(57)【要約】【課題】電磁駆動式でミラーを揺動させ、光ビームを偏向させる光学装置において、駆動コイルの最外周配線長を長くし、揺動可能に支持された可動部の駆動トルクを大きくする。【解決手段】電磁駆動式の光学装置において、可動部と離反させて駆動コイル設置部を設置する。ミラーは可動部の上方に固定されており、駆動コイル設置部は、可動部の下方に設置され、接続部によって互いに固定されている。磁界中で駆動コイル設置部に配線された駆動コイルに電流が流れると、駆動コイル設置部にローレンツ力が作用し、接続部によって固定された可動部と駆動コイル設置部とは一体となって揺動する。駆動コイルが設置される駆動コイル設置部は、可動部と別に設置されているため、駆動コイル設置部の外周を可動部の外周より大きくし、駆動コイルの最外周配線長さを大きくすることができる。これによって、可動部の駆動トルクを大きくすることができる。【選択図】  図２
2010181586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板から伸びている梁と、
前記梁によって前記基板に対して揺動可能に支持されている可動部と、
前記可動部の上方に固定されているミラーと、
前記可動部の下方に固定されている接続部と、
前記接続部に固定されており、前記可動部の下方に位置している駆動コイル設置部と、
前記駆動コイル設置部の外周に沿って固定されている駆動コイルを備えており、
磁界中で前記駆動コイルに通電すると、前記の駆動コイル設置部と接続部と可動部とミラーが前記梁を変形させて前記基板に対して揺動することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記梁が、
前記基板から第１方向に伸びている第１可撓梁と、
前記第１可撓梁に連接している支持梁と、
前記支持梁から前記第１方向に直交する第２方向に伸びているとともに、前記可動部に連接している第２可撓梁を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学装置を複数集積したミラーアレイであって、
前記複数の光学装置が、前記ミラーの上面と前記駆動コイル設置部の上面との距離が異なる光学装置が互いに隣接するように設置されていることを特徴とするミラーアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁力によってミラーを揺動させることによって光ビームの反射方向を変化させる光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、図２７に示す電磁駆動式の光学装置５００が開示されている。光学装置５００は、基板５０２、５０２と、可動部５０３と、可動部５０３を基板５０２、５０２に対して揺動可能に支持している１対の可撓梁５０４、５０４と、可動部５０３に固定されている駆動コイル５２１と、駆動コイル５２１の入出力端子５２３ａ、５２３ｂと、入出力端子５２３ａ、５２３ｂの間に接続されている駆動信号生成器５４０と、１対の磁石５５０、５５０を備えている。駆動コイル５２１は、可動部５０３の外周に沿って多重巻きに形成されている。可動部５０３の上面にはミラー（図示しない）が設置されている。
【０００３】
１対の磁石５５０、５５０によって、矢印Ｂで示す方向に磁界が発生している。駆動コイル５２１に矢印Ｉで示す方向の電流を流すと、駆動コイル５２１に対して矢印Ｆで示す方向のローレンツ力が発生する。このローレンツ力によって、可動部５０３を一対の可撓梁５０４、５０４の周りに揺動させるトルクが得られる。このトルクによって一対の可撓梁５０４、５０４が捩れ、可動部５０３が１対の可撓梁５０４、５０４を揺動軸として揺動する。
【０００４】
また特許文献２には、図２８に示すように、可動部６０３を２軸駆動させることが可能なジンバル形式の梁を備えた電磁駆動式の光学装置６００が開示されている。光学装置６００は、基板６０２と、可動部６０３と、基板６０２からｘ方向に伸びている１対の第１可動梁６０４、６０４と、各々の第１可動梁６０４に先端に連接されているとともに枠形状をしている支持梁６３１と、支持梁６３１からｙ方向に伸びている１対の第２可動梁６３４、６３４を備えている。可動部６０３は１対の第２可動梁６３４、６３４によって支持されている。可動部６０３の上面にミラー６０５が固定されている。可動部６０３とミラー６０５は、１対の第１可動梁６０４、６０４によってＸ軸周りに揺動可能であり、１対の第２可動梁６３４、６３４によってＹ軸周りに揺動可能である。
【０００５】
支持梁６３１の外周に沿って第１駆動コイル６２１が配線されている。可動部６０３の外周に沿って、第２駆動コイル６２５が配線されている。
【０００６】
光学装置６００にｙ軸方向に伸びる磁界が作られている状態で第１駆動コイル６２１に通電すると、第１駆動コイル６２１をｘ軸周りに揺動させるトルクが得られる。光学装置６００にｘ軸方向に伸びる磁界が作られている状態で第２駆動コイル６２５に通電すると、第２駆動コイル６２５をｙ軸周りに揺動させるトルクが得られる。
【０００７】
光学装置６００では、光学装置６００に加える磁界の方向と、通電する駆動コイルを選択することによって、可動部６０３をｘ軸の周りに揺動させることもできれば、ｙ軸の周りに揺動させることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−７６６９５号公報
