WO2005109076A1

WO2005109076A1 - 静電駆動型memsミラースキャナ

Info

Publication number: WO2005109076A1
Application number: PCT/JP2005/008621
Authority: WO
Inventors: Yoshifumi Kawakami; Kyoji Shimoda
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co., Ltd.
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2005-11-17
Also published as: EP1746452A1; JPWO2005109076A1; US20070053044A1

Abstract

　この発明は、ポリゴンミラースキャナと同等以上の高速スキャニングを実現でき、静電力の少ない駆動力でも駆動可能な柔軟なミラーの支持構造を有する構成からなるMEMSミラースキャナの提供を目的とし、基板の同一直線上に棒状に形成配置される一対のサスペンションビーム間にスキャニングミラーを形成して該直線を揺動軸として該ミラーを揺動可能に支持し、かつサスペンションビームの片側または両側に沿って静電容量駆動部が配置される構成であり、静電容量駆動部の揺動軸中心から軸直交方向(サスペンションビーム幅方向)の最大距離を、該ミラーの揺動軸中心(回転中心)よりの軸直交方向(ミラー長さ方向)の最大距離の例えば60%以下、より好ましくは40%以下とすることにより、大きなスキャニングミラーの共振周波数を高めることが可能である。

Description

明細書

静電駆動型 MEMSミラースキャナ

技術分野

[0001] この発明は、高速スキャニングが可能なレーザープリンタ用途に最適な小型ミラースキャナに関し、詳しくはシリコン基板を用いたマイクロ-エレクト口-メカ-カルシステム (micro- electro- mechanical system,以下 MEMSという）による新規な静電駆動型 MEMSミラースキャナに関する。

背景技術

[0002] 従来、レーザープリンタなどの用途でスキャナエンジンとして使用されるデバイスに、ポリゴンミラースキャナが用いられ、これは多角柱状ミラーをその軸中心に高速回転させることができ、高速のスキャニング動作を実現できた (特許文献 1)。

[0003] 近年、シリコンなどの半導体基板に、エッチングや成膜などのマイクロマシユング技術を用い、例えば所要のグループを形成して構成したスキャニングミラーをサスペンシヨンビームで揺動可能に支持し、ミラー部とグループ周辺に設けた電極対により静電力を発生させて、前記ミラーを揺動運動させる静電駆動型ミラースキャナが種々提案されて!ヽる (特許文献 2,特許文献 3)。

[0004] 前記静電駆動型ミラースキャナ一は、文字どおり静電力で駆動され、サスペンションビームを軸とする回動角によって、入射させた光の反射経路を変換することが可能であり、レーザー光のスイッチングやスキャニングが実施できる。しかし、その駆動速度は、ポリゴンミラースキャナと比較してずっと低速度し力得られな、ものであった。

[0005] 一方、基本構造に平行磁場を発生させる磁場発生手段と、棒状トーシヨンバーで揺動可能に支持したスキャニングミラーを有した電磁駆動型ミラースキャナは、電磁型の駆動力が大きぐ偏向角度と動作周波数を向上させやすい利点がある。

[0006] また、ジンノレ構造の光偏向器の構成を採り、シリコン基板と複数のポリイミド膜、金属膜とを積層し平行磁場中に配置された偏向ミラー素子アレイとを有した電磁駆動型ミラースキャナは、弾性部材としてのメッシュ状部を有するポリイミド膜を用いることで、例えば 4.5mm X 3.3mmのミラーサイズで 4000Hzの共振周波数を有し、高速スキヤユングを可能にして、る (特許文献 4)。

特許文献 1：特開平 5-119279

特許文献 2 :特開 2002-311376

特許文献 3：特開 2003-015064

特許文献 4：特開 2003- 270558

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] シリコン基板を用いて数 mm角寸法のミラーをサスペンションビームで揺動可能に支持する構成の MEMSミラースキャナは、ポリゴンミラースキャナに対して、小型化が容易であり、光学系の小型化と省レンズが可能となり、また回転体がなく発塵フリーであり、さらに省電力、静音、低振動、起動時間短縮などさまざまなメリットが得られる。

[0008] ポリゴンミラースキャナに匹敵あるいはそれ以上の高速スキャニングを可能するには、 MEMSミラースキャナのミラーを大型化し、高速で且つ大振幅で動作させる必要がある。

[0009] レーザープリンタ用途としては、必要な印字分解能を得るために大きな寸法のスキャユングミラーが必要となり、該ミラーの大型化に伴いミラー部の慣性モーメントが大きくなり、共振周波数が低下してしまうため、これまで静電駆動型 MEMSミラースキヤナが実用化されて、る例はな、。

[0010] また、大きなスキャニングミラーの MEMSミラースキャナを高速化 (高周波ィ匕)するには、例えばトーシヨンバーの剛性を上げる必要がある力トーシヨンバーの剛性を上げると、静電型では駆動力が低いためミラーを十分な動作振幅で駆動できなくなる問題があり、これも静電駆動型 MEMSミラースキャナが実用化されていない大きな一因である。

課題を解決するための手段

[0011] この発明は、静電駆動型 MEMSミラースキャナにおいて、ポリゴンミラースキャナと同等以上の高速スキャニングを実現できる構成の提供を目的とし、例えば、静電力でも十分な駆動が可能となるように、静電力の少な、駆動力でも駆動可能な柔軟なミラーの支持構造を有する構成、また駆動力を増加させるために静電容量を増大、確保できる構成力もなる MEMSミラースキャナの提供を目的としている。

[0012] 発明者らは、静電力の小さな駆動力でも駆動可能な柔軟なミラーの支持構造並びに十二分な静電容量を確保できる構成を目的に、静電駆動型 MEMSミラースキャナの構成にっ、て鋭意検討した結果、所要寸法の正方形スキャニングミラーを想定した場合、ミラーを対向 2辺の方向に一対 (二本)のサスペンションビームで揺動可能に支持し、かつサスペンションビーム方向 (揺動軸方向)に櫛歯状の電極を連接配置して静電容量駆動部を設ける構成となすことで、基本的にミラーの共振周波数を高め、駆動部の静電容量を増大させることが可能であることを知見した。

