１及び第２の各トーションバー６Ａ，６Ｂは、シ
リコン基板２に異方性エッチングにより一体形成されて
おり、シリコン基板と同一材料からなっている。

【００６７】また、外側可動板５Ａの上面には、シリコ
ン基板２上面に形成した一対の外側電極端子９Ａ，９Ａ
に一方の第１のトーションバー６Ａの部分を介して両端
がそれぞれ電気的に接続する平面コイル７Ａ（図では模
式的に１本線で示すが可動板上では複数の巻数となって
いる）が絶縁層で被覆されて設けられている。また、内
側可動板５Ｂの上面には、シリコン基板２に形成された
一対の内側電極端子９Ｂ，９Ｂに、一方の第２のトーシ
ョンバー６Ｂから外側可動板５Ａ部分を通り、第１のト
ーションバー６Ａの他方側を介してそれぞれ電気的に接
続する平面コイル７Ｂ（図では模式的に１本線で示すが
外側可動板と同様に可動板上では複数の巻数となってい
る）が絶縁層で被覆されて設けられている。これら平面
コイル７Ａ，７Ｂは第１実施例と同様に、上述した従来
公知の電解めっきによる電鋳コイル法によって形成して
ある。尚、前記外側及び内側電極端子９Ａ，９Ｂは、シ
リコン基板２上に電鋳コイル法により平面コイル７Ａ，
７Ｂと同時形成される。平面コイル７Ｂで囲まれた内側
可動板５Ｂの中央部には、アルミニウム蒸着等による反
射鏡としての全反射ミラー８が形成されている。

【００６８】上側及び下側ガラス基板３，４には、２個
づつ対となったそれぞれ８個づつ円板状の永久磁石10Ａ
〜13Ａ，10Ｂ〜13Ｂが、図示のように配置されている。
上側ガラス基板３の互いに向かい合う永久磁石10Ａ，11
Ａは、下側ガラス基板４の永久磁石10Ｂ，11Ｂとで外側
可動板５Ａの平面コイル７Ａに磁界を作用して平面コイ
ル７Ａに流す駆動電流との相互作用によって外側可動板
５Ａを回動駆動させるためのものであり、また、上側ガ
ラス基板３の互いに向かい合う永久磁石12Ａと13Ａは、
下側ガラス基板４の永久磁石12Ｂ，13Ｂとで内側可動板
５Ｂの平面コイル７Ｂに磁界を作用して平面コイル７Ｂ
に流す駆動電流との相互作用によって内側可動板５Ｂを
回動駆動させるためのものである。そして、互いに向き
合った永久磁石10Ａと11Ａは上下の極性が互いに反対、
例えば永久磁石10Ａの上面がＳ極の時は永久磁石11Ａの
上面はＮ極となるように設けられ、しかも、その磁束が
可動板５の平面コイル部分に対して平行に横切るよう配
置されている。その他の互いに向き合っている永久磁石
12Ａと13Ａ、永久磁石10Ｂと11Ｂ及び永久磁石12Ｂと13
Ｂも同様である。更に、上下方向で対応する永久磁石10
Ａと10Ｂとの間の関係は、上下の極性は同じ、例えば永
久磁石10Ａの上面がＳ極の時は永久磁石10Ｂの上面もＳ
極となるように設ける。その他の上下で対応している永
久磁石11Ａと11Ｂ、永久磁石12Ａと12Ｂ及び永久磁石13
Ａと13Ｂも同様であり、これにより、可動体５の両端部
で互いに相反する方向に磁気力が作用するようになる。

