WO2004017119A1 - トーションバーを備えるマイクロ揺動素子 - Google Patents

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WO2004017119A1
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torsion bar
torsion
mirror
micro
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Xiaoyu Mi
Osamu Tsuboi
Satoshi Ueda
Ippei Sawaki
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Fujitsu Limited
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    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/058—Rotation out of a plane parallel to the substrate

Definitions

  • the present invention relates to a micro oscillating device including a torsion bar.
  • the present invention is incorporated in an optical device such as an optical disk device that performs data recording / reproducing processing on an optical disk or an optical switching device that switches an optical path between a plurality of optical fibers, and controls the light traveling direction. It relates to a micro-mirror element used for changing. Background technology ''
  • the micromirror element has a mirror surface for reflecting light, and can change the light reflection direction by swinging the mirror surface.
  • Many optical devices use electrostatically driven micromirror elements that use electrostatic force to swing the mirror surface.
  • Electrostatic driven micromirror devices can be broadly classified into two types: micromirror devices manufactured by the so-called surface micromachining technology and micromirror devices manufactured by the so-called park micromachining technology.
  • a material thin film corresponding to each component is processed into a desired pattern on a substrate, and such patterns are sequentially laminated to form a support, a mirror surface, an electrode portion, and the like. Each part constituting the element and a sacrificial layer to be removed later are formed.
  • An electrostatic drive type micromirror element manufactured by such a surface micromachining technology is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-287177.
  • a support, a part of a mirror, and the like are formed into a desired shape by etching the material substrate itself, and the entire surface of the mirror and an electrode are formed as a thin film as necessary.
  • Such an electrostatic drive type micromirror element manufactured by such a bulk micromachining technology is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 9-146032, 9-146034, and Kaihei 10--6 2 709, Japanese Patent Publication No. -13443.
  • the mirror that reflects light has a high flatness.
  • the surface micromachining technology since the mirror surface that is finally formed is thin, the mirror surface is easily curved, and high flatness is guaranteed only when the length of one side of the mirror surface is several tens. Limited to / zm.
  • FIG. 20 shows a conventional electrostatically driven micromirror element 400 made by the Balta micromachining technology.
  • the micromirror element 400 has a structure in which a mirror substrate 410 and a base substrate 420 are stacked.
  • the mirror substrate 4110 includes a mirror section 411, a frame 413, and a pair of torsion bars 412 connecting these.
  • a mirror surface 411a is provided on the surface of the mirror section 411.
  • a pair of electrodes 414a and 414b are provided on the back surface of the mirror section 411.
  • the base substrate 420 is provided with an electrode 421a facing the electrode 414a of the mirror section 411 and an electrode 421b facing the electrode 414b. I have.
  • the electrode 42 1 a of the base substrate 420 is made a negative electrode, Electrostatic attraction is generated between the electrode 4a and the electrode 42 1a, and the mirror section 4 1 1 swings in the direction of arrow M3 while twisting the pair of torsion par 4 1 2.
  • the mirror portion 411 swings to an angle at which the electrostatic attraction between the electrodes and the sum of the torsional resistance of each torsion bar 412 are balanced.
  • the electrodes 4 14 a and 414 b of the mirror section 4 11 are positively charged.
  • the electrode 4 2 1 b is set to the negative electrode in this state, an electrostatic attraction is generated between the electrode 4 1 4 b and the electrode 4 2 1 b, and the mirror section 4 1 1 swings in the direction opposite to the arrow M 3.
  • the mirror section 4111 moves.
  • the mirror section 411 swings to an angle at which the electrostatic force between the electrodes and the sum of the torsional resistance of each torsion bar 412 are balanced. .
  • the degree of stress due to the torsion of each torsion bar 4 12 is not uniform in its length direction. That is, both ends of each torsion bar 4 11 2 are connected to a movable mirror section 4 1 1 and a fixed frame 4 13, and when the mirror section 4 1 1 swings, the torsion bar 4 1 2 is twisted. The stress will be concentrated on the joint at both ends of the torsion bar 4 1 2.
  • each torsion bar 4 12 are uniform.
  • the width and thickness are set small in order to reduce the torsional resistance of each torsion bar 4 12 and reduce the driving power.
  • the torsion bar 412 will break at that location.
  • the torsion angle of the torsion bar 4 12 (the swing angle of the mirror section 4 11) is large and the torsion spring constant of the mirror section 4 11 is large (that is, the resonance frequency of the micro mirror element is high)
  • High tendency if the rigidity of the torsion bar 4 12 is uniform in the length direction, it is not possible to cope with various characteristic requirements required for the micro mirror element 400. Disclosure of the invention
  • an object of the present invention is to provide a micro oscillating device, particularly a micro mirror, having a low possibility of destruction even if the torsion bar is configured to meet various requirements such as low torsional resistance, large torsional angle and high resonance frequency. It is intended to provide an element.
  • a frame and a swing member connected to the frame via a connecting portion, wherein each of the connecting portions has at least one
  • a micro oscillating device is provided that includes a torsion bar, and the torsion bar includes rigidity adjusting means. According to the above configuration, the rigidity of the torsion par can be adjusted by the rigidity adjusting means in accordance with the operation characteristics required for the microphone opening device.
  • the rigidity of one or both ends of the torsion bar can be increased to increase the torsion constant when twisted. Conversely, the rigidity of one or both ends of the torsion bar can be reduced to reduce torsional resistance and increase the torsional angle. Further, if the rigidity distribution is adjusted so that the stress distribution of the torsion bar which is torsionally deformed becomes uniform in the length direction, the possibility of destruction of the torsion bar due to stress concentration can be reduced.
  • each connecting portion includes two torsion bars spaced in the width direction, and the interval between the two torsion bars is closer to the swing member, It is designed to be large and decrease as it approaches the frame.
  • the oka age adjustment means is configured such that the rigidity of each torsion bar is relatively high toward the frame and relatively low toward the swing member. Is preferred. According to such a configuration, when the swinging member swings, the torsion bar is relatively small in torsion near the frame due to high rigidity, and stress concentration due to torsion is also small. Moreover, since the bending of the torsion bar mainly follows the movement of the swinging member near the swinging member (the twist of the torsion bar is small), the stress concentration due to the twisting near the swinging member is small. .
  • the first means for adjusting the rigidity of the torsion bar is to form a plurality of holes in the torsion bar and change the size and arrangement pattern.
  • the holes have the effect of reducing the rigidity of the torsion par. Use becomes stronger. Therefore, if the size of the hole is changed so as to be smaller as the position is closer to the frame and larger as the position is closer to the swinging member, the rigidity of the torsion par is relatively high toward the frame and relatively toward the swinging member. It will be lower.
  • the same function can be obtained by changing the density of the holes so that they are smaller near the frame and larger near the swinging member.
  • the plurality of holes may penetrate the torsion par in the thickness direction or may penetrate in the width direction. Further, a part of the plurality of holes may penetrate the torsion bar in the thickness direction, and the rest of the plurality of holes may penetrate the torsion bar in the width direction.
  • a second means for adjusting the rigidity of the torsion bar is to vary the width and / or thickness of the torsion bar. That is, if the width and / or thickness of the torsion bar is changed so as to increase as the distance from the frame increases and decrease as the distance from the swinging member increases, the rigidity of the torsion bar increases toward the frame and moves toward the swinging member. It will decrease once.
  • a third means for adjusting the rigidity of the torsion par is to provide a plurality of reinforcing ribs projecting in the width direction and / or the thickness direction of the torsion bar, and to vary the interval between these reinforcing ribs. is there. That is, if the interval between the plurality of reinforcing ribs is changed so as to be smaller as being closer to the frame and larger as being closer to the driving member, the rigidity of the torsion bar increases toward the frame, and the stiffness of the torsion bar increases toward the oscillating member. And decrease.
  • each connecting portion includes two torsion bars
  • the swinging member when the swinging member tries to rotate around an axis (so-called z-axis) orthogonal to a plane including the two torsion bars, By exerting the tensioning action, the swing member can be prevented from turning around the z-axis. Therefore, when the oscillating member is the mirror portion of the micromirror element, it is possible to prevent light from being reflected by the mirror portion in an unintended direction.
  • the two torsion bars may be displaced from each other in the thickness direction. With such a configuration, it is possible to connect the two torsion bars to two electrically separated portions of the frame or the swinging member.
  • said frame comprises an inner frame
  • the connecting portion is an inner connecting portion that connects the inner frame to the swing member.
  • an outer frame is connected to the inner frame via an outer connecting portion, and each outer connecting portion includes at least one outer torsion par.
  • the outer torsion bar is configured to have a relatively high rigidity toward the outer frame and a relatively low rigidity toward the inner frame.
  • the swing axis of the outer connecting portion is orthogonal to the swing axis of the inner connecting portion. Specifically, the swing axis of the inner connecting portion extends in the X direction, and the swing axis of the outer connecting portion extends in the y direction.