[0013] また、発明者らは、スキャニングミラーとサスペンションビームによる上記の構成において、該ミラーの揺動軸方向に直交する方向の寸法を lmm以上とし、さらに静電容量駆動部の揺動軸中心から軸直交方向 (サスペンションビーム幅方向)の最大距離を、該ミラーの揺動軸中心 (回転中心)よりの軸直交方向 (ミラー長さ方向)の最大距離の 100%以下、好ましくは 60%以下、さらに好ましくは 40%以下とすることにより、大きなスキャユングミラーの共振周波数を高めることが可能であることを知見した。

[0014] また、発明者らは、上記の一対 (二本)のサスペンションビームで揺動可能に支持されるミラーは、正方形ミラーより長方形ミラーとなして長辺に長いサスペンションビームを設けるほうがその共振周波数を高めることができ、さらに矩形より楕円や長楕円として最外周部の質量を落とすことで、より共振周波数を高めることができることを知見した。

[0015] また、発明者らは、上記の MEMSミラースキャナにおいて、大きなスキャニングミラーの駆動力を確保できる構成にっ、て種々検討した結果、静電容量駆動部の回転揺動方向の大きさは前記範囲で決まることから、駆動部の静電気力はミラーの極慣性モーメント (polar moment of inertia of the mirror)と振れ角及び周波数の二乗分が駆動部の静電気力となるように、揺動軸方向の長さを長くした構造にすることで目的が達成できることを知見した。

[0016] さらに、発明者らは、共振周波数を高める構成として、各サスペンションビームの剛性を増加させな、ように、サスペンションビームに屈曲型トーシヨンバー (serpentine torsion hinge)や直線型トーシヨンバーなどのトーシヨンバー部を設けることにより共振周波数を上げることができ、またより大きな振幅が必要な場合には上記構成のデバイスを真空パッケージに収納して共振の Q(Q factor)を上げること、ミラー部の裏面に軽め穴を設けたり、リブ構造にしてミラー部の慣性モーメントを減少させることにより、ミラ一の共振周波数を高めてかつ振れ角を大きくとれることを知見し、この発明を完成した。

[0017] すなわちこの発明は、基板の同一直線上に棒状に形成配置される一対のサスペンシヨンビーム間にスキャニングミラーを形成して該直線を摇動軸としてスキャニングミラ一を揺動可能に支持し、かつサスペンションビームの片側または両側に沿って静電容量駆動部が配置される構成であり、スキャニングミラー自体の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離 (a/2)が lmm以上、スキャニングミラー自体の厚みが 50 μ m以上であり、該駆動部の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離 (w)を、スキャニングミラーの摇動軸中心力軸直交方向の最大距離の 100%以下とした静電駆動型 MEMSミラ一スキャナである。

なお、スキャニングミラーは、バルタ基板自体力なるもの、断面が横 H型 (I-beam) 構造、穴や各種リブを有する構造など種々構成であり、その構造全体の厚みが 50 m以上である。

発明の効果

[0018] この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナは、静電力の少な!/、駆動力でも駆動可能な柔軟なスキャニングミラーの支持構造を有し、さらに長、サスペンションビームに沿って静電容量駆動部が配置されて十分な静電容量が確保されるため、ポリゴンミラースキャナの代替が可能であり、回転体がないことから発塵フリーであり、従来に比してより小型化が可能で、光学系の小型化と省レンズ化、さらに省電力、静音化、起動時間短縮などが実現できる。

[0019] この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナは、ミラー長さ 4mm以上の大きなスキヤ-ングミラー、特にレーザープリンタで使用される楕円や長楕円形状のレーザー光形状と合致する大型ミラーを、 1.5kHz以上の共振周波数と ± 15° 以上の振幅で駆動することができ、レーザープリンタで要求される 300dpi、 600dpiの性能を実現できる [0020] この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナは、シリコンなどの半導体基板にェツチングゃ成膜などのマイクロマシユング技術を用いて形成するものでさらに、静電駆動や制御用の DC電源、 AC電源をも基板に形成でき、ポリゴンミラースキャナゃ電磁駆動型 MEMSミラースキャナより、簡素且つ製造性の良い構成力もなるため、安価に提供できる利点がある。

[0021] この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナは、シリコンなどの半導体基板に形成した同材質のサスペンションビームを剛性を上げることなく利用できる構成力なり、例えばポリミイド膜をトーシヨンバーに使用する従来の構成に比してミラーの動作安定性 (特にジッター)〖こ優れる。

発明を実施するための最良の形態

[0022] この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナは、図 1Aに示すごとぐシリコンなどの半導体基板の同一直線上に形成配置される一対のサスペンションビーム間にスキヤ-ングミラーを形成して該直線を揺動軸としてミラーを揺動可能に支持する構成を基本構造とする。

[0023] また、この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナは、サスペンションビームに沿って静電容量駆動部が配置され、該駆動部の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離を、スキャニングミラーの摇動軸中心力も軸直交方向の最大距離の 100%以下、好ましくは 60%以下、さらに好ましくは 40%以下としたことを特徴とする。

[0024] 以下に図面に基づきこの発明による MEMSミラースキャナデバイス (以下単に MEMS デバイスと！/ヽぅ)の構成と設計方法につ！、て説明する。図 1Aは組み立てられた MEMS デバイスの一構成例を示す。図 1B,図 1Cは図 1Aの構成体の分解説明図である。

[0025] MEMSデバイス 10は、上層板 10Aと下層板 10Bを積層した構成力もなる。上層板 10A は、中央に円板のスキャニングミラー 11を設け、その X軸 (揺動軸)方向にサスペンションビーム 13A,13Bが設けられ、接続部 12を介してスキャニングミラー 11がサスペンションビーム 13A,13Bに支持される。