【００６９】そして、下側ガラス基板４の下面には、前
述した平面コイル７Ａ，７Ｂとそれぞれ電磁結合可能に
配置された検出コイル15Ａ，15Ｂと16Ａ，16Ｂがパター
ニングされて設けられている。検出コイル15Ａ，15Ｂ
は、第１のトーションバー６Ａに対して対称位置に設け
られ、検出コイル16Ａ，16Ｂは第２のトーションバー６
Ｂに対して対称位置に設けられそれぞれ対をなしてい
る。そして、一対の検出コイル15Ａ，15Ｂは、外側可動
板５Ａの変位角を検出するもので、平面コイル７Ａに駆
動電流に重畳して流す検出電流に基づく平面コイル７Ａ
と検出コイル15Ａ，15Ｂとの相互インダクタンスが、外
側可動板５Ａの角度変位により変化し、この変化に応じ
た電気信号を出力する。この電気信号によって外側可動
板５Ａの変位角が検出できる。一対の検出コイル16Ａ，
16Ｂは同様にして内側可動板５Ｂの変位角を検出するも
のである。

【００７０】次に動作を説明する。外側可動板５Ａの平
面コイル７Ａに電流を流せば、第１のトーションバー６
Ａ，６Ａを支点として外側可動板５Ａが電流方向に応じ
て回動し、この際に内側可動板５Ｂも外側可動板５Ａと
一体に回動する。この場合、全反射ミラー８は、第１実
施例と同様の動きとなる。一方、内側可動板５Ｂの平面
コイル７Ｂに電流を流せば、外側可動板５Ａの回動方向
と直角方向に、外側可動板５Ａに対して内側可動板５Ｂ
が第２のトーションバー６Ｂ，６Ｂを支点として回動す
る。

【００７１】従って、例えば、平面コイル７Ａの駆動電
流を制御して、外側可動板５Ａを１周期回動操作した
後、平面コイル７Ｂの駆動電流を制御し内側可動板５Ｂ
を一定角度変位させるようにし、この操作を周期的に繰
り返せば、全反射ミラー８に入射し反射するレーザ光の
偏光走査を２次元的に行える。尚、第２実施例のよう
に、全反射ミラー８の上方にガラスが存在する場合に
は、レーザ光の通過するガラス面に反射防止膜等を被覆
しておくと良い。

【００７２】一方、平面コイル７Ａ及び平面コイル７Ｂ
に流す各駆動電流に重畳させて、検出電流を流せば、検
出コイル15Ａ，15Ｂと平面コイル７Ａ間及び検出コイル
16Ａ，16Ｂと平面コイル７Ｂ間の相互インダクタンスに
より第１実施例と同様の原理で、外側可動板５Ａの変位
は例えば図４と同様の回路を介して検出コイル15Ａ，15
Ｂの差動出力によって検出することができ、内側可動板
５Ｂの変位は検出コイル16Ａ，16Ｂの差動出力によって
検出することができ、この差動出力を外側可動板５Ａ及
び内側可動板５Ｂの各駆動系にフィードバックさせれ
ば、外側可動板５Ａ及び内側可動板５Ｂの変位を精度よ
く制御することが可能となる。尚、言うまでもないが、
本実施例の２軸のガルバノミラーの場合は、図４と同様
の回路を、外側可動板変位検出用と内側可動板変位検出
用として２つ設けるものである。

【００７３】かかる第２実施例の構成のガルバノミラー
21によれば、第１実施例と同様の効果に加えて、全反射
ミラー８でレーザ光の偏光走査が２次元的に行え、レー
ザ光のスキャニングの自由度が増大し、スキャニングの
領域を第１実施例の１軸の場合に比べて増大させること
ができる。また、可動板５の揺動空間を、上下のガラス
基板３，４と周囲のシリコン基板２とによって密閉する
ので、この密閉空間を真空状態とすることにより、可動
板５の回動動作に対する空気抵抗がなくなり、可動板５
の応答性が向上するという効果を有する。

