JPWO2008069176A1 - アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
本発明は、第１可動部と、第１可動部を支持する第２可動部、及び裏打ち部とを備える２軸回動型のアクチュエータである。第１可動部と第２可動部それぞれに独立に駆動電圧を印可するための第１導電部と第２導電部は、分離溝により分割され、第２可動部の下部に備えられた裏打ち部により相互に固定された状態で第２可動部に設けられている。このような裏打ち部を設けることにより、第１導電部と第２導電部とを電気的に絶縁した状態で相互に固定すること、及びアクチュエータの製造工程を簡略化すること、を実現している。このような本発明のアクチュエータの第１可動部にミラーを備えることで、２軸回動型のミラー素子を簡素な製造プロセスで提供することが可能である。
Description
本発明は、マイクロマシニング技術を応用した微小機械構造体であるアクチュエータに関し、例えば、レーザプリンタ等に用いられる光走査装置、バーコードリーダー等の読み取り装置、レーザプロジェクタなどに用いられる。
マイクロマシニング技術で形成される振動ミラー素子では、例えば、ミラー部が同一直線上に設けられた２本のヒンジで支持されている。ミラー部に対向する位置には電極が設けられている。ミラー部と電極との間に発生する静電引力により、２本のヒンジをねじり回転軸としてミラー部は往復振動する。
このような振動ミラー素子は、モーターでポリゴンミラーを回転させるミラー素子と比較して構造が簡単で、半導体プロセスでの一括形成が可能なため、小型化が容易で製造コストも低い。また、振動ミラー素子は単一の反射面を有するため、複数面を有するポリゴンミラーのような精度のばらつきがない。また、振動ミラー素子の動作は往復振動であるため、高速化にも対応できる。
特許文献１には１軸回動型のミラー素子が開示されており、非特許文献１と特許文献２および３とには２軸回動型のミラー素子が開示されている。
１軸回動型のミラー素子の可動部は、ヒンジで支持されたミラー部である。ミラー部と固定部とは分離溝で分離されており、ミラー部に駆動電圧を与えることで発生する静電引力で、ミラー部を駆動している。
２軸回動型のミラー素子では、中間フレームがヒンジを介してミラー部を支持し、固定部がさらなるヒンジを介して中間フレームを支持しており、ミラー部と中間フレーム部とが可動部を構成している。
図１３を参照して、２軸回動型のミラー素子を説明する。図１３は、２軸回動型の共振ミラー素子５１を示す斜視図である。
共振ミラー素子５１は、ミラー面を有する第１可動部５５と、第１可動部５５を支持する第２可動部５６と、第２可動部５６を支持する固定部６３とを備える。
共振ミラー素子５１は、Ｘヒンジ６１およびＹヒンジ５７をさらに備える。第２可動部５６は、Ｙヒンジ５７を介して第１可動部５５を連結して支持している。第１可動部５５は、図１３中のＹ方向に延びるＹヒンジ５７を通る軸を回動軸として、第２可動部５６に対しＹヒンジ５７周りに回動可能である。固定部６３は、Ｘヒンジ６１を介して第２可動部５６を連結して支持している。第２可動部５６は、図１３中のＸ方向に延びるＸヒンジ６１を通る軸を回動軸として、固定部６３に対しＸヒンジ６１周りに回動可能である。
第１可動部５５は、第２可動部５６に対して第１可動部５５を相対的に変位させる駆動力を発生するＸ櫛型電極５５ａをその外周部に備えている。第２可動部５６は、固定部６３に対して第２可動部５６を相対的に変位させる駆動力を発生するＹ櫛型電極６４ａをその外周部に備えている。
また、第２可動部５６の内周部には、Ｘ櫛型電極５５ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ櫛型電極５５ｂが形成されている。固定部６３の内周部には、Ｙ櫛型電極６４ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ櫛型電極６４ｂが形成されている。
上述したように、第１可動部５５は第２可動部５６に対しＹヒンジ５７周りに回動可能に支持され、第２可動部５６は固定部６３に対しＸヒンジ６１周りに回動可能に支持されることにより、２軸回動型の共振ミラー素子５１が実現されている。
第２可動部５６は、第１可動部５５に電圧を供給するための第１導電部５６ａと、別の電圧が供給される第２導電部５６ｂとを備える。第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとの間に形成された分離溝６６によって、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとは分割され、互いに電気的に絶縁されている。これにより、第１可動部５５および第２可動部５６のそれぞれに独立に駆動電圧を印加することができる。
図１４は、共振ミラー素子５１の断面を示す図である。この断面図は、図１３のＧ−Ｇ断面に対応している。図１４を参照して、分離溝６６に絶縁層を堆積させた後にポリシリコンを埋め込んで、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとを接合することで、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとが分断されないようにしている。これにより、第１導電部５６ａおよび第２導電部５６ｂは、第２可動部５６として一体となって変位する。
図１５は、共振ミラー素子５１の電気的分離状態を示す平面図である。Ｘパッド７０に印加した電圧Ｖｘは第１可動部５５の電圧となり、グランドパッド７２をグランドレベル（ＧＮＤ）とすると、第１可動部５５と第２可動部５６との間にＶｘの電位差が生じる。
また、Ｙパッド７１に印加した電圧Ｖｙは固定部６３の電圧となり、固定部６３と第２可動部５６との間にＶｙの電位差が生じる。
電圧ＶｘとＶｙを適切に制御すると、第１可動部５５および第２可動部５６はそれぞれの共振周波数で共振動作する。これにより、２軸回動型の共振ミラー素子５１では、第１可動部５５のＸ軸周りの回動とＹ軸周りの回動とを独立に制御することができる。
特開２００４―２３９９８７号公報
特開２００４−１３０９９号公報
特開２００６−１１５６８３号公報
"ＡＮ ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣＡＬＬＹ ＥＸＣＩＴＥＤ ２Ｄ−ＭＩＣＲＯ−ＳＣＡＮＮＩＮＧ−ＭＩＲＲＯＲ ＷＩＴＨ ＡＮ ＩＮ−ＰＬＡＮＥ ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＨＥ ＤＲＩＶＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥＳ"（ＭＥＭＳ２０００． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ， ＮＪ ： ＩＥＥＥ， ２０００）
しかしながら、上記のミラー素子では、次のような問題があった。
１軸回動型のミラー素子では、２軸の回動ができず、動作が１軸の回動に限られている。
図１３〜図１５に示す２軸回動型のミラー素子５１では、分離溝６６を埋め込む工程に時間がかかりコストアップ要因となる。
また、分離溝６６が深いほど確実に埋め込むのが難しく、埋め込みが不完全だと、振動によって埋め込み部分が損傷を受け、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとが外れてしまうおそれがあった。
さらに、分離溝６６中の絶縁層の堆積が不十分だと、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとの間の電気的絶縁が不完全となるおそれもあった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡素な製造プロセスで容易に形成でき、且つ信頼性の高いアクチュエータを提供する。
本発明のアクチュエータは、可動部と、前記可動部を支持する固定部とを備え、前記可動部は、第１電圧が供給される第１導電部と、第２電圧が供給される第２導電部と、前記第１導電部と前記第２導電部とを電気的に絶縁した状態で相互に固定する裏打ち部とを備え、前記第２導電部と前記裏打ち部とは電気的に接続されていることを特徴とする。
ある実施形態によれば、前記可動部は、第１可動部と、前記第１可動部を支持する第２可動部とを含み、前記固定部は、前記第２可動部を支持し、前記第２可動部は、前記第１および第２導電部を備え、前記第１導電部を介して前記第１可動部に前記第１電圧を供給する。
ある実施形態によれば、前記第２可動部は、前記第２導電部および前記裏打ち部に形成された櫛型電極をさらに備える。
ある実施形態によれば、前記裏打ち部の厚さは、前記固定部の厚さよりも薄い。
ある実施形態によれば、前記第１可動部は、光を反射するミラー部を備え、前記裏打ち部は、前記アクチュエータの前記ミラー部が設けられた面とは反対側の面から前記第１導電部と前記第２導電部とを固定している。
ある実施形態によれば、前記第１および第２可動部は、絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１シリコン層をエッチングして形成されており、前記裏打ち部は、前記第２シリコン層をエッチングして形成されている。
ある実施形態によれば、前記第２可動部の前記第１導電部と前記第２導電部との間に形成された溝によって、前記第１導電部と前記第２導電部とは電気的に絶縁されている。
ある実施形態によれば、前記第２可動部の前記溝に対して点対称な位置にダミー溝が形成されている。
ある実施形態によれば、前記第１可動部は、前記第２可動部に対して前記第１可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第１および第２櫛型電極を備え、前記第１櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、前記第２櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と平行な方向へ延びており、前記第２可動部は、前記固定部に対して前記第２可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第３および第４櫛型電極を備え、前記第３櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、前記第４櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と平行な方向へ延びている。
本発明の画像投射装置は、前記アクチュエータと、光ビームを出射する光源と、前記光ビームを前記アクチュエータへ導く光学系と、前記アクチュエータを駆動する駆動部とを備えることを特徴とする。
