KR20050056954A - 토션 바아를 구비하는 마이크로 요동 소자 - Google Patents

Abstract

마이크로 요동 소자는 프레임(113)과, 이 프레임(113)에 대해 연결부(112)를 거쳐서 연결된 요동 부재(111)를 구비하고 있다. 각 연결부(112)는 2개의 토션 바아(112a)를 포함하고 있고, 각 토션 바아(112a)는 복수의 구멍(112b)을 형성함으로써 프레임(113)을 향해 강성이 상대적으로 높고, 요동 부재(111)를 향해 강성이 상대적으로 낮아지도록 구성되어 있다.

Description

토션 바아를 구비하는 마이크로 요동 소자{MICRO ROCKING DEVICE HAVING TOSION BAR}

본 발명은, 토션 바아를 구비하는 마이크로 요동 소자에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광디스크에 대해 데이터의 기록 및 재생 처리를 행하는 광디스크 장치나 복수의 광파이버 사이의 광로의 절환을 행하는 광스위칭 장치 등의 광학 장치에 조립되어 빛의 진로 방향을 변경하는 데 이용되는 마이크로 미러 소자에 관한 것이다.

마이크로 미러 소자는 빛을 반사하기 위한 미러면을 구비하고, 상기 미러면의 요동에 의해 빛의 반사 방향을 변화시킬 수 있다. 미러면을 요동하기 위해 정전기력을 이용하는 정전 구동형의 마이크로 미러 소자가, 많은 광학 장치에서 채용되고 있다. 정전 구동형 마이크로 미러 소자로서는, 소위 표면 마이크로 머시닝 기술에 의해 제조되는 마이크로 미러 소자와, 소위 벌크 마이크로 머시닝 기술에 의해 제조되는 마이크로 미러 소자로 크게 2개로 구별할 수 있다.

표면 마이크로 머시닝 기술에서는 기판 상에 있어서, 각 구성 부위에 대응하는 재료 박막을 원하는 패턴으로 가공하고, 이와 같은 패턴을 차례로 적층함으로써 지지체, 미러면 및 전극부 등 소자를 구성하는 각 부위나, 후에 제거되는 희생층을 형성한다. 이와 같은 표면 마이크로 머시닝 기술에 의해 제조되는 정전 구동형 마이크로 미러 소자는, 예를 들어 일본 특허 공개 평7-287177호 공보에 개시되어 있다.

한편, 벌크 마이크로 머시닝 기술에서는 재료 기판 자체를 에칭함으로써 지지체나 미러부 등을 원하는 형상으로 성형하고, 필요에 따라서 미러면이나 전극을 박막 형성한다. 이와 같은 벌크 마이크로 머시닝 기술에 의해 제조되는 정전 구동형 마이크로 미러 소자는, 예를 들어 일본 특허 공개 평9-146032호 공보, 일본 특허 공개 평9-146034호 공보, 일본 특허 공개 평10-62709호 공보, 일본 특허 공개 2001-13443호 공보에 개시되어 있다.

마이크로 미러 소자에 요구되는 기술적 사항 중 하나로서, 광반사를 담당하는 미러면의 평면도가 높은 것을 들 수 있다. 표면 마이크로 머시닝 기술에 따르면, 최종적으로 형성되는 미러면이 얇기 때문에, 미러면이 만곡되기 쉽고, 고평면도가 보증되는 것은 미러면의 사이즈에 있어서 1변의 길이가 수십 ㎛의 것으로 한정된다.

이에 대해 벌크 마이크로 머시닝 기술에 따르면, 상대적으로 두꺼운 재료 기판 자체를 깎아 넣어 미러부를 구성하고, 이 미러부 상에 미러면을 설치하기 때문에 보다 넓은 면적의 미러면이라도 그 강성을 확보할 수 있다. 그 결과, 충분히 높은 광학적 평면도를 갖는 미러면을 형성하는 것이 가능해진다. 따라서, 특히 1변의 길이가 수백 ㎛ 이상의 미러면이 필요해지는 마이크로 미러 소자의 제조에 있어서는 벌크 마이크로 머시닝 기술이 널리 채용되고 있다.

도20은 벌크 마이크로 머시닝 기술에 의해 제작된 종래의 정전 구동형 마이크로 미러 소자(400)를 도시한다. 마이크로 미러 소자(400)는 미러 기판(410)과 베이스 기판(420)이 적층된 구조를 갖는다. 미러 기판(410)은, 도21에 도시한 바와 같이 미러부(411)와, 프레임(413)과, 이들을 연결하는 한 쌍의 토션 바아(412)를 포함한다. 미러부(411)의 표면에는 미러면(411a)이 설치되어 있다. 미러부(411)의 이면에는 한 쌍의 전극(414a, 414b)이 설치되어 있다.

한편, 베이스 기판(420)에는, 도20에 도시한 바와 같이 미러부(411)의 전극(414a)에 대향하는 전극(421a) 및 전극(414b)에 대향하는 전극(421b)이 설치되어 있다.

이와 같은 구성에 따르면, 예를 들어 미러부(411)의 전극(414a, 414b)을 정으로 대전시킨 상태에 있어서, 베이스 기판(420)의 전극(421a)을 부극으로 하면 전극(414a)과 전극(421a) 사이에는 정전 인력이 발생하고, 미러부(411)는 한 쌍의 토션 바아(412)를 비틀면서 화살표 M3 방향으로 요동한다. 미러부(411)는 전극 사이의 정전 인력과 각 토션 바아(412)의 비틀림 저항력의 총합이 균형잡히는 각도까지 요동한다.