【００７４】更に、平面コイル７に流す駆動電流を大き
くして可動板５の変位量を大きく設定する場合には、密
閉した可動板揺動空間内を真空とせず、ヘリウム，アル
ゴン等の不活性ガスを封入するのが望ましく、特に熱伝
導性の良いヘリウムが好ましい。これは、平面コイル７
に流す電流量を大きくすると平面コイル７からの発熱量
が多くなり、可動板周囲が真空状態では可動板からの放
熱が悪くなるので、不活性ガスを封入することによって
可動板５からの放熱性を真空状態に比べて高め熱影響を
低減させることができる。尚、不活性ガスを封入するこ
とで、可動板５の応答性に関しては、真空状態に比べて
多少低下することになる。

【００７５】尚、前述の第１実施例の上下のガラス基板
を、この第２実施例と同様の溝を設ける構造として可動
板部分を密閉構造としてもよいことは言うまでもない。
次に、上記第２実施例のガルバノミラーの製造工程につ
いて図１６〜図２０を参照して説明する。厚さが例えば
200 μｍ程度のシリコン基板201 の上下面を熱酸化して
酸化膜（0.5 μｍ）202 を形成し、表面側にホトリソグ
ラフにより所定の貫通穴パターンを形成し、貫通穴部分
の酸化膜をエッチング除去する（ａ工程）。

【００７６】次に、表面を熱酸化して貫通穴部分に薄い
酸化膜（0.1 μｍ）202 ′を形成し、裏面側に、表面側
と対応する位置にホトリソグラフにより貫通穴のパター
ンを形成する（ｂ工程）。次に、裏面側の貫通穴部分に
異方性エッチングを170 μｍ行う（工程ｃ）。次に、表
面側にニッケルのスパッタを行ってニッケル層を形成
し、次いで銅のスパッタを行い銅層を形成し、ポジ型の
レジストで内側可動板の平面コイルと外側可動板の平面
コイルとを互いに接触させずに交差させて電極端子に接
続させるための交差部に相当する部分及び可動板５の側
方のシリコン基板上の電極端子に相当する部分をマスク
し、銅エッチング、ニッケルエッチングを順次行う。こ
れにより、シリコン基板表面にニッケル層と銅層からな
る前記交差部203 及び電極端子部204 を形成する（工程
ｄ）。

【００７７】次に、交差部203 の両端部及び電極端子部
204 の部分を除いてマスクし、感光性ポリイミド等の絶
縁層205 を形成する（工程ｅ）。次に、電鋳コイル法に
よって外側可動板と内側可動板の平面コイルを形成す
る。即ち、絶縁層205 上にニッケルのスパッタを行って
ニッケル層を形成し、銅電解めっきを行って銅層を形成
する。次にポジ型のレジストで平面コイル、電極端子や
コイルと端子間の接続部分に相当する部分をマスクし、
銅エッチング、ニッケルエッチングを順次行い、エッチ
ング後、レジストを除去し、更に、銅電解めっきを行っ
てニッケル層の全周を銅で覆い外側と内側の各平面コイ
ルに相当する銅層206 ，207 を形成する。この工程によ
って、平面コイル部分の形成と共に工程ｄで形成した電
極端子部204 及び交差部204 を厚くする（工程ｆ）。

【００７８】次に、工程ｅと同様にして絶縁層205 を形
成する（工程ｇ）。尚、本実施例では、各平面コイルを
２層に形成するため、工程ｇの絶縁層形成時には、内外
両方の上下のコイルを接続するターミナル部分208 ，20
9 をマスクして絶縁層が形成されないようにしている。
次に、工程ｆと同様にして上層側の平面コイルに相当す
る銅層210 ，211 を形成し、更に、絶縁層205 を形成す
る。これにより、絶縁層によって絶縁被覆された平面コ
イル７Ａ，７Ｂが形成される（工程ｈ，ｉ）。

【００７９】次に、ＳｉＯ₂をスパッタして酸化膜を形
成し、裏面側から異方性エッチングを行って、シリコン
基板201 を貫通させる。これにより、各トーションバー
部分と内外可動板部分が形成される（工程ｊ，ｋ）。次
に、表面側のＳｉＯ₂をエッチングして除去した後、全
反射ミラー部分を除いてマスクし、アルミニウムの蒸着
によって全反射ミラー８を形成する（工程ｌ）。

