(57)【要約】【課題】デバイス特性に関わらず、マイクロミラーを効果的に大きく傾斜させる。【解決手段】トーションバー１４Ａ、１４Ｂを介してマイクロミラー１２が揺動可能に支持されるマイクロミラーデバイス１０において、櫛歯状の可動電極部２０Ａ、２０Ｂ、固定電極部３０Ａ１、３０Ａ２、３０Ｂ１、３０Ｂ２をそれぞれマイクロミラー１２、支持フレーム１６に形成する。そして、可動電極２６Ａ１〜２６Ａ６、２６Ｂ１〜２６Ｂ６、固定電極３６Ａ１〜３６Ａ６、３６Ｂ１〜３６Ｂ６をＸ軸に沿って交互に配置する。このとき、各可動電極はマイクロミラー側に隣接する固定電極に近接配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーションバーを揺動軸として揺動可能なマイクロミラーと、
前記トーションバーを介して前記マイクロミラーを支持する支持枠と、
前記マイクロミラーと繋がり、揺動軸に沿って延びる複数の可動電極を有する第１の電極部と、
前記支持枠と繋がり、揺動軸に沿って延びる複数の固定電極を有する第２の電極部とを備え、
前記複数の固定電極と前記複数の可動電極が、揺動垂直方向に沿って交互に配置され、
可動電極とマイクロミラー側に隣接する固定電極との揺動垂直方向に沿った距離間隔が、支持枠側に隣接する固定電極との距離間隔よりも小さいことを特徴とするマイクロミラーデバイス。
【請求項２】
前記第１および第２の電極部が、それぞれ前記マイクロミラーおよび前記支持枠の揺動軸に沿った側面から延出していることを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
【請求項３】
前記第１の電極部が、前記マイクロミラーの揺動垂直方向に沿った中心線に沿って延出し、
前記第２の電極部が、前記第１の電極部を両側から挟むように形成されていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロミラーデバイス。
【請求項４】
可動電極とマイクロミラー側に隣接する固定電極との揺動垂直方向に沿った距離間隔が、支持枠側に近いほど大きいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
【請求項５】
前記複数の可動電極が、前記複数の固定電極よりもミラー反射面に垂直な方向に沿って上方もしくは下方に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
【請求項６】
前記第１および第２の電極部が、櫛歯状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
【請求項７】
前記マイクロミラーデバイスが、２つの導体層の間に絶縁層を挟んだウェハによって作製され、
前記可動電極および前記トーションバーが、上層の導体層において形成される一方、前記複数の固定電極が、少なくとも下層の導体層に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電引力によってマイクロミラーを駆動するマイクロミラーデバイスに関し、特に、マイクロミラーを駆動させる電極の配置構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ技術によって作製されるマイクロミラーデバイスは、シリコンウェハなどを極細パターニングして得られるデバイスであり、光を反射させるマイクロミラーをフレーム内に形成し、トーションバーを介してマイクロミラーを揺動可能に支持する。例えば、バーコードリーダ、レーザプリンタに実装される光スキャナとして利用可能であり、マイクロミラーを傾斜させながら光束を走査する。
【０００３】
マイクロミラーデバイスでは、支持フレーム側、ミラー側にそれぞれ電極が設けられており、電極間の静電引力によってマイクロミラーを微小傾斜させる。具体的には、ミラー側に設けられた電極（以下、可動電極という）とフレーム側に設けられた電極（以下、固定電極という）を、ミラー反射面の垂直方向（デバイスの厚さ方向）に関して上下にずらし、揺動軸に沿って交互に配置する。ＤＣ駆動によって電極間に電圧を印加させると、静電引力が発生し、ミラー側の可動電極が固定電極の方に引き寄せられる。そして、可動電極と繋がるマイクロミラーが、トーションバーの捻れによって傾斜する（特許文献１、２、３参照）。