【特許文献２】特開２００３−２７０５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電磁駆動式の光学装置には、可動部を揺動させるトルクを大きくしたいとする要求がある。大きなトルクが得られれば、駆動電力を小さくすることができる。あるいは、ミラーの揺動角を大きくすることができる。駆動コイルの最外周配線長を長くすれば、大きなトルクを得ることができる。しかしながら、駆動コイルの最外周配線長は、駆動コイルを配線する面の外周によって制限される。
【００１０】
特許文献１と特許文献２に記載されているように、駆動コイルが可動部に設置されていると（特許文献２の場合には第２駆動コイルが可動部に設置されている）、駆動コイルの最外周配線長は、ミラーの垂直方向から可動部を見たときの可動部の大きさによって制限される。しかしながら、可動部の大きさは、光学装置に要求される特性や用途等によって制限される。例えば、複数の光学装置を配置して画像を提供するミラーアレイを実現する場合、可動部を大きくすると画素が大きくなってしまう。可動部の大きさには制約がある。従来の技術では、種々の理由によって制約される可動部の大きさによって、得られる駆動トルクの大きさが制約されてしまう。
【００１１】
本発明では、駆動コイルの最外周配線長を可動部の外周よりも大きくすることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の光学装置は、基板と、基板から伸びている梁と、梁によって基板に対して揺動可能に支持されている可動部と、可動部の上方に固定されているミラーと、可動部の下方に固定されている接続部と、接続部に固定されているとともに可動部の下方に位置している駆動コイル設置部と、駆動コイル設置部の外周に沿って固定されている駆動コイルを備えている。
【００１３】
この光学装置を磁界中に置いて駆動コイルに通電すると、駆動コイルに駆動トルクが発生する。その結果、駆動コイル設置部と接続部と可動部とミラーが一体となって梁を変形させて基板に対して揺動する。ミラーに入射する光ビームの反射方向を変えることができる。
【００１４】
駆動コイルを磁界中に置くために、例えば、光学装置内に１対の磁石を配置してもよい。あるいは、１対の磁石間に光学装置を置いてもよい。ミラーは可動部の上方に固定されていればよく、可動部の上面に直接的に固定されていてもよいし、他の部材を介して固定されていてもよい。可動部の上面が鏡面に仕上げられていてもよい。
【００１５】
基板は、平板とその平板から突出している突出部を備えていることが好ましい。この場合、可動部の平板側を下方といい、その反対側を上方という。光ビームはミラーの上方からミラーに入射してミラーの上方に反射する。
【００１６】
磁界中で駆動コイルに通電すると、駆動コイルにローレンツ力が発生し、駆動コイル設置部を揺動させるトルクが得られる。駆動コイル設置部と可動部は接続部によって固定されているため、駆動コイル設置部が揺動すれば、可動部とミラーも揺動する。
【００１７】
本発明では、駆動コイル設置部が可動部と別に設置されているため、駆動コイル設置部の外周を可動部の外周より大きくすることができる。可動部の大きさに制約されないで、駆動コイルの最外周配線長を長くすることができる。
【００１８】
ここで可動部が揺動するとは、可動部が基板に対して所定の軸の周りに所定の角度だけ回転することを意味し、可動部が傾斜して停止すること、および繰り返し揺動することの双方を含むものとする。
【００１９】
本発明は、直交する２軸の周りにミラーを独立に揺動させる（Ｘ軸周りの揺動角を変えないで、Ｙ軸周りの揺動角を変えることができ、Ｙ軸周りの揺動角を変えないでＸ軸周りの揺動角を変えることができることを、２軸の周りに独立に揺動させると表現する）光学装置に適用することができる。すなわち、基板から第１方向に伸びている第１可撓梁と、第１可撓梁に連接している支持梁と、支持梁から第２方向（第１方向に直交している）に伸びているとともに可動部に連接している第２可撓梁を備えているジンバル形状の梁を利用する光学装置についても適用できる。
【００２０】
この種の２軸駆動の光学装置の場合、支持梁の内側に可動部を配置することから可動部の大きさが小さくなりがちである。その結果、駆動コイル（特許文献２の場合には第２駆動コイル）も小さくなり、駆動トルク（特許文献２の場合にはｙ軸周りのトルク）も小さくなりがちである。本発明によると、駆動トルクが可動部の大きさに制約されない。可動部の大きさが小さくなりがちな２軸駆動の光学装置に本発明を適用すると顕著な効果が得られる。
【００２１】
本発明の光学装置は、複数個を集積化してミラーアレイを構成するのに利用することができる。本発明のミラーアレイでは、ミラーの上面と駆動コイル設置部の上面との距離が異なる光学装置が互いに隣接するように設置されている。
【００２２】
この場合、隣接する光学装置の駆動コイル設置部が同一平面上に揃わないようにすることができる。隣接する一方の光学装置の駆動コイル設置部を、隣接する他方の光学装置の駆動コイル設置部の上方または下方の領域にまで延ばすことができる。可動部よりも駆動コイル設置部の面積を大きくすることによって、開口率（基板の単位面積あたりのミラー面積の割合）が小さくなることを防止しつつ、大きな駆動トルクを得ることができる。本発明によると、例えばアレイを構成する個々のミラーを小型化して画素を緻密化し、しかも個々のミラーを小電力で大きく揺動させることができるミラーアレイを実現することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、可動部と離反して設置された駆動コイル設置部に駆動コイルを設置するために、駆動コイルの最外周配線長を、可動部の外周よりも大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例１のミラーアレイの平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１に示すミラーアレイを構成する光学装置の斜視図である。