【００８０】以上により、可動板部分が形成される。一
方、下側ガラス基板側に形成する検出コイルは、図２０
のようにして形成される。まず、下側ガラス基板４に、
例えば超音波加工等によって、可動板の収納空間を確保
するための方形状の溝４Ａを形成する（工程ａ）。

【００８１】次に、下側ガラス基板４の平坦面側に、ニ
ッケル或いは銅等の導電性の良好な金属をスパッタリン
グして金属層220 を形成する（工程ｂ）。次に、検出コ
イル及び電極端子を形成する部分をマスクし、その他の
金属層部分をエッチングして除去する。これにより、検
出コイルが所定位置に検出コイルが形成される。尚、上
側ガラス基板３の溝３Ａも、下側ガラス基板４と同様に
超音波加工によって形成する。

【００８２】このようにして形成した上側ガラス基板３
と下側ガラス基板４を、シリコン基板２の上下面にそれ
ぞれ陽極接合によって結合し、更に、上下のガラス基板
３，４の所定位置に各永久磁石10Ａ〜13Ａと10Ｂ〜13Ｂ
を取付ける。このように、半導体の製造プロセスを利用
して製造することで、ミラーの変位検出機能を備えた２
軸のプレーナー型ガルバノミラーの製造も容易であり、
大量生産が可能となる。

【００８３】次に、本発明に係るガルバノミラーの第３
実施例について図２１〜図２３に示し説明する。この第
３実施例は、第２実施例と同様の２軸の例である。尚、
第２実施例と同一要素には同一符号を付して説明を省略
する。図２１〜２３において、本実施例の２軸のガルバ
ノミラー31は、前述した第２実施例と略同様の構成であ
るが、本実施例では、上下のガラス基板３，４が、第２
実施例のものとは異なり、溝３Ａ，４Ａのない平板状に
なっている。そして、上側ガラス基板３には、可動板５
上方部分に可動板５の形状に応じて角状の開口部３ａを
設け、全反射ミラー上方の部分を開放状態としてレーザ
光が直接全反射ミラー８に入射できるようにしてある。
そして、上下のガラス基板３，４が平板状としてあるた
め、中間のシリコン基板２を上下に別のシリコン基板を
積層して３層構造とし、中間層に可動板５を形成するこ
とで可動板５の回動スペースを確保するようにしてあ
る。

【００８４】また、図２１に破線で示すように、下側ガ
ラス基板４の下面に、外側可動板５Ａの変位検出用の検
出コイル15Ａ，15Ｂ及び内側可動板５Ｂの変位検出用の
検出コイル16Ａ，16Ｂが、対応する平面コイル７Ａ，７
Ｂと電磁結合可能な位置にパターニングされて設けられ
ている。かかる構成の第３実施例のプレーナー型ガルバ
ノミラーの動作は、第２実施例と同様であり、説明を省
略する。また、製造工程としては、シリコン基板２に可
動板５及びトーションバー６Ａ，６Ｂの部分を一体形成
する工程までは、第２実施例で説明した図１６〜１９に
示した工程と同様である。そして、第３実施例の場合で
は、その後、可動板に対応する位置に開口部を形成した
上下シリコン基板を積層して３層構造とし、更に、上下
のガラス基板３，４を陽極接合によってシリコン基板２
の上下に結合し、上下のガラス基板３，４の所定位置に
永久磁石を取付けるようにする。

【００８５】以上説明した第３実施例のガルバノミラー
では、第１実施例のガルバノミラーの効果に加えて、第
２実施例と同様にレーザ光の偏光走査が２次元で行え、
レーザ光のスキャニング領域が増大できるという効果を
有する。