[0026] サスペンションビーム 13A,13Bの端は、アンカー 14A,14Hと S字型 (旋状)トーシヨンバ一構造のヒンジ 15A,15Hと接続される。また、サスペンションビーム 13A,13Bは、接続部 12とヒンジ 15A,15Hとの間のビーム内に、 S字型 (旋状)トーシヨンバー構造のばね 15B〜15Gが形成されている。ばね 15B〜15Gにはアンカー 14B〜14Gと接続される。

[0027] 上層板 10Aのサスペンションビーム 13A,13Bには、 x軸 (揺動軸)に直交する y軸方向に揺動側櫛歯 18が形成され、同様に上層板 10A側から y軸方向に伸びる固定側櫛歯 19と該揺動側櫛歯 18は X軸方向に交互に配置される。すなわち、揺動側櫛歯 18群と固定側櫛歯 19群とは、静電容量駆動源としてサスペンションビーム 13A,13Bを介してスキャニングミラー 11を揺動駆動する。

[0028] また、下層板 10Bは、上層板 10Aのスキャニングミラー 11とサスペンションビーム 13A,13Bが揺動可能なように同部を空洞 17化してあり、さらに上層板 10Aと下層板 10Bが積層される時、上層板 10Aに形成されるアンカー 14A〜14Hが固着されるように、下層板 10Bには島状に固定用パッド 16A〜16Hが形成される。

[0029] また、下層板 10Bには、上層板 10Aの揺動側櫛歯 18と対をなして静電容量駆動源を構成できる固定側櫛歯 18Bが多数配置されている。

[0030] 図 2A〜図 2Cに示す MEMSデバイス 20の構成例は、上層板 20Aと下層板 20Bを積層した構成力もなり、上層板 20Aは、中央に円板のスキャニングミラー 21を設け、その X 軸 (揺動軸)方向にサスペンションビーム 23A,23Bが設けられ、接続部 22を介してスキャユングミラー 21が支持される。

[0031] サスペンションビーム 23A,23Bの端は、 S字型 (旋状)トーシヨンバー構造のヒンジ

25a,25hを介して上層板 20Aに接続される。また、サスペンションビーム 23A,23Bの長手側面に沿って同様構成のばね 25b〜25g設けられて上層板 20Aに接続される。

[0032] サスペンションビーム 23A,23Bの他方長手側面には、 x軸 (揺動軸)に直交する y軸方向に延びる揺動側櫛歯 28が形成され、下層板 20Bに設けられる固定側櫛歯 29とで静電容量駆動源としてサスペンションビーム 23A,23Bを介してスキャニングミラー 21を摇動駆動する。

[0033] 図 4Aに示すこの発明による MEMSデバイス 40の実施例は、上層板 50と下層板 70を絶縁して積層した構成カゝらなる。

[0034] 図 4B,図 4Cには上層板 50の詳細が示される。上層板 50には長楕円形状のスキヤ- ングミラー上層 51が形成されている。このスキャニングミラー上層 51の裏面には細く深 V、形状の多数の溝条 (trenches)が形成されるが、ここでは図示を省略して、る。 [0035] 多数の溝条はスキャニングミラーの質量低減と動的変形を低減する機能がある。すなわち、 MEMSデバイス 40は、その全ての動的変形を最小にすることで、光学的分解能が向上する。例えば、溝条はスキャニングミラー上層 51の長楕円の直径方向に平行に設けることが考えられるが、短円の直径方向と一致するスキャニングミラーの回転軸方向から離れた該ミラーの外周側に配置されることが効果的である。

[0036] なお、多数の溝条は、上層板 50にスキャニングミラー上層 51等の各パーツをエッチングで形成する際に、同時にその溝幅や深さを所定値となるように制御される。あるいは、スキャニングミラー上層 51の表面以外が被覆されて当該表面に溝条をエツチングで形成する方法も採用できる。

[0037] 溝条は、その配置や本数を有限要素法にて最適化するとよ、。スキャニングミラー上層 51はギャップ 52A,52Bにて上層板 50より分離される。ギャップ 52A,52Bの幅寸法は、上層板 50のエッチングによる形成工程時に他の微細寸法で形成される、ずれのパーツよりも大きな寸法となるよう設計されて、る。

[0038] スキャニングミラー上層 51は、短円の直径方向に設けられる接続部 53を介してサスペンションビーム 54A,54Bに支持される。力かるサスペンションビーム 54A,54Bに支持される構成によりスキャニングミラー上層 51はその動的変形が最小限になる。また、接続部 53は、その形状や数を有限要素法にて最適化される。

[0039] 揺動回転軸に沿って配置されるサスペンションビーム 54A,54Bの前記回転軸方向の端面には、揺動側櫛歯 55が形成配置される。揺動側櫛歯 55は、それぞれ基端側の長方形断面形状より揺動する先端側の長方形断面形状がより小さくなるよう形成されている。このように断面積を小さくすることで揺動側櫛歯 55の重量を低減し、全体の慣性質量を減少させて!/、る。

[0040] 構造的な慣性を減らすことによって、このデバイスの走査速度を増大させること、駆動電圧量を低減することがそれぞれ単独又は同時に実現できる。例えば、駆動周波数の調整によって、揺動部の駆動効率が向上して、揺動側櫛歯 55の静電容量によるノィァス駆動力が増大することになる。また、揺動側櫛歯 55はスキャニングミラーを駆動する静電駆動量を増大させることができる。さらには、揺動側櫛歯 55は静電容量によるバイアス駆動力、ミラー駆動力の両方を提供できる。 [0041] サスペンションビーム 54A,54Bは、下層板 70の表面に形成されるパッドに接続される S字型 (旋状)トーシヨンバー構造のヒンジにより連結されて、る。サスペンションビーム 54Aの遠心端は、パッド 57Aに接続する S字型ヒンジ 56aと連結され、中央側はノッド 58Aに接続される S字型ヒンジ 56b,56cと連結される。

[0042] 同様にサスペンションビーム 54Bの遠心端は、パッド 57Bに接続する S字型ヒンジ 56f と連結され、中央側はパッド 58Bに接続される S字型ヒンジ 56d,56eと連結される。サスペンションビーム 54A,54Bは、スキャニングミラー上層 51の短円の直径方向に設定される摇動回転軸に分散配置する S字型ヒンジ 56a〜56fC連結される。サスペンションビーム 54A,54Bは、その表面に設けた穴 60により質量を軽減する。

