(57)【要約】【課題】光学的作用を生じさせるレンズ等の光学部品を不要とすることにより、光学系の構成を簡素化し、コストダウンを図ることができるマイクロミラー素子を提供する。【解決手段】可動板１０のベースとなる基板層１５の外面側に、中間層１６が蒸着により形成され、中間層１６の外面側に、ミラー層１７が蒸着により形成される。基板層１５及びミラー層１７とは異なる熱膨張係数の材料から成る中間層１６によって、可動板１０を凹状又は凸状に変形させて、可動板１０のミラー面１２を光学的に凸面状又は凹面状に形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を反射するミラー面を有する可動板と、前記可動板を揺動可能に支持するヒンジ部と、前記可動板を揺動駆動する駆動部と、前記ヒンジ部を支持するフレームを備えたマイクロミラー素子において、
前記可動板のミラー面は、光学的に凸面状又は凹面状に形成されていることを特徴とするマイクロミラー素子。
【請求項２】
前記可動板は、ベースとなる基板層と、前記基板層の外面側に蒸着により形成された中間層と、前記中間層の外面側に蒸着により形成され、前記ミラー面を構成するミラー層とを有し、
前記中間層は、前記基板層及びミラー層とは異なる熱膨張係数の材料から成ることを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラー素子。
【請求項３】
前記可動板は、ベースとなる基板層と、前記基板層の外面側に蒸着により形成された中間層と、前記中間層の外面側に蒸着により形成され、前記ミラー面を構成するミラー層とを有し、
前記中間層と前記ミラー層とは、異なる温度で蒸着可能な材料から成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロミラー素子。
【請求項４】
前記中間層は二酸化ケイ素を主成分として含み、前記ミラー層はアルミニウムを主成分として含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のマイクロミラー素子。
【請求項５】
前記中間層はクロム又はチタンを主成分として含み、前記ミラー層は金を主成分として含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のマイクロミラー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロミラー素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ファクトリーオートメーション化の進展に伴って、工場内で自律走行し、資材や製品等を搬送する自律搬送装置が普及している。自律搬送装置は、工場内に存在する障害物を検知するための障害物センサを備えている。また、自律搬送装置によって搬送された資材や製品等には、識別のためのバーコードが付加され、これを読み取るためのバーコードリーダが使用されている。上記障害物センサやバーコードリーダには、レーザビームを走査させるためのマイクロミラー素子が用いられている。また、レーザビームプリンタにおいても、同様のマイクロミラー素子が用いられているものも存在する。
【０００３】
マイクロミラー素子は、レーザビームを反射するミラー面と、ミラー面が表面に形成される可動板と、ヒンジ部を介して可動板を揺動自在に支持するフレーム等によって構成され、平板状の基板の一部を表面及び裏面からエッチングにて除去することにより形成される。可動板及びフレームには、それぞれ櫛歯電極が対抗して配設され、電極間に生ずる静電気力によって可動板が駆動され、ミラー面によって反射されるレーザビームが走査される。
【０００４】
従来のマイクロミラー素子の応用例として、特許文献１には、ガラス等の透明な絶縁性材料から成るカバー基板等によって可動板を封止する技術が知られている。このマイクロミラー素子においては、ミラー面によって反射されたレーザビームがカバー基板を透過する際に屈折し、光の照射方向が変更される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１０９６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、マイクロミラー素子は、平板状の基板から形成されるという製造工程上の都合により、通常そのミラー面は平面上に形成される。このような平面状のミラー面を有するマイクロミラー素子を上記障害物センサ等の機器に用いる場合には、光学的作用を生じさせるレンズ等の光学部品との併用が不可欠とされている。従って、機器全体としての光学系が複雑となり、機器のさらなるコストダウンと小型化を図ることが困難とされている。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光学的作用を生じさせるレンズ等の光学部品を不要とすることにより、光学系の構成を簡素化し、コストダウン等を図ることができるマイクロミラー素子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】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、光を反射するミラー面を有する可動板と、前記可動板を揺動可能に支持するヒンジ部と、前記可動板を揺動駆動する駆動部と、前記ヒンジ部を支持するフレームを備えたマイクロミラー素子において、前記可動板のミラー面は、光学的に凸面状又は凹面状に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載のマイクロミラー素子において、前記可動板は、ベースとなる基板層と、前記基板層の外面側に蒸着により形成された中間層と、前記中間層の外面側に蒸着により形成され、前記ミラー面を構成するミラー層とを有し、前記中間層は、前記基板層及