【特許文献１】特開平１１−５２２７８号公報
【特許文献２】特開２００７−１７８７１１号公報
【特許文献３】特開２００７−１８３４００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マイクロミラーの傾斜角を大きくするためには印加電圧を上げる必要があるが、最大傾斜角度は、可動電極と隣接する固定電極の側面から見た重なり部分に依存する。すなわち、マイクロミラーが傾斜するほど固定電極は最大（限界傾斜角度）に応じた収束位置に近づき、揺動軸に沿って見たときの固定電極と可動電極が重なっている（対向している）部分の面積が最大になるとき、最大傾斜角度となる。
【０００５】
可動電極が薄いと、初期駆動によってマイクロミラーを傾斜させたとき、電極間の重なって見えるエリアはすぐに最大飽和状態になる。初期駆動によるマイクロミラーの傾斜後すぐに最大飽和状態になることを防ぐためには、可動電極を厚くすればよい。しかしながら、可動電極の厚さはデバイス構造の特性によって制限され、必要以上に厚くすることはできない。例えば、ＳＯＩウェハによって作製されたマイクロミラーデバイスの場合、トーションバー、および可動電極の形成される上層のＳｉ層は極薄であり、トーションバーの耐久性、弾性限界などによって十分な厚さを確保できない。そのため、マイクロミラーの傾斜が制限される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のマイクロミラーデバイスは、デバイス特性に依らずマイクロミラーを大きく傾斜させることを実現可能であり、マイクロミラーデバイスは、トーションバーを軸として揺動可能なマイクロミラーと、トーションバーを介してマイクロミラーを支持する支持枠を備える。
【０００７】
本発明のマイクロミラーデバイスは、マイクロミラーと繋がり、揺動軸に沿って延びる複数の電極（以下、可動電極という）を有する第１の電極部と、支持枠と繋がり、揺動軸に沿って延びる複数の電極（以下、固定電極という）を有する第２の電極部とを備える。そして、複数の固定電極と複数の可動電極は、揺動垂直方向に沿って交互に配置される。ただし、マイクロミラーの反射面に平行で揺動軸に垂直な方向を、揺動垂直方向として規定する。
【０００８】
可動電極とマイクロミラー側に隣接する固定電極との距離間隔が、支持枠側に隣接する固定電極との距離間隔よりも小さい（短い）。そのため、電圧が印加されると、可動電極とマイクロミラー側の隣接する固定電極との間で静電引力が生じ、マイクロミラーが傾斜する。
【０００９】
本発明の可動電極と固定電極は、従来のマイクロミラーデバイスのように揺動軸に沿って並ぶのではなく、揺動垂直方向に沿って交互に並ぶ。そのため、固定電極はマイクロミラーが傾斜するほど固定電極に近づき、静電引力が傾斜に合わせて増加する。
【００１０】
従来では、揺動軸に並べた場合に可動電極が固定電極と重なって見える部分がすぐに最大飽和状態に達し、マイクロミラーを傾斜させる力がそれ以上働かないのに対し、本発明では、マイクロミラーを傾斜させればさせるほど傾斜させる力が強くなり、より大きな傾斜が得られる。
【００１１】
ミラーから離れるほど可動電極の変位量が大きくなる。傾斜角増加に合わせた固定電極と可動電極の接近程度を一様にするため、可動電極とマイクロミラー側に隣接する固定電極との揺動垂直方向に沿った距離間隔を、前記支持枠に近いほど大きくするのが望ましい。
【００１２】
マイクロミラーを効果的に回転させ、かつ回転を安定させるため、第１および第２の電極部は対称的な形状、位置関係にあるのがよく、それぞれマイクロミラーと支持枠の揺動軸に沿った側面から延出しているのがよい。
【００１３】
例えば、第１の電極部が、マイクロミラーの揺動垂直方向に沿った中心線に沿って延出し、第２の電極部を、第１の電極部を両側から挟むように形成する。これによって、揺動軸、揺動垂直方向に関して第１、第２の電極部が対称的になる。例えば、第１および第２の電極部を、櫛歯状に形成すればよい。
【００１４】