[0043] 入念に堅さの配分とばねの位置設定を調整することによって、可動構造物のすべてのモードの周波数は効果的に区分することができ、そして望ましい揺動モードは最も低い共振周波数で設計される。主なレゾナンス周波数は最も低くかつ他の構造物の振動周波数力離れており、スキャニングミラーの揺動は他のいかなる不要な振動モードを招来することがな、。

[0044] 複数のばねを用いることで、各ばね毎の最大圧力と張力を従来の一対のトーシヨンビームで支持されるスキャニングミラーよりも低くする。各ばね毎の圧力と張力は減少して、各はねの信頼性が向上し、揺動角度が増える。

[0045] 上層板 50には、固定側櫛歯 59が形成され、揺動側櫛歯 55と交互に入り込む形態で配置される。固定側櫛歯 59は、揺動側櫛歯 55と同様に先が細くなるよう形成されている。固定側櫛歯 59は、バイアス静電力を供給することで駆動効率を増大させることができる。

[0046] また、固定側櫛歯 59は、静電駆動力を供給することで、スキャニングミラー上層 51を駆動することができる。さら〖こ、固定側櫛歯 59には、バイアス静電力と静電駆動力の両方を供給することができる。この固定側櫛歯 59は、下層板 70の表面に載置される接着パッド 61に接続されて!ヽる。

[0047] 図 4D、図 4E、図 4Fは下層板 70の詳細を示す。下層板 70は、長楕円形板 71上に突起部 72を形成してあるミラー下層 73を有して、る。下層板 70にギャップ 74を設けてミラ一下層 73を周囲のコンポーネントから分離している。図 4Fに、長楕円形板 71の反射面を備えた下面を図示してあり、下層板 70下面の孔部外周には、組立時にミラーの位置合わせを行うためのマーク 75が設けてある。

[0048] ミラー下層 73の表面には、ミラー上層 51が接着されて最終のスキャニングミラーとなる。スキャニングミラーは、 Iビーム構造を有するもので、ミラー上層 51が上面、突起部

72がウェブ、長楕円形板 71が下面を構成する。

[0049] Iビーム構造は、ミラーの多くの質量を低減してミラーを強固する。従って、これはミラ一下層表面の動的な変形を最小限にすることができる。ミラー下層表面の動的変形を最小限にすることで、このデバイスの光学的分離度を改善できる。 Iビームの構造は有限要素分析によってより洗練させることができる。

[0050] 下層板 70は、上層板 50で可動構造の接着パッドを固定するための表面を有している。特に固定用パッド 76AJ6Bは、接着パッド 58A,58Bに対応する固定用表面を備え

、固定用パッド 77は、接着パッド 57A,57B,61に対応する固定用表面を備えている。

[0051] 下層板 70は、固定側櫛歯 78が形成され、上層の揺動側櫛歯 55と層外で交互に入り込む形態で配置される。換言すると、上から見た時あるいはミラーが揺動した際に両者が交互に入り込む。固定側櫛歯 78は、揺動側櫛歯 55と同様に先が細くなるよう形成されている。

[0052] 固定側櫛歯 78と固定用パッド 77との間のギャップ 79aがあり、これは固定側櫛歯 78 間のギャップ 79bよりも広く設定され、また、下層板 70への深さはギャップ 79aはギヤップ 79bより深くエッチングされる。この深、ギャップ 79aは揺動櫛歯 55が下層板 70に接触することなくより大きな角度で揺動できるよう設定される。

[0053] 固定側櫛歯 78は、静電駆動力を供給することで、スキャニングミラーを駆動することができる。さらに、固定側櫛歯 78には、バイアス静電力を供給することで駆動効率を増大させることができる。また、バイアス静電力と静電駆動力の両方を供給することができる。揺動櫛歯 55と固定側櫛歯 78との間の静電容量は、スキャニングミラーを駆動した際にその位置の検出に利用される。

[0054] 以上、スキャニングミラーとサスペンションビームを設ける上層板と下層板を積層した構成の MEMSミラースキャナを説明した力サスペンションビームとスキャニングミラ一が形成される同一基板内の櫛歯状構造に電極が配置される構成など、静電容量駆動源を含めて上層板のみで MEMSミラースキャナを構成できることは当然である。

[0055] ここで、図 1A〜図 1Cにおいて、形状を決める寸法記号を下記のようにとる。

a：スキャニングミラー X軸方向 (縦)寸法、

b:スキャニングミラー y軸方向 (幅)寸法、

c:卜ーシヨンノ一幅、

d:櫛歯側幅、

L:トーシヨンバー 1本の長さ (展開長さ）

n:トーシヨンバー本数、

n：櫛本数、

t:基板厚さ (但し、 t〉cと想定する)、

w:櫛切れ込み量、

δ 駆動部電極間のギャップ、

Θ 振れ角、

Κ:ばね定数 (全体)、

k:ばね定数 (トーシヨンバー 1本当たり)、

G:剪断弾性率、

Q:クオリティファクター、

形状係数 (shape factor)、

β 形状係数 (shape factor),

I：揺動軸回りの慣性能率

τ mat：材料の剪断強度、

freq:要求される周波数、固有振動数、

ε ：誘電率、

V：電圧、

λ：光波長 (wave length of light)。

[0056] スキャニングミラーの形状を支配する方程式は下記のとおりである。

(1)固有振動数 (Natural frequency)

基板厚さ t力 Sスキャニングミラー縦寸法 aより十分大きい時、 (n X c³/L) OC I x freq²/G …… 1式。

[0057] なお、揺動軸回りの慣性能率 Iは、直方体 (2a'2b't、 x軸方向寸法 2b、厚さ t)の場合は 2式、楕円 (2a '2b 't、厚さ t)の場合は 3式である。