이상과는 반대로, 미러부(411)의 전극(414a, 414b)을 정으로 대전시킨 상태에서 전극(421b)을 부극으로 하면 전극(414b)과 전극(421b) 사이에 정전 인력이 발생하고, 미러부(411)는 화살표 M3과는 반대의 방향으로 요동한다. 이와 같은 미러부(411)의 요동 구동에 의해, 미러면(411a)에 의해 반사되는 빛의 반사 방향이 절환된다.

상술한 바와 같이, 정전 구동형 마이크로 미러 소자(400)에 있어서, 미러부(411)는 전극 사이의 정전력과 각 토션 바아(412)의 비틀림 저항력의 총합이 균형잡히는 각도까지 요동한다. 이 때, 각 토션 바아(412)의 비틀림에 의한 응력의 정도는 그 길이 방향에서 균일하지 않다. 즉, 각 토션 바아(412)의 양단부는 가동의 미러부(411)와 고정의 프레임(413)에 연결되어 있고, 미러부(411)가 요동하면 토션 바아(412)의 비틀림에 의한 응력은 토션 바아(412) 양단부의 연결부에 집중하게 된다.

그러나, 도21로부터도 알 수 있는 바와 같이, 각 토션 바아(412)의 폭 및 두께는 균일하게 구성되어 있다. 게다가, 각 토션 바아(412)의 비틀림 저항을 작게 하여 구동 전력을 감소시키기 위해, 폭 및 두께를 작게 설정하고 있다. 그 결과, 각 토션 바아(412)의 양단부에 응력이 집중하면 토션 바아(412)가 그 부위에서 파괴될 가능성이 높다. 특히, 토션 바아(412)의 비틀림 각[미러부(411)의 요동각]이 크고, 미러부(411)의 비틀림 스프링 상수가 큰 경우(즉, 마이크로 미러 소자의 공진 주파수가 높음)에 그 경향이 높다. 또한, 토션 바아(412)의 강성이 길이 방향에 같으면, 마이크로 미러 소자(400)에 요구되는 다양한 특성 요건에 대응할 수 없다.

도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 마이크로 미러 소자의 분해 사시도이다.

도2는 도1에 도시하는 마이크로 미러 소자의 조립 상태에 있어서의 선2-2에 따른 단면도이다.

도3은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 마이크로 미러 소자의 사시도이다.

도4는 도3에 있어서의 선4-4에 따른 단면도이다.

도5는 도3에 도시하는 마이크로 미러 소자에 있어서의 베이스 기판을 도시하는 사시도이다.

도6은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 마이크로 미러 소자의 사시도이다.

도7a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제1 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도7b는 도7a에 있어서의 선7B-7B에 따른 단면도이다.

도8a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제2 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도8b는 도8a에 있어서의 선8B-8B에 따른 단면도이다.

도9a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제3 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도9b는 도9a에 있어서의 선9B-9B에 따른 단면도이다.

도10a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제4 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도10b는 도10a에 있어서의 선10B-10B에 따른 단면도이다.

도11a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제5 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도11b는 도11a에 있어서의 선11B-11B에 따른 단면도이다.

도12a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제6 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도12b는 도12a에 있어서의 선12B-12B에 따른 단면도이다.

도12c는 도12a에 있어서의 화살표 12C 방향으로 본 입면도이다.

도13a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제7 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도13b는 도13a에 있어서의 선13B-13B에 따른 단면도이다.

도14a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제8 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도14b는 도14a에 있어서의 선14B-14B에 따른 단면도이다.

도15a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제9 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도15b는 도15a에 있어서의 선15B-15B에 따른 단면도이다.

도15c는 도15a에 있어서의 화살표 15C 방향으로 본 입면도이다.

도16a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제10 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도16b는 도16a에 있어서의 선16B-16B에 따른 단면도이다.

도16c는 도16a에 있어서의 화살표 16C 방향으로 본 입면도이다.

도17a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제11 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도17b는 도17a에 있어서의 선17B-17B에 따른 단면도이다.

도18a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제12 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도18b는 도18a에 있어서의 선18B-18B에 따른 단면도이다.

도19a는 상기 어떠한 실시 형태에 대해서도 채용할 수 있는 토션 바아의 구조의 제13 예를 나타내는 부분 확대 평면도이다.

도19b는 도19a에 있어서의 선19B-19B에 따른 단면도이다.

도20은 종래의 마이크로 미러 소자의 단면도이다.

도21은 도20에 도시하는 마이크로 미러 소자에 있어서의 미러 기판을 도시하는 사시도이다.

그래서, 본 발명의 목적은 낮은 비틀림 저항, 큰 비틀림 각 및 높은 공진 주파수 등의 다양한 요건에 대응하도록 토션 바아를 구성해도 파괴의 가능성이 낮은 마이크로 요동 소자, 특히 마이크로 미러 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면 프레임과, 이 프레임에 대해 연결부를 거쳐서 연결된 요동 부재를 구비하고, 상기 각 연결부는 적어도 1개의 토션 바아를 포함하고 있고, 상기 토션 바아는 강성 조정 수단을 구비하고 있는 마이크로 요동 소자가 제공된다.

이상의 구성에 따르면, 토션 바아의 강성은 강성 조정 수단에 의해 마이크로 요동 소자에 요구되는 동작 특성에 따라서 조정할 수 있다. 예를 들어, 토션 바아의 일단부 또는 양단부의 강성을 높이고, 비틀림 스프링 상수를 높게 할 수 있다. 반대로, 토션 바아의 일단부 또는 양단부의 강성을 낮추고, 비틀림 저항을 작게, 비틀림 각을 크게 설정하는 것도 가능하다. 또한, 비틀어 변형되는 토션 바아의 응력 분포가 길이 방향에 균일해지도록 강성의 분포를 조정하면, 응력 집중에 의한 토션 바아의 파괴의 가능성을 낮게 할 수도 있다.