例えばマイクロミラーデバイスは、２つの導体層の間に絶縁層を挟んだＳＯＩウェハなどのシリコンウェハによって形成される。この場合、可動電極およびトーションバーが、上層の導体層において形成される一方、複数の固定電極が、少なくとも下層の導体層に形成される。例えば、可動電極が、複数の固定電極よりもミラー反射面に垂直な方向に沿って上方もしくは下方に配置すればよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、デバイス特性に関わらず、マイクロミラーを効果的に大きく傾斜させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、マイクロミラーデバイスの平面図である。図２は、図１のII−IIに沿ったマイクロミラーデバイスの断面図である。
【００１８】
マイクロミラーデバイス１０は、矩形状のマイクロミラー１２、およびマイクロミラー１２を囲む矩形状の支持フレーム（ジンバル部）１６を備え、一対のトーションバー１４Ａ、１４Ｂを介してマイクロミラー１２が支持されている。マイクロミラーデバイス１０は、シリコン基板に基づいて作製され、その構造は一体的である。ここでは、スキャナの走査デバイスとして利用される。
【００１９】
マイクロミラー１２は、弾性のトーションバー１４Ａ、１４Ｂの中心軸Ｙを回転軸（揺動軸）として揺動可能である。金属膜の蒸着されたマイクロミラー１２の反射面１２Ｓには、走査対象物を走査するための光束が入射される。光束の反射方向はマイクロミラー１２の傾斜角に依存し、傾斜角を制御することによって光走査が行われる。
【００２０】
回転軸Ｙに垂直な方向であって、マイクロミラー１２の反射面１２Ｓに沿った中心線をＸ軸として規定すると、マイクロミラー１２のＹ軸に沿った両側面１２Ｔから、２つの可動電極部２０Ａ、２０ＢがＸ軸に沿って形成されている。櫛歯状に形成された可動電極部２０Ａ、２０Ｂは、それぞれＸ軸に関して対称的であり、マイクロミラー１２からＸ軸上に延びる延出部２２Ａ、２２Ｂを有する。さらに可動電極部２０Ａ、２０Ｂでは、延出部２２Ａ、２２ＢからＹ軸に沿って延びるようにそれぞれ可動電極２６Ａ１〜２６Ａ６、２６Ｂ１〜２６Ｂ６が形成されている。
【００２１】
可動電極部２０Ａの両側には、支持フレーム１６と一体的に形成された固定電極部３０Ａ１、３０Ａ２が配置されている。固定電極部３０Ａ１、３０Ａ２は、Ｘ軸に沿って延出する延出部３２Ａ１、３２Ａ２を備え、延出部３２Ａ１、３２Ａ２から固定電極３６Ａ１〜３６Ａ３、３６Ａ４〜３６Ａ６がＹ軸に沿ってそれぞれ延びている。固定電極３６Ａ１〜３６Ａ３と可動電極２６Ａ１〜２６Ｂ３は、Ｘ軸方向に沿って交互に所定間隔を空けて並び、固定電極３６Ａ４〜３６Ａ６と可動電極２６Ａ４〜２６Ｂ６も交互に並んでいる。
【００２２】
同様に、可動電極部２０Ｂの両側面にも、固定電極部３０Ｂ１、３０Ｂ２が支持フレーム１６と一体的に形成され、固定電極部３０Ｂ１、３０Ｂ２は、Ｘ軸に関して対称的であり、支持フレーム１６から延出する延出部３２Ｂ１、３２Ｂ２と、Ｙ軸に沿って形成される固定電極３６Ｂ１〜３６Ｂ３、３６Ｂ４〜３６Ｂ６を備える。
【００２３】
マイクロミラーデバイス１０は、酸化膜で覆ったシリコン層にシリコン層を積層させたＳＯＩウェハによって作製される。用意されるＳＯＩウェハ１は、導電性のシリコン（Ｓｉ）層（ハンドル層）Ｔ３の上に絶縁体のＳｉＯ２層Ｔ２（Ｂｏｘ層）が形成され、その上にＳｉ層Ｔ１（デバイス層）が形成されている（図２参照）。
【００２４】
トーションバー１４Ａ、１４Ｂ、および可動電極部２０Ａ、２０Ｂは、最上Ｓｉ層Ｔ１に形成され、固定電極部３０Ａ１、３０Ａ２、３０Ｂ１、３０Ｂ２は、最下層のＳｉ層Ｔ３に形成されている。したがって、ミラー反射面１２Ｓに垂直な方向をＺ軸と規定すると、図２に示すように、可動電極２０Ａ、２０Ｂは、Ｚ軸に沿って固定電極３０Ａ１、３０Ａ２、３０Ｂ１、３０Ｂ２よりも上方に位置する。支持フレーム１６は、２つのＳｉ層に跨って形成されている。
【００２５】
マイクロミラーデバイス１０は、駆動電圧回路（図示せず）に接続されており、マイクロミラー１２がＤＣ駆動される。可動電極部２０Ａ、２０Ｂと固定電極部３０Ａ１、３０Ａ２、３０Ｂ１、３０Ｂ２との間に所定電圧が印加されると、互いに極の異なる電荷が生じ、静電引力が発生する。静電引力によって可動電極部２０Ａ、２０Ｂを傾斜させる方向に力が作用し、これに伴ってマイクロミラー１２が回転する。