【図４】図３に示す光学装置の駆動コイル設置部の平面図である。
【図５】駆動コイル設置面を模式的に表す図である。
【図６】駆動コイル設置面を模式的に表す図である。
【図７】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図８】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図９】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図１０】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図１１】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図１２】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図１３】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図１４】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図１５】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図１６】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図１７】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図１８】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図１９】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図２０】実施例１の光学装置の製造工程を説明する図である。
【図２１】実施例２の光学装置の平面図である。
【図２２】図２１のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線断面図である。
【図２３】実施例２の駆動コイル設置部を示す平面図である。
【図２４】変形例のミラー設置部の平面図である。
【図２５】変形例の可動部の平面図である。
【図２６】図２４および図２５のＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ線断面図である。
【図２７】従来例の光学装置を示す図である。
【図２８】従来例の光学装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明に係る好ましい実施形態は、例えば、下記に列挙する特徴を備えた実施例によって具現化される。
（特徴１）駆動コイル設置部と接続部と可動部は実質的に剛体であり、全体として一体に揺動する。すなわち、駆動コイル設置部と可動部の相対的変位角は、可撓梁の捩れ角に対して著しく小さい。
（特徴２）基板は、板状の下部基板と、柱状の上部基板によって構成されている。
（特徴３）光学装置内に１対の磁石が配置されている。
（特徴４）１対の磁石間に光学装置が配置されている。
（特徴５）１対の磁石間に複数の光学装置が配置されている。
（特徴６）２対の電磁石間に駆動コイルが配置されている。１対の電磁石は駆動コイルの周囲をＸ方向に伸びる磁界を生成し、他の１対の電磁石は駆動コイルの周囲をＹ方向に伸びる磁界を生成する。Ｘ方向に伸びる磁界を生成しておいて駆動コイルに通電するとミラーがＹ軸周りに揺動する。Ｙ方向に伸びる磁界を生成しておいて駆動コイルに通電するとミラーがＸ軸周りに揺動する。
【実施例１】
【００２６】
図１は、実施例１のミラーアレイ１０を上面から見た平面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１および図２に示すように、ミラーアレイ１０は、下部基板１１上に設置された光学装置２００ｃと光学装置１００と光学装置２００ｄを備えている。ミラーアレイ１０は、１対の永久磁石１２、１２を備えている。永久磁石１２、１２は、光学装置２００ｃ、１００、２００ｄのＸ方向の両サイドに配置されている。これによって、図１等のＸ方向の磁界を作ることができる。
【００２７】
図３は、光学装置１００の斜視図であり、図４は、駆動コイル設置部１０７および駆動コイル設置部１０７に配線された駆動コイル１２１の平面図である。図１〜図４に示すように、光学装置１００は、下部基板１１上に形成されており、下部基板１１上に固定されている１対の上部基板１０２、１０２、可動部１０３、可動部１０３を揺動可能に支持する１対の可撓梁１０４、１０４を備えている。１対の可撓梁１０４、１０４は、１対の上部基板１０２、１０２の上端と可動部１０３を接続しており、可動部１０３は下部基板１１から離反した高さに支持されている。可動部１０３は、１対の可撓梁１０４、１０４によって、下部基板１１および上部基板１０２に対して揺動可能に支持されている。可動部１０３の上面にはミラー１０５が形成されている。可動部１０３の下面から下方に向けて接続部１０８が伸びている。接続部１０８の下端に駆動コイル設置部１０７が固定されている。駆動コイル設置部１０７は、可動部１０３とほぼ平行に伸びており、Ｘ方向の長さが可動部１０３よりも長い。可動部１０３と接続部１０８と駆動コイル設置部１０７は実質的に剛体であり、全体として一体に運動する。１対の可撓梁１０４、１０４は細長くてしなやかであり、比較的容易に捩れる。駆動コイル設置部１０７と接続部１０８と可動部１０３の各部と、それらが相互に接続する接続箇所は、可撓梁１０４に対して著しく剛性が高い。駆動コイル設置部１０７と接続部１０８と可動部１０３の相対的変位角は、可撓梁の捩れ角に対して著しく小さい。