【００８６】

【発明の効果】以上説明したように本発明のガルバノミ
ラーによれば、半導体基板に、可動板、この可動板を揺
動可能に軸支するトーションバー、平面コイル及び反射
鏡を形成し、半導体基板の上下の絶縁基板に永久磁石を
設ける構成とすると共に、前記平面コイルと電磁結合可
能に半導体基板に結合する下側絶縁基板側に検出コイル
を設け、平面コイルに反射鏡駆動用電流に重畳して反射
鏡変位検出用の検出電流を流すようにし、平面コイルと
検出コイルの反射鏡変位に伴う相互インダクタンス変化
を利用して反射鏡の変位角を検出するする構成としたの
で、ガルバノミラーを半導体素子の製造技術を用いて形
成でき、ガルバノミラーを極めて薄型化及び小型化で
き、ガルバノミラーを用いた光のスキャニングシステム
の小型化を図ることが可能となり、延いては、レーザ光
応用機器の小型化を達成できるという効果に加え、この
ようなプレーナー型ガルバノミラーのミラー変位角を精
度良く検出することができ、変位角の制御精度を向上で
きる。また、可動板側に新たな構成を付加することな
く、下側ガラス基板側に検出コイルを設けるだけでよい
ので、可動板側の構成を変更する必要はなくミラーの変
位角検出機能を容易に付加でき、従来の変位角検出機能
を付与する場合に比べて製造が容易となる。

【００８７】また、反射鏡の支軸を、互いに直交する２
軸構造とすれば、反射鏡による光の偏光走査を２次元で
行え、光のスキャニング自由度を増大でき、スキャニン
グ領域を増大できるという効果を奏する。また、可動板
の揺動空間を密閉空間として真空封止する構成とすれ
ば、可動板の動きに対する空気抵抗をなくすことがで
き、可動板の応答性を向上できるという効果を有する。
また、可動板の変位量を大きくすべく平面コイルに大き
な駆動電流を流す場合には、密閉空間内に不活性ガスを
封入することで、平面コイルの発熱の影響を、真空状態
に比べて抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガルバノミラーの第１実施例を示
す構成図

【図２】図１のＡ−Ａ線矢視断面図

【図３】同上第１実施例のガルバノミラーの動作原理を
説明する図

【図４】同上第１実施例の検出コイル出力に基づく変位
検出回路の一例を示す回路図

【図５】相互インダクタンスと変位角との関係の計算結
果の例を示す図

【図６】永久磁石による磁束密度分布の計算モデル図

【図７】計算した磁束密度分布位置を示す図

【図８】図７に示す位置の磁束密度分布の計算結果を示
す図

【図９】可動板の変位量と電流量との計算結果を示すグ
ラフ

【図１０】トーションバー及び可動板の撓み量の計算モ
デル図

【図１１】変位角検出電流のミラー変位に与える影響を
説明するための図

【図１２】同上第１実施例の製造工程の説明図

【図１３】図１２に続く製造工程の説明図

【図１４】図１３に続く製造工程の説明図

【図１５】本発明に係るガルバノミラーの第２実施例の
構成を示す斜視図

【図１６】同上第２実施例の製造工程の説明図

【図１７】図１６に続く製造工程の説明図

【図１８】図１７に続く製造工程の説明図

【図１９】図１８に続く製造工程の説明図

【図２０】同上第２実施例の下側ガラス基板の製造工程
の説明図

【図２１】本発明に係るガルバノミラーの第３実施例の
構成を示す平面図

【図２２】図２１のＢ−Ｂ線矢視断面図

【図２３】図２１のＣ−Ｃ線矢視断面図

【図２４】光式変位角検出の例を示す図

【図２５】静電容量式変位角検出の例を示す図

【符号の説明】

１，21，31，ガルバノミラー２シリコン基板３上側ガラス基板４下側ガラス基板５可動板６トーションバー７平面コイル８全反射ミラー 10Ａ〜13Ａ，10Ｂ〜13Ｂ，永久磁石 12Ａ，12Ｂ，15Ａ，15Ｂ，16Ａ，16Ｂ検出コイル