  • a two-axis oscillating micro oscillating device can be configured, and when the movable member has a mirror portion, the degree of freedom in controlling the light reflection direction increases.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of the micromirror element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 in an assembled state of the micromirror element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view of a micromirror element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line 414 in FIG.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a base substrate in the micromirror element shown in FIG.
  • FIG. 6 is a perspective view of a micromirror element according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a partially enlarged plan view showing a first example of the structure of the torsion bar that can be adopted in any of the above embodiments. .
  • FIG. 7b is a cross-sectional view taken along line 7B-7B in FIG. 7a.
  • FIG. 8A is a partially enlarged plan view showing a second example of the structure of the torsion bar that can be employed in any of the above embodiments.
  • FIG. 8b is a cross-sectional view along the line 8B-8B in FIG. 8a.
  • FIG. 9A is a partially enlarged plan view showing a third example of the structure of the torsion bar that can be employed in any of the above embodiments.
  • FIG. 9b is a cross-sectional view along the line 9B-9B in FIG. 9a.
  • FIG. 10a is a partially enlarged plan view showing a fourth example of the structure of the torsion bar that can be adopted in any of the above embodiments.
  • FIG. 10b is a cross-sectional view along the line 10B-10B in FIG. 10a.
  • FIG. 11a is a partially enlarged plan view showing a fifth example of the structure of the torsion bar that can be employed in any of the above embodiments.
  • FIG. Lib is a cross-sectional view along line 11B-11B in FIG. 11a.
  • FIG. 12A is a partially enlarged plan view showing a sixth example of the structure of the torsion par that can be employed in any of the above embodiments.
  • FIG. 12b is a cross-sectional view along the line 12B-12B in FIG. 12a.
  • FIG. 12c is an elevation view as viewed in the direction of arrow 12C in FIG. 12a.
  • FIG. 13a is a partially enlarged plan view showing a seventh example of the structure of the torsion bar that can be employed in any of the above embodiments.
  • FIG. 13b is a cross-sectional view along the line 13B-13B in FIG. 13a.
  • FIG. 14A is a partially enlarged plan view showing an eighth example of the structure of the torsion bar that can be employed in any of the above embodiments.
  • FIG. 14b is a cross-sectional view along the line 14B-14B in FIG. 14a.
  • FIG. 15a is a partially enlarged plan view showing a ninth example of the structure of the torsion bar that can be employed in any of the above embodiments.
  • FIG. 15b is a cross-sectional view along line 15B-15B in FIG. 15a.
  • FIG. 15c is an elevation view as seen in the direction of arrow 15C in FIG. 15a.
  • FIG. 16A is a partially enlarged plan view showing a tenth example of the structure of the torsion par that can be adopted in any of the above embodiments.
  • FIG. 16b is a cross-sectional view along the line 16B-16B in FIG. 16a.
  • FIG. 16c is an elevation view as seen in the direction of arrow 16C in FIG. 16a.
  • FIG. 17a is a partially enlarged plan view showing a first example of the structure of the torsion bar that can be adopted in any of the above embodiments.
  • FIG. 17b is a cross-sectional view along the line 17B-17B in FIG. 17a.
  • FIG. 18a shows the structure of a torsion par that can be used in any of the above embodiments.
  • FIG. 13 is a partially enlarged plan view showing a twelfth example of the structure.
  • FIG. 18b is a cross-sectional view along the line 18B—18B in FIG. 18a.
  • FIG. 19a is a partially enlarged plan view showing a thirteenth example of the structure of the torsion bar that can be employed in any of the above embodiments.
  • FIG. 19b is a cross-sectional view along H 19 B—19 B in FIG. 19a.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of a conventional micromirror element.
  • FIG. 21 is a perspective view showing a mirror substrate in the micromirror element shown in FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 and 2 show a micromirror device 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • the micromirror element 100 of the present embodiment has a structure in which a mirror substrate 110 and a base substrate 120 are stacked.
  • the mirror substrate 110 includes a mirror portion 111, a frame 113 surrounding the mirror portion 111, and a pair connecting the frame 113 and the mirror portion 111. And a torsion connection part 1 1 2.
  • the mirror substrate 110 is made of, for example, a silicon substrate provided with conductivity by doping with an n-type impurity such as P or As or a p-type impurity such as B, using bulk machining technology. It is molded. Specifically, a plate-shaped conductive 1 "raw silicon substrate is etched using an etching mask that covers portions corresponding to the mirror portion 111, the frame 113, and the pair of twisted connection portions 112.
  • the void 110a is formed by dry etching such as deep RIE (Deep Reactive Ion Etching) or by wet etching using a KOH solution, etc.
  • the mirror 110 is formed by the void 110a.
  • 1 1 1, the frame 1 13, and a pair of torsional connecting portions 1 1 2 are formed in the present embodiment
  • each gap 1 between the mirror portion 1 1 1 and the frame 1 1 3 is formed.
  • the width of 10a is, for example, 10 to 200 im
  • the thickness of the mirror section 11 1 and the frame 11 is, for example, 10 to 200 ⁇ .
  • a mirror surface 114 is provided on the surface of the mirror 111.
  • a pair of electrodes 115a and 115b are provided on the back surface.
  • the mirror surface 114 and the electrodes 115a and 115b are formed by depositing a metal film or the like.
  • the electrodes 115a and 115b need not be provided.
  • each torsion connection part 112 is located near the center of the longitudinal side of the mirror part 111 and near the center of the inner side of the frame 113 extending in the longitudinal direction. And are connected integrally.
  • each torsion connection portion 112 includes two torsion bars 112a.
  • the width (dimension in the Y direction of FIG. 1) of the torsion connection portion 112 is defined by these two torsion bars 112a.
  • the width of the torsion connection part 1 12 is 30 to 300 ⁇ m at the point where it is connected to the mirror part 111, and gradually narrows from the mirror part 111 to the frame 113. However, it is 1 to 30 m at the point where it is connected to the frame 113.
  • the lower surface of the frame 1 13 of the mirror section 1 1 1 is joined to the upper surface of the convex step 1 2 1 of the base substrate 1 20. Is done.
  • the base substrate 120 has a pair of electrodes 1 2 a and 1 2 b opposed to the pair of electrodes 1 1 5 a and 1 1 5 b of the mirror section 1 1 1 at an appropriate distance. are doing. That is, the micromirror element 100 according to the present embodiment is configured as a so-called plate electrode type.
  • the electrodes 1 15 a and 1 15 b of the mirror section 1 11 are charged to the positive electrode, and the electrode 122 a of the base substrate 120 is set to the negative electrode, An electrostatic force is generated between them, and the mirror part 111 swings in the direction of the arrow N1 about the swing axis XI while twisting the pair of twisted connection parts 112.
  • the electrode 122 b is made a negative electrode, the mirror 111 moves in the opposite direction. In this way, by moving the mirror section 111, it is possible to switch the reflection direction of light traveling toward the mirror surface 114 and reflected by the mirror surface 114 to a predetermined direction. it can.
  • the torsion connection portion 112 When the mirror portion 111 swings, the torsion connection portion 112 has a relatively narrow portion. The torsional resistance of 1 1 2 has been reduced. At the same time, since the torsional connection portion 1 1 2 is connected to the mirror portion 1 14 at a relatively wide portion, the mirror portion 1 1 1 can be prevented from rotating around its modulo ⁇ N 1. Can be suppressed.
  • the electric potential is applied to the electrodes 111a and 115b of the mirror part 111 through the frame 113 made of conductive material, the torsional connection part 112, and the mirror part 111. Do it.
  • the application of a potential to the electrodes 122 a and 122 b of the base substrate 120 is performed via wires (not shown) provided appropriately on the base substrate 120 made of an insulating material.
  • the mirror section 111, the torsion connection section 112, and the frame 113 are integrally formed of a conductive material.
  • the potential can be appropriately applied to the electrodes 1115a and 115b of the mirror section 111 via the connecting section 112. It is not necessary to separately form a wiring for applying a potential to the electrodes 1115a and 115b of the substrate 110 on the torsional connection portion 112.
  • a comb-shaped electrode may be provided instead of the plate electrode.
  • an electromagnetic force generated by an electromagnetic coil or a permanent magnet can be used.
  • the electrodes 1115a and 115b of the mirror section 111 are replaced with electromagnetic coils, and the electrodes 122a and 122b of the base board are replaced with electromagnetic coils or permanent magnets.
  • the electrodes 1115a and 115b of the mirror section 111 are replaced with permanent magnets, and the electrodes 122a and 122b of the base substrate are replaced with electromagnetic coils.
  • the mirror unit 111 can be driven by adjusting the energization state of the electromagnetic coil.
  • a plurality of rigidity adjusting holes 50 penetrating in the thickness direction are formed in each torsion bar 112a constituting the torsional connection part 112.
  • the formation pattern of the rigidity adjusting holes 50 can be, for example, as shown in FIGS. 7A and 7B. More specifically, the rigidity adjusting hole 50 shown in FIGS. 7A and 7B has a parallelogram cross-sectional shape, the size of which is larger as it is closer to the mirror portion 111, and is larger than that of the frame 113. It gradually decreases toward it.