本発明のアクチュエータの製造方法は、絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１シリコン層をエッチングして前記第１および第２可動部を形成するステップと、前記第２シリコン層をエッチングして前記裏打ち部を形成するステップと、前記第２可動部の前記第１シリコン層から形成された所定の部分と前記裏打ち部とを電気的に接続するステップとを包含することを特徴とする。
前記裏打ち部を形成するステップは、前記第１シリコン層をエッチングするときに用いるマスクを用いて前記第２シリコン層をエッチングするステップを含む。
本発明によれば、裏打ち部は第１導電部と第２導電部とを電気的に絶縁した状態で相互に固定し、第２導電部と裏打ち部とは電気的に接続されている。これにより、第１導電部と第２導電部とを確実に固定することができる。また、第１導電部と第２導電部との間の溝を埋め込む必要が無いので、アクチュエータの製造工程を簡略化でき、安価なアクチュエータを提供することができる。また、裏打ち部が電気的にフローティングした状態ではないので、裏打ち部の帯電を防止することができ、安定した駆動力を得ることができる。
また、ある実施形態によれば、可動部は第１可動部と第１可動部を支持する第２可動部とを含み、これにより、２軸回動型のアクチュエータが得られる。
また、ある実施形態によれば、裏打ち部は櫛型電極を備える。これにより、可動部が回動している状態での櫛型電極が互いに対向する面積を増やすことができ、安定した駆動力を得ることができる。
また、ある実施形態によれば、裏打ち部の厚さは、固定部の厚さよりも薄い。これにより、可動部の軽量化を実現するとともに、可動部が回動可能な角度を大きく確保することができる。
また、ある実施形態によれば、第２可動部の溝に対して点対称な位置にダミー溝が形成されていることにより、第２可動部の重量バランスの偏りを抑えることができる。
また、ある実施形態によれば、第１可動部は、第１可動部の回動軸と平行な方向へ延びる櫛型電極を備え、第２可動部は、第２可動部の回動軸と平行な方向へ延びる櫛型電極を備えている。これにより、第１および第２可動部をより大きな回動角度で駆動させることができる。
また、本発明の画像投射装置は、上記アクチュエータを備える。本発明のアクチュエータの駆動感度は高いので、低消費電力の画像投射装置を実現することができる。
また、本発明のアクチュエータの製造方法は、第１シリコン層をエッチングするときに用いるマスクを用いて第２シリコン層をエッチングして裏打ち部を形成する。これにより、第１シリコン層と第２シリコン層との間で櫛型電極の位置ずれを防止することができるので、隣り合う櫛型電極間のギャップが等しい垂直櫛型電極構造を実現することができる。
本発明によれば、簡素なプロセスで容易に２軸回動型のアクチュエータを形成でき、安価な共振ミラー素子を提供することができる。
１ 共振ミラー素子
２ 絶縁層
３ デバイス層
４ ハンドル層
５ 第１可動部
６ 第２可動部
６ａ 第１導電部
６ｂ 第２導電部
７ Ｙヒンジアンカー
８ Ｙヒンジ
９ａ、９ｂ Ｘ櫛型電極
１０ａ、１０ｂ Ｘ補助櫛型電極
１１ Ｘヒンジ
１１ａ、１１ｂ Ｙ櫛型電極
１２ Ｘヒンジアンカー
１２ａ、１２ｂ Ｙ補助櫛型電極
１３ 固定部
１６ 分離溝
１７ 裏打ち部
１８ Ｘパッド
２０ ダミー溝
２１ グランドパッド
２２ Ｙパッド
２３ 接続部
３０ ＳＯＩウエハ
３１、３６ 酸化物層
３２、３７ レジストパターン
３３、３８ Ａｌ層
３４、３９ レジストパターン
３５ 保護層
４０ 反射膜
１５１ 光源
１５２ コリメートレンズ
１５３ ダイクロイックプリズム
１５４ 開口部
１５５ 画像信号
１５６ 制御部
１５７ レーザ変調回路
１５８ 駆動部
１５９ 光ビーム
１６０ 投射領域
１００ 画像投射装置
２ 絶縁層
３ デバイス層
４ ハンドル層
５ 第１可動部
６ 第２可動部
６ａ 第１導電部
６ｂ 第２導電部
７ Ｙヒンジアンカー
８ Ｙヒンジ
９ａ、９ｂ Ｘ櫛型電極
１０ａ、１０ｂ Ｘ補助櫛型電極
１１ Ｘヒンジ
１１ａ、１１ｂ Ｙ櫛型電極
１２ Ｘヒンジアンカー
１２ａ、１２ｂ Ｙ補助櫛型電極
１３ 固定部
１６ 分離溝
１７ 裏打ち部
１８ Ｘパッド
２０ ダミー溝
２１ グランドパッド
２２ Ｙパッド
２３ 接続部
３０ ＳＯＩウエハ
３１、３６ 酸化物層
３２、３７ レジストパターン
３３、３８ Ａｌ層
３４、３９ レジストパターン
３５ 保護層
４０ 反射膜
１５１ 光源
１５２ コリメートレンズ
１５３ ダイクロイックプリズム
１５４ 開口部
１５５ 画像信号
１５６ 制御部
１５７ レーザ変調回路
１５８ 駆動部
１５９ 光ビーム
１６０ 投射領域
１００ 画像投射装置
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態によるアクチュエータを説明する。図１は、本実施形態のアクチュエータである共振ミラー素子１を示す斜視図である。
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態によるアクチュエータを説明する。図１は、本実施形態のアクチュエータである共振ミラー素子１を示す斜視図である。
共振ミラー素子１は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）から成る絶縁層２を介して２つのシリコン層を接合したウエハ、いわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを加工して製造される。
２つのシリコン層のうち、第１シリコン層にはリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などのｎ型不純物やボロン（Ｂ）などのｐ型不純物をドープして導電性を持たせ、デバイス層３と称する。第２シリコン層はウエハ本体を成す厚い部分で、ハンドル層４と称する。
デバイス層３に対して、後述するエッチングによるパターニングを行うことによって第１可動部５と第２可動部６が形成される。第１可動部５と第２可動部６とはまとめて可動部とも称される。
共振ミラー素子１は、ミラー面２５を有する第１可動部５と、第１可動部５を支持する第２可動部６と、第２可動部６を支持する固定部１３とを備える。
共振ミラー素子１は、Ｘヒンジ１１およびＹヒンジ８をさらに備える。第２可動部６は、Ｙヒンジ８を介して第１可動部５を連結して支持している。第１可動部５は、図１中のＹ方向に延びるＹヒンジ８を通る軸を回動軸として、第２可動部６に対しＹヒンジ８周りに回動可能である。固定部１３は、Ｘヒンジ１１を介して第２可動部６を連結して支持している。第２可動部６は、図１中のＸ方向に延びるＸヒンジ１１を通る軸を回動軸として、固定部１３に対しＸヒンジ１１周りに回動可能である。共振ミラー素子１は、このようなジンバル構造を有している。第２可動部６は、外枠部である固定部１３と、中心部の第１可動部５との間に位置する中間フレームである。
第１可動部５は、第２可動部６に対して第１可動部５を相対的に変位させる駆動力を発生するＸ櫛型電極９ａおよびＸ補助櫛型電極１０ａをその外周部に備えている。Ｘ櫛型電極９ａは、第１可動部５の回動軸と垂直な方向へ延びている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、第１可動部５の回動軸と平行な方向へ延びている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、第１可動部５のＹヒンジ８が接続されたエッジに形成されており、Ｘ櫛型電極９ａは、第１可動部５のＹヒンジ８が接続されていないエッジに形成されている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、Ｙヒンジ８と平行に且つ同等の長さ以下で形成されているので、Ｘ補助櫛型電極１０ａによりチップサイズが大きくなることはない。
第２可動部６は、固定部１３に対して第２可動部６を相対的に変位させる駆動力を発生するＹ櫛型電極１１ａおよびＹ補助櫛型電極１２ａをその外周部に備えている。Ｙ櫛型電極１１ａは、第２可動部６の回動軸と垂直な方向へ延びている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、第２可動部６の回動軸と平行な方向へ延びている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、第２可動部６のＸヒンジ１１が接続されたエッジに形成されており、Ｙ櫛型電極１１ａは、第２可動部６のＸヒンジ１１が接続されていないエッジに形成されている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、Ｘヒンジ１１と平行に且つ同等の長さ以下で形成されているので、Ｙ補助櫛型電極１２ａによりチップサイズが大きくなることはない。
また、第２可動部６の内周部には、Ｘ櫛型電極９ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ櫛型電極９ｂと、Ｘ補助櫛型電極１０ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ補助櫛型電極１０ｂとが形成されている。固定部１３の内周部には、Ｙ櫛型電極１１ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ櫛型電極１１ｂと、Ｙ補助櫛型電極１２ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ補助櫛型電極１２ｂとが形成されている。補助櫛型電極の効果については後述する。
上述したように、第１可動部５は第２可動部６に対しＹヒンジ８周りに回動可能に支持され、第２可動部６は固定部１３に対しＸヒンジ１１周りに回動可能に支持されることにより、２軸回動型の共振ミラー素子１が実現されている。
第１可動部５と第２可動部６との間に電位差が生じると、第１可動部５は第２可動部６に対して相対的に変位する。図６Ｑは、図１に示す共振ミラー素子１のＡ−Ａ断面に対応した図である。図１および図６Ｑを参照して、第２可動部６は、第１可動部５に第１電圧を供給するための第１導電部６ａと、第２電圧が供給される第２導電部６ｂとを備える。第１導電部６ａと第２導電部６ｂとの間に形成された分離溝１６によって、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとは分割され、互いに電気的に絶縁されている。これにより、第１可動部５および第２可動部６のそれぞれに独立に駆動電圧を印加することができる。
図２は、共振ミラー素子１を示す下部斜視図である。図２は、共振ミラー素子１の構成要素の一部をカットして図示している。共振ミラー素子１は、第１導電部６ａと第２導電部６ｂ（図１）とを電気的に絶縁した状態で相互に固定する裏打ち部１７をさらに備える。裏打ち部１７は、共振ミラー素子１のミラー面２５が設けられた面（上面）とは反対側の面（下面）から第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを固定している。裏打ち部１７の厚さは、固定部１３の厚さよりも薄い。