본 발명의 적합한 실시 형태에 따르면, 각 연결부는 폭방향에 간격을 둔 2개의 토션 바아를 포함하고 있고, 상기 2개의 토션 바아의 간격은 요동 부재에 가까울수록 크고, 프레임에 근접함에 따라서 감소하도록 구성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 요동 부재가 요동하면 각 토션 바아는, 프레임측에서는 비틀림 변형이 주체가 되지만, 요동 부재측에서는 요동 축심으로부터 멀어지므로, 비틀림 변형의 정도는 작고, 휨 변형이 주체가 된다. 따라서, 각 토션 바아의 요동 부재측의 단부에서는, 응력 집중은 생기기 어려운 상태로 되어 있다.

이상과 같은 전제에 있어서, 강성 조정 수단은 각 토션 바아의 강성이 상기 프레임을 향해 상대적으로 높고, 상기 요동 부재를 향해 상대적으로 낮아지도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성에 따르면, 요동 부재가 요동할 때에는, 토션 바아는 프레임의 근방에서 비틀림이 높은 강성에 의해 상대적으로 작고, 비틀림에 의한 응력 집중도 작다. 게다가, 요동 부재의 근방에서는 요동 부재의 요동에 추종하는 토션 바아의 휨이 주체가 되므로(토션 바아의 비틀림이 작음), 요동 부재의 근방에서의 비틀림에 의한 응력 집중도 작다. 그 결과, 토션 바아의 요동 부재 및 프레임에 대한 접속점에서 응력 집중은 일어나기 어렵고, 토션 바아 전체로서는 그 길이 방향에 응력이 균일하게 분산된다. 따라서, 요동 부재를 큰 요동각에서 요동시켜도, 혹은 요동 부재의 공진 주파수를 높게 하기 위해 토션 바아의 비틀림 스프링 상수를 크게 설정해도 토션 바아가 파괴되기 어려워진다.

토션 바아의 강성을 조정하기 위한 제1 수단은 토션 바아에 복수의 구멍을 형성하여 그 사이즈나 배열 패턴에 변화를 주는 것이다. 구멍은 토션 바아의 강성을 저하시키는 작용이 있어 구멍의 점유 비율이 클 수록 그 작용이 강해진다. 따라서, 구멍의 사이즈를 프레임에 가까울수록 작고, 요동 부재에 가까울수록 커지도록 변화시키면, 토션 바아의 강성은 프레임을 향해 상대적으로 높고, 요동 부재를 향해 상대적으로 낮아지는 것이다. 한편, 복수의 구멍의 사이즈를 균일하게 하는 경우에는 구멍의 밀도를 프레임에 가까울수록 작고, 요동 부재에 가까울수록 커지도록 변화시키면 동일한 기능을 얻을 수 있다.

복수의 구멍은 토션 바아를 두께 방향으로 관통해도 좋고, 혹은 폭방향으로 관통해도 좋다. 또한, 복수의 구멍의 일부는 토션 바아를 두께 방향으로 관통하고, 복수의 구멍의 잔량부는 토션 바아를 폭방향으로 관통해도 좋다.

토션 바아의 강성을 조정하기 위한 제2 수단은, 토션 바아의 폭 및/또는 두께에 변화를 주는 것이다. 즉, 토션 바아의 폭 및/또는 두께를 프레임에 가까울수록 크고, 요동 부재에 가까울수록 작아지도록 변화시키면, 토션 바아의 강성은 프레임을 향해 증가하고, 요동 부재를 향해 감소하는 것이다.

토션 바아의 강성을 조정하기 위한 제3 수단은 토션 바아의 폭방향 및/또는 두께 방향으로 돌출되는 복수의 보강 리브를 설치하고, 이들 보강 리브의 간격에 변화를 주는 것이다. 즉, 복수의 보강 리브의 간격을 프레임에 가까울수록 작고, 상기 요동 부재에 가까울수록 커지도록 변화시키면, 토션 바아의 강성은 프레임을 향해 증가하고, 요동 부재를 향해 감소하는 것이다.

각 연결부가 2개의 토션 바아를 포함하는 전술한 실시 형태에 따르면, 상기 2개의 토션 바아를 포함하는 평면에 직교하는 축(소위 z축) 주위에 요동 부재가 회전하고자 하면, 이들 토션 바아가 버티기 작용을 발휘하여 요동 부재의 z축 주위의 회전을 방지할 수 있다. 따라서, 요동 부재가 마이크로 미러 소자의 미러부인 경우에, 의도하지 않은 방향으로 미러부에 의해 빛이 반사되는 것을 회피할 수 있다.

상기 2개의 토션 바아는 두께 방향에 서로 위치가 어긋나 있어도 좋다. 이와 같은 구성에 의해, 2개의 토션 바아를 프레임 또는 요동 부재 중 전기적으로 분리된 2개의 부분에 각각 접속하는 것이 가능해진다.

본 발명의 다른 적합한 실시 형태에 따르면, 상기 프레임은 내측 프레임을 구성하고 있고, 상기 연결부는 이 내측 프레임을 상기 요동 부재에 연결하는 내측 연결부이다. 또한 내측 프레임에 외측 연결부를 거쳐서 외측 프레임이 연결되어 있고, 각 외측 연결부는 적어도 1개의 외측 토션 바아를 포함하고 있다. 외측 토션 바아는 외측 프레임을 향해 강성이 상대적으로 높고, 내측 프레임을 향해 강성이 상대적으로 낮아지도록 구성되어 있다. 또한, 외측 연결부의 요동축은 내측 연결부의 요동축에 직교한다. 구체적으로는, 내측 연결부의 요동축은 x방향으로 연장되고, 외측 연결부의 요동축은 y방향으로 연장되어 있다.