  • the rigidity adjustment hole 50 has a function of reducing the rigidity of the torsion bar 1 1 2a. The larger the size of 0, the larger. Therefore, when each torsion bar 112a has a uniform width and thickness, the rigidity becomes lower as it is closer to the mirror part 111 and the rigidity becomes higher as it is closer to the frame 113.
  • the torsion bar 112a is small because the torsion near the frame 113 is relatively high in rigidity. Become. Therefore, the stress due to torsion is unlikely to concentrate on the connection point between the torsion bar 112a and the frame 113. Moreover, by increasing the rigidity of the torsion par 1 12a near the frame 113, the torsional spring constant can be increased and the resonance frequency of the microphone opening mirror element can be set high.
  • the end of the torsion bar 1 1 2a on the side of the mirror 1 1 1 1 is away from the driving axis X 1, so that the end of the torsion bar 1 1 2 a follows the rotation of the mirror 1 1 1 Displacement in various directions is the main. Therefore, the torsion bar 112a is hardly twisted on the mirror portion 111 side, and is mainly deformed by bending. As a result, the end of the torsion bar 1 12a on the mirror section 11 1a side also has less stress concentration due to torsion, and when viewed as a whole, the stress is evenly distributed in the longitudinal direction of the torsion bar 1 12a. Is done.
  • the torsion bar 1 1 2 a since the rigidity of the torsion bar 1 1 2 a is reduced near the mirror section 1 1 1, the torsion bar 1 1 2 a is easy to bend, and the driving power required for swinging the mirror section 1 1 1 is reduced. This makes it possible to increase the swing angle of the mirror section 111.
  • the torsion bar of the torsion bar 1 12 a is designed to have a large torsion constant in order to increase the resonance frequency of the mirror section 11. Also, the torsion bar 1 1 2a is hard to destroy.
  • the rigidity adjusting hole 50 is simultaneously formed by the Deep LED method when forming the air gap 110a in the mirror substrate 100.
  • it may be formed separately by laser irradiation or a wet etching method.
  • the micromirror element 200 according to the present embodiment has a structure in which a mirror substrate 210 and a base substrate 220 are stacked with an insulating layer 230 interposed therebetween.
  • the mirror substrate 110 is provided with a mirror section 211 and a mirror section 2 1 and a pair of torsion connection portions 212 connecting the frame 213 and the mirror portion 211.
  • the mirror substrate 210 is formed by bulk machining technology from a silicon substrate to which conductivity is imparted by doping n-type impurities such as P and As or p-type impurities such as B, for example. It is. More specifically, a plate-shaped conductive silicon substrate is etched using an etching mask covering portions corresponding to the mirror portion 211, the frame 213, and the pair of twisted connection portions 212, and the like.
  • a void 210a is provided by dry etching of the substrate or by wet etching using a KOH solution or the like.
  • the mirror portion 211, the frame 213, and the pair of torsional connection portions 212 are formed by the gap portion 210a.
  • the width of each gap 110a between the mirror portion 111 and the frame 113 is, for example, 10 to 200 ⁇ m, and the thickness of the mirror portion 111 and the frame 113 is For example, 10 to 200 ⁇ m.
  • first comb-tooth electrodes 215a and 215b are formed on two opposing side surfaces of the mirror portion 211 by extension molding. These first comb-tooth electrodes 215a and 215b are formed at the same time as the formation of the void 210a by Deep RIE.
  • each torsion connection part 212 is basically the same as that described in the first embodiment. That is, each torsion connection part 112 is composed of two torsion bars 212a, and a plurality of rigidity adjusting holes 50 are formed in each torsion bar 212a.
  • the formation pattern of the rigidity adjusting holes 50 is, for example, as shown in FIGS. 7A and 7B.
  • the base substrate 120 is provided with conductivity by doping, for example, an n-type impurity such as P or As or a p-type impurity such as B. It is formed by bulk machining technology from the fabricated silicon substrate. Specifically, the center of the plate-shaped conductive silicon substrate is depressed by dry etching such as deep RIE, or by wet etching using a KOH solution, etc. Form 222b (see Figure 5).
  • the second comb electrodes 222a and 222b correspond to the first comb electrodes 215a and 215b, but are staggered in position. Therefore, Each electrode tooth of the first comb electrode can be inserted into a gap between the electrode teeth of the second comb electrode.
  • the micromirror element 200 has a frame 2 13 of the mirror substrate 210, and an insulating layer formed on the upper surface of the convex step portion 22 1 of the base substrate 220. Joined through 230.
  • the reason why the insulating layer 230 was interposed was that the second base substrate 220 was made of a conductive material because the second comb-tooth electrodes 222 a and 222 b need to be integrally formed. This is because the substrate 220 must be electrically separated from the mirror substrate 210.
  • the base substrate 220 includes a first conductive portion 220 a including one second comb-tooth electrode 222 a and a second second comb-tooth electrode 222. It has a structure in which the second conductive portion 220b including b is electrically separated from the second conductive portion 220b by an insulating layer 223. Such a structure is necessary to apply different potentials to the two second comb-tooth electrodes 22.2a and 222b.
  • the second comb-tooth electrodes 1 2 By selectively setting one of 2a and 2 22b to a negative electrode, the mirror section 211 can swing forward and backward.
  • the width of each torsion connection part 212 is gradually reduced from the mirror part 211 to the frame 213, and a plurality of rigidity adjustment holes 50 are provided in each of the torsion pars 212a.
  • the second embodiment is the same as the first embodiment in that it is formed with the patterns shown in a and 7b. Therefore, the micromirror element 200 of the second embodiment enjoys the same points as the micromirror element 100 of the first embodiment.
  • FIG. 6 shows only the configuration of the mirror substrate 310 in the micromirror element according to the third embodiment of the present invention.
  • the mirror substrate 310 includes a mirror portion 311, an inner frame 313 surrounding the mirror portion, an outer frame 317 surrounding the inner frame 313, a mirror part 311 and the inner frame 3 13 and a pair of second torsion connection portions 3 16 connecting the inner frame 3 13 and the outer frame 3 17 to each other.
  • the first torsion connection portion 3 1 2 defines a first swing axis X 1 of the mirror portion 3 1 1 with respect to the inner frame 3 13.
  • the second torsion connection part 3 1 6 The swing axis X2 of the inner frame 3 13 with respect to the outer frame 3 17 is defined.
  • the swing axis X1 and the second swing axis X2 are orthogonal to each other.
  • the material and manufacturing method of the mirror substrate 310 are the same as those described in the second embodiment.
  • the mirror portion 311 has first comb-shaped electrodes 315a and 315b formed on both sides of the first swing axis X1, and the inner frame 311 Has third comb-tooth electrodes 318a and 318b formed on both sides of the second swing axis X2.
  • the mirror substrate 310 is bonded to a base substrate via an insulating layer, and the base substrate corresponds to the first comb-shaped electrodes 315a and 315b.
  • the mirror section 311 can be connected to the first swing axis X1 and / or the second swing axis X2. Since it can be swung about the center, the degree of freedom in controlling the direction of light reflection increases.
  • each first torsion connection part 3 12 is gradually reduced from the mirror part 3 11 to the inner frame 3 13.
  • the second embodiment is the same as the first embodiment in that a plurality of rigidity adjusting holes 50 are formed in the pattern shown in FIGS. 7A and 7B. Further, the configuration of each second torsion connection part 3 16 is the same as that of each of the first torsion connection parts 3 12. Therefore, the advantages already described for the first embodiment also apply to the third embodiment.
  • each of the torsion bars 1 12a (2 12a, 312a, 316a) has a rigidity adjusting hole in the pattern shown in FIGS. 7a and 7b. 50 are formed (first example).
  • the rigidity adjusting hole 50 is a parallelogram in cross section, and its size changes only in the longitudinal direction of the torsion bar.
  • similar advantages can be obtained by adopting various structures as shown in FIGS. 8a to 19b as torsion pars.
  • each torsion panel has a plurality of rigidity adjustment holes 50a having a rectangular cross section arranged in a line, and the size thereof is determined by the mirror portion (or the inner frame). ) Is larger and closer to the frame (or outer frame) Therefore, it gradually decreases not only in the longitudinal direction but also in the width direction.
  • each torsion bar has a plurality of rigidity adjusting holes 50b having a circular cross section arranged in a row, and the diameter thereof is close to the mirror portion (or the inner frame). And gradually decrease toward the frame (or outer frame).
  • each torsion bar has a plurality of stiffness adjusting holes 50c each having an elliptical cross section arranged in a line, and the size thereof is determined by a mirror portion (or an inner frame). ), And gradually decreases not only in the longitudinal direction but also in the width direction toward the frame (or outer frame).
  • each torsion bar has a number of rigidity adjusting holes 50d having the same diameter and a circular cross section, and the distribution density thereof is determined by the mirror portion (or the inner portion). Near the frame), and gradually decreases toward the frame (or the outer frame).