図２を参照して、第１および第２可動部５および６の下部はハンドル層４が除去されており、これにより、第１および第２可動部５および６が回動可能になっている。第２可動部６の下部では、裏打ち部１７としてハンドル層４が部分的に残されている。この残されたハンドル層４とその同じ位置の絶縁層２とによって、裏打ち部１７が形成されている。裏打ち部１７の厚さは固定部１３の厚さよりも薄く形成されており、これにより第２可動部６の軽量化が実現されている。
図３は、共振ミラー素子１での裏打ち部１７の位置を示す平面図である。
図３に示す斜線部分が裏打ち部１７であり、分離溝１６はこの裏打ち部１７の存在する領域内に形成されている。このため、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを分離溝１６によって分離しても、第１導電部６ａと第２導電部６ｂ（図１）とは一体となって変位する。従来例のように、分離溝１６に別材料を埋め込んで結合する工程は不要である。
また、絶縁層２、デバイス層３およびハンドル層４は予め強固に接合されたウエハ構造なので、デバイス層３から形成された第２可動部６と、絶縁層２およびハンドル層４から形成された裏打ち部１７との結合強度は十分信頼性の高いものである。
埋め込み工程による絶縁の必要もないため、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとの間の電気的絶縁が不完全となるおそれもない。
また、Ｘパッド１８と第１可動部５とを接続する接続部である第１導電部６ａを形成する分離溝１６は、回動軸に対して偏った位置にあるので、それだけでは第２可動部６の重量バランスが偏ることになり、共振駆動したときに第２可動部６の上下動など不要な共振を誘発する場合がある。そのため、第２可動部６の中心を基準として、第２可動部６上の分離溝１６に対して点対称な位置にダミー溝２０が形成されている。また、第２可動部６上の分離溝１６に対して、Ｘ回動軸を基準とした軸対称な位置、およびＹ回動軸を基準とした軸対称な位置のそれぞれにダミー溝２０が形成されている。分離溝１６と対称な位置にダミー溝２０を形成することで、重量バランスのずれを抑えることができる。
図４は、共振ミラー素子１の電気的分離状態を示す平面図である。
図４において、前述のように、第２可動部６には分離溝１６が形成され、電気的に２つの領域に分割されている。１つの領域は、Ｘパッド１８からＸヒンジ１１、第１導電部６ａ、Ｙヒンジ８を経て第１可動部５に至る領域である。もう１つの領域は、グランドパッド２１からＸヒンジ１１を経て第２可動部６に至る領域である。第２可動部６では、ダミー溝２０に設けられた接続部２３を介して、第２導電部６ｂと裏打ち部１７とが電気的に接続されている。
このような構成において、Ｘパッド１８に印加した電圧Ｖｘは第１可動部５の電圧となり、グランドパッド２１をグランドレベル（ＧＮＤ）とすると、第１可動部５と第２可動部６との間にＶｘの電位差が生じる。
また、Ｙパッド２２に印加した電圧Ｖｙは固定部１３の電圧となり、固定部１３と第２可動部６との間にＶｙの電位差が生じる。
電圧ＶｘとＶｙを適切に制御すると、第１可動部５および第２可動部６はそれぞれの共振周波数で共振動作する。これにより、２軸回動型の共振ミラー素子１では、第１可動部５のＸ軸周りの回動とＹ軸周りの回動とを独立に制御することができる。
図５は、共振ミラー素子１の動作状態を示す斜視図である。
第１可動部５は、第２可動部６に対してＹヒンジ８周りに回動し、第２可動部６は第１可動部５とともに、固定部１３に対してＸヒンジ１１周りに回動する。これにより、第１可動部５で反射したレーザビームはＸ−Ｙ方向に２次元走査される。
次に、共振ミラー素子１の製造方法を説明する。図６Ａ〜図６Ｑは、共振ミラー素子１の製造工程を示す図であり、これらの断面図は図１のＡ−Ａ断面に対応している。
図６Ａを参照して、ＳＯＩウエハ３０を用意する。デバイス層３の厚さは第１可動部５および第２可動部６の厚さとなり、各可動部の共振周波数や駆動電圧に対する振動振幅、剛性等を考慮して決定する。ここでは、デバイス層３を５０μｍ、絶縁層２を２μｍ、ハンドル層４を３００μｍとする。
まず、デバイス層３およびハンドル層４にＰやＡｓなどのｎ型不純物やＢなどのｐ型不純物をドープし導電性を持たせる。ただし、デバイス層３およびハンドル層４が既に導電性であるＳＯＩウエハを用いる場合は、導電性を持たせるための不純物ドープのプロセスは必要ない。
次に図６Ｂを参照して、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、デバイス層３表面に酸化物層３１を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン３２を形成する。フォトレジストとしては、例えば、ＡＺＰ４２１０やＡＺ１５００（クラリアントジャパン製）を使用することができる。以降のレジストパターンも、このようなフォトレジストの成膜およびその後の露光・現象を経て形成される。
次に図６Ｃを参照して、レジストパターン３２をマスクとして酸化物層３１をＢＨＦ（バッファードフッ酸）によりエッチングする。
次に図６Ｄを参照して、レジストパターン３２を除去した酸化物層３１の表面に、Ａｌ（アルミニウム）を真空蒸着により堆積させてＡｌ層３３を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン３４を形成する。
次に図６Ｅを参照して、レジストパターン３４をマスクとして、混酸アルミ溶液等のアルミニウムエッチング溶液を用いてＡｌ層３３をエッチングする。
次に図６Ｆを参照して、レジストパターン３４を除去し、Ａｌ層３３をマスクとして、酸化物層３１をＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、デバイス層３まで貫通エッチングする。
次に図６Ｇを参照して、Ａｌ層３３の表面に液状のフォトレジストを用いてスピンコーティングにより保護層３５を形成する。ハンドル層４の表面に酸化物をＣＶＤで堆積させて酸化物層３６を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン３７を形成する。
次に図６Ｈを参照して、レジストパターン３７をマスクとして酸化物層３６をＢＨＦによりエッチングする。
次に図６Ｉを参照して、レジストパターン３７を除去し、酸化物層３６およびハンドル層４の表面にＡｌを真空蒸着により堆積させてＡｌ層３８を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン３９を形成する。
次に図６Ｊを参照して、レジストパターン３９をマスクとして混酸アルミ溶液等のアルミニウムエッチング溶液を用いてＡｌ層３８をエッチングする。
次に図６Ｋを参照して、保護層３５およびレジストパターン３９を除去する。Ａｌ層３３をマスクとして、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥにより、デバイス層３のシリコンを絶縁層２まで貫通エッチングする。Ｄｅｅｐ−ＲＩＥでは、エッチングと側壁保護を交互に行うＢｏｓｃｈプロセスとして、ＳＦ６ガスによるエッチング、Ｃ４Ｆ８ガスによる側壁保護を行う。以降のシリコン層に対するＤｅｅｐ−ＲＩＥについても、この条件を採用することができる。
次に図６Ｌを参照して、Ａｌ層３３をマスクとして絶縁層２の酸化シリコンをＤｅｅｐ−ＲＩＥにより、ハンドル層４まで貫通エッチングする。
次に図６Ｍを参照して、Ａｌ層３３をマスクとしてハンドル層４のシリコンをＤｅｅｐ−ＲＩＥによりエッチングする。このエッチングでは、ハンドル層４の絶縁層２側から裏打ち部１７の厚さ分の長さ（例えば、厚さ５０μｍ）まで行う。
次に図６Ｎを参照して、Ａｌ層３３をアルミニウムエッチング溶液により除去し、酸化物層３１をマスクとして、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによりデバイス層３のシリコンを絶縁層２まで貫通エッチングする。これにより、ミラー部５、第２可動部６、櫛型電極、ヒンジ、分離溝１６、接続部２３（図４）等、可動部の形状が形成される。またこのとき、ハンドル層４についてはエッチングされても問題がないので、酸化物層３１のマスクの開口部の一部は、Ａｌ層３３のマスクの開口部と一致している。
次に図６Ｏを参照して、Ａｌ層３８をマスクとして、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによりハンドル層４のシリコンをエッチングする。このエッチングでは、ハンドル層４表面から裏打ち部１７（図２）の厚さ分の深さ程度までエッチングする。ここでは、エッチングの深さを２６０μｍとした。エッチング後、アルミニウムエッチング溶液によりＡｌ層３８を除去する。
次に図６Ｐを参照して、酸化物層３６をマスクとして、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥにより、ハンドル層４のシリコンを絶縁層２に達するまでエッチングする。これにより、裏打ち部１７と外枠部１３（図１）とが形成される。エッチングが確実に絶縁層２に達するように若干のオーバーエッチングを行うので、図６Ｏに示したエッチング深さは、このオーバーエッチング分を考慮して設定する。裏打ち部１７の厚さは、必要強度、可動部の共振周波数、駆動電圧に対する必要振幅等を考慮して設計する。ここでは、厚さ５０μｍとした。
次に図６Ｑを参照して、露出した絶縁層２、酸化膜パターン３１および３６（図６Ｐ）を除去して可動部をリリースする。第１可動部５の表面に反射膜４０としてアルミ、金または銀を真空蒸着する。反射膜４０の厚さは例えば５０ｎｍであり、材料は、使用する光の波長と必要な反射率によって適切に選択する。
ここで、裏打ち部１７およびハンドル層４の櫛型電極の形成工程では、デバイス層３の櫛型電極をエッチングにより形成するときに用いたアルミ層３３をマスクとしてエッチングを行っている。このため、プロセスを複雑化することなく、デバイス層３の櫛型電極と同位置に、裏打ち部１７およびハンドル層４の櫛型電極を形成することができる。デバイス層３とハンドル層４との間で櫛型電極の位置ずれを防止することができるので、隣り合う櫛型電極間のギャップが等しい垂直櫛型電極構造を実現することができる。
次に、裏打ち部１７と第２導電部６ｂとを接続部２３（図４）を介して電気的に接続する方法を説明する。
絶縁層２を除去して可動部をリリースするプロセス（図６Ｑ）では、ＳＯＩウエハ３０（図６Ａ）の厚さ方向のエッチングと同時にＳＯＩウエハ３０の直径方向にもエッチングされる。このＳＯＩウエハ３０が直径方向にエッチングされることをサイドエッチングという。