【００２６】
図３は、図１のIII−IIIに沿ったマイクロミラーデバイスの断面図である。
【００２７】
可動電極２６Ｂ４〜２６Ｂ６と固定電極３６Ｂ４〜Ｂ６は、Ｘ軸方向に沿って交互に並んで配置されている。ここで、各可動電極はマイクロミラー側、すなわち回転軸Ｙ側に位置する可動電極ほど固定電極に近い位置にある。例えば、可動電極２６Ｂ６と固定電極３６Ｂ６とのＸ軸に沿った距離間隔ｇ１は、可動電極２６Ｂ5、固定電極３６Ｂ５との距離間隔ｇ２よりも短い（ｇ１＜ｇ２）。同様に、図３に示す距離間隔ｇ３、距離間隔ｇ５は、距離間隔ｇ４、ｇ６よりもそれぞれ短い（ｇ３＜ｇ４、ｇ５＜ｇ６）。ただし、ここでの距離間隔は、可動電極と固定電極の対向する面同士の距離間隔を表す。
【００２８】
さらに、可動電極とミラー側に隣接する固定電極は、支持フレームに近いほど固定電極との間隔が大きくなるように配置されている。例えば、可動電極２６Ｂ5と固定電極３６Ｂ５との距離間隔ｇ３は、可動電極２６Ｂ６と固定電極３６Ｂ６との距離間隔ｇ３より大きく、さらに、可動電極２６Ｂ４と固定電極３６Ｂ４との距離間隔ｇ５は、可動電極２６Ｂ５と固定電極３６Ｂ５との距離間隔ｇ３より大きい（ｇ１＜ｇ３＜ｇ５）。
【００２９】
これに合わせて、固定電極３６Ｂ４〜３６Ｂ６の配置間隔は、マイクロミラー側から支持フレーム側に向けて段階的に広くなっている。図３に示すように、支持フレーム１６と固定電極３６Ｂ４との距離間隔をＱ３、固定電極３６Ｂ４と固定電極３６Ｂ５との距離間隔をＱ２、固定電極３６Ｂ５と固定電３６Ｂ６との距離間隔をＱ１とすると、Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３が成り立つ。
【００３０】
したがって、Ｘ軸方向に隣接する２つの固定電極のうち、静電引力を互いに作用させる固定電極は、可動電極よりもマイクロミラー側に位置する固定電極となる。図３には図示していない他の可動電極と固定電極との間も同様な構成になっており、可動電極とマイクロミラー側の位置する隣接した固定電極とのＸ軸に沿った距離間隔は、支持フレーム側に位置する隣接した固定電極との距離間隔よりも短い。
【００３１】
なお、図１〜図３では、便宜上、固定電極と可動電極の距離間隔、固定電極の配置間隔はほぼ同じ距離間隔で表されている。
【００３２】
図４は、電圧印加によるマイクロミラーの傾斜を示した図である。ここでは、傾斜の説明を容易にするため、可動電極部２０Ｂ，固定電極部３０Ｂ２との間で生じる静電引力のみ説明する。また、図４では、可動電極部２０Ｂ、固定電極部３０Ｂ２の全体は図示せず、可動電極２６Ｂ４〜２６Ｂ６と、固定電極３６Ｂ４〜３６Ｂ６のみ図示している。
【００３３】
電圧が印加されず（Ｖ＝０）マイクロミラー１２が傾斜していない状態では、可動電極２６Ｂ４〜２６Ｂ６は、Ｚ軸方向に関して固定電極３６Ｂ４〜３６Ｂ６より上方に位置する。この状態で初期駆動により電圧が印加されると（Ｖ＝Ｖ１）、可動電極部２０Ｂ，固定電極部３０Ｂ２との間で極の異なる電荷が生じる。
【００３４】
上述したように、各可動電極は、マイクロミラー側に隣接する固定電極との間で静電引力を作用させる。そのため、可動電極２６Ｂ４〜２６Ｂ６は、マイクロミラー側に位置する固定電極３６Ｂ４〜３６Ｂ６の方向へ引き寄せされる。その結果、トーションバー１４の捻れによってマイクロミラー１２が傾斜する。
【００３５】
初期駆動によりマイクロミラー１２が傾斜すると、可動電極２６Ｂ４〜２６Ｂ６は傾斜前と比べて固定電極３６Ｂ４〜３６Ｂ６により一層接近する。例えば、可動電極２６Ｂ４と固定電極３６Ｂ４との距離間隔ｄ１は、傾斜前の距離間隔ｄ０よりも短くなる。可動電極２６Ｂ４は、回転軸Ｙより最も離れた電極であり、マイクロミラー１２の傾斜角に伴う移動量も最も大きく、Ｘ軸方向の移動量、すなわち固定電極との距離変化が最も大きい。
【００３６】