1=1/3· p -a-b-t( 4-a²+t²) …… 2式

1=1/12· p -a-b-t(3-a²+t²) …… 3式

[0058] (2)トーシヨンヒンジの強度の制約

(j8/o;)-Gx(c/L)- 0く r mat …… 4式

[0059] (3)振り角

Θ oc V-^(Q- ε -nc-wt/ δ) …… 5式

[0060] (4)動的変形の限界

矩形 (2aX2bXt )ミラーの場合、動的変形は 6式によって表現される。

λ/3>Ό

D c freq²Xa⁵/t² …… 6式

[0061] MEMSミラースキャナに対して、固有振動数 (高い方が望ましい)、振れ角 (大きい方が望ましい)、スキャニングミラーサイズ (大きい方が望ましい)の要求がある力この要求をできる限り小さな寸法で設計することを想定する。

[0062] まず、ミラーサイズ (寸法 a,b及び I)及び固有振動数要求に対して 1式より、 (nXc³/L) が周波数の二乗に比例する数値として決まる。また、同時にトーシヨンバー、ヒンジの強度を満足させる必要があり、 4式力も L/cの下限値が振れ角に比例する数値として決まる。ここで寸法 cと Lは固有振動数と材料強度より決まる振れ角に対して反対方向の寄与をすることに注意する必要がある。同時に、 6式によって動的変形量に対する制約がある。そのために、厚さの平方は、 a⁵Xfreq²に定数を掛けた結果より大きくあるべさである。

[0063] さらに、所望の振れ角を実現するために必要なトルクを発生させる形状として、 5式より、下記 7式で決まる数値が増加すれば振れ角も増加することが分かる。ここで、 δ を製造上の限界カゝらある値に固定すれば、振れ角は厚さ tと電圧 V及び櫛本数 ηと共に増加する。

D oc newt/ δ 7式 [0064] 注目すべき点の一つに、固有振動数を決定する関係式から固有振動数を大きくするという要求とスキャニングミラーのサイズを大きくするという要求は、設計すべき寸法に対して同じ影響を及ぼすということである。

[0065] また、設計すべきパラメータ一は (n' c³/L)、 c/L及び nc X w X t/ δの 3個であり、決定すべき寸法は n、 c、 L、 t、 w、及び nの 6個である。但し、 nは、 n、 c、 L、及び tにより制約を受けてある範囲に決まる値であり、これらを拘束する式は 4つあり、ここに設計の自由度がある。この自由度を生力してミラースキャナ全体の寸法を最小にする、最適設計が可能となる。

[0066] 評価関数として、厚さ tを最小にする、長さを最小にする (n' Lあるいは nを最小にすることに相当)ことは、所謂コスト低減に繋がり意味のある数値である。

[0067] 6式より、振れ角 Θを大きくするには櫛歯の面積を拡大すること (n -wt/ δを大きくする)が必要となる。固有振動数の要請力も n' c³/Lを大きくすることが必要となった場合は、固有振動数を増加させることと振れ角を大きくすることの両者の積に相当する、トルク増大の要請を櫛歯厚さ、櫛歯切れ込み量、櫛本数、電圧増加、電極間ギヤップ縮小により補う必要があることが分力る。

[0068] この発明において、スキャニングミラーの摇動軸中心力軸直交方向の最大距離 (a/2)力 lmm以上、すなわちスキャニングミラーの摇動軸に直交する方向のミラー長さ全体が 2mm以上、該ミラーの厚みが 50 m以上であることを要件とする。その理由は、ポリゴンミラースキャナ以上の高速スキャニングを可能するにためである。

さらに好ましくは、スキャニングミラーの揺動軸中心から軸直交方向の最大距離 (a/2)が 2mm以上、該ミラーの厚みが 100 μ m以上である。

[0069] この発明にお、て、サスペンションビームの片側または両側に沿って静電容量駆動部が配置される該駆動部の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離 (d)を、ミラーの揺動軸中心力も軸直交方向の最大距離 (a/2)の 100%以下、好ましくは 80%以下とする。すなわち、固有振動数は極慣性能率の平方根に反比例するが、スキャニングミラー部以外の極慣性能率は dの 3乗に比例 (一次近似)するので、 dを a/2の 100%以下、好ましくは 80%以下とすれば、単位長さあたりの寄与率がミラー部分の約 50%以下、好ましくは約 20%以下に押さえることができる。 [0070] さらに、静電容量駆動部の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離は、スキヤニングミラーの摇動軸中心力軸直交方向の最大距離の 40%以下であることが望ましい。その理由は上述のとおりで、特に、 dを a/2の 40%以下とすれば、単位長さあたりの寄与率がミラー部分の 7%以下に押さえることができる形状が得られる。

[0071] また、スキャニングミラーの摇動軸方向のミラー幅は、スキャニングミラーの摇動軸に直交方向のミラー長さよりも短い方が望ましぐミラー長さ (a)の 50%以下であることが好ましい、その理由は、ミラー長さ aはプリンターの主走査方向の分解能に関連し、幅寸法 bはプリンターの副走査方向の分解能に関連し、主走査方向の分解能はミラー長さと周波数で決まることによる。さらに、副走査方向の分解能はプリンターの機能上、主走査方向の分解能より低く設定できるため、 3式に示すようにミラー幅 bは極慣性能率に比例するので、これを 50%以下にすると分解能要求と固有振動数を高くすることの両者をバランスよく満たすことができるので望ましい。

さらに詳述すると、スキャニングミラーの揺動軸に直交方向のミラー長さ (a)とスキヤ- ングミラーの摇動軸方向のミラー幅 (b)の関係は、（a≥b,a:b=(1.0〜2.0):l) または (aく b,a:b=l:(1.001〜2》であることが好ましい。