図７Ａ〜図７Ｅを参照してサイドエッチングを詳細に説明する。図７Ａは、図４に示す共振ミラー素子１の接続部２３とその周辺部を拡大して示した図である。図７Ｂ〜図７Ｅは、図７Ａに示す接続部２３およびその周辺部のＢ−Ｂ断面に対応した図である。
図７Ｂに示す絶縁層２をエッチングすると、図７Ｃに示すように、開口となっている部分が先にエッチングされる。続いて図７Ｄに示すようにサイドエッチングが始まり、さらにサイドエッチングが進むと図７Ｅに示すように接続部２３における第２導電部６ｂとハンドル層４を固定していた絶縁層２は完全に除去される。このようなサイドエッチングによって、接続部２３における第２導電部６ｂと裏打ち部１７との間の絶縁層２を除去する。これにより接続部２３における第２導電部６ｂと裏打ち部１７との電気的な接続が可能となる。この第２導電部６ｂと裏打ち部１７との電気的な接続について図８Ａ〜図８Ｄを参照して説明する。
図８Ａは、共振ミラー素子１の接続部２３とその周辺部を拡大して示した図である。図８Ｂおよび図８Ｃは、図８Ａに示す接続部２３およびその周辺部のＣ−Ｃ断面に対応した図であり、図８ＤはＤ−Ｄ断面に対応した図である。
図８Ｂに示す絶縁層２をエッチングすると、図８Ｃに示すように、接続部２３における第２導電部６ｂとハンドル層４とを固定していた絶縁層２は完全に除去される。接続部２３以外の第２導電部６ｂの領域や、Ｙヒンジアンカー７（図１）、第１導電部６ａ等とハンドル層４とを固定している絶縁層２については、サイドエッチングによって完全に除去されることはないように、エッチング条件が設定されている。
接続部２３における第２導電部６ｂと裏打ち部１７との電気的な接続方法としては、例えば、スティッキング（貼付く現象）により第２導電部６ｂと裏打ち部１７とを電気的に接続させる方法がある。例えば、図６Ｑに示した絶縁層２および酸化膜パターン３１および３６の除去を、ＨＦ（フッ化水素酸）またはＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いたウエットエッチングプロセスで行い、エッチング液（ＨＦまたはＢＨＦ）からウエハを取り出す際、またはエッチング液を落とすウエット洗浄中に、スティッキングにより第２導電部６ｂと裏打ち部１７とは電気的に接続される。
また、例えば、図６Ｑに示した絶縁層２および酸化膜パターン３１および３６の除去をドライエッチングプロセスによって行い、スティッキングが発生していない場合（空隙を介している状態）では、グランドパッド２１（図４）に電圧を印加して第２導電部６ｂと裏打ち部１７と間の電位差に起因するプルイン現象（第２導電部６ｂが裏打ち部１７に衝突する現象）を発生させる。そのとき、第２導電部６ｂと裏打ち部１７との接触面または空隙中に水分子等が存在するとスティッキングが発生し、第２導電部６ｂと裏打ち部１７とは接続される。
なお、スティッキングにより第２導電部６ｂと裏打ち部１７とを接続させるためには接続部２３の復元力を十分低くしておく必要があり、さらにはサイドエッチングによるエッチング量を少なく抑えるために、接続部２３を開口構造とした。
また、例えば、微細配線描画装置等を用いて、接続部２３内に導体を塗布し、第２導電部６ｂと裏打ち部１７とを接続することも可能である。微細配線描画装置は、印刷技術でのインクジェット方式のインク塗布と同様の方法で、微小導体を含むインクを微細に印刷するナノインプリンティング技術を用いた装置である。この場合は、接続部２３における絶縁層２がサイドエッチングにより完全に除去されないようにエッチング条件を設定し、微小導体を含むインクが接続部２３外部に広がらないようにするのが好ましい。
また、例えば、接着剤や少量の液体を塗布するディスペンサーを用いて、導体を接続部２３内に塗布し、第２導電部６ｂと裏打ち部１７とを接続することも可能である。その場合も、接続部２３における絶縁層２がサイドエッチングにより完全に除去されないようにエッチング条件を設定し、導体が接続部２３外部に広がらないようにするのが好ましい。
電圧を印加して共振ミラー素子１を駆動するとき、裏打ち部１７が電気的にフローティングしている状態では、裏打ち部１７が帯電してしまい所望の電位差を安定して得られず、安定した駆動力を発生させることができないおそれがある。しかし、上述したように、裏打ち部１７と第２導電部６ｂとを電気的に接続することにより裏打ち部１７の帯電を防止することができ、安定した電位差を発生させて安定した駆動力を得ることができる。また、裏打ち部１７と第２導電部６ｂとは同電位となるので、裏打ち部１７にも櫛型電極を形成することで、可動部５および６が回動している状態での櫛型電極が互いに対向する面積を増やすことができ、安定した駆動力を得ることができる。
次に、補助櫛型電極の機能を説明する。一般に、静電アクチュエータの駆動力Ｆと変位ｘとの関係は、電極間の静電容量Ｃと電圧Ｖで決まる。静電容量Ｃはギャップｇで対向する電極の対向面積Ｓで決まる。誘電率をε0とすると、静電容量Ｃは、
Ｃ（ｘ）＝ε0Ｓ／ｇ （式１）
と表される。駆動力Ｆは、
（式２）
と表される。
Ｃ（ｘ）＝ε0Ｓ／ｇ （式１）
と表される。駆動力Ｆは、
と表される。
図９は、共振ミラー素子１の櫛型電極の対向面積を示す断面図である。図９に示す断面図は、上側に示す上面図のＥ−Ｅ断面に対応している。
図９を参照して、回動中心からｒの距離に長さＬ、厚さｔの櫛型電極を設けた場合、ギャップｇを介して対向する電極面積Ｓは、回動角をθとし、櫛歯の数をＮｍａｉｎとすると、
Ｓｍａｉｎ＝２Ｎｍａｉｎ（ｔ・Ｌ−Ｌ（ｒ＋Ｒ）θ／２）
＝２Ｎｍａｉｎ・Ｌ（ｔ−（ｒ＋Ｒ）θ／２） （式３）
と表される。
Ｓｍａｉｎ＝２Ｎｍａｉｎ（ｔ・Ｌ−Ｌ（ｒ＋Ｒ）θ／２）
＝２Ｎｍａｉｎ・Ｌ（ｔ−（ｒ＋Ｒ）θ／２） （式３）
と表される。
図１０は、共振ミラー素子１の補助櫛型電極の対向面積を示す断面図である。図１０に示す断面図は、上側に示す上面図のＦ−Ｆ断面に対応している。
図１０を参照して、回動中心から距離ｒ離れた電極の対向面積Ｓ’は、
Ｓ’＝Ｌ（ｔ−ｒθ） （式４）
と表される。
Ｓ’＝Ｌ（ｔ−ｒθ） （式４）
と表される。
全ての補助櫛型電極を合計したときの、補助櫛型電極の対向面積Ｓｓｉｄｅは、
（式５）
と表される。
と表される。
図１１は、共振ミラー素子１の電極間の対向面積および静電容量の変化を示すグラフである。
図１１を参照して、Ｓｍａｉｎは、櫛型電極同士が互いにオーバーラップする範囲で０でない値を示し、それより外側では０である。これに対して、静電容量変化Ｃ（θ）では、実際には櫛歯の対向面以外の部分（櫛歯の先端や、櫛歯のないエッジ等）でもわずかに静電容量が発生するため、Ｃ（θ）ｍａｉｎの分布は、Ｓｍａｉｎを包含する滑らかな曲線になる。
図１１に示す例では、ミラー部の回動角を±１５°とし、ミラー部の長さｒを０．５ｍｍ、厚さを５０μｍとすると、およそ±５°がオーバーラップの範囲となる。
一方、Ｓｓｉｄｅは、櫛歯の数が少ない分、ピーク値は小さいが、回動中心から近い部分に配置するので、メインの櫛型電極より広い回動角の範囲でオーバーラップし、０でない値を持つ角度範囲が広い。従って、それらの合計Ｓｍａｉｎ＋Ｓｓｉｄｅは、回動範囲全体に亘って０でない値を持つこととなる。また、Ｃ（θ）ｔｏｔａｌは、回動角の大きな領域での値も、Ｃ（θ）ｍａｉｎと比較して増大している。このように、補助櫛型電極は、メインの櫛型電極のみの場合に比べ、回動角の大きな領域の静電容量を増加させる効果がある。補助櫛歯電極によって静電容量が増加すると、その分、駆動力も増加される。
また、静電容量を検出することによってミラー部の回動角度を検出する際、メインの櫛型電極のオーバーラップがなくなるような大きな回動角に対しても、静電容量変化を確実に検出することができる。これにより、ミラー部の回動角を駆動信号にフィードバックして、より確実に共振駆動を行うことができるようになる。
（実施形態２）
次に、図１２を参照して、本発明の第２の実施形態による画像投射装置１００を説明する。図１２は、上述した共振ミラー素子１を備える画像投射装置１００を示す図である。
次に、図１２を参照して、本発明の第２の実施形態による画像投射装置１００を説明する。図１２は、上述した共振ミラー素子１を備える画像投射装置１００を示す図である。
画像投射装置１００は、共振ミラー素子１と、光源１５１と、コリメートレンズ１５２と、ダイクロイックプリズム１５３と、制御部１５６と、レーザ変調回路１５７と、駆動部１５８とを備える。コリメートレンズ１５２およびダイクロイックプリズム１５３は、光源１５１が出射した光ビームを共振ミラー素子１に導く光学系である。
制御部１５６は、画像投射装置１００に入力される画像信号１５５に応じて、レーザ変調回路１５７および駆動部１５８の動作を制御する。駆動部１５８は共振ミラー素子１を駆動する。レーザ変調回路１５７は画像信号１５５に応じた変調信号を生成し、３つの光源１５１は、変調信号に応じて、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の光ビーム１５９を出射する。光ビーム１５９は、コリメートレンズ１５２で略平行光束となり、ダイクロイックプリズム１５３によって合波され、共振ミラー素子１に入射される。共振ミラー素子１に入射して反射する光ビーム１５９は、共振ミラー素子１によって２次元に走査され、開口部１５４から出射され投射領域１６０に画像を表示する。
本発明は、ミラー素子を用いて光の進行方向を変更する技術分野で特に有用である。例えば、レーザプリンタ等に用いられる光走査装置、バーコードリーダー等の読み取り装置、レーザプロジェクタなどに有用である。
本発明は、マイクロマシニング技術を応用した微小機械構造体であるアクチュエータに関し、例えば、レーザプリンタ等に用いられる光走査装置、バーコードリーダー等の読み取り装置、レーザプロジェクタなどに用いられる。
マイクロマシニング技術で形成される振動ミラー素子では、例えば、ミラー部が同一直線上に設けられた２本のヒンジで支持されている。ミラー部に対向する位置には電極が設けられている。ミラー部と電極との間に発生する静電引力により、２本のヒンジをねじり回転軸としてミラー部は往復振動する。
このような振動ミラー素子は、モーターでポリゴンミラーを回転させるミラー素子と比較して構造が簡単で、半導体プロセスでの一括形成が可能なため、小型化が容易で製造コストも低い。また、振動ミラー素子は単一の反射面を有するため、複数面を有するポリゴンミラーのような精度のばらつきがない。また、振動ミラー素子の動作は往復振動であるため、高速化にも対応できる。
特許文献１には１軸回動型のミラー素子が開示されており、非特許文献１と特許文献２および３とには２軸回動型のミラー素子が開示されている。
１軸回動型のミラー素子の可動部は、ヒンジで支持されたミラー部である。ミラー部と固定部とは分離溝で分離されており、ミラー部に駆動電圧を与えることで発生する静電引力で、ミラー部を駆動している。
２軸回動型のミラー素子では、中間フレームがヒンジを介してミラー部を支持し、固定部がさらなるヒンジを介して中間フレームを支持しており、ミラー部と中間フレーム部とが可動部を構成している。