【００２８】
駆動コイル設置部１０７の上面に駆動コイル１２１が形成されている。図４に明瞭に示されているように、駆動コイル１２１は駆動コイル設置部１０７の外周に沿って、２周巻かれている。駆動コイル１２１は駆動コイル設置部１０７に固定されている。
【００２９】
接続部１０８の内部を１対の配線１２４ａ、１２４ｂが縦方向に貫通している。配線１２４ａの下端は駆動コイル１２１の一方の端部１２１ａに導通し、配線１２４ｂの下端は駆動コイル１２１の他方の端部１２１ｂに導通している。一方の上部基板の１０２の上面に端子１２３ａが固定されており、他方の上部基板の１０２の上面に端子１２３ｂが固定されている。端子１２３ａと配線１２４ａの間は配線１２２ａで接続されており、端子１２３ｂと配線１２４ｂの間は配線１２２ｂで接続されている。入出力端子１２３ａ、１２３ｂの間に駆動信号生成器（図示しない）を接続し、例えば、駆動信号生成器によって電圧信号を出力することによって、駆動コイル１２１に電流を流すことができる。
【００３０】
以下の記載において、共通事象を説明する場合には、添え字を省略することがある。例えば、１対の配線１２４ａ、１２４ｂはともに接続部１０８を貫通しているので、１対の配線１２４、１２４は接続部１０８を貫通していると説明することがある。さらに簡略化し、１対の配線１２４は接続部１０８を貫通していると説明することもある。
【００３１】
図３に示すように、可撓梁１０４、１０４と垂直な方向（Ｘ方向）に伸びる磁界Ｂのなかで駆動コイル１２１に矢印Ｉで示す方向の電流を流すと、駆動コイル１２１のうちでＹ方向に伸びる部分において、矢印Ｆで示す方向にローレンツ力が発生する。この結果、駆動コイル設置部１０７をＹ軸周りに揺動させるトルクが発生する。
【００３２】
駆動コイル設置部１０７と接続部１０８と可動部１０３は実質的に剛体であって相対変位しないことから、駆動コイル設置部１０７にＹ軸周りのトルクが作用すると、駆動コイル設置部１０７と接続部１０８と可動部１０３とミラー１０５の全体が一体となって、１対の可撓梁１０４、１０４を捩りながらＹ軸の周りに揺動する。
【００３３】
図１に示すように、可動部１０３のＹ方向（磁界Ｂに垂直な方向）の幅はＷである。図２に示すように、可動部１０３のＸ方向（磁界Ｂに平行な方向）の長さはＬである。それに対して、駆動コイル設置部１０７のＹ方向の幅はＷであり、駆動コイル設置部１０７のＸ方向の長さは２Ｌである。また、図２に示すように、ミラー１０５の上面と駆動コイル設置部１０７の上面との間の距離はＨ１である。接続部１０８に対して、可動部１０３と駆動コイル設置部１０７は左右対称である。
【００３４】
ミラーアレイ１０において、２つの光学装置２００ｃ、２００ｄの各部は、同様の構成を備えている。光学装置２００ｃ、２００ｄでは、接続部２０８の高さが、光学装置１００の接続部１０８の高さよりも高い。この結果、ミラー２０５の上面と駆動コイル設置部２０７の上面との間の距離Ｈ２は、ミラー１０５の上面と駆動コイル設置部１０７の上面との間の距離Ｈ１に対して、Ｈ２＞Ｈ１となっている。その他の構成については光学装置２００ｃ、２００ｄと光学装置１００の構成は同様であり、同一部材に付した符号の１００番台を２００番台に読み換えることにより、その説明を省略する。例えば、駆動コイル設置部２０７は駆動コイル設置部１０７と同一の構成であり、駆動コイル２２１は駆動コイル１２１と同様に配線されている。下部基板１１の上面からミラー１０５の上面までの距離と、下部基板１１の上面からミラー２０５までの距離は同じである。光学装置１００と同様に、光学装置２００を磁界中に配置して駆動コイル２２１に電流を流すことによって、可動部２０３を１対の可撓梁２０４、２０４の周りに揺動させることができる。
【００３５】
図１と図２に示すように、ミラーアレイ１０では、光学装置２００ｃと光学装置１００と光学装置２００ｄがこの順序でＸ方向に配置されている。光学装置１００のミラー１０５の上面と、光学装置２００ｃ、２００ｄのミラー２０５の上面とは、同じ高さに揃っている。
【００３６】
図１と図２に示すように、本実施例では、可動部１０３、２０３の上面から駆動コイル設置部１０７、２０７の上面までの距離Ｈ１、Ｈ２が互いに異なる光学装置１００と光学装置２００ｃ、２００ｄとを隣接させている。光学装置１００の可動部１０３の上面から駆動コイル設置部１０７の上面までの距離Ｈ１と、光学装置２００ｃ、２００ｄの可動部２０３の上面から駆動コイル設置部２０７の上面までの距離Ｈ２とは、Ｈ２＞Ｈ１の関係にある。従って、光学装置１００の駆動コイル設置部１０７と、光学装置２００ｃ、２００ｄの駆動コイル設置部２０７とは、同一平面上には存在していない。これによって、光学装置２００ｃ、２００ｄの可動部２０３と駆動コイル設置部２０７との間の空間に、光学装置１００の駆動コイル設置部１０７を延長させることができる。また、光学装置２００ｃ、２００ｄの駆動コイル設置部２０７は、光学装置１００の駆動コイル設置部１０７と下部基板１１との間の空間に延長させることができる。そのため、図１、図２に示すように、可動部１０３、２０３の間に大きな間隔を設けなくても、可動部１０３、２０３よりも面積の大きい駆動コイル設置部１０７、２０７を配置することができる。大きな駆動コイルを利用しながら、小さなミラーを隙間なく並べることができる。