[0072] スキャニングミラーの形状は、矩形、菱形、多角形、円、楕円を適宜採用できる。また、形状は、矩形、菱形よりも多角形、円より楕円状、さらにトラック形状が好ましい。すなわち、矩形ではレーザービームのスポットがミラーからはずれないようにする目的力は過剰な形状であり、機能しない箇所は極慣性能率を大きくして固有振動数を下げてしまう。円形も機能上はべストであるが、副走査方向の分解能は主走査方向の分解能より低く設定できることから余裕がある。菱形は先端部でレーザービームスポットが外れるのでレーザービームの光エネルギーを一部喪失してしまうこと及び分解能が低下するという問題がある。このように、レーザービームのスポットが外れないということと、極慣性能率を小さくするという観点から多角形及びトラック形状が好ましい。

[0073] この発明において、サスペンションビームの摇動軸方向長さは、ミラー長さよりも長いことが望ましぐミラー長さの 1.5倍以上であることが好ましい。なお、 6式から振れ角を大きくするには駆動トルクは櫛の歯数及び電圧を大きくするとよいが、絶縁破壊を起こさない電圧で櫛の歯数を確保するためサスペンションビームの揺動軸方向長さはミラー長さの 1.5倍以上にすると適切であることを実験的に確認した。

[0074] この発明において、各サスペンションビームに少なくとも 1つのトーシヨンバー部

(serpentine torsion hinge)を備えることで、スキャニングミラーの共振周波数を上げたり所要値に制御することが可能となる。

[0075] 前述した図面に示すように、スキャニングミラーとは反対側の各サスペンションビーム端 (サスペンションビームエンド)にトーシヨンバー部を備える構成、サスペンションビーム内に少なくとも 1つのトーシヨンバー部を備える構成、各サスペンションビームの片側に沿って静電容量駆動部が配置され、各サスペンションビームの他片側に沿つて複数のトーシヨンバー部を備えている構成が採用できる。

[0076] サスペンションビームに設けられるトーシヨンバー部は、図 3に示すように、図示の 1 つの国定郡 (アンカー)に対して 1つの屈曲型トーシヨンバーまたは直線型トーシヨンバ

~~ (serpentine

torsion hinge /spring)を備える構成の他、実施例に示すように、 1つの固定部 (アンカ一)の両側に 2つの屈曲型トーシヨンバーまたは直線型トーシヨンバーを備える構成が採用でき、ビーム長さを短くしながら共振周波数を上げる効果がある。

[0077] また、スキャニングミラーの摇動軸に直交方向のトーシヨンバー部のビーム幅は、基板厚みの 140%以下であることが望ましい。すなわち、振れ角 (5式)及び動的変形 (6式) の要請力厚さ tの最小値が規定されるとともに大きい方が有利であることが示される。一方、強度上は 4式より応力がヒンジ幅 cに比例するので小さい方が有利である。そこで、ヒンジ幅 cとして厚さ tの 140%以下とした場合、これらの関係が適切であることを実験的に確認した。

[0078] 実施例の静電駆動型 MEMSミラースキャナは、サスペンションビームに設けられる屈曲型トーシヨンバー (serpentine torsion hinge /spring)の数力 ¾以上であることを特徴とする。

[0079] この発明にお、て、スキャニングミラーの非反射裏面または各サスペンションビームあるいはその両方に質量軽減手段を施すことは、可動部の共振周波数を制御したり、動的なバランスを取るなどの場合に有効である。質量軽減手段としては、微小な貫通孔ゃ穴を多数設けたり、所要箇所に多条リブ構造、ハニカム構造、断面が横 H型 (I-beam)構造を設けるなど、目的と設置箇所に応じて適宜選定すると良い。さらに、慣性能率軽減手段を設けることことも可能である。例えば、ある箇所の質量を減らし、同時に他の箇所の質量を増やすことにより、質量は変化しないが、当該部部の慣性能率が軽減されて、周波数増加や振り角の増加の効果を得ることができる。

[0080] MEMSミラースキャナは、単基板でもあるいは同材質又は異材質基板の積層構造でも実現でき、例えば、静電容量駆動部は、サスペンションビームと同一基板内にスキヤニングミラーの揺動軸に直交方向に形成する櫛歯状構造で構成され、駆動又は制御用電極を配置した他基板と積層する構成、

静電容量駆動部は、サスペンションビームとスキャニングミラーが形成される同一基板内に、櫛歯状構造で構成され、同構造内に電極が配置される構成であって、該基板が他部材に支持される構成、

サスペンションビームとスキャニングミラーを設ける基板を上層板とし、所要形状の空間パターンを形成した他基板を下層板として積層配置し、下層板側にミラーの揺動空間を形成した構成、

上層板の静電容量駆動部を、サスペンションビームと同一基板内に櫛歯状構造で構成し、下層板内に上層板の櫛歯状構造と対をなす櫛歯状構造を設けて静電容量駆動部を配置した等、種々の構成を採用することができる。

[0081] この発明において、用いる基板の材質、厚みや構成は特に限定されないが、高速スキャニングを実現するには厚みが 0.05mm以上であることが望ましぐ単層基板または貼り合わせ基板力もなる基板を適宜採用できる。また、スキャニングミラーは、表面に成膜または貼り合わせ層を有する構成が採用できる。公知のシリコン基板、貼り合わせ層を有するシリコン基板、ガラス基板などを利用することもできる。

[0082] また、基板 1枚で MEMSミラースキャナを構成する場合は、サスペンションビームとスキヤ-ングミラーを設ける基板厚みは、スキャニングミラーの厚みと同等以上であることが望ましい。また、積層構造を採用する場合は、サスペンションビームとスキヤニングミラーを設ける基板厚みは、スキャニングミラーの厚みと同等以下であることが望ましい。 [0083] この発明にお、て、サスペンションビーム、スキャニングミラー、静電容量駆動部の可動部全体が真空雰囲気に配置される構成やミラーの振幅角の増幅を図るための抵抗低減構成を採用すると、空気の粘性等を考慮することなぐ各部形状などを設計することが可能となる。

[0084] この発明の静電駆動型 MEMSミラースキャナ一にお、て、好ま、実施態様を採用することで、スキャニングミラーの片振幅が、 20.5° (+10° ,-5° )の性能を得ることができる。