図１３を参照して、２軸回動型のミラー素子を説明する。図１３は、２軸回動型の共振ミラー素子５１を示す斜視図である。
共振ミラー素子５１は、ミラー面を有する第１可動部５５と、第１可動部５５を支持する第２可動部５６と、第２可動部５６を支持する固定部６３とを備える。
共振ミラー素子５１は、Ｘヒンジ６１およびＹヒンジ５７をさらに備える。第２可動部５６は、Ｙヒンジ５７を介して第１可動部５５を連結して支持している。第１可動部５５は、図１３中のＹ方向に延びるＹヒンジ５７を通る軸を回動軸として、第２可動部５６に対しＹヒンジ５７周りに回動可能である。固定部６３は、Ｘヒンジ６１を介して第２可動部５６を連結して支持している。第２可動部５６は、図１３中のＸ方向に延びるＸヒンジ６１を通る軸を回動軸として、固定部６３に対しＸヒンジ６１周りに回動可能である。
第１可動部５５は、第２可動部５６に対して第１可動部５５を相対的に変位させる駆動力を発生するＸ櫛型電極５５ａをその外周部に備えている。第２可動部５６は、固定部６３に対して第２可動部５６を相対的に変位させる駆動力を発生するＹ櫛型電極６４ａをその外周部に備えている。
また、第２可動部５６の内周部には、Ｘ櫛型電極５５ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ櫛型電極５５ｂが形成されている。固定部６３の内周部には、Ｙ櫛型電極６４ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ櫛型電極６４ｂが形成されている。
上述したように、第１可動部５５は第２可動部５６に対しＹヒンジ５７周りに回動可能に支持され、第２可動部５６は固定部６３に対しＸヒンジ６１周りに回動可能に支持されることにより、２軸回動型の共振ミラー素子５１が実現されている。
第２可動部５６は、第１可動部５５に電圧を供給するための第１導電部５６ａと、別の電圧が供給される第２導電部５６ｂとを備える。第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとの間に形成された分離溝６６によって、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとは分割され、互いに電気的に絶縁されている。これにより、第１可動部５５および第２可動部５６のそれぞれに独立に駆動電圧を印加することができる。
図１４は、共振ミラー素子５１の断面を示す図である。この断面図は、図１３のＧ−Ｇ断面に対応している。図１４を参照して、分離溝６６に絶縁層を堆積させた後にポリシリコンを埋め込んで、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとを接合することで、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとが分断されないようにしている。これにより、第１導電部５６ａおよび第２導電部５６ｂは、第２可動部５６として一体となって変位する。
図１５は、共振ミラー素子５１の電気的分離状態を示す平面図である。Ｘパッド７０に印加した電圧Ｖｘは第１可動部５５の電圧となり、グランドパッド７２をグランドレベル（ＧＮＤ）とすると、第１可動部５５と第２可動部５６との間にＶｘの電位差が生じる。
また、Ｙパッド７１に印加した電圧Ｖｙは固定部６３の電圧となり、固定部６３と第２可動部５６との間にＶｙの電位差が生じる。
電圧ＶｘとＶｙを適切に制御すると、第１可動部５５および第２可動部５６はそれぞれの共振周波数で共振動作する。これにより、２軸回動型の共振ミラー素子５１では、第１可動部５５のＸ軸周りの回動とＹ軸周りの回動とを独立に制御することができる。
特開２００４―２３９９８７号公報
特開２００４−１３０９９号公報
特開２００６−１１５６８３号公報
"ＡＮ ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣＡＬＬＹ ＥＸＣＩＴＥＤ ２Ｄ−ＭＩＣＲＯ−ＳＣＡＮＮＩＮＧ−ＭＩＲＲＯＲ ＷＩＴＨ ＡＮ ＩＮ−ＰＬＡＮＥ ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＨＥ ＤＲＩＶＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥＳ"（ＭＥＭＳ２０００． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ， ＮＪ ： ＩＥＥＥ， ２０００）
しかしながら、上記のミラー素子では、次のような問題があった。
１軸回動型のミラー素子では、２軸の回動ができず、動作が１軸の回動に限られている。
図１３〜図１５に示す２軸回動型のミラー素子５１では、分離溝６６を埋め込む工程に時間がかかりコストアップ要因となる。
また、分離溝６６が深いほど確実に埋め込むのが難しく、埋め込みが不完全だと、振動によって埋め込み部分が損傷を受け、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとが外れてしまうおそれがあった。
さらに、分離溝６６中の絶縁層の堆積が不十分だと、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとの間の電気的絶縁が不完全となるおそれもあった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡素な製造プロセスで容易に形成でき、且つ信頼性の高いアクチュエータを提供する。
本発明のアクチュエータは、可動部と、前記可動部を支持する固定部とを備え、前記可動部は、第１電圧が供給される第１導電部と、第２電圧が供給される第２導電部と、前記第１導電部と前記第２導電部とを電気的に絶縁した状態で相互に固定する裏打ち部とを備え、前記第２導電部と前記裏打ち部とは電気的に接続されていることを特徴とする。
ある実施形態によれば、前記可動部は、第１可動部と、前記第１可動部を支持する第２可動部とを含み、前記固定部は、前記第２可動部を支持し、前記第２可動部は、前記第１および第２導電部を備え、前記第１導電部を介して前記第１可動部に前記第１電圧を供給する。
ある実施形態によれば、前記第２可動部は、前記第２導電部および前記裏打ち部に形成された櫛型電極をさらに備える。
ある実施形態によれば、前記裏打ち部の厚さは、前記固定部の厚さよりも薄い。
ある実施形態によれば、前記第１可動部は、光を反射するミラー部を備え、前記裏打ち部は、前記アクチュエータの前記ミラー部が設けられた面とは反対側の面から前記第１導電部と前記第２導電部とを固定している。
ある実施形態によれば、前記第１および第２可動部は、絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１シリコン層をエッチングして形成されており、前記裏打ち部は、前記第２シリコン層をエッチングして形成されている。
ある実施形態によれば、前記第２可動部の前記第１導電部と前記第２導電部との間に形成された溝によって、前記第１導電部と前記第２導電部とは電気的に絶縁されている。
ある実施形態によれば、前記第２可動部の前記溝に対して点対称な位置にダミー溝が形成されている。
ある実施形態によれば、前記第１可動部は、前記第２可動部に対して前記第１可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第１および第２櫛型電極を備え、前記第１櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、前記第２櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と平行な方向へ延びており、前記第２可動部は、前記固定部に対して前記第２可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第３および第４櫛型電極を備え、前記第３櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、前記第４櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と平行な方向へ延びている。
本発明の画像投射装置は、前記アクチュエータと、光ビームを出射する光源と、前記光ビームを前記アクチュエータへ導く光学系と、前記アクチュエータを駆動する駆動部とを備えることを特徴とする。
本発明のアクチュエータの製造方法は、絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１シリコン層をエッチングして前記第１および第２可動部を形成するステップと、前記第２シリコン層をエッチングして前記裏打ち部を形成するステップと、前記第２可動部の前記第１シリコン層から形成された所定の部分と前記裏打ち部とを電気的に接続するステップとを包含することを特徴とする。
前記裏打ち部を形成するステップは、前記第１シリコン層をエッチングするときに用いるマスクを用いて前記第２シリコン層をエッチングするステップを含む。
本発明によれば、裏打ち部は第１導電部と第２導電部とを電気的に絶縁した状態で相互に固定し、第２導電部と裏打ち部とは電気的に接続されている。これにより、第１導電部と第２導電部とを確実に固定することができる。また、第１導電部と第２導電部との間の溝を埋め込む必要が無いので、アクチュエータの製造工程を簡略化でき、安価なアクチュエータを提供することができる。また、裏打ち部が電気的にフローティングした状態ではないので、裏打ち部の帯電を防止することができ、安定した駆動力を得ることができる。
また、ある実施形態によれば、可動部は第１可動部と第１可動部を支持する第２可動部とを含み、これにより、２軸回動型のアクチュエータが得られる。
また、ある実施形態によれば、裏打ち部は櫛型電極を備える。これにより、可動部が回動している状態での櫛型電極が互いに対向する面積を増やすことができ、安定した駆動力を得ることができる。
また、ある実施形態によれば、裏打ち部の厚さは、固定部の厚さよりも薄い。これにより、可動部の軽量化を実現するとともに、可動部が回動可能な角度を大きく確保することができる。
また、ある実施形態によれば、第２可動部の溝に対して点対称な位置にダミー溝が形成されていることにより、第２可動部の重量バランスの偏りを抑えることができる。
また、ある実施形態によれば、第１可動部は、第１可動部の回動軸と平行な方向へ延びる櫛型電極を備え、第２可動部は、第２可動部の回動軸と平行な方向へ延びる櫛型電極を備えている。これにより、第１および第２可動部をより大きな回動角度で駆動させることができる。
また、本発明の画像投射装置は、上記アクチュエータを備える。本発明のアクチュエータの駆動感度は高いので、低消費電力の画像投射装置を実現することができる。