【００３７】
図１、図２に示すように、可撓梁１０４、２０４、２０４の長手方向と垂直な方向（Ｘ方向）に伸びる磁界Ｂ中で駆動コイル１２１、２２１、２２１に電流を流すことによって、光学装置１００、２００ｃ、２００ｄの可動部１０３、２０３、２０３を揺動させることができる。磁界を発生させる手段としては、上記において説明したように永久磁石を用いて常に磁界を発生させるようにしてもよい。あるいは電磁石を用いて必要に応じて磁界を発生させるようにしてもよい。また、ミラーアレイ１０を構成するそれぞれの光学装置に対して磁界発生装置を設置してもよい。この場合、光学装置内に磁石を組み込んでもよい。あるいは１対の磁石の間に光学装置を配置してもよい。あるいはミラーアレイ１０を構成する複数個の光学装置に共通する磁界を発生させる１つの磁界発生手段を複数個の光学装置によって共用してもよい。
【００３８】
次に、駆動コイルを配線する面の面積を大きくした場合に、駆動トルクがどのように変化するかについて説明する。図５は長さが２Ｌ、幅がＷの面の外周に沿って駆動コイルを１周だけ配線する場合を示している。図６は長さがＬ、幅がＷの面の外周に沿って駆動コイルを配線する場合を示している。図５と図６に示すように、駆動コイルを配線する面の長さ方向の中央部の上方に、可動部の揺動軸が位置している。図５は、本実施例の駆動コイル設置部１０７に駆動コイルを１周だけ配線する場合を模式的に表しており、図６は、本実施例の可動部１０３に駆動コイルを１周だけ配線する場合を模式的に表している。
【００３９】
同一材料、同一断面積の駆動コイルを図５と図６に示す面の外周に沿って配線すると、駆動コイルの配線長さは、配線する面の外周長さとほぼ同じとなる。駆動コイルの配線長さが、配線する面の外周長さに等しいと近似すると、駆動コイルの長さは、図５の場合には４Ｌ＋２Ｗとなり、図６の場合には２Ｌ＋２Ｗとなる。これに基づいて、図５に示す面に駆動コイルを設置した場合の駆動トルクＴａと、図６に示す面に駆動コイルを設置した場合の駆動トルクＴｂとを比較する。
【００４０】
図５の場合の駆動トルクＴａと、図６の場合の駆動トルクＴｂはそれぞれ下式によって表すことができる。ここで、Ｉａは図５に示す駆動コイルに流れる電流であり、Ｉｂは図６に示す駆動コイルに流れる電流である。尚、駆動トルクＴは、可動部と駆動コイル設置部との距離には依存しない。
【００４１】
【数１】
2010181586.tif 000003
【００４２】
駆動コイルの比抵抗をρ、配線長さをｌ、電流が流れる方向に垂直な断面積をｓとすると、駆動コイルの抵抗Ｒは、Ｒ＝ρ（ｌ／ｓ）によって求めることができる。従って、図５に示す駆動コイルの駆動電圧をＶａ、図６に示す駆動コイルの駆動電圧をＶｂとすると、オームの法則より、駆動電圧Ｖａ、Ｖｂは、下式のように表すことができる。
【００４３】
【数２】
2010181586.tif 000004
【００４４】
式（３）（４）から電流Ｉａ、Ｉｂを求め、式（１）（２）に用いると、駆動電圧をＶａ＝Ｖｂ＝Ｖとしたときに得られる駆動トルクＴａ、Ｔｂは、それぞれ下記の式（５）（６）のとおりとなり、トルク比Ｔｂ／Ｔａは式（７）によって求めることができる。
【００４５】
【数３】
2010181586.tif 000005
【００４６】
式（７）に示すように、駆動コイルを配線する面の１辺の長さを可動部のそれの２倍にすることで、駆動トルクを大きくすることができる。例えば、上記の式（７）において、Ｌ＝Ｗとすれば、Ｔａ／Ｔｂ＝４／３となり、同じ駆動電圧を与えた場合に、駆動トルクを３０％以上大きくすることができる。さらに、同じ駆動電圧を与えた場合（Ｖａ＝Ｖｂ＝Ｖ）に、図５に示す駆動コイルでの発熱量であるＷａと、図６に示す駆動コイルでの発熱量であるＷｂを求めると、下式のようになる。
【００４７】
【数４】
2010181586.tif 000006
【００４８】
式（１０）に示すように、駆動コイルを配線する面の１辺の長さを可動部のそれの２倍にすることで、発熱量を小さくすることができる。例えば、上記の式（１０）において、Ｌ＝Ｗとすれば、発熱量比はＷａ／Ｗｂ＝２／３となり、同じ駆動電圧を与えた場合に、発熱量を３０％以上小さくすることができる。
【００４９】
上記のとおり、本実施例の光学装置によれば、駆動コイル設置部が可動部と別に設置されているため、駆動コイルの最外周配線長を可動部の外周より大きくすることができる。これによって、可動部を揺動させるトルクを大きくするとともに、駆動コイルの発熱量を小さくすることができる。
【００５０】
本実施例では、駆動コイルの最外周配線長が可動部よりも大きい光学装置の複数個を集積化し、ミラーアレイとして用いている。本実施例のミラーアレイでは、ミラーの上面と駆動コイル設置部の上面との距離が互いに異なる光学装置を隣接させており、隣接する駆動コイル設置部が同一平面上に位置していない。これによって、可動部よりも面積の大きい駆動コイルを用いても隣接する可動部同士を近接して配置することができる。基板の単位面積あたりのミラーの面積（開口率）が小さくなり過ぎることがない。本実施例に係るミラーアレイを用いて、例えば、プロジェクタを構成すると、画素数を大きくすることと、消費電力を低減することと、ある程度の明るさを確保することを同時に実現することができる。