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年４月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ガルバノミ
ラーでは、オープンループでミラーの変位角を制御する
のが一般的であるが、ミラーの変位角を検出し、その検
出信号をミラーの駆動系にフィードバックすることでミ
ラーの変位角を高精度に制御することができる。そし
て、上述のようなプレーナー型ガルバノミラーにおける
ミラーの変位角検出方法としては、図２４に示すような
光式と図２５に示すような静電容量式等が考えられる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため本発明のプレー
ナー型ガルバノミラーでは、半導体基板に、平板状の可
動板と該可動板を半導体基板に対して揺動可能に軸支す
るトーションバーとを一体形成し、前記可動板の周縁部
に可動板駆動用電流と変位検出用電流とを通電可能な平
面コイルを敷設し、前記可動板の中央部に反射鏡を設け
る一方、前記トーションバーの軸方向と平行な可動板の
対辺の平面コイル部に静磁界を与える磁界発生手段を備
える構成のプレーナー型ガルバノミラーであって、可動
板揺動方向に、前記平面コイルと電磁結合可能で前記可
動板の変位を検出するための複数の検出コイルを設け、
これら検出コイルは、前記トーションバーに対して略対
称位置に配置され、前記平面コイルに可動板駆動用電流
に重畳して変位検出用電流を流す構成とした。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】また、前記磁界発生手段は、半導体基板
の上下面にそれぞれ上側基板と下側基板を設けてこれら
上側基板と下側基板に固定する構成とするとよい。ま
た、上側基板が、透光性を有するガラス基板で構成さ
れ、上下側基板と半導体基板とで囲まれる可動板収納空
間を密閉空間として真空状態とする構成とするとよい。
また、上側基板が、透光性を有するガラス基板で構成さ
れ、上下側基板と半導体基板とで囲まれる可動板収納空
間を密閉空間とし、この密閉空間内に不活性ガスを封入
する構成とするとよい。また、前記上側基板及び下側基
板を絶縁基板とするとよい。また、磁界発生手段は、永
久磁石とするとよい。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】本発明のガルバノミラーの製造方法で
は、半導体基板のトーションバー形成部分を除いて基板
の下面から上面に向けて異方性エッチングより貫通させ
て前記トーションバー部分で半導体基板に揺動可能に軸
支される可動板を形成する工程と、可動板上面周囲に電
解めっきにより平面コイルを形成する工程と、平面コイ
ルで囲まれた可動板中央部にアルミニウムの蒸着により
反射鏡を形成する工程と、半導体基板の上下面に陽極接
合により下側基板と少なくとも可動板上方部分が光の通
過が可能な構造の上側基板とを固定する工程と、トーシ
ョンバー軸方向と平行な可動板の対辺に対応する上側基
板部分と下側基板部分に磁界発生手段を固定する工程
と、下側基板の所定位置に検出コイルを形成する工程と
からなることを特徴とする。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】