본 실시 형태에 따르면, 2축 요동형의 마이크로 요동 소자를 구성할 수 있고, 요동 부재가 미러부를 갖고 있는 경우에는 빛의 반사 방향의 제어 자유도가 높아진다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특징 및 이점은 이하 첨부 도면을 기초로 하여 설명하는 적절한 실시 형태로부터 명백해질 것이다.

이하, 본 발명이 적합한 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 구체적으로 설명한다.

도1 및 도2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 마이크로 미러 소자(100)를 도시한다. 본 실시 형태의 마이크로 미러 소자(100)는 미러 기판(110)과 베이스 기판(120)이 적층한 구조를 갖는다.

미러 기판(110)은, 도1에 도시한 바와 같이 미러부(111)와, 이 미러부(111)를 둘러싸는 프레임(113)과, 상기 프레임(113) 및 미러부(111)를 연결하는 한 쌍의 비틀림 연결부(112)를 갖는다. 미러 기판(110)은, 예를 들어 P나 As 등의 n형 불순물이나 B 등의 p형 불순물을 도핑함으로써 도전성이 부여된 실리콘제의 기판으로부터 벌크 머시닝 기술에 의해 성형된 것이다. 구체적으로는 판형의 도전성 실리콘 기판에 대해 미러부(111), 프레임(113) 및 한 쌍의 비틀림 연결부(112)에 대응하는 부위를 덮는 에칭 마스크를 이용하여 Deep RIE(Deep Reactive Ion Etching) 등의 드라이 에칭이나, KOH 용액 등을 이용한 습윤 에칭에 의해 공극부(110a)를 설치한다. 그 결과, 공극부(110a)에 의해 미러부(111), 프레임(113) 및 한 쌍의 비틀림 연결부(112)가 형태를 취할 수 있게 된다. 본 실시 형태에서는 미러부(111)와 프레임(113) 사이의 각 공극부(110a)의 폭은, 예를 들어 10 내지 200 ㎛이고, 미러부(111) 및 프레임(113)의 두께는, 예를 들어 10 내지 200 ㎛이다.

도2에 잘 나타나 있는 바와 같이, 미러부(111)의 표면에는 미러면(114)이 설치되고, 또한 그 이면에는 한 쌍의 전극(115a, 115b)이 설치되어 있다. 이들 미러면(114) 및 전극(115a, 115b)은 금속막을 증착하는 등하여 형성되어 있다. 단, 불순물의 도핑에 의해 미러 기판(110)의 도전성을 충분히 높게 구성한 경우에는, 전극(115a, 115b)은 설치하지 않아도 좋다.

도1에 잘 나타나 있는 바와 같이, 각 비틀림 연결부(112)는 미러부(111)의 길이 방향으로 연장되는 측면의 중앙 부근과, 프레임(113)의 길이 방향으로 연장되는 내측면의 중앙 부근에 일체적으로 접속하고 있다. 이에 의해, 본 실시 형태의 마이크로 미러 소자(100)는 한 쌍의 비틀림 연결부(112)에 의해 요동축(X1)이 규정된 1축형으로서 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 각 비틀림 연결부(112)는 2개의 토션 바아(112a)로 이루어진다. 이들 2개의 토션 바아(112a)에 의해 비틀림 연결부(112)의 폭(도1의 Y방향의 치수)이 규정된다. 비틀림 연결부(112)의 폭은, 예를 들어 미러부(111)에 접속하는 부위에서 30 내지 300 ㎛이고, 미러부(111)로부터 프레임(113)에 걸쳐서 서서히 좁아지게 되어 있고, 프레임(113)에 접속하는 부위에서는 1 내지 30 ㎛이다.

마이크로 미러 소자(100)는, 조립 상태에서는, 도2에 도시된 바와 같이 미러부(111)의 프레임(113)의 하면이 베이스 기판(120)의 볼록형 단차부(121)의 상면에 접합된다. 베이스 기판(120)은 미러부(111)의 한 쌍의 전극(115a, 115b)에 대해 적당한 간격을 두고 대향하는 한 쌍의 전극(122a, 122b)을 구비하고 있다. 즉, 본 실시 형태에 관한 마이크로 미러 소자(100)는, 소위 평판 전극형으로서 구성되어 있다.

이와 같은 구성에 따르면, 예를 들어 미러부(111)의 전극(115a, 115b)을 정극에 대전시킨 상태에 있어서, 베이스 기판(120)의 전극(122a)을 부극으로 하면 이들 사이에는 정전력이 발생하고, 미러부(111)는 한 쌍의 비틀림 연결부(112)를 비틀면서 요동축(X1)을 중심으로 하여 화살표(N1) 방향으로 요동한다. 또한, 이것 대신에, 전극(122b)을 부극으로 하면 미러부(111)는 상기와는 반대 방향으로 요동하게 된다. 이와 같이, 미러부(111)를 요동시킴으로써 미러면(114)을 향해 진행하고 상기 미러면(114)에서 반사되는 빛의 반사 방향을 소정의 방향으로 절환할 수 있다. 이와 같은 미러부(111)의 요동시에 있어서, 비틀림 연결부(112)가 상대적으로 폭이 좁은 부위를 갖고 있으므로, 비틀림 연결부(112)의 비틀림 저항은 저감되어 있다. 동시에, 비틀림 연결부(112)가 상대적으로 폭이 넓은 부위에서 미러부(114)에 접속하고 있으므로, 미러부(111)가 그 법선(N1) 주위로 회전하는 것을 양호하게 억제할 수 있다.