  • each torsion bar has a row of rigidity adjusting holes 5Ob penetrating in the thickness direction and a circular cross section penetrating also in the width direction. And a row of rigidity adjusting holes 50 e. Both the rigidity adjusting hole 50b penetrating in the thickness direction and the rigidity adjusting hole 50e penetrating in the width direction have larger diameters closer to the mirror part (or inner frame), and are more suitable for the frame (or outer frame). It has been gradually decreasing.
  • each torsion bar 12a is smaller as its width is closer to the mirror part (or inner frame), and gradually increases toward the frame (or outer frame). It has become.
  • each torsion bar has a plurality of reinforcing ribs 50f projecting in the width direction, and the interval between the reinforcing ribs 50f is a mirror portion. (Or inner frame)
  • each torsion par 12a is thinner as its thickness is closer to the mirror part (or the inner frame), and is smaller toward the frame (or the outer frame).
  • each torsion bar includes a plurality of reinforcing ribs 50 g projecting in the thickness direction, and the interval between the reinforcing ribs 50 g is a mirror. The closer to the part (or the inner frame), the larger, and it gradually decreases toward the frame (or the outer frame).
  • each torsion connection portion is constituted by a single torsion par 22, and the torsion bars 22 are arranged in a row in a plurality of rectangular cross sections. It has a rigidity adjustment hole 50 h, the size of which is larger as it is closer to the mirror part (or inner frame), and gradually decreases toward the frame (or outer frame).
  • FIGS. 19a and 19b The thirteenth example shown in FIGS. 19a and 19b is similar to the first example shown in FIGS. 7a and 7b, except that the two torsion bars 12a "have thicknesses. The difference is that they are offset from each other in the direction.

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Description

明細書 トーションパーを備えるマイクロ揺動素子 技術分野
本発明は、 トーシヨンバーを備えるマイクロ揺動素子に関する。 特に、 本発明 は、 光ディスクに対してデータの記録 ·再生処理を行う光ディスク装 や複数の 光ファイバ間の光路の切り換えを行う光スィツチング装置などの光学装置に組み 込まれて、 光の進路方向を変更するのに用いられるマイクロミラー素子に関する。 背景技術 '
マイクロミラー素子は、 光を反射するためのミラー面を備え、 当該ミラー面の 揺動により光の反射方向を変化させることができる。 ミラー面を揺動するために 静電気力を利用する静電駆動型のマイクロミラー素子が、 多くの光学装置で採用 されている。 静電駆動型マイクロミラ一素子としては、 いわゆる表面マイクロマ シニング技術によって製造されるマイクロミラー素子と、 いわゆるパルクマイク ロマシエング技術によって製造されるマイクロミラー素子とに大きく 2つに類別 することができる。
表面マイクロマシニング技術では、 基板上において、 各構成部位に対応する材 料薄膜を所望のパターンに加工し、 このようなパターンを順次積層することによ り、 支持体、 ミラー面及び電極部など、 素子を構成する各部位や、 後に除去され る犠牲層を形成する。 このような表面マイクロマシユング技術によって製造され る静電駆動型マイクロミラー素子は、 例えば、 特開平 7— 2 8 7 1 7 7号公報に 開示されている。
一方、 バルタマイクロマシユング技術では、 材料基板自体をェツチングするこ とにより支持体やミラ一部などを所望の形状に成形し、 必要に応じてミラ一面や 電極を薄膜形成する。 このようなバルクマイクロマシユング技術によって製造さ れる静電駆動型マイクロミラー素子は、 例えば、 特開平 9一 1 4 6 0 3 2号公報、 特開平 9— 1 4 6 0 3 4号公報、 特開平 1 0— 6 2 7 0 9号公報、 特開 2 0 0 1 - 1 344 3号公報に開示されている。
マイクロミラー素子に要求される技術的事項の一つとして、 光反射を担うミラ 一面の平面度が高いことを挙げることができる。 表面マイクロマシニング技術に よると、 最終的に形成されるミラー面が薄いため、 ミラー面が湾曲し易く、 高平 面度が保証されるのは、 ミラー面のサイズにおいて一辺の長さが数 1 0 /zmのも のに限られる。
これに対して、 パルクマイクロマシニング技術によると、 相対的に分厚い材料 基板自体を削り込んでミラー部を構成し、 このミラー部上にミラー面を設けるた め、 より広面積のミラー面であっても、 その剛性を確保できる。 その結果、 充分 に高い光学的平面度を有するミラー面を形成することが可能となる。 従って、 特 に一辺の長さが数 1 00 以上のミラー面が必要とされるマイクロミラー素子 の製造にぉレ、ては、 バルタマイクロマシニング技術が広く採用されている。
図 20は、 バルタマイクロマシユング技術によつて作製された従来の静電駆動 型マイクロミラー素子 400を表す。 マイクロミラー素子 400は、 ミラー基板 4 1 0とベース基板 420とが積層された構造を有する。 ミラー基板 4 1 0は、 図 2 1に示すように、 ミラー部 4 1 1と、 フレーム 4 1 3と、 これらを連結する 一対のトーシヨンバー 4 1 2とを含む。 ミラー部 4 1 1の表面には、 ミラー面 4 1 1 aが設けられている。 ミラー部 4 1 1の裏面には、 一対の電極 4 1 4 a， 4 14 bが設けられている。
一方、 ベース基板 420には、 図 20に示すように、 ミラー部 4 1 1の電極 4 14 aに対向する電極 42 1 a、 及び、 電極 4 14 bに対向する電極 42 1 bが 設けられている。
このような構成によれば、 例えばミラー部 4 1 1の電極 4 1 4 a, 4 14 bを 正に帯電させた ¾fe態において、 ベース基板 420の電極 42 1 aを負極にすると、 電極 4 1 4 aと電極 42 1 aの間には静電引力が発生し、 ミラー部 4 1 1は、 一 対のトーシヨンパー 4 1 2を捻りながら矢印 M 3方向に揺動する。 ミラー部 4 1 1は、 電極間の静電引力と各トーションバー 41 2の捻り抵抗力の総和とが釣合 う角度まで揺動する。
以上とは逆に、 ミラー部 4 1 1の電極 4 1 4 a， 4 14 bを正に帯電させた状 態で電極 4 2 1 bを負極にすると、 電極 4 1 4 bと電極 4 2 1 bの間に静電引力 が発生し、 ミラー部 4 1 1は、 矢印 M 3とは反対の方向に揺動する。 このような ミラー部 4 1 1の摇動駆動により、 ミラー面 4 1 1 aによって反射される光の反 射方向が切り換えられる。
上述のように、 静電駆動型マイクロミラー素子 4 0 0において、 ミラー部 4 1 1は、 電極間の静電力と各トーシヨンバー 4 1 2の捻り抵抗力の総和とが釣合う 角度まで揺動する。 この際、 各トーシヨンバー 4 1 2の捻りによる応力の程度は、 その長さ方向で均一ではない。 すなわち、 各トーシヨンバー 4 1 2の両端は、 可 動のミラー部 4 1 1と固定のフレーム 4 1 3とに連結されており、 ミラー部 4 1 1が揺動すると、 トーシヨンバー 4 1 2の捻りによる応力はトーシヨンバー 4 1 2両端の連結部に集中することになる。