また、本発明のアクチュエータの製造方法は、第１シリコン層をエッチングするときに用いるマスクを用いて第２シリコン層をエッチングして裏打ち部を形成する。これにより、第１シリコン層と第２シリコン層との間で櫛型電極の位置ずれを防止することができるので、隣り合う櫛型電極間のギャップが等しい垂直櫛型電極構造を実現することができる。
本発明によれば、簡素なプロセスで容易に２軸回動型のアクチュエータを形成でき、安価な共振ミラー素子を提供することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態によるアクチュエータを説明する。図１は、本実施形態のアクチュエータである共振ミラー素子１を示す斜視図である。
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態によるアクチュエータを説明する。図１は、本実施形態のアクチュエータである共振ミラー素子１を示す斜視図である。
共振ミラー素子１は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）から成る絶縁層２を介して２つのシリコン層を接合したウエハ、いわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを加工して製造される。
２つのシリコン層のうち、第１シリコン層にはリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などのｎ型不純物やボロン（Ｂ）などのｐ型不純物をドープして導電性を持たせ、デバイス層３と称する。第２シリコン層はウエハ本体を成す厚い部分で、ハンドル層４と称する。
デバイス層３に対して、後述するエッチングによるパターニングを行うことによって第１可動部５と第２可動部６が形成される。第１可動部５と第２可動部６とはまとめて可動部とも称される。
共振ミラー素子１は、ミラー面２５を有する第１可動部５と、第１可動部５を支持する第２可動部６と、第２可動部６を支持する固定部１３とを備える。
共振ミラー素子１は、Ｘヒンジ１１およびＹヒンジ８をさらに備える。第２可動部６は、Ｙヒンジ８を介して第１可動部５を連結して支持している。第１可動部５は、図１中のＹ方向に延びるＹヒンジ８を通る軸を回動軸として、第２可動部６に対しＹヒンジ８周りに回動可能である。固定部１３は、Ｘヒンジ１１を介して第２可動部６を連結して支持している。第２可動部６は、図１中のＸ方向に延びるＸヒンジ１１を通る軸を回動軸として、固定部１３に対しＸヒンジ１１周りに回動可能である。共振ミラー素子１は、このようなジンバル構造を有している。第２可動部６は、外枠部である固定部１３と、中心部の第１可動部５との間に位置する中間フレームである。
第１可動部５は、第２可動部６に対して第１可動部５を相対的に変位させる駆動力を発生するＸ櫛型電極９ａおよびＸ補助櫛型電極１０ａをその外周部に備えている。Ｘ櫛型電極９ａは、第１可動部５の回動軸と垂直な方向へ延びている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、第１可動部５の回動軸と平行な方向へ延びている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、第１可動部５のＹヒンジ８が接続されたエッジに形成されており、Ｘ櫛型電極９ａは、第１可動部５のＹヒンジ８が接続されていないエッジに形成されている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、Ｙヒンジ８と平行に且つ同等の長さ以下で形成されているので、Ｘ補助櫛型電極１０ａによりチップサイズが大きくなることはない。
第２可動部６は、固定部１３に対して第２可動部６を相対的に変位させる駆動力を発生するＹ櫛型電極１１ａおよびＹ補助櫛型電極１２ａをその外周部に備えている。Ｙ櫛型電極１１ａは、第２可動部６の回動軸と垂直な方向へ延びている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、第２可動部６の回動軸と平行な方向へ延びている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、第２可動部６のＸヒンジ１１が接続されたエッジに形成されており、Ｙ櫛型電極１１ａは、第２可動部６のＸヒンジ１１が接続されていないエッジに形成されている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、Ｘヒンジ１１と平行に且つ同等の長さ以下で形成されているので、Ｙ補助櫛型電極１２ａによりチップサイズが大きくなることはない。
また、第２可動部６の内周部には、Ｘ櫛型電極９ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ櫛型電極９ｂと、Ｘ補助櫛型電極１０ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ補助櫛型電極１０ｂとが形成されている。固定部１３の内周部には、Ｙ櫛型電極１１ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ櫛型電極１１ｂと、Ｙ補助櫛型電極１２ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ補助櫛型電極１２ｂとが形成されている。補助櫛型電極の効果については後述する。
上述したように、第１可動部５は第２可動部６に対しＹヒンジ８周りに回動可能に支持され、第２可動部６は固定部１３に対しＸヒンジ１１周りに回動可能に支持されることにより、２軸回動型の共振ミラー素子１が実現されている。
第１可動部５と第２可動部６との間に電位差が生じると、第１可動部５は第２可動部６に対して相対的に変位する。図６Ｑは、図１に示す共振ミラー素子１のＡ−Ａ断面に対応した図である。図１および図６Ｑを参照して、第２可動部６は、第１可動部５に第１電圧を供給するための第１導電部６ａと、第２電圧が供給される第２導電部６ｂとを備える。第１導電部６ａと第２導電部６ｂとの間に形成された分離溝１６によって、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとは分割され、互いに電気的に絶縁されている。これにより、第１可動部５および第２可動部６のそれぞれに独立に駆動電圧を印加することができる。
図２は、共振ミラー素子１を示す下部斜視図である。図２は、共振ミラー素子１の構成要素の一部をカットして図示している。共振ミラー素子１は、第１導電部６ａと第２導電部６ｂ（図１）とを電気的に絶縁した状態で相互に固定する裏打ち部１７をさらに備える。裏打ち部１７は、共振ミラー素子１のミラー面２５が設けられた面（上面）とは反対側の面（下面）から第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを固定している。裏打ち部１７の厚さは、固定部１３の厚さよりも薄い。
図２を参照して、第１および第２可動部５および６の下部はハンドル層４が除去されており、これにより、第１および第２可動部５および６が回動可能になっている。第２可動部６の下部では、裏打ち部１７としてハンドル層４が部分的に残されている。この残されたハンドル層４とその同じ位置の絶縁層２とによって、裏打ち部１７が形成されている。裏打ち部１７の厚さは固定部１３の厚さよりも薄く形成されており、これにより第２可動部６の軽量化が実現されている。
図３は、共振ミラー素子１での裏打ち部１７の位置を示す平面図である。
図３に示す斜線部分が裏打ち部１７であり、分離溝１６はこの裏打ち部１７の存在する領域内に形成されている。このため、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを分離溝１６によって分離しても、第１導電部６ａと第２導電部６ｂ（図１）とは一体となって変位する。従来例のように、分離溝１６に別材料を埋め込んで結合する工程は不要である。
また、絶縁層２、デバイス層３およびハンドル層４は予め強固に接合されたウエハ構造なので、デバイス層３から形成された第２可動部６と、絶縁層２およびハンドル層４から形成された裏打ち部１７との結合強度は十分信頼性の高いものである。
埋め込み工程による絶縁の必要もないため、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとの間の電気的絶縁が不完全となるおそれもない。
また、Ｘパッド１８と第１可動部５とを接続する接続部である第１導電部６ａを形成する分離溝１６は、回動軸に対して偏った位置にあるので、それだけでは第２可動部６の重量バランスが偏ることになり、共振駆動したときに第２可動部６の上下動など不要な共振を誘発する場合がある。そのため、第２可動部６の中心を基準として、第２可動部６上の分離溝１６に対して点対称な位置にダミー溝２０が形成されている。また、第２可動部６上の分離溝１６に対して、Ｘ回動軸を基準とした軸対称な位置、およびＹ回動軸を基準とした軸対称な位置のそれぞれにダミー溝２０が形成されている。分離溝１６と対称な位置にダミー溝２０を形成することで、重量バランスのずれを抑えることができる。
図４は、共振ミラー素子１の電気的分離状態を示す平面図である。
図４において、前述のように、第２可動部６には分離溝１６が形成され、電気的に２つの領域に分割されている。１つの領域は、Ｘパッド１８からＸヒンジ１１、第１導電部６ａ、Ｙヒンジ８を経て第１可動部５に至る領域である。もう１つの領域は、グランドパッド２１からＸヒンジ１１を経て第２可動部６に至る領域である。第２可動部６では、ダミー溝２０に設けられた接続部２３を介して、第２導電部６ｂと裏打ち部１７とが電気的に接続されている。
このような構成において、Ｘパッド１８に印加した電圧Ｖｘは第１可動部５の電圧となり、グランドパッド２１をグランドレベル（ＧＮＤ）とすると、第１可動部５と第２可動部６との間にＶｘの電位差が生じる。
また、Ｙパッド２２に印加した電圧Ｖｙは固定部１３の電圧となり、固定部１３と第２可動部６との間にＶｙの電位差が生じる。
電圧ＶｘとＶｙを適切に制御すると、第１可動部５および第２可動部６はそれぞれの共振周波数で共振動作する。これにより、２軸回動型の共振ミラー素子１では、第１可動部５のＸ軸周りの回動とＹ軸周りの回動とを独立に制御することができる。
図５は、共振ミラー素子１の動作状態を示す斜視図である。
第１可動部５は、第２可動部６に対してＹヒンジ８周りに回動し、第２可動部６は第１可動部５とともに、固定部１３に対してＸヒンジ１１周りに回動する。これにより、第１可動部５で反射したレーザビームはＸ−Ｙ方向に２次元走査される。
次に、共振ミラー素子１の製造方法を説明する。図６Ａ〜図６Ｑは、共振ミラー素子１の製造工程を示す図であり、これらの断面図は図１のＡ−Ａ断面に対応している。
図６Ａを参照して、ＳＯＩウエハ３０を用意する。デバイス層３の厚さは第１可動部５および第２可動部６の厚さとなり、各可動部の共振周波数や駆動電圧に対する振動振幅、剛性等を考慮して決定する。ここでは、デバイス層３を５０μｍ、絶縁層２を２μｍ、ハンドル層４を３００μｍとする。