【００５１】
次に、ミラーアレイ１０の製造方法について、図７〜図２０を用いて説明する。なお、ミラーアレイ１０のその他の構成については、従来用いられている一般的なＭＥＭＳ技術を用いた光学装置の製造方法を適用することができる。
【００５２】
まず、材料基板３０１として、例えば単結晶シリコンから成る基板を準備する。次に、熱酸化等を行い、材料基板３０１の表面に酸化膜から成る絶縁層３０２を形成する。次に絶縁層３０２の表面に、例えば多結晶シリコンを用いて第１犠牲層３０３を形成し、さらに熱酸化を行い、第１犠牲層３０３の表面に絶縁層３０４を形成する。これによって、図７に示す積層体を得ることができる。
【００５３】
次に、絶縁層３０４の表面に多結晶シリコン層３０５を形成した後、フォトエッチング（フォトリソグラフィーからエッチングまでの一連の処理を意味する）を行い、多結晶シリコン層３０５をパターニングする。多結晶シリコン層３０５は、光学装置２００ｃ、２００ｄの駆動コイル設置部２０７、２０７の形状および大きさに応じてパターニングされる。次に、熱酸化等によって、多結晶シリコン層３０５の表面に絶縁層３０６を形成する。次に、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属を材料として第１金属層３０７を形成する。さらに、フォトエッチングにより、第１金属層３０７を駆動コイル２２１、２２１の形状および大きさにパターニングする。これによって、図８に示す積層体を得ることができる。
【００５４】
次に、絶縁層３０４、３０６に対してフォトエッチングを行い、図９に示すように、第１犠牲層３０３を一部露出させる。絶縁層３０４、３０６は、多結晶シリコン層３０５の周囲を残して除去され、絶縁層３０４、３０６によって囲まれた多結晶シリコン層３０５が、光学装置２００ｃ、２００ｄの駆動コイル設置部２０７、２０７となる。図９の状態の積層体の表面に、さらに、多結晶シリコンによって第２犠牲層３０９を形成し、さらに、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等によって第２犠牲層３０９の表面を平坦化する。その後、熱酸化等を行い、第２犠牲層３０９の表面に、酸化膜から成る絶縁層３１０を形成する。これによって、図１０に示す積層体を得ることができる。
【００５５】
次に、絶縁層３１０の表面に多結晶シリコン層３１１を形成し、フォトエッチングを行い、多結晶シリコン層３１１をパターニングする。多結晶シリコン層３１１は、光学装置１００の駆動コイル設置部１０７の形状および大きさに応じてパターニングされる。次に、熱酸化等によって、多結晶シリコン層３１１の表面に絶縁層３１２を形成する。さらに、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属を材料として第２金属層３１３を形成し、フォトエッチングにより、第２金属層３１３を駆動コイル１２１の形状および大きさにパターニングする。これによって、図１１に示す積層体を得ることができる。
【００５６】
次に、絶縁層３１０、３１２に対してフォトエッチングを行い、図１２に示すように、第２犠牲層３０９を一部露出させる。絶縁層３１０、３１２は、多結晶シリコン層３１１の周囲を残して除去され、絶縁層３１０、３１２によって囲まれた多結晶シリコン層３１１が、光学装置１００の駆動コイル設置部１０７となる。図１２の状態の積層体の表面に、さらに、多結晶シリコンによって第３犠牲層３１４を形成し、さらに、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等によって第３犠牲層３１４の表面を平坦化する。これによって、図１３に示す積層体を得ることができる。
【００５７】
次に、第２犠牲層３０９、第３犠牲層３１４に対してフォトエッチングを行い、光学装置１００の接続部１０８、光学装置２００ｃ、２００ｄの接続部２０８、２０８となる部分を取り除く。さらに、熱酸化等によって第２犠牲層３０９、第３犠牲層３１４の表面に絶縁層３１５を形成する。これによって、図１４に示す積層体を得ることができる。図１４に示すように、絶縁層３０６、３１２の一部と、その上面に設置された第１金属層３０７および第２金属層３１３の一部が露出した状態となる。
【００５８】
図１４の状態の積層体の表面に、多結晶シリコン層３１６を形成し、多結晶シリコン層３１６をＣＭＰによって平坦化する。この工程において、第３犠牲層３１４の表面に形成された絶縁層３１５もＣＭＰによって除去される。さらに、熱酸化等によって、積層体の表面に絶縁層３１７を形成する。これによって、図１５に示す積層体を得ることができる。図１５に示すように、接続部１０８、２０８、２０８となる部分の側面に形成された絶縁層３１５は残存している。
【００５９】
次に、接続部１０８、２０８、２０８となる部分の一部に、配線１２４ａ、１２４ｂ、２２４ａ、２２４ｂ、２２４ａ、２２４ｂとなる部分を形成する。フォトエッチングによって多結晶シリコン層３１６、絶縁層３１７の一部を取り除き、第１金属層３０７、第２金属層３１３まで到達する孔部を形成する。孔部は、配線１２４ａ、１２４ｂ、２２４ａ、２２４ｂ、２２４ａ、２２４ｂを形成する部分に設置されている。さらに、形成した孔部にＰｔ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属によって第３金属層３１８を形成する。これによって、図１６に示す積層体を得ることができる。
【００６０】