しかしながら、 図 2 1からも分かるように、 各トーシヨンバー 4 1 2の幅及び 厚さは均一に構成されている。 しかも、 各トーシヨンバー 4 1 2の捻り抵抗を小 さくして駆動電力を減少させるため、 幅及び厚さを小さく設定している。 その結 果、 各トーシヨンバー 4 1 2の両端に応力が集中すると、 トーシヨンバー 4 1 2 がその箇所で破壊する可能性が高い。 特に、 トーシヨンバー 4 1 2の捻り角 （ミ ラー部 4 1 1の揺動角） が大きく、 ミラー部 4 1 1の捻りばね定数が大きい場合 (すなわち、 マイクロミラー素子の共振周波数が高い） にその傾向が高い。 また、 トーシヨンバー 4 1 2の剛性が長さ方向に一様であると、 マイクロミラー素子 4 0 0に求められる種々な特性要件に対応することができない。 発明の開示
そこで、 本発明の目的は、 低い捻り抵抗、 大きな捻り角及び高い共振周波数な どの種々な要件に対応するようにトーシヨンバーを構成しても、 破壊の可能性の 低いマイクロ揺動素子、 特にマイクロミラー素子を提供することを目的とする。 この目的を達成するために、 本発明によれば、 フレームと、 このフレームに対 して連結部を介して連結された揺動部材と、 を備え、 前記各連結部は、 少なくと も 1つのトーシヨンバーを含んでおり、 当該トーシヨンバーは、 剛性調整手段を 備えている、 マイクロ揺動素子が提供される。 以上の構成によれば、 トーシヨンパーの剛性は、 剛性調整手段により、 マイク 口揺動素子に求められる動作特性に応じて調整することができる。 例えば、 トー ションバーの一端又は両端の剛性を高めて、 捻ればね定数を高ぐすることができ る。 逆に、 トーシヨンバーの一端又は両端の剛性を低めて、 捻れ抵抗を小さく、 捻れ角を大きく設定することも可能である。 また、 捻れ変形するトーシヨンパー の応力分布が長さ方向に均一となるように剛性の分布を調整すれば、 応力集中に よるトーシヨンバーの破壊の可能性を低くすることもできる。
本発明の好適な実施形態によれば、 各連結部は、 幅方向に間隔をあけた 2本の トーションバーを含んでおり、 当該 2本のトーションバーの間隔は、 揺動部材に 近いほ,ど大きく、 フレームに近づくにつれて減少するように構成されている。 こ のように構成すれば、 揺動部材が摇動すると、 各トーシヨンパーは、 フレーム側 では捻れ変形が主体となるが、 揺動部材側では揺動軸心から遠くなるため、 捻れ 変形の程度は小さく、 撓み変形が主体となる。 従って、 各トーシヨンバーの揺動 部材側の端部では応力集中は生じ難レ、状態となっている。
以上のような前提において、 岡时生調整手段は、 各トーシヨンバーの剛性が、 前 記フレームに向かって相対的に高く、 前記揺動部材に向かって相対的に低くなる ように構成されているのが好ましい。 このような構成によれば、 揺動部材が揺動 するときには、 トーションバ一はフレームの近くでの捻れが高い剛性によって相 対的に小さく、 捻れによる応力集中も小さい。 しかも、 揺動部材の近くでは、 摇 動部材の摇動に追随するトーシヨンバーの撓みが主体となるため （トーシヨンバ 一の捻れは小'さい） 、 揺動部材の近傍での捻れによる応力集中も小さい。 その結 果、 トーシヨンバーの揺動部材及ぴフレームに対する接続点で応力集中は起こり 難く、 トーシヨンパー全体としては、 その長手方向に応力が均一に分散される。 従って、 揺動部材を大きな揺動角で揺動させても、 或いは揺動部材の共振周波数 を高くするためにトーシヨンバーの捻ればね定数を大きく設定しても、 トーショ ンパーが破壌し難くなる。
トーションバーの剛性を調整するための第 1の手段は、 トーションバーに複数 の穴を形成し、 そのサイズや配列パターンに変化をつけることである。 穴は、 ト ーシヨンパーの剛性を低下させる作用があり、 穴の占有比率が大きいほどその作 用が強くなる。 従って、 穴のサイズを、 フレームに近いほど小さく、 揺動部材に 近いほど大きくなるように変化させれば、 トーシヨンパーの剛性は、 フレームに 向かって相対的に高く、 揺動部材に向かって相対的に低くなるのである。 一方、 複数の穴のサイズを均一にする場合には、 穴の密度を、 フレームに近いほど小さ く、 揺動部材に近いほど大きくなるように変化させれば、 同じ機能が得られる。 複数の穴は、 トーシヨンパーを肉厚方向に貫通してもよいし、 或いは幅方向に 貫通してもよい。 さらに、 複数の穴の一部は、 トーシヨンバーを肉厚方向に貫通 し、 複数の穴の残部は、 トーシヨンバーを幅方向に貫通してもよい。
トーションバーの剛性を調整するための第 2の手段は、 トーシヨンバーの幅及 び/又は厚さに変化をつけることである。 すなわち、 トーシヨンバーの幅及び/ 又は厚さを、 フレームに近いほど大きく、 揺動部材に近いほど小さくなるように 変化させれば、 トーシヨンバーの剛性は、 フレームに向かって増加し、 揺動部材 に向かつて減少するのである。
トーションパーの剛性を調整するための第 3の手段は、 トーシヨンバーの幅方 向及び/又は厚さ方向に突出する複数の補強リブを設けて、 これら捕強リブの間 隔に変化をつけることである。 すなわち、 複数の補強リブの間隔を、 フレームに 近いほど小さく、 前記摇動部材に近いほど大きくなるように変化させれば、 トー シヨンバーの剛性は、 フレームに向かって増加し、 揺動部材に向かって減少する のである。
各連結部が 2本のトーシヨンバーを含む前述の実施形態によれば、 当該 2本の トーシヨンバーを含む平面に直交する軸 （いわゆる z軸） 周りに揺動部材が回動 しょうとすると、 これらトーシヨンバーが突っ張り作用を発揮して、 揺動部材の z軸周りの回動を防止することができる。 従って、 揺動部材がマイクロミラー素 子のミラー部である場合に、 意図しない方向にミラー部によって光が反射される のを回避できる。
前記 2本のトーシヨンバーは、 厚さ方向に相互に位置がずれていてもよい。 こ のような構成により、 2本のトーションバーをフレーム又は揺動部材のうちの電 気的に分離された 2つの部分にそれぞれ接続することが可能となる。
本発明の別の好適な実施形態によれば、 前記フレームは内側フレームを構成し ており、 前記連結部はこの内側フレームを前記揺動部材に連結する内側連結部で ある。 さらに内側フレームに外側連結部を介して外側フレームが連結されており、 各外側連結部は、 少なくとも 1つの外側トーシヨンパーを含んでいる。 外側トー シヨンバーは、 外側フレームに向かって剛性が相対的に高く、 内側フレームに向 かって剛性が相対的に低くなるように構成されている。 また、 外側連結部の揺動 軸は、 内側連結部の揺動軸に直交する。 具体的には、 内側連結部の揺動軸は X方 向に延び、 外側連結部の揺動軸は y方向に延びている。
この実施形態によれば、 2軸揺動型のマイクロ揺動素子を構成でき、 摇動部材 がミラー部を有してい 場合には、 光りの反射方向の制御自由度が高まる。
本発明のその他の目的、 特徴及び利点は、 以下添付図面に基づいて説明する好 適実施形態から明らかとなろう。
図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1の実施形態に係るマイクロミラー素子の分解斜視図であ る。
図 2は、 図 1に示すマイクロミラー素子の組立て状態における、 線 2— 2に沿 つた断面図である。
図 3は、 本発明の第 2の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。 図 4は、 図 3における線 4一 4に沿った断面図である。
図 5は、 図 3に示すマイクロミラー素子におけるベース基板を示す斜視図であ る。
図 6は、 本発明の第 3の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。 図 7 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーションバーの構造 の第 1の例を示す部分拡大平面図である。 .
図 7 bは、 図 7 aにおける線 7 B— 7 Bに沿った断面図である。
図 8 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーションバーの構造 の第 2の例を示す部分拡大平面図である。
図 8 bは、 図 8 aにおける線 8 B— 8 Bに沿った断面図である。
図 9 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーションバーの構造 の第 3の例を示す部分拡大平面図である。 図 9 bは、 図 9 aにおける線 9 B— 9 Bに沿った断面図である。
図 10 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーシヨンバーの構 造の第 4の例を示す部分拡大平面図である。
図 10 bは、 図 10 aにおける線 10 B- 10 Bに沿った断面図である。
図 1 1 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーションバーの構 造の第 5の例を示す部分拡大平面図である。