[0085] この発明にお、て、対象とする半導体基板にサスペンションビームで揺動可能に支持するミラーを形成した静電駆動型 MEMSミラースキャナ一は、基板上に各種材料の薄膜をパターン加工、積層したりして製造する表面マイクロマシユング、あるいは基板自体をエッチングカ卩ェしたり、さらには成膜を併せて行うなどのバルクマイクロマシ- ングで製造される。

[0086] この発明の静電駆動型 MEMSミラースキャナーにおいて、その駆動源の静電容量素子として、櫛歯型電極構成を説明したが、ミラーの位置決めや補正などに補助的に平面型電極構成を採用することが可能である。

[0087] この発明の静電駆動型 MEMSミラースキャナーにおいて、静電駆動用の櫛歯型電極に、まずマイクロミラーの共振周波数に合致ある、は近似するように DC電圧を印加するため、予め該 DC電圧値を求めて電圧制御手段へ設定しておき、次に該ミラーを揺動駆動するために駆動用の電極間に AC電圧を印加することができる。

[0088] サスペンションビームの構成によって、スキャニングミラーの固有の共振周波数が決定されるが、さらに該ミラーの回転軸のばね定数、予定するミラーの揺動運動パターン、必要とされるミラーの振幅すなわち回動角度などの諸条件に応じて、どの程度共振すべきか、振れ角が最大となるようにするの力、ある範囲に収まるようにするかが考慮されて、該 DC電圧値が決定されるとよい。

実施例

[0089] 実施例 1

前述した図 1と同様構成を採用した静電駆動型 MEMSミラースキャナとして、表 1に示す寸法や特性を有する構成のものを作製した。 [0090] その結果、スキャニングミラーの共振周波数は 1500Hz、振れ角 (機械的振り角の片振幅)は ± 15° の性能が得られた。

[0091] なお、シリコン基板の物性値は以下のとおりである。

密度： 2.33 X 10³kg/m³(0.238 X 10— ⁹kgw'sec²/mm⁴)

弾性率： 150Gpa(15000kgf/mm²,15300kgf/mm²)

剪断弾性率： G=E/2/(l+ V )=6.538(kgf/mm²)

ポアソン比： 0.22

[0092] 実施例 2

図 3に示す静電駆動型 MEMSデバイス 30は、基本的には前述した図 1と同様の構成を採用したものであり、上層板 31に形成したスキャニングミラー 32には長楕円形状を採用している。また、各サスペンションビーム 33A,33Bには、その端部のヒンジ型トーシヨンバー 34a,341を含めてそれぞれトーシヨンバー 34a〜34f,34g〜341を 6個ずつ採用し、また櫛歯群 35,36を形成した構成である。さらに実施例 2では、該ミラー 32に近いトーシヨンバーは同じである力端部のヒンジ型を除く残りのトーシヨンバーを、 1つの固定部に対して 2つの旋状ばねを有する構成のものを 3個設けて、総数 8個のトーシヨンバーを設けた構成を作製した。

[0093] その結果、スキャニングミラーの共振周波数は 2000Hz、振れ角 (機械的振り角の片振幅)は ± 16.25° の性能が得られた。

[0094] 実施例 3

図 5、図 6に示す静電駆動型 MEMSデバイスは、基本的には前述した図 1と同様の構成を採用したものであり、上層板 131に形成したスキャニングミラー 132には各サスぺンシヨンビーム 133A,133B方向に長い長楕円形状を採用している。

[0095] [表 1] 寸法/特性実施例 1 実施例 2 実施例 3

2 5 2 b 2 1.1 4 c 0.02 0.029 0.04 t 0.1 0.2 0.1

L 1.27 1.33 2.45 n 2 8 7 n_c 85 218 85 w 0.57 0.7 0.7 δ 0.01 0.008 0.005 freq(Hz) 1500 2000 3000

Θ reg(deg) 15 16.25 22

K(kgf^m) 1.47 5.21X101 3.47X101

I(kgf-sec²/pm) 1.42X10-8 3.32X10-7 9.08X10-8 nXc3/L 1.26X10-5 1.47X10-4 1.83X10-4 n_cXwXt/6 4.85X102 3.82X103 1.19X103 産業上の利用可能性

[0096] この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナは、パーコードリーダ、レーザープリンタ、共焦点顕微鏡、光フアイノ^ネットワーク構成部材、プロジェクタ用の映写ディスプレイ、背面映写 TV、装着可能なディスプレイ、車載レーザーレーダー及び軍事用レーザ追跡 ·誘導システムなどの用途がある。

[0097] この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナは、静電力の少ない駆動力でも駆動可能な柔軟なスキャニングミラーの支持構造を有し、さらに長、サスペンションビームに沿って静電容量駆動部が配置されて十分な静電容量が確保されるため、ポリゴンミラースキャナの代替が可能であり、特にレーザープリンタで使用される楕円や長楕円形状のレーザー光形状と合致する大型ミラーを、 1.5kHz以上の共振周波数と士 15° 以上の振幅で駆動することができ、レーザープリンタで要求される 300dpi、 600dpiの性能を実現できる。図面の簡単な説明