미러부(111)의 전극(115a, 115b)에의 전위 부여는 도전 재료로 구성된 프레임(113), 비틀림 연결부(112) 및 미러부(111)를 거쳐서 행한다. 베이스 기판(120)의 전극(122a, 122b)에의 전위 부여는 절연 재료로 구성된 베이스 기판(120)에 적절하게 설치된 배선(도시 생략)을 거쳐서 행한다. 본 실시 형태의 마이크로 미러 소자(100)의 미러 기판(110)에서는 미러부(111), 비틀림 연결부(112), 프레임(113)이 도전성 재료에 의해 일체적으로 구성되어 있고, 비틀림 연결부(112)를 거쳐서 미러부(111)의 전극(115a, 115b)에 대해 적절하게 전위를 부여할 수 있으므로, 종래의 마이크로 미러 소자와는 달리 미러 기판(110)의 전극(115a, 115b)에 전위를 부여하기 위한 배선을 비틀림 연결부(112) 상에 별도로 형성할 필요는 없다.

마이크로 미러 소자(100)의 미러부(111)를 구동하기 위해서는 평판 전극 대신에 빗살 무늬 전극을 설치해도 좋다. 또한, 평판 전극이나 빗살 무늬 전극 등에 의한 정전력 대신에 전자 코일이나 영구 자석 등에 의한 전자력을 이용할 수도 있다. 구체적으로는 미러부(111)의 전극(115a, 115b)을 전자 코일로 치환하고, 베이스 기판의 전극(122a, 122b)을 전자 코일 또는 영구 자석으로 치환한다. 혹은, 미러부(111)의 전극(115a, 115b)을 영구 자석으로 치환하고, 베이스 기판의 전극(122a, 122b)을 전자 코일로 치환한다. 이들 구성에서는 전자 코일에의 통전 상태를 조절함으로써 미러부(111)를 구동할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 비틀림 연결부(112)를 구성하는 각 토션 바아(112a)에는 그 두께 방향으로 관통하는 복수의 강성 조정 구멍(50)이 형성되어 있다. 이들 강성 조정 구멍(50)의 형성 패턴은, 예를 들어 도7a 및 도7b에 도시된 바와 같은 것으로 할 수 있다. 구체적으로는, 도7a 및 도7b에 도시되는 강성 조정 구멍(50)은 평행 사변형의 단면 형상을 갖고, 그 사이즈는 미러부(111)에 가까울수록 크고, 프레임(113)을 향해 점감하도록 되어 있다. 강성 조정 구멍(50)은 토션 바아(112a)의 강성을 저하시키는 기능이 있고, 그 강성 저하 기능의 정도는 구멍(50)의 사이즈가 클 수록 크다. 따라서, 각 토션 바아(112a)는, 균일한 폭 및 두께를 갖는 경우에는 미러부(111)에 가까울수록 강성이 낮고, 프레임(113)에 가까울수록 강성이 높다.

이상의 구성에 있어서, 미러부(111)가 요동축(X1)을 중심으로 하여 요동해도 토션 바아(112a)는 프레임(113)의 근처에서의 비틀림이 상대적으로 높은 강성이므로 작아진다. 따라서, 토션 바아(112a)와 프레임(113)의 접속점에 비틀림에 의한 응력은 집중하기 어렵다. 게다가, 프레임(113)의 근방에서 토션 바아(112a)의 강성을 높게 한 것에 의해 비틀림 스프링 상수를 크게 하고, 마이크로 미러 소자의 공진 주파수를 높게 설정할 수 있다.

한편, 토션 바아(112a)에 있어서의 미러부(111)측의 단부는 요동축(X1)으로부터 떨어져 있으므로, 미러부(111)의 요동에 추종하여 미러면(114)에 수직인 방향에의 변위가 주체가 된다. 따라서, 토션 바아(112a)는, 미러부(111)측에서는 거의 비틀어지는 일 없이 휨 변형이 주체가 된다. 그 결과, 토션 바아(112a)에 있어서의 미러부(111)측의 단부에 대해서도 비틀림에 의한 응력 집중은 적고, 토션 바아(112a)의 전체로서 본 경우, 그 길이 방향에 응력이 균일하게 분산된다. 게다가, 토션 바아(112a)의 강성을 미러부(111)의 근방에서 낮게 하고 있으므로, 토션 바아(112a)는 휘어지기 쉽고, 미러부(111)의 요동에 필요로 하는 구동 전력을 작게 하는 동시에, 미러부(111)의 요동각을 크게 하는 것이 가능해진다.

이상의 이유에 의해, 요동 부재를 큰 요동각으로 요동시켜도, 혹은 미러부(11)의 공진 주파수를 높게 하기 위해 토션 바아(112a)의 비틀림 스프링 상수를 큰 값으로 설계해도 토션 바아(112a)가 파괴되기 어려워지는 것이다.

강성 조정 구멍(50)은, 예를 들어 미러 기판(100)에 있어서 공극(110a)을 형성할 때에, 동시에 Deep RIE법으로 형성하는 것이 합리적이다. 그러나, 별도로 레이저 조사나 습윤 에칭법에 의해 형성해도 좋다.

도3 내지 도5는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 마이크로 미러 소자(200)를 도시한다. 본 실시 형태에 있어서의 마이크로 미러 소자(200)는 미러 기판(210)과 베이스 기판(220)을 절연층(230)을 거쳐서 적층한 구조를 갖는다.