図 l i bは、 図 1 1 aにおける線 1 1 B— 1 1 Bに沿った断面図である。
図 12 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーションパーの構 造の第 6の例を示す部分拡大平面図である。
図 12 bは、 図 12 aにおける線 12B— 12Bに沿った断面図である。
図 12 cは、 図 12 aにおける矢印 12 C方向にみた立面図である。
図 1 3 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーションバーの構 造の第 7の例を示す部分拡大平面図である。
図 13 bは、 図 13 aにおける線 13 B— 13 Bに沿った断面図である。
図 14 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーションバーの構 造の第 8の例を示す部分拡大平面図である。
図 14 bは、 図 14 aにおける線 14B—14 Bに沿った断面図である。
図 1 5 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーションバーの構 造の第 9の例を示す部分拡大平面図である。
図 1 5 bは、 図 15 aにおける線 15 B— 15 Bに沿った断面図である。
図 15 cは、 図 15 aにおける矢印 15 C方向にみた立面図である。
図 16 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーションパーの構 造の第 10の例を示す部分拡大平面図である。
図 16 bは、 図 16 aにおける線 16 B— 16 Bに沿った断面図である。
図 16 cは、 図 16 aにおける矢印 16 C方向にみた立面図である。
図 1 7 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーシヨンバーの構 造の第 1 1の例を示す部分拡大平面図である。
図 17 bは、 図 17 aにおける線 17 B— 17 Bに沿った断面図である。
図 18 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーションパーの構 造の第 1 2の例を示す部分拡大平面図である。
図 1 8 bは、 図 1 8 aにおける線 1 8 B— 1 8 Bに沿った断面図である。
図 1 9 aは、 上記いずれの実施形態についても採用できるトーションバーの構 造の第 1 3の例を示す部分拡大平面図である。
図 1 9 bは、 図 1 9 aにおける H 1 9 B— 1 9 Bに沿った断面図である。
図 20は、 従来のマイクロミラー素子の断面図である。
図 2 1は、 図 20に示すマイクロミラー素子におけるミラー基板を示す斜視図 である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の好適な実施形態について、 図面を参照しつつ具体的に説明する。 図 1及び 2は、 本発明の第 1の実施形態に係るマイクロミラー素子 1 00を示 す。 本実施形態のマイクロミラー素子 1 00は、 ミラー基板 1 1 0とベース基板 1 20とが積層した構造を有する。
ミラー基板 1 1 0は、 図 1に示すように、 ミラー部 1 1 1と、 このミラー部 1 1 1を囲むフレーム 1 1 3と、 当該フレーム 1 1 3及びミラー部 1 1 1とを繋ぐ 一対の捻れ連結部 1 1 2とを有する。 ミラー基板 1 1 0は、 例えば、 Pや A sな どの n型不純物や Bなどの p型不純物をドープすることによつて導電性を付与さ れたシリコン製の基板から、 バルクマシユング技術によって成形されたものであ る。 具体的には、 板状の導電 1"生シリコン基板に対して、 ミラー部 1 1 1、 フレー ム 1 1 3、 及び一対の捻れ連結部 1 1 2に対応する箇所を覆うエッチングマスク を用いて、 D e e p R I E (Deep Reactive Ion Etching)などのドライエツチン グゃ、 KOH溶液などを用いたゥエツトエッチングにより、 空隙部 1 1 0 aを設 ける。 その結果、 空隙部 1 1 0 aによって、 ミラー部 1 1 1、 フレーム 1 1 3、 及び一対の捻れ連結部 1 1 2がかたち取られることとなる。 本実施形態では、 ミ ラー部 1 1 1とフレーム 1 1 3との間の各空隙部 1 1 0 aの幅は、 例えば 1 0〜 200 imであり、 ミラー部 1 1 1及びフレーム 1 1 3の厚みは、 例えば 1 0〜 200 μπιである。
図 2によく表れているように、 ミラー部 1 1 1の表面にはミラー面 1 14が設 けられ、 且つ、 その裏面には一対の電極 1 1 5 a, 1 1 5 bが設けられている。 これらミラー面 1 1 4及び電極 1 1 5 a, 1 1 5 bは、 金属膜を蒸着するなどし て形成されている。 ただし、 不純物のドープによってミラー基板 1 1 0の導電性 を充分に高く構成した場合には、 電極 1 1 5 a， 1 1 5 bは、 設けなくともよレ、。 図 1によく表れているように、 各捻れ連結部 1 1 2は、 ミラー部 1 1 1の長手 方向に延びる側面の中央付近と、 フレーム 1 1 3の長手方向に延びる内側面の中 央付近とに一体的に接続している。 これによつて、 本実施形態のマイクロミ.ラー 素子 1 0 0は、 一対の捻れ連結部 1 1 2により摇動軸 X 1が規定された 1軸型と して構成されている。 本実施形態では、 各捻れ連結部 1 1 2は、 2本のトーショ ンバー 1 1 2 aからなる。 これら 2本のトーシヨンバー 1 1 2 aにより、 捻れ連 結部 1 1 2の幅 （図 1の Y方向の寸法） が規定される。 捻れ連結部 1 1 2の幅は、 例えば、 ミラー部 1 1 1に接続する箇所で 3 0〜 3 0 0 μ mであり、 ミラー部 1 1 1からフレーム 1 1 3にかけて徐々に狭くなっており、 フレーム 1 1 3に接続 する箇所では 1〜 30 mである。
マイクロミラー素子 1 00は、 組立て状態においては、 図 2に示されるように、 ミラー部 1 1 1のフレーム 1 1 3の下面がベース基板 1 2 0の凸状段部 1 2 1の 上面に接合される。 ベース基板 1 2 0は、 ミラー部 1 1 1の一対の電極 1 1 5 a, 1 1 5 bに対して適当な間隔を隔てて対向する一対の電極 1 2 2 a , 1 2 2 bを 具備している。 すなわち、 本実施形態に係るマイクロミラー素子 1 0 0は、 いわ ゆる平板電極型として構成されている。
このような構成によれば、 例えばミラー部 1 1 1の電極 1 1 5 a, 1 1 5 bを 正極に帯電させた状態において、 ベース基板 1 2 0の電極 1 2 2 aを負極にする と、 これらの間には静電力が発生し、 ミラー部 1 1 1は、 一対の捻れ連結部 1 1 2を捻りながら揺動軸 X Iを中心として矢印 N 1方向に揺動する。 また、 これに 代えて、 電極 1 2 2 bを負極にすると、 ミラー部 1 1 1は上記とは反対方向に摇 動することとなる。 このように、 ミラー部 1 1 1を摇動させることによって、 ミ ラー面 1 1 4に向かって進行して当該ミラー面 1 1 4で反射される光の反射方向 を所定の方向に切り換えることができる。 このようなミラー部 1 1 1の揺動時に おいて、 捻れ連結部 1 1 2が相対的に幅狭な部位を有しているため、 捻れ連結部 1 1 2の捻り抵抗は、 低減されている。 同時に、 捻れ連結部 1 1 2が相対的に幅 広な部位でミラー部 1 14に接続しているため、 ミラー部 1 1 1がその法,锒 N 1 まわりに回転してしまうのを良好に抑制することができる。
ミラー部 1 1 1の電極 1 1 5 a， 1 1 5 bへの電位付与は、 導電材料で構成さ れたフレーム 1 1 3、 捻れ連結部 1 1 2、 及び、 ミラー部 1 1 1を介して行う。 ベース基板 1 20の電極 1 2 2 a、 1 22 bへの電位付与は、 絶縁材料で構成さ れたベース基板 1 20に適宜設けられた配線 （図示略） を介して行う。 本実施形 態のマイク口ミラー素子 1 00のミラー基板 1 1 0では、 ミラー部 1 1 1、 捻れ 連結部 1 1 2、 フレーム 1 1 3が導電性材料により一体的に構成されており、 捻 れ連結部 1 1 2を介してミラー部 1 1 1の電極 1 1 5 a， 1 1 5 bに対して適切 に電位を付与することができるため、 従来のマイクロミラー素子とは異なり、 ミ ラー基板 1 1 0の電極 1 1 5 a, 1 1 5 bに電位を付与するための配線を、 捻れ 連結部 1 1 2上に別途形成する必要はない。
マイクロミラー素子 1 00のミラー部 1 1 1を駆動するためには、 平板電極に 代えて櫛歯電極を設けてもよい。 また、 平板電極や櫛歯電極などによる静電力に 代えて、 電磁コイルや永久磁石などによる電磁力を利用することもできる。 具体 的には、 ミラー部 1 1 1の電極 1 1 5 a, 1 1 5 bを電磁コイルに置き換え、 ベ ース基板の電極 1 22 a, 1 22 bを電磁コイル又は永久磁石に置き換える。 或 レ、は、 ミラー部 1 1 1の電極 1 1 5 a, 1 1 5 bを永久磁石に置き換え、 ベース 基板の電極 1 22 a, 1 22 bを電磁コイルに置きかえる。 これらの構成では、 電磁コイルへの通電状態を調節することによって、 ミラー部 1 1 1を駆動するこ とができる。