図１６に示す積層体の表面に、多結晶シリコン層３１９を形成し、さらに、フォトエッチングを行い、多結晶シリコン層３１９をパターニングする。多結晶シリコン層３１９は、光学装置１００、２００ｃ、２００ｄの可動部１０３、２０３、２０３の形状および大きさに応じてパターニングされる。その後、熱酸化等によって、積層体の表面を絶縁層３２０によって被覆すると、図１７に示す積層体を得ることができる。
【００６１】
次に、絶縁層３１７、３２０に対してフォトエッチングを行い、図１８に示すように、第３犠牲層３１４を一部露出させる。絶縁層３１７、３２０によって囲まれた多結晶シリコン層３１９が、光学装置１００、２００ｃ、２００ｄの可動部１０３、２０３、２０３の一部となる。さらに、図１８に示すように、絶縁層３１７、３２０、および多結晶シリコン層３１９に孔部を設置し、第３金属層３１８を積層体の上面側に露出させる。次に、図１８に示す積層体の表面にＡｌ、Ａｕ等の金属によって第４金属層３２１を形成する。第４金属層３２１に対してフォトエッチングを行い、ミラー１０５、２０５、２０５および入出力端子１２３ａ、１２３ｂ、２２３ａ、２２３ｂ、２２３ａ、２２３ｂ、および配線１２２ａ、１２２ｂ、２２２ａ、２２２ｂ、２２２ａ、２２２ｂの形状および大きさに応じて第４金属層３２１をパターニングする。これによって、図１９に示す状態の積層体を得ることができる。図１９の状態の積層体に対して、ＸｅＦ２ガスによる気相等方性エッチング等を行い、第１犠牲層３０３、第２犠牲層３０９、第３犠牲層３１４を除去する。これによって、図２０に示すように、ミラーアレイ１０を製造することができる。
【００６２】
上記の製造方法によれば、一般的なＭＥＭＳ製造技術を応用して本実施例に係るミラーアレイ１０を製造することができる。従来の製造工程を大幅に変更する必要がないため、製造工程での手間やコスト、時間を大幅に増大させることなく、ミラーアレイ１０を製造することが可能である。
【実施例２】
【００６３】
図２１は、本実施例に係る光学装置４００の平面図であり、図２２は、図２１のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線断面図である。図２１および図２２に示すように、光学装置４００は、下部基板４１、１対の上部基板４０２、４０２、可動部４０３、可動部４０３を揺動可能に支持する梁４３２を備えている。梁４３２は、１対の上部基板４０２、４０２の上端からＸ方向に伸びる１対の第１可撓梁４０４、４０４と、１対の第１可撓梁４０４、４０４によって支持されている枠状の支持梁４３１と、枠状の支持梁４３１から支持梁４３１の内側にＹ方向に伸びる１対の第２可撓梁４３４、４３４とを備えている。１対の第２可撓梁４３４、４３４によって可動部４０３が支持されている。梁４３２はジンバル状であり、可動部４０３は下部基板４１に対して、Ｘ軸周りに揺動することもできれば（第１可撓梁４０４が捩れる）、Ｙ軸周りに揺動することもできる（第２可撓梁４３４が捩れる）。
【００６４】
可動部４０３の上面にはミラー４０５が形成されている。可動部４０３の下面側には、駆動コイル設置部４０７が設置されており、可動部４０３の下面と駆動コイル設置部４０７の上面とは剛性の接続部４０８によって接続されている。
【００６５】
図２３は、駆動コイル設置部４０７の平面図である。図２１〜図２３に示すように、駆動コイル設置部４０７の上面には駆動コイル４２１が設置されている。上部基板４０２、４０２の上面には、駆動コイル４２１の入出力端子４２３ａ、４２３ｂが設置されており配線４２２ａ、４２２ｂによって、それぞれ接続部４０８を貫通する配線４２４ａ、４２４ｂに接続している。配線４２４ａの下端は駆動コイル４２１ａの一方の端部４２１ａに導通しており、配線４２４ｂの下端は駆動コイル４２１ｂの一方の端部４２１ｂに導通している。駆動コイル４２１は、駆動コイル設置部４０７の外周に沿って２周巻かれている。実施例１と同様に、入出力端子４２３ａ、４２３ｂの間に駆動信号生成器（図示しない）を接続し、例えば、電圧信号を出力することによって、駆動コイル４２１に電流を流すことができる。図２１等に示すように、可動部４０３の外周は１辺がＬ１の正方形の外周にほぼ等しく、駆動コイル設置部４０７の外周は１辺がＬ２の正方形の外周にほぼ等しい。図２２から明らかに、駆動コイル４２１の最外周配線長は可動部４０３の外形形状の外周の長さよりも大きい。
【００６６】
本実施例では、駆動コイル４２１に図２３において矢印Ｉで示す方向の電流を流し、駆動コイル４２１の周囲に矢印Ｂ１で示す方向の磁界を作ると、駆動コイル４２１に矢印Ｆ１で示すローレンツ力が作用し、可動部４０３を１対の第２可撓梁４３４、４３４を揺動軸として揺動させることができる。また、駆動コイル４２１の周囲に矢印Ｂ２で示す方向の磁界を作ると、駆動コイル４２１に矢印Ｆ２として示すローレンツ力が作用し、可動部４０３を１対の第１可撓梁４０４、４０４を揺動軸として揺動させることができる。駆動コイル４２１に電流を流し、磁界Ｂ１、Ｂ２の強さと向きを制御することによって、第２可撓梁４３４、４３４を揺動軸とした場合の可動部４０３の駆動トルクＴ２、第１可撓梁４０４、４０４を揺動軸とした場合の可動部４０３の駆動トルクＴ１を制御することができる。尚、本実施例においては、磁界を発生させる手段として、電磁石等の磁界の強さと向きを制御可能な手段を用いることが好ましい。
【００６７】
なお、実施例１と同様に、駆動コイル設置部４０７と接続部４０８と可動部４０３の全体の剛性が高くて一体となって揺動するため、駆動コイル設置部４０７にローレンツ力が作用すると、可動部４０３と駆動コイル設置部４０７とが一体となって揺動する。接続部４０８は、駆動コイル設置部４０７にローレンツ力が作用した時に撓まない程度の剛性を備えている。