미러 기판(110)은, 도3에 도시한 바와 같이 미러부(211)와, 이 미러부(211)를 둘러싸는 프레임(213)과, 상기 프레임(213) 및 미러부(211)를 연결하는 한 쌍의 비틀림 연결부(212)를 갖는다. 미러 기판(210)은, 예를 들어 P나 As 등의 n형 불순물이나 B등의 p형 불순물을 도핑함으로써 도전성이 부여된 실리콘제의 기판으로부터 벌크 머시닝 기술에 의해 성형된 것이다. 구체적으로는 판형의 도전성 실리콘 기판에 대해 미러부(211), 프레임(213) 및 한 쌍의 비틀림 연결부(212)에 대응하는 부위를 덮는 에칭 마스크를 이용하여 Deep RIE 등의 드라이 에칭이나, KOH 용액 등을 이용한 습윤 에칭에 의해 공극부(210a)를 설치한다. 그 결과, 공극부(210a)에 의해 미러부(211), 프레임(213) 및 한 쌍의 비틀림 연결부(212)가 형태를 취할 수 있게 된다. 본 실시 형태에서는, 미러부(111)와 프레임(113) 사이의 각 공극부(110a)의 폭은, 예를 들어 10 내지 200 ㎛이고, 미러부(111) 및 프레임(113)의 두께는, 예를 들어 10 내지 200 ㎛이다.

미러부(211)의 표면은 미러면(214)으로서 작용한다. 또한, 미러부(211)의 서로 대향하는 2개의 측면에는 제1 빗살 무늬 전극(215a, 215b)이 연장 성형되어 있다. 이들 제1 빗살 무늬 전극(215a, 215b)은 Deep RIE에 의해 공극(210a)을 형성하는 것과 동시에 형성된다.

각 비틀림 연결부(212)의 구성은 제1 실시 형태에 대해 서술한 것과 기본적으로 동일하다. 즉, 각 비틀림 연결부(112)는 2개의 토션 바아(212a)로 이루어지고, 각 토션 바아(212a)에는 복수의 강성 조정 구멍(50)이 형성되어 있다. 또한, 강성 조정 구멍(50)의 형성 패턴은, 예를 들어 도7a 및 도7b에 도시한 바와 같다.

본 실시 형태에 있어서는 미러 기판(210)과 마찬가지로 베이스 기판(120)도, 예를 들어 P나 As 등의 n형 불순물이나 B 등의 p형 불순물을 도핑함으로써 도전성이 부여된 실리콘제의 기판으로부터 벌크 머시닝 기술에 의해 성형된 것이다. 구체적으로는 판형의 도전성 실리콘 기판에 대해 Deep RIE 등의 드라이 에칭이나, KOH 용액 등을 이용한 습윤 에칭에 의해 중앙부를 오목하게 하는 동시에 제2 빗살 무늬 전극(222a, 222b)(도5 참조)을 형성한다. 제2 빗살 무늬 전극(222a, 222b)은 제1 빗살 무늬 전극(215a, 215b)에 대응하는 것이지만, 위치적으로는 교대로 되어 있다. 따라서, 제1 빗살 무늬 전극의 각 전극치는 제2 빗살 무늬 전극의 전극치 사이의 간극으로 인입하도록 되어 있다.

마이크로 미러 소자(200)는, 조립 상태에서는, 도4에 도시된 바와 같이 미러 기판(210)의 프레임(213)이 베이스 기판(220)의 볼록형 단차부(221)의 상면에 절연층(230)을 거쳐서 접합된다. 절연층(230)을 개재시킨 것은 제2 빗살 무늬 전극(222a, 222b)을 일체 형성할 필요로부터 제2 베이스 기판(220)을 도전성 재료로 구성하였으므로, 제2 베이스 기판(220)을 미러 기판(210)으로부터 전기적으로 분리해야만 하기 때문이다.

또한, 도5에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(220)은 한 쪽 제2 빗살 무늬 전극(222a)을 포함하는 제1 도전부(220a)와, 다른 쪽 제2 빗살 무늬 전극(222b)을 포함하는 제2 도전부(220b)를 절연층(223)에서 전기적으로 분리한 구조를 갖고 있다. 이와 같은 구조는 2개의 제2 빗살 무늬 전극(222a, 222b)에 다른 전위를 인가하기 위해 필요하다.

이상과 같은 구성에 있어서, 예를 들어 미러부(211)의 제1 빗살 무늬 전극(215a, 215b)을 정극에 대전시킨 상태에 있어서, 베이스 기판(220)의 제2 빗살 무늬 전극(122a, 222b) 중 어느 한 쪽을 선택적으로 부극으로 함으로써 미러부(211)를 정반대로 요동할 수 있다. 또한, 각 비틀림 연결부(212)에 대해서는 그 폭을 미러부(211)로부터 프레임(213)에 걸쳐서 점감시키고 있고, 게다가 각 토션 바아(212a)에 복수의 강성 조정 구멍(50)을 도7a 및 도7b에 도시한 패턴으로 형성하고 있는 점에서 제2 실시 형태는 제1 실시 형태와 동일하다. 따라서, 제2 실시 형태의 마이크로 미러 소자(200)는 제1 실시 형태의 마이크로 미러 소자(100)와 동일한 이점을 향수하고 있다.

도6은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 마이크로 미러 소자에 있어서의 미러 기판(310)의 구성만을 도시한다. 본 실시 형태에 있어서의 미러 기판(310)은 미러부(311), 이를 둘러싸는 내측 프레임(313), 내측 프레임(313)을 둘러싸는 외측 프레임(317), 미러부(311)와 내측 프레임(313)을 연결하는 한 쌍의 제1 비틀림 연결부(312), 내측 프레임(313)과 외측 프레임(317)을 연결하는 한 쌍의 제2 비틀림 연결부(316)를 구비한다. 제1 비틀림 연결부(312)는 내측 프레임(313)에 대한 미러부(311)의 제1 요동축(X1)을 규정한다. 제2 비틀림 연결부(316)는 외측 프레임(317)에 대한 내측 프레임(313)의 요동축(X2)을 규정한다. 본 실시 형태에서는, 요동축(X1)과 제2 요동축(X2)은 직교하고 있다. 미러 기판(310)의 재료 및 제조 방법에 대해서는 제2 실시 형태에서 서술한 것과 마찬가지이다.