しかしながら、上述したように、可動電極とミラー側の隣接固定電極との距離間隔は、マイクロミラー１２から離れるほど長い（ｇ１＜ｇ３＜ｇ５）。そのため、可動電極２６Ｂ４〜２６Ｂ６は、支持フレーム側に近いほどＸ方向に沿った可動範囲が大きく確保されており、所定の単位傾斜角に対するＸ軸方向成分の移動量、すなわち所定の単位傾斜角に対する固定電極へ近づく移動量が大きい支持フレーム側の可動電極も、僅かなミラー傾斜で最接近しない。
【００３７】
可動電極２６Ｂ４〜２６Ｂ６がそれぞれ固定電極３６Ｂ４〜３６Ｂ６に近づくと静電引力が強まるため、マイクロミラー１２をさらに傾斜させようとする力が働く。その結果、トーションバー１４の復元力によってマイクロミラー１２が初期位置に復帰する方向へ力が働こうとしても、マイクロミラー１２の傾斜とともに静電引力が徐々に大きくなり、マイクロミラー１２をさらに傾斜させる力が作用する。
【００３８】
回転軸Ｙ付近の可動電極と固定電極による静電引力は飽和に近づいて来ても、支持フレーム側に位置する可動電極はさらに固定電極に近づこうとする静電引力の余力がある。マイクロミラー１２の傾斜角が大きいほどこの力は強くなるため、マイクロミラー１２の傾斜角度を大きくすることができる。
【００３９】
このように本実施形態によれば、トーションバー１４Ａ、１４Ｂを介してマイクロミラー１２が揺動可能に支持されるマイクロミラーデバイス１０において、櫛歯状の可動電極部２０Ａ、２０Ｂがマイクロミラー１２の回転軸Ｙに沿った側面に形成され、可動電極部２０Ａ、２０Ｂを両側から挟むように櫛歯状の固定電極部３０Ａ１、３０Ａ２、３０Ｂ１、３０Ｂ２がそれぞれ支持フレーム１６に形成される。
【００４０】
そして、可動電極部２０Ａ、２０Ｂには、回転軸Ｙに沿って延びる可動電極２６Ａ１〜２６Ａ６、２６Ｂ１〜２６Ｂ６が形成され、固定電極部３０Ａ１、３０Ａ２、３０Ｂ１、３０Ｂ２には、可動電極２６Ａ１〜２６Ａ６、２６Ｂ６〜２６Ｂ６とＸ軸に沿って交互に並んで近接配置される固定電極３６Ａ１〜３６Ａ６、３６Ｂ１〜３６Ｂ６が形成される。各可動電極はマイクロミラー側に隣接する固定電極に近接配置され、各可動電極はマイクロミラー側の固定電極との間で静電引力を作用させる。すなわち、マイクロミラー側の固定電極と可動電極との間のＸ軸に沿った距離間隔が支持フレーム側の固定電極との距離間隔よりも短くなるように構成されている。
【００４１】
このように揺動軸に沿って固定電極、可動電極を交互に並べることにより、マイクロミラーを傾斜させるほど大きな静電引力を発生させることが可能となり、マイクロミラーの最大傾斜角度を大きくすることが可能となる。特に、可動電極の厚みを増やすことなく、マイクロミラーが傾斜した状態でも静電引力を続けて発生させることができる。
【００４２】
なお、可動電極とマイクロミラー側に隣接する固定電極との距離間隔は、すべて同じ距離間隔に設定しているが、最大傾斜角度を得るように、それぞれ異なった距離間隔を設定してもよい。また、固定電極は下方のＳｉ層だけに形成するのではなく、２つのＳｉ層に跨って形成してもよい。
【００４３】
マイクロミラー１２、可動電極部、固定電極部のサイズ、形状、および数は上述した構成以外で設定してもよく、可動電極、固定電極のサイズ、形状、数も選択的に設定すればよい。また、２次元走査するようにマイクロミラーデバイスを構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】マイクロミラーデバイスの平面図である。
【図２】図１の破線II−IIに沿ったマイクロミラーデバイスの断面図である。
【図３】図１の破線III−IIIに沿ったマイクロミラーデバイスの断面図である。
【図４】電圧印加によるマイクロミラーの傾斜を示した図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  マイクロミラーデバイス
１２  マイクロミラー
１４Ａ、１４Ｂ  トーションバー
１６  支持フレーム（支持枠）
２０Ａ、２０Ｂ  可動電極部（第１の電極部）
２６Ａ１〜２６Ａ６、２６Ｂ６〜２６Ｂ６  可動電極
３０Ａ、３０Ｂ  固定電極部（第２の電極部）
３６Ａ１〜３６Ａ６、３６Ｂ１〜３６Ｂ６  固定電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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