[図 1A]この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナの一実施例を示す斜視説明図である

[図 1B]図 1 Aのミラースキャナの上層板の説明図である。

[図 1C]図 1 Aのミラースキャナの下層板の説明図である。

[図 2A]この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナの一実施例を示す斜視説明図である

[図 2B]図 2Aのミラースキャナの上層板の説明図である。

[図 2C]図 2Aのミラースキャナの下層板の説明図である。

[図 3]この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナの他の実施例を示す上面説明図である。

[図 4A]この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナの他の実施例を示す斜視説明図である

[図 4B]図 4Aのミラースキャナの上層板の斜視説明図である。

[図 4C]図 4Aのミラースキャナの上層板の上面説明図である。

[図 4D]図 4Aのミラースキャナの下層板の斜視説明図である。

[図 4E]図 4Aのミラースキャナの下層板の説明図である。

[図 4F]図 4Aのミラースキャナの下面側斜視説明図である。

[図 5]この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナの他の実施例を示す上面説明図である。

[図 6A]この発明による静電駆動型 MEMSミラースキャナの他の実施例を示す斜視説明図である。

[図 6B]図 5Aのミラースキャナの上層板の斜視説明図である。

[図 6C]図 5Aのミラースキャナの上層板の上面説明図である。

[図 6D]図 5Aのミラースキャナの下層板の斜視説明図である。

[図 6E]図 5Aのミラースキャナの下層板の説明図である。

[図 6F]図 6Aのミラースキャナの下面側斜視説明図である。

符号の説明 10,20,30,40, 100 MEMSデバイス

10A，20A，31,50,131 上層板

10B,20B,70,170 下層板

11,21,32,51, 132,151 スキャニングミラー

12,22,53,153 接続部

13A，13B,23A,23B，33A，33B,54A，54B，133A,133B，154A，154B サスペンションビーム

14A〜14H アンカー

15A，15H，25a,25h,56a〜56f,156a〜156f ヒンジ

15B〜15G,25b〜25g ばね

16A〜16H,76A,76B,77,176A, 176B,177 固定用パッド

17 空洞、

18, 18B,28,55, 155 揺動側櫛歯

19,29,59,78, 159,178 固定側櫛歯

34a〜341, 134a〜1341 トーシヨンバー

35,36,135,136 櫛歯群

52A,52B,74,79a,79b, 152A,152B, 174, 179a, 179b ギャップ

57A,57B,58A,58B,61,157A,157B,158A,158B,161 接着パッド

60,160 穴

71, 171 長楕円形板

72,172 突起部

73,173 ミラー下層

75,175 マーク

Claims

請求の範囲

[1] 基板の同一直線上に棒状に形成配置される一対のサスペンションビーム間にスキヤユングミラーを形成して該直線を揺動軸 (y柳として該ミラーを揺動可能に支持し、かつサスペンションビームの片側または両側に沿って静電容量駆動部が配置される構成であり、該ミラーの揺動軸中心から軸直交 (xli)方向の最大距離 (a/2)力 Slmm以上、該ミラーの厚みが 50 m以上であり、該駆動部の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離 (w)を、ミラーの揺動軸中心から軸直交方向の最大距離 aの 100%以下とした静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[2] 静電容量駆動部の揺動軸中心から軸直交方向の最大距離 (w)は、スキャニングミラ一の揺動軸中心力軸直交方向の最大距離 (a/2)の 60%以下である請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[3] スキャニングミラーの揺動軸に直交方向のミラー長さ (a)とスキャニングミラーの揺動軸方向のミラー幅 (b)の関係は、（a≥b,a:b=(1.0〜2.0):l) または (aく b,a:b=l:(1.001〜2》である請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[4] スキャニングミラーの形状は、矩形、菱形、多角形、円、楕円状である請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[5] サスペンションビームの摇動軸方向長さは、ミラー長さ (a)の 1.5倍以上である請求項 1 に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[6] 各サスペンションビームとスキャニングミラーとの間に孔部を有する接続部を備えている請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[7] スキャニングミラーとは反対側の各サスペンションビーム端にトーシヨンバー部を備えて、る請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[8] 各サスペンションビーム内に少なくとも 1つのトーシヨンバー部を備えている請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[9] 各サスペンションビーム内に設けるトーシヨンバー部は、 1つの固定部 (アンカー)に対して 1つの屈曲型又は直線型トーシヨンバーを備える構成、あるいは 1つの固定部の両側に複数個の屈曲型又は直線型トーシヨンバーを備える請求項 8に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[10] 各サスペンションビームの片側に沿って静電容量駆動部が配置され、各サスペンションビームの他片側に沿って複数のトーシヨンバー部を備えて、る請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[11] サスペンションビームに設けられるトーシヨンバー部の数が 3以上である請求項？〜 10 に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[12] スキャニングミラーの摇動軸に直交方向のトーシヨンバー部のビーム幅は、基板厚みの 140%以下である請求項？〜 11に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[13] スキャニングミラーの非反射裏面または各サスペンションビームあるいはその両方に質量軽減手段又は慣性能率軽減手段が施されて!/ヽる請求項 1に記載の静電駆動型

MEMSミラースキャナ。

[14] 質量軽減手段は、貫通孔、穴、多条リブ構造のいずれ力あるいはそれらの組合せである請求項 13に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[15] 静電容量駆動部は、サスペンションビームと同一基板内にスキャニングミラーの揺動軸に直交方向に形成する櫛歯状構造で構成され、駆動又は制御用電極を配置した他基板と積層する請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[16] 静電容量駆動部は、サスペンションビームとスキャニングミラーが形成される同一基板内に、櫛歯状構造で構成され、同構造内に電極が配置される請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[17] サスペンションビームとスキャニングミラーを設ける基板を上層板とし、所要形状の空間パターンを形成した他基板を下層板として積層配置し、下層板側にミラーの揺動空間を形成した請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[18] 上層板の静電容量駆動部は、サスペンションビームと同一基板内にスキャニングミラ一の揺動軸に直交方向に形成する櫛歯状構造で構成され、下層板内に上層板の櫛歯状構造と対をなす櫛歯状構造を設けて静電容量駆動部を配置した請求項 17に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[19] サスペンションビームとスキャニングミラーを設ける基板は、単層基板または貼り合わせ基板力なる請求項 15力請求項 17に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[20] サスペンションビームとスキャニングミラーを設ける基板厚みは、スキャニングミラーの厚みと同等以上である請求項 15又は請求項 16に記載の静電駆動型 MEMSミラースキヤナ。

[21] サスペンションビームとスキャニングミラーを設ける基板厚みは、スキャニングミラーの厚みと同等以下である請求項 17に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[22] スキャニングミラーは、表面に成膜または貼り合わせ層を有する請求項 15力請求項

17に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[23] サスペンションビーム、スキャニングミラー、静電容量駆動部の可動部全体が真空雰囲気に配置される請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。

[24] スキャニングミラーの機械的振り角の片振幅が、 20.5° (+10° ,-5° )である請求項 1に記載の静電駆動型 MEMSミラースキャナ。