本実施形態では、 捻り連結部 1 1 2を構成する各トーションバー 1 1 2 aには、 その厚さ方向に貫通する複数の剛性調整穴 5 0が形成されている。 これら剛性調 整穴 5 0の形成パターンは、 例えば図 7 a及び 7 bに示されるようなものとする ことができる。 具体的には、 図 7 a及び 7 bに示される剛性調整穴 50は、 平行 四辺形の断面形状を有し、 そのサイズはミラー部 1 1 1に近いほど大きく、 フレ ーム 1 1 3に向かって漸減するようになっている。 剛性調整穴 50は、 トーショ ンパー 1 1 2 aの剛性を低下させる機能があり、 その剛性低下機能の程度は穴 5 0のサイズが大きいほど大きい。 従って、 各トーシヨンバー 1 1 2 aは、 均一の 幅及び厚さを有する場合には、 ミラー部 1 1 1に近いほど剛性が低く、 フレーム 1 1 3に近いほど剛性が高レ、。
以上の構成において、 ミラー部 1 1 1が揺動軸 X 1を中心として揺動しても、 トーシヨンバー 1 1 2 aはフレーム 1 1 3の近くでの捻れが相対的に高い剛性の ために小さくなる。 従って、 トーシヨンバー 1 1 2 aとフレーム 1 1 3との接続 点に捻れによる応力は集中し難い。 しかも、 フレーム 1 1 3の近傍でトーシヨン パー 1 1 2 aの剛性を高くしたことにより、 捻りばね定数を大きくして、 マイク 口ミラー素子の共振周波数を高く設定できる。
一方、 トーションバー 1 1 2 aにおけるミラー部 1 1 1側の端部は、 摇動軸 X 1から離れているため、 ミラー部 1 1 1の摇動に追随してミラー面 1 1 4に垂直 な方向への変位が主体となる。 従って、 トーシヨンバー 1 1 2 aは、 ミラー部 1 1 1側では殆ど捻られることがなく、 撓み変形が主体となる。 その結果、 トーシ ヨンバー 1 1 2 aにおけるミラー部 1 1 1側の端部についても捻れによる応力集 中は少なく、 トーシヨンバー 1 1 2 aの全体としてみた場合、 その長手方向に応 力が均一に分散される。 しかも、 トーシヨンバー 1 1 2 aの剛性をミラー部 1 1 1の近傍で低くしているため、 トーシヨンバー 1 1 2 aは橈み易く、 ミラー部 1 1 1の揺動に要する駆動電力を小さくするとともに、 ミラー部 1 1 1の揺動角を 大きくすることが可能となる。
以上の理由により、 揺動部材を大きな摇動角で揺動させても、 或いはミラー部 1 1の共振周波数を高くするためにトーシヨンバー 1 1 2 aの捻ればね定数を大 きい値に設計しても、 トーシヨンバー 1 1 2 aが破壊し難くなるのである。
剛性調整穴 5 0は、 例えばミラー基板 1 0 0において空隙 1 1 0 aを形成する 際に、 同時に D e e p R I E法にて形成するのが合理的である。 しかしながら、 別途レーザ照射やゥットェツチング法により形成してもよい。
図 3〜 5は、 本発明の第 2の実施形態に係るマイクロミラー素子 2 0 0を表す。 本実施形態におけるマイクロミラー素子 2 0 0は、 ミラー基板 2 1 0とベース基 板 2 2 0とを絶縁層 2 3 0を介して積層した構造を有する。
ミラー基板 1 1 0は、 図 3に示すように、 ミラー部 2 1 1と、 このミラー部 2 1 1を囲むフレーム 213と、 当該フレーム 21 3及ぴミラー部 21 1とを繋ぐ 一対の捻れ連結部 212とを有する。 ミラー基板 210は、 例えば、 Pや A sな どの n型不純物や Bなどの p型不純物をドープすることによつて導電性を付与さ れたシリコン製の基板から、 バルクマシユング技術によって成形されたものであ る。 具体的には、 板状の導電性シリコン基板に対して、 ミラー部 21 1、 フレー ム 21 3、 及ぴ一対の捻れ連結部 212に対応する箇所を覆うエッチングマスク を用いて、 De e p R I Eなどのドライエッチングや、 KOH溶液などを用いた ゥエツトエッチングにより、 空隙部 210 aを設ける。 その結果、 空隙部 210 aによって、 ミラー部 21 1、 フレーム 213、 及び一対の捻れ連結部 21 2が かたち取られることとなる。 本実施形態では、 ミラー部 1 1 1とフレーム 1 13 との間の各空隙部 1 10 aの幅は、 例えば 10〜 200 μ mであり、 ミラー部 1 1 1及ぴフレーム 1 13の厚みは、 例えば 10〜 200 μ mである。
ミラー部 21 1の表面は、 ミラー面 214として作用する。 また、 ミラー部 2 1 1の相対向する 2つの側面には、 第 1櫛歯電極 21 5 a, 21 5 bが延出成形 されている。 これら第 1櫛歯電極 215 a， 21 5 bは、 D e e p R I Eにより 空隙 210 aを形成するのと同時に形成される。
各捻れ連結部 212の構成は、 第 1の実施形態について述べたのと基本的に同 じである。 すなわち、 各捻れ連結部 1 1 2は、 2本のトーシヨンバー 212 a力、 らなり、 各トーションバー 212 aには複数の剛性調整穴 50が形成されている。 また、 剛性調整穴 50の形成パターンは、 例えば図 7 a及び 7 bに示したとおり である。
本実施形態においては、 ミラー基板 210と同様に、 ベース基板 1 20も、 例 えば、 Pや A sなどの n型不純物や Bなどの p型不純物をドープすることによつ て導電性を付与されたシリコン製の基板から、 バルクマシニング技術によって成 形されたものである。 具体的には、 板状の導電性シリコン基板に対して、 D e e p R I Eなどのドライエッチングや、 KOH溶液などを用いたゥエツトエツチン グにより、 中央部を窪ませると同時に第 2櫛歯電極 222 a, 222 b (図 5参 照） を形成する。 第 2櫛歯電極 222 a, 222 bは、 第 1櫛歯電極 215 a， 215 bに対応するものであるが、 位置的には互い違いになっている。 従って、 第 1櫛歯電極の各電極歯は、 _第 2櫛歯電極の電極歯間の隙間に入り込めるように なっている。
マイクロミラー素子 2 0 0は、 組立て状態においては、 図 4に示されるように、 ミラー基板 2 1 0のフレーム 2 1 3がベース基板 2 2 0の凸状段部 2 2 1の上面 に絶縁層 2 3 0を介して接合される。 絶縁層 2 3 0を介在させたのは、 第 2櫛歯 電極 2 2 2 a， 2 2 2 bを一体形成する必要から第 2ベース基板 2 2 0を導電性 材料で構成したため、 第 2ベース基板 2 2 0をミラー基板 2 1 0から電気的に分 離しなければならないからである。
また、 図 5に示されるように、 ベース基板 2 2 0は、 一方の第 2櫛歯電極 2 2 2 aを含む第 1導電部 2 2 0 aと、 他方の第 2櫛歯電極 2 2 2 bを含む第 2導電 部 2 2 0 bとを絶縁層 2 2 3にて電気的に分離した構造を有している。 このよう な構造は、 2つの第 2櫛歯電極 2 2 .2 a， 2 2 2 bに異なる電位を印加するため に必要である。
以上のような構成において、 例えばミラー部 2 1 1の第 1櫛歯電極 2 1 5 a , 2 1 5 bを正極に帯電させた状態において、 ベース基板 2 2 0の第 2櫛歯電極 1 2 2 a , 2 2 2 bの何れか一方を選択的に負極にすることにより、 ミラー部 2 1 1を正逆に揺動することができる。 また、 各捻れ連結部 2 1 2については、 その 幅をミラー部 2 1 1からフレーム 2 1 3にかけて漸減させており、 しかも各トー シヨンパー 2 1 2 aに複数の剛性調整穴 5 0を図 7 a及び 7 bに示したパターン にて形成している点で、 第 2の実施形態は第 1の実施形態と同じである。 従って、 第 2の実施形態のマイクロミラー素子 2 0 0は第 1の実施形態のマイクロミラー 素子 1 0 0と同じ 点を享受している。
図 6は、 本発明の第 3の実施形態に係るマイクロミラー素子におけるミラー基 板 3 1 0の構成のみを表す。 本実施形態におけるミラー基板 3 1 0は、 ミラー部 3 1 1、 これを囲む内側フレーム 3 1 3、 内側フレーム 3 1 3を囲む外側フレー ム 3 1 7、 ミラ一部 3 1 1と内側フレーム 3 1 3とを連結する一対の第 1捻れ連 結部 3 1 2、 内側フレーム 3 1 3と外側フレーム 3 1 7とを連結する一対の第 2 捻れ連結部 3 1 6とを備える。 第 1捻れ連結部 3 1 2は、 内側フレーム 3 1 3に 対するミラー部 3 1 1の第 1揺動軸 X 1を規定する。 第 2捻れ連結部 3 1 6は、 外側フレーム 3 1 7に対する内側フレーム 3 1 3の揺動軸 X 2を規定する。 本実 施形態では、 摇動軸 X 1と第 2揺動軸 X 2は、 直交している。 ミラー基板 3 1 0 の材料及ぴ製造方法については、 第 2の実施形態にて述べたのと同様である。
本実施形態においては、 ミラー部 3 1 1は、 第 1揺動軸 X 1を挾んで両側に第 1櫛歯電極 3 1 5 a， 3 1 5 bが形成されており、 内側フレーム 3 1 3は、 第 2 揺動軸 X 2を挟んで両側に第 3櫛歯電極 3 1 8 a, 3 1 8 bが形成されている。 また、 図示はされていないが、 ミラー基板 3 1 0は、 絶縁層を介してベース基板 に接合されており、 このベース基板には第 1櫛歯電極 3 1 5 a, 3 1 5 bに対応 する第 3櫛歯電極と、 第 3櫛歯電極 3 1 8 a, 3 1 8 bに対応する第 4櫛歯電極 が形成されている。 従って、 図示されない第 2櫛歯電極及び第 4櫛歯電極に選択 的に電位を印加することにより、 ミラー部 3 1 1を第 1揺動軸 X 1及び/又は第 2揺動軸 X 2を中心として揺動させることができるので、 光の反射方向を制御す る上での自由度が高まる。