【作用】かかる構成によれば、半導体素子製造プロセス
を利用して半導体基板に反射鏡可動部を形成すると共
に、反射鏡可動部に設けた平面コイルと電磁結合する反
射鏡変位角検出用の検出コイルを設け、平面コイルに駆
動電流に重畳して検出電流を通電する。これにより、反
射鏡の変位角変化に応じて平面コイルと検出コイル間の
相互インダクタンスが変化するので、この変化を検出す
れば反射鏡の変位角が検出できる。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】この全反射ミラー８の変位角φを制御す
る際に、平面コイル７に、駆動電流に重畳して駆動電流
周波数（ミラー８の駆動周波数に関連する）に比べて少
なくとも１００倍以上の周波数で変位角検出用の検出電
流を流す。すると、この検出電流に基づいて、平面コイ
ル７と下側ガラス基板４に設けた検出コイル12Ａ，12Ｂ
との間の相互インダクタンスによる誘導電圧がそれぞれ
の検出コイル12Ａ，12Ｂに発生する。検出コイル12Ａ，
12Ｂに発生する各誘導電圧は、可動板５、言い換えれ
ば、全反射ミラー８が水平位置にある時には、検出コイ
ル12Ａ，12Ｂと対応する平面コイル７との距離が等しい
ことから等しくなりその差は零である。可動板５が前述
の駆動力でトーションバー６を支軸として回動すると、
一方の検出コイル12Ａ（又は12Ｂ）では接近して相互イ
ンダクタンスの増加により誘導電圧は増大し、他方の検
出コイル12Ｂ（又は12Ａ）では離間して相互インダクタ
ンスの減少により誘導電圧は低下する。従って、検出コ
イル12Ａ，12Ｂに発生する誘導電圧は全反射ミラー８の
変位に応じて変化し、この誘導電圧を検出することで、
全反射ミラー８の変位角φを検出することができる。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３９】Ｑr ＝εＳσＴ⁴・・・（９）ここで、εは輻射率（黒体はε＝１で一般にε＜
１）、Ｓは素子の表面積、σはステファンボルツマン定
数（π²k⁴/60h³c²）、Ｔは素子の表面温度である。ま
た、トーションバーからの伝導による放熱量Ｑa は下記
の（10）式で表される。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５８】以上説明したように、かかるプレーナー
型ガルバノミラー１では、コイルの発熱による影響も無
視でき、また、可動板５の揺動特性も何ら問題はなく、
従来と同様の機能を発揮できることが判る。そして、半
導体素子の製造プロセスを利用することによって、超小
型で薄型のガルバノミラーとすることができる。このた
め、ガルバノミラーによるレーザ光のスキャニングシス
テムの小型化を図ることができ、延いては、このスキャ
ニングシステムを利用するレーザ応用機器の小型化が図
れる。また、半導体素子の製造プロセスで製造すること
で、大量生産が可能となる。そして、平面コイル７に駆
動電流に重畳して所定周波数の検出電流を流すと共に、
下側ガラス基板４に平面コイル７と電磁結合させて一対
の検出コイル12Ａ，12Ｂを配置し、可動板５の変位に応
じた平面コイル７と検出コイル12Ａ，12Ｂとの間の相互
インダクタンス変化を検出することで、可動板５、即
ち、全反射ミラー８の変位角を検出するようにしたの
で、ミラーの変位角を精度よく検出でき、変位角の制御
精度を向上させることが可能である。また、可動板５側
に新たな構成を付加することなく、下側ガラス基板４側
に検出コイル12Ａ，12Ｂを設けるだけでよく可動板５側
の構成を変更する必要はないので、ミラーの変位角検出
機能を容易に付加することができ、製造が容易である。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５９】次に上記第１実施例のガルバノミラー
の製造工程を、図１２〜図１４を参照しながら説明す
る。厚さ300 μｍのシリコン基板101 の上下面を熱酸化
して酸化膜（１μｍ）102を形成する（ａ工程）。次
に、表裏両面にホトリソグラフにより貫通穴のパターン
を形成し、貫通穴部分の酸化膜をエッチング除去し（ｂ
工程）、更に、可動板形成部の酸化膜を厚さ0.5 μｍま
で除去する（工程ｃ）。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００８６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００８６】