【００６８】
本実施例の梁４３２は、Ｘ方向に伸びている第１可撓梁４０４、４０４と、Ｙ方向に伸びている第２可撓梁４３４、４３４とを備えており、可動部４０３が互いに直交する２方向の揺動軸の周りに独立に揺動できる。この種の２軸揺動型の光学装置においても、駆動コイル設置部４０７と可動部４０３とを別に設置することによって、駆動コイル４２１の外周を可動部４０３の外周より大きくすることができる。駆動コイル４２１の外周を大きくすることができるため、可動部４０３を揺動させる駆動トルクを大きくすることができる。また、駆動コイル４２１における発熱量を小さくすることも可能である。
【００６９】
また本実施例によれば、直交する２方向の揺動軸の周りに揺動する光学装置において、Ｘ軸周りに揺動させる場合にも、Ｙ軸周りに揺動させる場合にも、同一の駆動コイルに電流を流す。磁界の強さを制御することで、Ｘ軸周りに揺動させたりＹ軸周りに揺動させたりできる。Ｘ方向に伸びる磁界Ｂ１の強さと、Ｙ方向に伸びる磁界Ｂ２の強さを同一とすれば、駆動コイルに流す電流の大きさを変えないでも、Ｘ軸周りの駆動トルクの大きさとＹ軸周りの駆動トルクの大きさとを同等にすることができる。
【００７０】
なお本実施例では、同一の駆動コイルに同一の電流を流し、磁界の強さと向きを制御することによって可動部の駆動トルクの方向と強さを制御する。これに代えて、磁界の大きさを一定とし、磁界の向きのみを変えて揺動方向を変えることもできる。この場合、Ｘ方向の磁界が作用する状態で駆動コイルに通電する電流量と、Ｙ方向の磁界が作用する状態で駆動コイルに通電する電流量を変えることで、Ｘ軸周りのトルクとＹ軸周りのトルクを変えることができる。あるいは、駆動コイル設置部に２系列の駆動コイルを配線してもよい。可動部をＸ軸の周りの揺動させるための第１駆動コイルと、Ｙ軸の周りの揺動させるための第２駆動コイルとがそれぞれ別に設けられていてもよい。このようにすれば、第１駆動コイルと第２駆動コイルの電流の向きや大きさを制御することによっても、可動部の駆動トルクを制御することが可能である。
【００７１】
また、上記に説明した実施例１および２では、ミラーが可動部の上面に直接的に設置されていたが、ミラーが設置されているミラー設置面と、梁によって揺動可能に支持されている可動部とが別に設置されていてもよい。例えば、図２４〜図２６に示すように、光学装置４００の可動部４０３の上面に、可動部４０３と離反してミラー設置部４３５が設置され、可動部４０３とミラー設置部４３５が剛性のミラー接続部４４８によって固定されていてもよい。可動部４０３とミラー設置部４３５が剛性のミラー接続部４４８によって固定されており、可動部４０３と駆動コイル設置部４０７が剛性の接続部４０８によって固定されていれば、駆動コイル設置部４０７と可動部４０３とミラー設置部４３５は一体となって揺動する。図２４〜図２６に示すように、ミラー４０５の面積を可動部４０３の面積よりも大きくすることができ、開口率をさらに高くすることができる。
【００７２】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００７３】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００７４】
１０   ミラーアレイ
１１、４１    下部基板
１００、２００ｃ、２００ｄ、４００ 光学装置
１０２、２０２、４０２      上部基板
１０３、２０３、４０３      可動部
１０４、２０４       可撓梁
１０５、２０５、４０５      ミラー
１０７、２０７、４０７      駆動コイル設置部
１０８、２０８、４０８  接続部
１２１、２２１、４２１      駆動コイル
１２１ａ、１２１ｂ、４２１ａ、４２１ｂ  端部
１２３ａ、１２３ｂ、２２３ａ、２２３ｂ、４２３ａ、４２３ｂ     入出力端子
１２４ａ、１２４ｂ、２２４ａ、２２４ｂ、４２４ａ、４２４ｂ     配線
３０１ 材料基板
３０２、３０４、３０６、３１０、３１２、３１５、３１７、３２０ 絶縁層
３０３ 第１犠牲層
３０５、３１１、３１６、３１９     多結晶シリコン層
３０６ 絶縁層
３０７ 第１金属層
３０９ 第２犠牲層
３１３ 第２金属層
３１４ 第３犠牲層
３１８ 第３金属層
３２１ 第４金属層
４０４  第１可撓梁
４３１  支持梁
４３２  梁
４３４  第２可撓梁
４３５  ミラー設置部
４４８  ミラー接続部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010181586.tif 000013
【図８】
2010181586.tif 000014
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2010181586.tif 000021
【図１６】
2010181586.tif 000022
【図１７】
2010181586.tif 000023
【図１８】
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【図１９】
2010181586.tif 000025
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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