図 6に示された第 3の実施形態は、 各第 1捻れ連結部 3 1 2については、 その 幅をミラー部 3 1 1から内側フレーム 3 1 3にかけて漸減させており、 しかも各 トーションバー 31 2 aに複数の剛性調整穴 50を図 7 a及ぴ 7 bに示したパタ ーンにて形成している点で、 第 1の実施形態と同じである。 また、 各第 2捻れ連 結部 3 1 6の構成も、 各第 1捻れ連結部 3 1 2のものと同様である。 従って、 第 1の実施形態について既に述べた利点は、 第 3の実施形態についてもそのままあ てはまる。
以上説明した何れの実施形態においても、 各トーションバー 1 1 2 a (2 1 2 a， 3 1 2 a, 31 6 a) としては、 図 7 a及び 7 bに示したパターンにて剛性 調整穴 50が形成されている （第 1の例） 。 この第 1の例では、 剛性調整穴 50 は断面平行四辺形であり、 そのサイズがトーシヨンバーの長手方向にのみ変化し ている。 しかしながら、 トーシヨンパーとしては、 図 8 a〜図 1 9 bに示すよう な種々な構成のものを採用しても同様の利点が得られる。
すなわち、 図 8 a及び 8 bに示す第 2の例では、 各トーションパ一は一列に並 ぶ断面四角形の複数の剛性調整穴 50 aを有しており、 そのサイズはミラー部 （ 又は内側フレーム） に近いほど大きく、 フレーム （又は外側フレーム） に向かつ て、 長手方向のみならず、 幅方向にも漸減するようになっている。
図 9 a及び 9 bに示す第 3の例では、 各トーシヨンバーは一列に並ぶ断面円形 の複数の剛性調整穴 5 0 bを有しており、 その直径はミラー部 （又は内側フレー ム） に近いほど大きく、 フレーム （又は外側フレーム） に向かって漸減するよう になっている。
図 1 0 a及び 1 0 bに示す第 4の例では、 各トーシヨンバーは一列に並ぶ断面 楕円形の複数の剛性調整穴 5 0 cを有しており、 そのサイズはミラー部 （又は内 側フレーム） に近いほど大きく、 フレーム （又は外側フレーム） に向かって、 長 手方向のみならず、 幅方向にも漸減するようになっている。
図 1 1 a及ぴ 1 1 bに示す第 5の例では、 各トーシヨンバーは同一径で断面円 形の多数の剛性調整穴 5 0 dを有しており、 その分布密度はミラー部 （又は内側 フレーム） に近いほど高く、 フレーム （又は外側フレーム） に向かって漸減する ようになっている。
図 1 2 a〜l 2 cに示す第 6の例では、 各トーシヨンバーは、 その厚さ方向に 貫通する断面円形の一列の剛性調整穴 5 O bを有するとともに、 幅方向にも貫通 する断面円形の一列の剛性調整穴 5 0 eを有している。 厚さ方向に貫通する剛性 調整穴 5 0 bも、 幅方向に貫通する剛性調整穴 5 0 eも、 その直径はミラー部 （ 又は内側フレーム） に近いほど大きく、 フレーム （又は外側フレーム） に向かつ て漸減するようになっている。
図 1 3 a及び 1 3 bに示す第 7の例では、 各トーシヨンバー 1 2 aは、 その幅 がミラー部 （又は内側フレーム） に近いほど小さく、 フレーム （又は外側フレー ム） に向かって漸増するようになっている。
図 1 4 a及び 1 4 bに示す第 8の例では、 各トーシヨンバーは、 その幅方向に 突出する複数の補強リブ 5 0 f を備えており、 これら補強リブ 5 0 f 間の間隔は ミラー部 （又は内側フレーム） に近いほど大きく、 フレーム （又は外側フレーム
) に向かって漸減するようになっている。
図 1 5 a〜l 5 cに示す第 9の例では、 各トーシヨンパー 1 2 a ' は、 その厚 さがミラー部 （又は内側フレーム） に近いほど小さく、 フレーム （又は外側フレ ーム） に向かって漸増するようになっている。 図 1 6 a〜l 6に示す第 1 0の例では、 各トーシヨンバーは、 その厚さ方向に 突出する複数の補強リブ 5 0 gを備えており、 これら補強リブ 5 0 g間の間隔は ミラー部 （又は内側フレーム） に近いほど大きく、 フレーム （又は外側フレーム ) に向かって漸減するようになっている。
図 1 7 a及び 1 7 bに示す第 1 1の例では、 各捻り連結部が単一のトーシヨン パー 2 2により構成されており、 そのトーシヨンバー 2 2は、 一列に並ぶ断面矩 形の複数の剛性調整穴 5 0 hを有しており、 そのサイズはミラー部 （又は内側フ レーム） に近いほど大きく、 フレーム （又は外側フレーム） に向かって漸減する ようになっている。
図 1 8 a及び 1 8 bに示す第 1 2の例では、 各捻り連結部が図 1 7 a及び 1 7 bに示したのと同一構成を有する 2本のトーションバー 2 2を平行に並べて構成 されたものである。
図 1 9 a及び 1 9 bに示す第 1 3の例は、 図 7 a及ぴ 7 bに示す第 1の例と類 似するものであるが、 2本のトーシヨンバー 1 2 a " が厚さ方向に相互にずれて いる点でそれとは異なる。
以上、 本発明の種々な実施形態を説明したが、 本発明はこれらの実施形態によ つて制限されるものではなく、 添付の請求の範囲の記載された思想と範囲から逸 脱しない限り種々な変形が可能である。

Claims

請求の範囲
1 . フレームと、
このフレームに対して連結部を介して連結された揺動部材と、 を備え、 前記各連結部は、 少なくとも 1つのトーシヨンバーを含んでおり、 当該ト' シヨンバーは、 剛性調整手段を備えている、 マイクロ摇動素子。
2 . 前記各連結部は、 幅方向に間隔をあけた 2本のトーシヨンバーを含んでおり、 当該 2本のトーションバーの間隔は、 前記揺動部材に近いほど大きく、 前記フレ ームに近づくにつれて減少する、 請求項 1に記載のマイク口揺動素子。
3 . 前記剛性調整手段は、 前記各トーシヨンバーの剛性が、 前記フレームに向か つて相対的に高く、 前記揺動部材に向かって相対的に低くなるように構成されて いる、 請求項 2に記載のマイクロ揺動素子。
4 . 前記剛性調整手段は、 トーシヨンバーに形成された複数の穴である、 請求項 3に記載のマイク口揺動素子。
5 . 前記穴のサイズは、 前記フレームに近いほど小さく、 前記揺動部材に近いほ ど大きくなるように変化している、 請求項 4に記載のマイクロ揺動素子。
6 . 前記穴の密度は、 前記フレームに近いほど小さく、 前記揺動部材に近いほど 大きくなるように変化している、 請求項 4に記載のマイク口揺動素子。
7 . 前記複数の穴は、 前記トーシヨンバーを肉厚方向に貫通している、 請求項 4 に記載のマイクロ揺動素子。
8 . 前記複数の穴は、 前記トーシヨンバーを幅方向に貫通している、 請求項 4に 記載のマイクロ揺動素子。
9 . 前記複数の穴の一部は、 前記トーシヨンバーを肉厚方向に貫通しており、 前 記複数の穴の残部は、 前記トーシヨンパーを幅方向に貫通している、 請求項 4に 記載のマイクロ揺動素子。
10. 前記トーシヨンバーは、 幅が前記フレームに近いほど大きく、 前記揺動部材 に近いほど小さくなるように変化している、 請求項 3に記載のマイク口揺動素子。
11. 前記剛性調整手段は、 前記トーシヨンバーの幅方向に突出する複数の補強リ ブを備えており、 当該補強リブの間隔は、 前記フレームに近いほど小さく、 前記 揺動部材に近いほど大きくなるように変化している、 請求項 3に記載のマイクロ
12. 前記トーシヨンバーは、 厚さが前記フレームに近いほど大きく、 前記揺動部 材に近いほど小さくなるように変化している、 請求項 3に記載のマイク口揺動素 子。
13. 前記剛性調整手段は、 前記ト一シヨンバーの厚さ方向に突出する複数の補強 リブを備えており、 当該補強リブの間隔は、 前記フレームに近いほど小さく、 前 記揺動部材に近いほど大きくなるように変化している、 請求項 3に記載のマイク 口揺動素子。
14. 前記 2本のトーシヨンバーは、 相互に厚さ方向に位置がずれている、 請求項 1 3に記載のマイク口揺動素子。
15. 前記フレームは内側フレームを構成しており、 前記連結部はこの内側フレー ムを前記揺動部材に連結する内側連結部であり、 さらに前記内側フレームに外側 連結部を介して外側フレームが連結されており、 前記各外側連結部は、 少なくと も 1つの外側トーションバーを含んでおり、 当該外側トーションバ一は、 剛性調 整手段を備えている、 請求項 1に記載のマイクロ揺動素子。
16. 前記外側トーションパーの剛性調整手段は、 当該外側トーションバーの剛性 力 前記外側フレームに向かって相対的に高く、 前記内側フレームに向かって相 対的に低くなるように構成されている、 請求項 1 5に記載のマイクロ揺動素子。
17. 前記外側連結部の揺動軸は、 前記内側連結部の摇動軸に直交する、 請求項 1 5に記載のマイクロ摇動素子。
18. 前記揺動部材は、 ミラー部を有している、 請求項 1に記載のマイクロ揺動素 子たるマイクロミラー素子。
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