본 실시 형태에 있어서는, 미러부(311)는 제1 요동축(X1)을 협지하고 양측에 제1 빗살 무늬 전극(315a, 315b)이 형성되어 있고, 내측 프레임(313)은 제2 요동축(X2)을 협지하고 양측에 제3 빗살 무늬 전극(318a, 318b)이 형성되어 있다. 또한, 도시는 되어 있지 않지만, 미러 기판(310)은 절연층을 거쳐서 베이스 기판에 접합되어 있고, 이 베이스 기판에는 제1 빗살 무늬 전극(315a, 315b)에 대응하는 제3 빗살 무늬 전극과, 제3 빗살 무늬 전극(318a, 318b)에 대응하는 제4 빗살 무늬 전극이 형성되어 있다. 따라서, 도시되지 않는 제2 빗살 무늬 전극 및 제4 빗살 무늬 전극에 선택적으로 전위를 인가함으로써, 미러부(311)를 제1 요동축(X1) 및/또는 제2 요동축(X2)을 중심으로 하여 요동시킬 수 있으므로, 빛의 반사 방향을 제어하는 데 있어서의 자유도가 높아진다.

도6에 도시된 제3 실시 형태는, 각 제1 비틀림 연결부(312)에 대해서는 그 폭을 미러부(311)로부터 내측 프레임(313)에 걸쳐서 점감시키고 있고, 게다가 각 토션 바아(312a)에 복수의 강성 조정 구멍(50)을 도7a 및 도7b에 도시한 패턴으로 형성하고 있는 점에서 제1 실시 형태와 동일하다. 또한, 각 제2 비틀림 연결부(316)의 구성도 각 제1 비틀림 연결부(312)의 것과 마찬가지이다. 따라서, 제1 실시 형태에 대해 이미 서술한 이점은 제3 실시 형태에 대해서도 그대로 적합하다.

이상 설명한 어떠한 실시 형태에 있어서도 각 토션 바아(112a)(212a, 312a, 316a)로서는 도7a 및 도7b에 도시한 패턴으로 강성 조정 구멍(50)이 형성되어 있다(제1 예). 본 제1 예에서는, 강성 조정 구멍(50)은 단면 평행 사변형이고, 그 사이즈가 토션 바아의 길이 방향으로만 변화되고 있다. 그러나, 토션 바아로서는 도8a 내지 도19b에 도시한 바와 같은 다양한 구성의 것을 채용해도 같은 이점을 얻을 수 있다.

즉, 도8a 및 도8b에 나타내는 제2 예에서는, 각 토션 바아는 1렬로 늘어서는 단면 사각형의 복수의 강성 조정 구멍(50a)을 갖고 있고, 그 사이즈는 미러부(또는 내측 프레임)에 가까울수록 크고, 프레임(또는 외측 프레임)을 향해 길이 방향뿐만 아니라 폭방향으로도 점감하도록 되어 있다.

도9a 및 도9b에 나타내는 제3 예에서는, 각 토션 바아는 1렬로 늘어서는 단면 원형의 복수의 강성 조정 구멍(50b)을 갖고 있고, 그 직경은 미러부(또는 내측 프레임)에 가까울수록 크고, 프레임(또는 외측 프레임)을 향해 점감하도록 되어 있다.

도10a 및 도10b에 나타내는 제4 예에서는, 각 토션 바아는 1렬로 늘어서는 단면 타원형의 복수의 강성 조정 구멍(50c)을 갖고 있고, 그 사이즈는 미러부(또는 내측 프레임)에 가까울수록 크고, 프레임(또는 외측 프레임)을 향해 길이 방향뿐만 아니라 폭방향으로도 점감하도록 되어 있다.

도11a 및 도11b에 나타내는 제5 예에서는, 각 토션 바아는 동일 직경이고 단면 원형의 다수의 강성 조정 구멍(50d)을 갖고 있고, 그 분포 밀도는 미러부(또는 내측 프레임)에 가까울수록 높고, 프레임(또는 외측 프레임)을 향해 점감하도록 되어 있다.

도12a 내지 도12c에 나타내는 제6 예에서는, 각 토션 바아는 그 두께 방향으로 관통하는 단면 원형의 일렬의 강성 조정 구멍(50b)을 갖는 동시에, 폭방향으로도 관통하는 단면 원형의 일렬의 강성 조정 구멍(50e)을 갖고 있다. 두께 방향으로 관통하는 강성 조정 구멍(50b)도, 폭방향으로 관통하는 강성 조정 구멍(50e)도 그 직경은 미러부(또는 내측 프레임)에 가까울수록 크고, 프레임(또는 외측 프레임)을 향해 점감하도록 되어 있다.

도13a 및 도13b에 나타내는 제7 예에서는, 각 토션 바아(12a)는 그 폭이 미러부(또는 내측 프레임)에 가까울수록 작고, 프레임(또는 외측 프레임)을 향해 점증하도록 되어 있다.

도14a 및 도14b에 나타내는 제8 예에서는, 각 토션 바아는 그 폭방향으로 돌출되는 복수의 보강 리브(50f)를 구비하고 있고, 이들 보강 리브(50f) 사이의 간격은 미러부(또는 내측 프레임)에 가까울수록 크고, 프레임(또는 외측 프레임)을 향해 점감하도록 되어 있다.

도15a 내지 도15c에 나타내는 제9 예에서는, 각 토션 바아(12a')는 그 두께가 미러부(또는 내측 프레임)에 가까울수록 작고, 프레임(또는 외측 프레임)을 향해 점증하도록 되어 있다.

도16a 내지 도16에 나타내는 제10 예에서는, 각 토션 바아는 그 두께 방향으로 돌출되는 복수의 보강 리브(50g)를 구비하고 있고, 이들 보강 리브(50g) 사이의 간격은 미러부(또는 내측 프레임)에 가까울수록 크고, 프레임(또는 외측 프레임)을 향해 점감하도록 되어 있다.