【発明の効果】以上説明したように本発明のガルバノミ
ラーによれば、半導体基板に、可動板、この可動板を揺
動可能に軸支するトーションバー、平面コイル及び反射
鏡を形成し、半導体基板の上下に磁界発生手段を設ける
構成とすると共に、前記平面コイルと電磁結合可能な検
出コイルを設け、平面コイルに反射鏡駆動用電流に重畳
して反射鏡変位検出用の検出電流を流すようにし、平面
コイルと検出コイルの反射鏡変位に伴う相互インダクタ
ンス変化を利用して反射鏡の変位角を検出するする構成
としたので、ガルバノミラーを半導体素子の製造技術を
用いて形成でき、ガルバノミラーを極めて薄型化及び小
型化でき、ガルバノミラーを用いた光のスキャニングシ
ステムの小型化を図ることが可能となり、延いては、レ
ーザ光応用機器の小型化を達成できるという効果に加
え、このようなプレーナー型ガルバノミラーのミラー変
位角を精度良く検出することができ、変位角の制御精度
を向上できる。また、可動板側に新たな構成を付加する
ことなく、検出コイルを設けるだけでよいので、可動板
側の構成を変更する必要はなくミラーの変位角検出機能
を容易に付加でき、従来の変位角検出機能を付与する場
合に比べて製造が容易となる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板に、平板状の可動板と該可動板
を半導体基板に対して基板上下方向に揺動可能に軸支す
るトーションバーとを一体形成し、前記可動板の上面周
縁部に可動板駆動用電流と変位検出用電流とを通電可能
な平面コイルを敷設し、該平面コイルで囲まれる上面中
央部に反射鏡を設ける一方、半導体基板の下面に下側絶
縁基板を設け、半導体基板の上面には前記反射鏡への外
部からの入射光及び外部への反射光が通過可能な上側絶
縁基板を設け、前記トーションバーの軸方向と平行な可
動板の対辺の平面コイル部に磁界を作用させる互いに対
をなす永久磁石を前記上下絶縁基板に固定する構成のプ
レーナー型ガルバノミラーであって、前記下側絶縁基板
側に、前記平面コイルと電磁結合可能で前記可動板の変
位を検出するための複数の検出コイルを設け、これら検
出コイルは、前記トーションバーに対して略対称位置に
配置される構成であることを特徴とする変位検出機能を
備えたプレーナー型ガルバノミラー。
【請求項２】前記可動板が、第１のトーションバーで半
導体基板に対して軸支される枠状の外側可動板と、前記
第１のトーションバーと軸方向が直交する第２のトーシ
ョンバーで前記外側可動板の内側に軸支される内側可動
板とからなり、前記外側可動板の上面に第１の平面コイ
ルを設け、前記内側可動板の上面周縁部に第２の平面コ
イルを設けると共に、当該第２の平面コイルで囲まれた
内側可動板中央部に前記反射鏡を設ける構成であり、前
記検出コイルが、第１及び第２のトーションバーに対し
てそれぞれ対称位置に配置される構成である請求項１記
載の変位検出機能を備えたプレーナー型ガルバノミラ
ー。
【請求項３】前記上側絶縁基板が、透光性を有するガラ
ス基板で構成され、上下側絶縁基板と半導体基板とで囲
まれる可動板収納空間を密閉空間として真空状態とする
構成とした請求項１又は２に記載の変位検出機能を備え
たプレーナー型ガルバノミラー。
【請求項４】前記上側絶縁基板が、透光性を有するガラ
ス基板で構成され、上下側絶縁基板と半導体基板とで囲
まれる可動板収納空間を密閉空間とし、この密閉空間内
に不活性ガスを封入する構成とした請求項１又は２に記
載の変位検出機能を備えたプレーナー型ガルバノミラ
ー。
【請求項５】半導体基板のトーションバー形成部分を除
いて基板の下面から上面に向けて異方性エッチングより
貫通させて前記トーションバー部分で半導体基板に揺動
可能に軸支される可動板を形成する工程と、可動板上面
周囲に電解めっきにより平面コイルを形成する工程と、
平面コイルで囲まれた可動板中央部にアルミニウムの蒸
着により反射鏡を形成する工程と、下側絶縁基板の所定
位置に検出コイルを形成する工程と、半導体基板の上下
面に陽極接合により下側絶縁基板と少なくとも可動板上
方部分が光の通過が可能な構造の上側絶縁基板とを固定
する工程と、トーションバー軸方向と平行な可動板の対
辺に対応する上側絶縁基板部分と下側絶縁基板部分に永
久磁石を固定する工程とからなる変位検出機能を備えた
プレーナー型ガルバノミラーの製造方法。