まず、デバイス層３およびハンドル層４にＰやＡｓなどのｎ型不純物やＢなどのｐ型不純物をドープし導電性を持たせる。ただし、デバイス層３およびハンドル層４が既に導電性であるＳＯＩウエハを用いる場合は、導電性を持たせるための不純物ドープのプロセスは必要ない。
次に図６Ｂを参照して、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、デバイス層３表面に酸化物層３１を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン３２を形成する。フォトレジストとしては、例えば、ＡＺＰ４２１０やＡＺ１５００（クラリアントジャパン製）を使用することができる。以降のレジストパターンも、このようなフォトレジストの成膜およびその後の露光・現象を経て形成される。
次に図６Ｃを参照して、レジストパターン３２をマスクとして酸化物層３１をＢＨＦ（バッファードフッ酸）によりエッチングする。
次に図６Ｄを参照して、レジストパターン３２を除去した酸化物層３１の表面に、Ａｌ（アルミニウム）を真空蒸着により堆積させてＡｌ層３３を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン３４を形成する。
次に図６Ｅを参照して、レジストパターン３４をマスクとして、混酸アルミ溶液等のアルミニウムエッチング溶液を用いてＡｌ層３３をエッチングする。
次に図６Ｆを参照して、レジストパターン３４を除去し、Ａｌ層３３をマスクとして、酸化物層３１をＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、デバイス層３まで貫通エッチングする。
次に図６Ｇを参照して、Ａｌ層３３の表面に液状のフォトレジストを用いてスピンコーティングにより保護層３５を形成する。ハンドル層４の表面に酸化物をＣＶＤで堆積させて酸化物層３６を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン３７を形成する。
次に図６Ｈを参照して、レジストパターン３７をマスクとして酸化物層３６をＢＨＦによりエッチングする。
次に図６Ｉを参照して、レジストパターン３７を除去し、酸化物層３６およびハンドル層４の表面にＡｌを真空蒸着により堆積させてＡｌ層３８を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン３９を形成する。
次に図６Ｊを参照して、レジストパターン３９をマスクとして混酸アルミ溶液等のアルミニウムエッチング溶液を用いてＡｌ層３８をエッチングする。
次に図６Ｋを参照して、保護層３５およびレジストパターン３９を除去する。Ａｌ層３３をマスクとして、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥにより、デバイス層３のシリコンを絶縁層２まで貫通エッチングする。Ｄｅｅｐ−ＲＩＥでは、エッチングと側壁保護を交互に行うＢｏｓｃｈプロセスとして、ＳＦ６ガスによるエッチング、Ｃ４Ｆ８ガスによる側壁保護を行う。以降のシリコン層に対するＤｅｅｐ−ＲＩＥについても、この条件を採用することができる。
次に図６Ｌを参照して、Ａｌ層３３をマスクとして絶縁層２の酸化シリコンをＤｅｅｐ−ＲＩＥにより、ハンドル層４まで貫通エッチングする。
次に図６Ｍを参照して、Ａｌ層３３をマスクとしてハンドル層４のシリコンをＤｅｅｐ−ＲＩＥによりエッチングする。このエッチングでは、ハンドル層４の絶縁層２側から裏打ち部１７の厚さ分の長さ（例えば、厚さ５０μｍ）まで行う。
次に図６Ｎを参照して、Ａｌ層３３をアルミニウムエッチング溶液により除去し、酸化物層３１をマスクとして、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによりデバイス層３のシリコンを絶縁層２まで貫通エッチングする。これにより、ミラー部５、第２可動部６、櫛型電極、ヒンジ、分離溝１６、接続部２３（図４）等、可動部の形状が形成される。またこのとき、ハンドル層４についてはエッチングされても問題がないので、酸化物層３１のマスクの開口部の一部は、Ａｌ層３３のマスクの開口部と一致している。
次に図６Ｏを参照して、Ａｌ層３８をマスクとして、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによりハンドル層４のシリコンをエッチングする。このエッチングでは、ハンドル層４表面から裏打ち部１７（図２）の厚さ分の深さ程度までエッチングする。ここでは、エッチングの深さを２６０μｍとした。エッチング後、アルミニウムエッチング溶液によりＡｌ層３８を除去する。
次に図６Ｐを参照して、酸化物層３６をマスクとして、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥにより、ハンドル層４のシリコンを絶縁層２に達するまでエッチングする。これにより、裏打ち部１７と外枠部１３（図１）とが形成される。エッチングが確実に絶縁層２に達するように若干のオーバーエッチングを行うので、図６Ｏに示したエッチング深さは、このオーバーエッチング分を考慮して設定する。裏打ち部１７の厚さは、必要強度、可動部の共振周波数、駆動電圧に対する必要振幅等を考慮して設計する。ここでは、厚さ５０μｍとした。
次に図６Ｑを参照して、露出した絶縁層２、酸化膜パターン３１および３６（図６Ｐ）を除去して可動部をリリースする。第１可動部５の表面に反射膜４０としてアルミ、金または銀を真空蒸着する。反射膜４０の厚さは例えば５０ｎｍであり、材料は、使用する光の波長と必要な反射率によって適切に選択する。
ここで、裏打ち部１７およびハンドル層４の櫛型電極の形成工程では、デバイス層３の櫛型電極をエッチングにより形成するときに用いたアルミ層３３をマスクとしてエッチングを行っている。このため、プロセスを複雑化することなく、デバイス層３の櫛型電極と同位置に、裏打ち部１７およびハンドル層４の櫛型電極を形成することができる。デバイス層３とハンドル層４との間で櫛型電極の位置ずれを防止することができるので、隣り合う櫛型電極間のギャップが等しい垂直櫛型電極構造を実現することができる。
次に、裏打ち部１７と第２導電部６ｂとを接続部２３（図４）を介して電気的に接続する方法を説明する。
絶縁層２を除去して可動部をリリースするプロセス（図６Ｑ）では、ＳＯＩウエハ３０（図６Ａ）の厚さ方向のエッチングと同時にＳＯＩウエハ３０の直径方向にもエッチングされる。このＳＯＩウエハ３０が直径方向にエッチングされることをサイドエッチングという。
図７Ａ〜図７Ｅを参照してサイドエッチングを詳細に説明する。図７Ａは、図４に示す共振ミラー素子１の接続部２３とその周辺部を拡大して示した図である。図７Ｂ〜図７Ｅは、図７Ａに示す接続部２３およびその周辺部のＢ−Ｂ断面に対応した図である。
図７Ｂに示す絶縁層２をエッチングすると、図７Ｃに示すように、開口となっている部分が先にエッチングされる。続いて図７Ｄに示すようにサイドエッチングが始まり、さらにサイドエッチングが進むと図７Ｅに示すように接続部２３における第２導電部６ｂとハンドル層４を固定していた絶縁層２は完全に除去される。このようなサイドエッチングによって、接続部２３における第２導電部６ｂと裏打ち部１７との間の絶縁層２を除去する。これにより接続部２３における第２導電部６ｂと裏打ち部１７との電気的な接続が可能となる。この第２導電部６ｂと裏打ち部１７との電気的な接続について図８Ａ〜図８Ｄを参照して説明する。
図８Ａは、共振ミラー素子１の接続部２３とその周辺部を拡大して示した図である。図８Ｂおよび図８Ｃは、図８Ａに示す接続部２３およびその周辺部のＣ−Ｃ断面に対応した図であり、図８ＤはＤ−Ｄ断面に対応した図である。
図８Ｂに示す絶縁層２をエッチングすると、図８Ｃに示すように、接続部２３における第２導電部６ｂとハンドル層４とを固定していた絶縁層２は完全に除去される。接続部２３以外の第２導電部６ｂの領域や、Ｙヒンジアンカー７（図１）、第１導電部６ａ等とハンドル層４とを固定している絶縁層２については、サイドエッチングによって完全に除去されることはないように、エッチング条件が設定されている。
接続部２３における第２導電部６ｂと裏打ち部１７との電気的な接続方法としては、例えば、スティッキング（貼付く現象）により第２導電部６ｂと裏打ち部１７とを電気的に接続させる方法がある。例えば、図６Ｑに示した絶縁層２および酸化膜パターン３１および３６の除去を、ＨＦ（フッ化水素酸）またはＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いたウエットエッチングプロセスで行い、エッチング液（ＨＦまたはＢＨＦ）からウエハを取り出す際、またはエッチング液を落とすウエット洗浄中に、スティッキングにより第２導電部６ｂと裏打ち部１７とは電気的に接続される。
また、例えば、図６Ｑに示した絶縁層２および酸化膜パターン３１および３６の除去をドライエッチングプロセスによって行い、スティッキングが発生していない場合（空隙を介している状態）では、グランドパッド２１（図４）に電圧を印加して第２導電部６ｂと裏打ち部１７と間の電位差に起因するプルイン現象（第２導電部６ｂが裏打ち部１７に衝突する現象）を発生させる。そのとき、第２導電部６ｂと裏打ち部１７との接触面または空隙中に水分子等が存在するとスティッキングが発生し、第２導電部６ｂと裏打ち部１７とは接続される。
なお、スティッキングにより第２導電部６ｂと裏打ち部１７とを接続させるためには接続部２３の復元力を十分低くしておく必要があり、さらにはサイドエッチングによるエッチング量を少なく抑えるために、接続部２３を開口構造とした。
また、例えば、微細配線描画装置等を用いて、接続部２３内に導体を塗布し、第２導電部６ｂと裏打ち部１７とを接続することも可能である。微細配線描画装置は、印刷技術でのインクジェット方式のインク塗布と同様の方法で、微小導体を含むインクを微細に印刷するナノインプリンティング技術を用いた装置である。この場合は、接続部２３における絶縁層２がサイドエッチングにより完全に除去されないようにエッチング条件を設定し、微小導体を含むインクが接続部２３外部に広がらないようにするのが好ましい。
また、例えば、接着剤や少量の液体を塗布するディスペンサーを用いて、導体を接続部２３内に塗布し、第２導電部６ｂと裏打ち部１７とを接続することも可能である。その場合も、接続部２３における絶縁層２がサイドエッチングにより完全に除去されないようにエッチング条件を設定し、導体が接続部２３外部に広がらないようにするのが好ましい。
電圧を印加して共振ミラー素子１を駆動するとき、裏打ち部１７が電気的にフローティングしている状態では、裏打ち部１７が帯電してしまい所望の電位差を安定して得られず、安定した駆動力を発生させることができないおそれがある。しかし、上述したように、裏打ち部１７と第２導電部６ｂとを電気的に接続することにより裏打ち部１７の帯電を防止することができ、安定した電位差を発生させて安定した駆動力を得ることができる。また、裏打ち部１７と第２導電部６ｂとは同電位となるので、裏打ち部１７にも櫛型電極を形成することで、可動部５および６が回動している状態での櫛型電極が互いに対向する面積を増やすことができ、安定した駆動力を得ることができる。