도17a 및 도17b에 나타내는 제11 예에서는 각 비틀림 연결부가 단일의 토션 바아(22)에 의해 구성되어 있고, 그 토션 바아(22)는 1렬로 늘어서는 단면 직사각형의 복수의 강성 조정 구멍(50h)을 갖고 있고, 그 사이즈는 미러부(또는 내측 프레임)에 가까울수록 크고, 프레임(또는 외측 프레임)을 향해 점감하도록 되어 있다.

도18a 및 도18b에 나타내는 제12 예에서는 각 비틀림 연결부가 도17a 및 도17b에 도시한 것과 동일 구성을 갖는 2개의 토션 바아(22)를 평행하게 늘어서 구성된 것이다.

도19a 및 도19b에 나타내는 제13 예는 도7a 및 도7b에 나타내는 제1 예와 유사한 것이지만, 2개의 토션 바아(12a")가 두께 방향에 서로 어긋나고 있는 점에서 그것과는 다르다.

이상, 본 발명의 다양한 실시 형태를 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시 형태에 의해 제한되는 것은 아니고, 첨부한 청구의 범위의 기재된 사상과 범위로부터 일탈하지 않는 한 다양한 변형이 가능하다.

Claims (18)

1. 프레임과,

   이 프레임에 대해 연결부를 거쳐서 연결된 요동 부재를 구비하고,

   상기 각 연결부는 적어도 1개의 토션 바아를 포함하고 있고, 상기 토션 바아는 강성 조정 수단을 구비하고 있는 마이크로 요동 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 각 연결부는 폭방향에 간격을 둔 2개의 토션 바아를 포함하고 있고, 상기 2개의 토션 바아의 간격은 상기 요동 부재에 가까울수록 크고, 상기 프레임에 근접함에 따라서 감소하는 마이크로 요동 소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 강성 조정 수단은 상기 각 토션 바아의 강성이 상기 프레임을 향해 상대적으로 높고, 상기 요동 부재를 향해 상대적으로 낮아지도록 구성되어 있는 마이크로 요동 소자.
4. 제3항에 있어서, 상기 강성 조정 수단은 토션 바아에 형성된 복수의 구멍인 마이크로 요동 소자.
5. 제4항에 있어서, 상기 구멍의 사이즈는 상기 프레임에 가까울수록 작고, 상기 요동 부재에 가까울수록 커지도록 변화되고 있는 마이크로 요동 소자.
6. 제4항에 있어서, 상기 구멍의 밀도는 상기 프레임에 가까울수록 작고, 상기 요동 부재에 가까울수록 커지도록 변화되고 있는 마이크로 요동 소자.
7. 제4항에 있어서, 상기 복수의 구멍은 상기 토션 바아를 두께 방향으로 관통하고 있는 마이크로 요동 소자.
8. 제4항에 있어서, 상기 복수의 구멍은 상기 토션 바아를 폭방향으로 관통하고 있는 마이크로 요동 소자.
9. 제4항에 있어서, 상기 복수의 구멍의 일부는 상기 토션 바아를 두께 방향으로 관통하고 있고, 상기 복수의 구멍의 잔량부는 상기 토션 바아를 폭방향으로 관통하고 있는 마이크로 요동 소자.
10. 제3항에 있어서, 상기 토션 바아는 폭이 상기 프레임에 가까울수록 크고, 상기 요동 부재에 가까울수록 작아지도록 변화되고 있는 마이크로 요동 소자.
11. 제3항에 있어서, 상기 강성 조정 수단은 상기 토션 바아의 폭방향으로 돌출되는 복수의 보강 리브를 구비하고 있고, 상기 보강 리브의 간격은 상기 프레임에 가까울수록 작고, 상기 요동 부재에 가까울수록 커지도록 변화되고 있는 마이크로 요동 소자.
12. 제3항에 있어서, 상기 토션 바아는 두께가 상기 프레임에 가까울수록 크고, 상기 요동 부재에 가까울수록 작아지도록 변화되고 있는 마이크로 요동 소자.
13. 제3항에 있어서, 상기 강성 조정 수단은 상기 토션 바아의 두께 방향으로 돌출되는 복수의 보강 리브를 구비하고 있고, 상기 보강 리브의 간격은 상기 프레임에 가까울수록 작고, 상기 요동 부재에 가까울수록 커지도록 변화되고 있는 마이크로 요동 소자.
14. 제13항에 있어서, 상기 2개의 토션 바아는 서로 두께 방향으로 위치가 어긋나 있는 마이크로 요동 소자.
15. 제1항에 있어서, 상기 프레임은 내측 프레임을 구성하고 있고, 상기 연결부는 이 내측 프레임을 상기 요동 부재에 연결하는 내측 연결부이고, 또한 상기 내측 프레임에 외측 연결부를 거쳐서 외측 프레임이 연결되어 있고, 상기 각 외측 연결부는 적어도 1개의 외측 토션 바아를 포함하고 있고, 상기 외측 토션 바아는 강성 조정 수단을 구비하고 있는 마이크로 요동 소자.
16. 제15항에 있어서, 상기 외측 토션 바아의 강성 조정 수단은 상기 외측 토션 바아의 강성이 상기 외측 프레임을 향해 상대적으로 높고, 상기 내측 프레임을 향해 상대적으로 낮아지도록 구성되어 있는 마이크로 요동 소자.
17. 제15항에 있어서, 상기 외측 연결부의 요동축은 상기 내측 연결부의 요동축에 직교하는 마이크로 요동 소자.
18. 제1항에 있어서, 상기 요동 부재는 미러부를 갖고 있는 마이크로 요동 소자인 마이크로 미러 소자.