次に、補助櫛型電極の機能を説明する。一般に、静電アクチュエータの駆動力Ｆと変位ｘとの関係は、電極間の静電容量Ｃと電圧Ｖで決まる。静電容量Ｃはギャップｇで対向する電極の対向面積Ｓで決まる。誘電率をε0とすると、静電容量Ｃは、
Ｃ（ｘ）＝ε0Ｓ／ｇ （式１）
と表される。駆動力Ｆは、
（式２）
と表される。
Ｃ（ｘ）＝ε0Ｓ／ｇ （式１）
と表される。駆動力Ｆは、
と表される。
図９は、共振ミラー素子１の櫛型電極の対向面積を示す断面図である。図９に示す断面図は、上側に示す上面図のＥ−Ｅ断面に対応している。
図９を参照して、回動中心からｒの距離に長さＬ、厚さｔの櫛型電極を設けた場合、ギャップｇを介して対向する電極面積Ｓは、回動角をθとし、櫛歯の数をＮｍａｉｎとすると、
Ｓｍａｉｎ＝２Ｎｍａｉｎ（ｔ・Ｌ−Ｌ（ｒ＋Ｒ）θ／２）
＝２Ｎｍａｉｎ・Ｌ（ｔ−（ｒ＋Ｒ）θ／２） （式３）
と表される。
Ｓｍａｉｎ＝２Ｎｍａｉｎ（ｔ・Ｌ−Ｌ（ｒ＋Ｒ）θ／２）
＝２Ｎｍａｉｎ・Ｌ（ｔ−（ｒ＋Ｒ）θ／２） （式３）
と表される。
図１０は、共振ミラー素子１の補助櫛型電極の対向面積を示す断面図である。図１０に示す断面図は、上側に示す上面図のＦ−Ｆ断面に対応している。
図１０を参照して、回動中心から距離ｒ離れた電極の対向面積Ｓ’は、
Ｓ’＝Ｌ（ｔ−ｒθ） （式４）
と表される。
Ｓ’＝Ｌ（ｔ−ｒθ） （式４）
と表される。
全ての補助櫛型電極を合計したときの、補助櫛型電極の対向面積Ｓｓｉｄｅは、
（式５）
と表される。
と表される。
図１１は、共振ミラー素子１の電極間の対向面積および静電容量の変化を示すグラフである。
図１１を参照して、Ｓｍａｉｎは、櫛型電極同士が互いにオーバーラップする範囲で０でない値を示し、それより外側では０である。これに対して、静電容量変化Ｃ（θ）では、実際には櫛歯の対向面以外の部分（櫛歯の先端や、櫛歯のないエッジ等）でもわずかに静電容量が発生するため、Ｃ（θ）ｍａｉｎの分布は、Ｓｍａｉｎを包含する滑らかな曲線になる。
図１１に示す例では、ミラー部の回動角を±１５°とし、ミラー部の長さｒを０．５ｍｍ、厚さを５０μｍとすると、およそ±５°がオーバーラップの範囲となる。
一方、Ｓｓｉｄｅは、櫛歯の数が少ない分、ピーク値は小さいが、回動中心から近い部分に配置するので、メインの櫛型電極より広い回動角の範囲でオーバーラップし、０でない値を持つ角度範囲が広い。従って、それらの合計Ｓｍａｉｎ＋Ｓｓｉｄｅは、回動範囲全体に亘って０でない値を持つこととなる。また、Ｃ（θ）ｔｏｔａｌは、回動角の大きな領域での値も、Ｃ（θ）ｍａｉｎと比較して増大している。このように、補助櫛型電極は、メインの櫛型電極のみの場合に比べ、回動角の大きな領域の静電容量を増加させる効果がある。補助櫛歯電極によって静電容量が増加すると、その分、駆動力も増加される。
また、静電容量を検出することによってミラー部の回動角度を検出する際、メインの櫛型電極のオーバーラップがなくなるような大きな回動角に対しても、静電容量変化を確実に検出することができる。これにより、ミラー部の回動角を駆動信号にフィードバックして、より確実に共振駆動を行うことができるようになる。
（実施形態２）
次に、図１２を参照して、本発明の第２の実施形態による画像投射装置１００を説明する。図１２は、上述した共振ミラー素子１を備える画像投射装置１００を示す図である。
次に、図１２を参照して、本発明の第２の実施形態による画像投射装置１００を説明する。図１２は、上述した共振ミラー素子１を備える画像投射装置１００を示す図である。
画像投射装置１００は、共振ミラー素子１と、光源１５１と、コリメートレンズ１５２と、ダイクロイックプリズム１５３と、制御部１５６と、レーザ変調回路１５７と、駆動部１５８とを備える。コリメートレンズ１５２およびダイクロイックプリズム１５３は、光源１５１が出射した光ビームを共振ミラー素子１に導く光学系である。
制御部１５６は、画像投射装置１００に入力される画像信号１５５に応じて、レーザ変調回路１５７および駆動部１５８の動作を制御する。駆動部１５８は共振ミラー素子１を駆動する。レーザ変調回路１５７は画像信号１５５に応じた変調信号を生成し、３つの光源１５１は、変調信号に応じて、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の光ビーム１５９を出射する。光ビーム１５９は、コリメートレンズ１５２で略平行光束となり、ダイクロイックプリズム１５３によって合波され、共振ミラー素子１に入射される。共振ミラー素子１に入射して反射する光ビーム１５９は、共振ミラー素子１によって２次元に走査され、開口部１５４から出射され投射領域１６０に画像を表示する。
本発明は、ミラー素子を用いて光の進行方向を変更する技術分野で特に有用である。例えば、レーザプリンタ等に用いられる光走査装置、バーコードリーダー等の読み取り装置、レーザプロジェクタなどに有用である。
１ 共振ミラー素子
２ 絶縁層
３ デバイス層
４ ハンドル層
５ 第１可動部
６ 第２可動部
６ａ 第１導電部
６ｂ 第２導電部
７ Ｙヒンジアンカー
８ Ｙヒンジ
９ａ、９ｂ Ｘ櫛型電極
１０ａ、１０ｂ Ｘ補助櫛型電極
１１ Ｘヒンジ
１１ａ、１１ｂ Ｙ櫛型電極
１２ Ｘヒンジアンカー
１２ａ、１２ｂ Ｙ補助櫛型電極
１３ 固定部
１６ 分離溝
１７ 裏打ち部
１８ Ｘパッド
２０ ダミー溝
２１ グランドパッド
２２ Ｙパッド
２３ 接続部
３０ ＳＯＩウエハ
３１、３６ 酸化物層
３２、３７ レジストパターン
３３、３８ Ａｌ層
３４、３９ レジストパターン
３５ 保護層
４０ 反射膜
１５１ 光源
１５２ コリメートレンズ
１５３ ダイクロイックプリズム
１５４ 開口部
１５５ 画像信号
１５６ 制御部
１５７ レーザ変調回路
１５８ 駆動部
１５９ 光ビーム
１６０ 投射領域
１００ 画像投射装置
２ 絶縁層
３ デバイス層
４ ハンドル層
５ 第１可動部
６ 第２可動部
６ａ 第１導電部
６ｂ 第２導電部
７ Ｙヒンジアンカー
８ Ｙヒンジ
９ａ、９ｂ Ｘ櫛型電極
１０ａ、１０ｂ Ｘ補助櫛型電極
１１ Ｘヒンジ
１１ａ、１１ｂ Ｙ櫛型電極
１２ Ｘヒンジアンカー
１２ａ、１２ｂ Ｙ補助櫛型電極
１３ 固定部
１６ 分離溝
１７ 裏打ち部
１８ Ｘパッド
２０ ダミー溝
２１ グランドパッド
２２ Ｙパッド
２３ 接続部
３０ ＳＯＩウエハ
３１、３６ 酸化物層
３２、３７ レジストパターン
３３、３８ Ａｌ層
３４、３９ レジストパターン
３５ 保護層
４０ 反射膜
１５１ 光源
１５２ コリメートレンズ
１５３ ダイクロイックプリズム
１５４ 開口部
１５５ 画像信号
１５６ 制御部
１５７ レーザ変調回路
１５８ 駆動部
１５９ 光ビーム
１６０ 投射領域
１００ 画像投射装置
Claims (12)
- 可動部と、
前記可動部を支持する固定部と
を備え、
前記可動部は、
第１電圧が供給される第１導電部と、
第２電圧が供給される第２導電部と、
前記第１導電部と前記第２導電部とを電気的に絶縁した状態で相互に固定する裏打ち部と
を備え、
前記第２導電部と前記裏打ち部とは電気的に接続されている、アクチュエータ。 - 前記可動部は、第１可動部と、前記第１可動部を支持する第２可動部とを含み、
前記固定部は、前記第２可動部を支持し、
前記第２可動部は、前記第１および第２導電部を備え、
前記第１導電部を介して前記第１可動部に前記第１電圧を供給する、請求項１に記載のアクチュエータ。 - 前記第２可動部は、前記第２導電部および前記裏打ち部に形成された櫛型電極をさらに備える、請求項２に記載のアクチュエータ。
- 前記裏打ち部の厚さは、前記固定部の厚さよりも薄い、請求項３に記載のアクチュエータ。
- 前記第１可動部は、光を反射するミラー部を備え、
前記裏打ち部は、前記アクチュエータの前記ミラー部が設けられた面とは反対側の面から前記第１導電部と前記第２導電部とを固定している、請求項２に記載のアクチュエータ。 - 前記第１および第２可動部は、絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１シリコン層をエッチングして形成されており、
前記裏打ち部は、前記第２シリコン層をエッチングして形成されている、請求項２に記載のアクチュエータ。 - 前記第２可動部の前記第１導電部と前記第２導電部との間に形成された溝によって、前記第１導電部と前記第２導電部とは電気的に絶縁されている、請求項２に記載のアクチュエータ。
- 前記第２可動部の前記溝に対して点対称な位置にダミー溝が形成されている、請求項７に記載のアクチュエータ。
- 前記第１可動部は、前記第２可動部に対して前記第１可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第１および第２櫛型電極を備え、
前記第１櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、
前記第２櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と平行な方向へ延びており、
前記第２可動部は、前記固定部に対して前記第２可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第３および第４櫛型電極を備え、
前記第３櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、
前記第４櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と平行な方向へ延びている、請求項２に記載のアクチュエータ。 - 請求項１に記載のアクチュエータを備えた画像投射装置であって、
前記画像投射装置は、
光ビームを出射する光源と、
前記光ビームを前記アクチュエータへ導く光学系と、
前記アクチュエータを駆動する駆動部と
を備えた、画像投射装置。 - 請求項１に記載のアクチュエータの製造方法であって、
前記製造方法は、
絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１シリコン層をエッチングして前記第１および第２可動部を形成するステップと、
前記第２シリコン層をエッチングして前記裏打ち部を形成するステップと、
前記第２可動部の前記第１シリコン層から形成された所定の部分と前記裏打ち部とを電気的に接続するステップと
を包含する、製造方法。 - 前記裏打ち部を形成するステップは、前記第１シリコン層をエッチングするときに用いるマスクを用いて前記第２シリコン層をエッチングするステップを含む、請求項１１に記載の製造方法。
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