びミラー層とは異なる熱膨張係数の材料から成ることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のマイクロミラー素子において、前記可動板は、ベースとなる基板層と、前記基板層の外面側に蒸着により形成された中間層と、前記中間層の外面側に蒸着により形成され、前記ミラー面を構成するミラー層とを有し、前記中間層と前記ミラー層とは、異なる温度で蒸着可能な材料から成ることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のマイクロミラー素子において、前記中間層は二酸化ケイ素を主成分として含み、前記ミラー層はアルミニウムを主成分として含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のマイクロミラー素子において、前記中間層はクロム又はチタンを主成分として含み、前記ミラー層は金を主成分として含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、可動板のミラー面が凸面状又は凹面状に形成されているので、レンズ等の光学部品をマイクロミラー素子の後段に設けることなく、凸面状又は凹面状のミラー面によって光学的作用を生じさせることが可能となる。これによりマイクロミラー素子が組み込まれる機器の光学系の構成が簡素化され、コストダウンを図ることができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、基板層及びミラー層とは異なる熱膨張係数の材料から成る中間層を蒸着により形成することにより、中間層及びミラー層を蒸着した後冷却される可動板の内面側と外面側において、収縮率を異ならせることができる。従って、基板層、中間層及びミラー層を構成する材料の熱膨張係数に応じて、中間層の厚みを適宜設定することにより、冷却後の可動板の形状を凸面状又は凹面状に変形させることが可能となり、請求項１に記載のマイクロミラー素子を容易に得ることができる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、ミラー層とは異なる蒸着温度で中間層を形成することにより、中間層及びミラー層を蒸着した後冷却される可動板の内面側と外面側において、収縮率を異ならせることができる。従って、中間層及びミラー層蒸着温度を適宜設定することにより、冷却後の可動板の形状を凸面状又は凹面状に変形させることが可能となり、請求項１又は請求項２に記載のマイクロミラー素子を容易に得ることができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、可動板に形成されたミラー面の特性を、幅広い波長のレーザビームに対応させることができる。
【００１７】
請求項５の発明によれば、可動板に形成されたミラー面の特性を、特定の波長のレーザビームに対応させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態によるマイクロミラー素子の構成を示す斜視図。
【図２】同マイクロミラー素子の可動板の断面図。
【図３】同マイクロミラー素子の別の可動板の断面図。
【図４】図２に示す可動板にミラー面を形成する要領を示す断面図。
【図５】図３に示す可動板にミラー面を形成する要領を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の第１実施形態による可動構造体を用いたマイクロミラー素子について図面を参照して説明する。図１は、マイクロミラー素子の構成を示している。マイクロミラー素子１は、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の一形態であり、可動板１０と、ヒンジ部１１と、フレーム３０と、駆動部４０を有している。マイクロミラー素子１は、例えば、３層のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の一部を表面及び裏面からエッチングにて除去することにより形成される。
【００２０】
可動板１０は、平面視で矩形状に形成され、ヒンジ部１１によって、フレーム３０に対して揺動可能に支持されている。ヒンジ部１１は、図中可動板１０の上下両端縁部において、可動板１０の中心を貫いて形成され、可動板１０を支持すると共に、可動板１０が揺動する際に捻りばねとして機能する。可動板１０及びフレーム３０の図中左右両端縁部には、駆動部４０を構成する櫛歯電極４０ａ及び櫛歯電極４０ｂがそれぞれ形成されている。櫛歯電極４０ａは可動板１０の外側に、櫛歯電極４０ｂはフレーム３０の内側にそれぞれ突出して形成されている。櫛歯電極４０ａと櫛歯電極４０ｂとは、互いに対抗して配設され、静電気力によって引きつけ合って、フレーム３０に対して可動板１０を揺動駆動する。
【００２１】
可動板１０の表面には、レーザビームを反射するためのアルミニウムや金等のミラー面１２が形成されている。使用するレーザビームの波長に応じたミラー面１２を可動板１０の表面に形成することにより、入射光を反射する。このときフレーム３０に対する可動板１０の姿勢を制御することにより、入射光を所望の角度で反射させ、レーザビームを走査させる。
【００２２】
図２及び図３は、可動板１０の断面を示している。図２はミラー面１２が凸面状に形成されている可動板１０を、図３はミラー面１２が凹面状に形成されている可動板１０をそれぞれ示している。ここで、凸面状又は凹面状とは、光学的作用を積極的に生じさせる凸面状又は凹面状を意味するものとする。例えば、一辺が１ｍｍの可動板１０に対して、端縁部と中央部の高低差が数μｍ程度の凹凸となる曲面である。
【００２３】
可動板１０は、ベースとなる基板層１５と、ミラー面１２を構成するミラー層（金属被膜）１７と、基板層１５とミラー層１７との間に形成されている中間層１６とを有している。基板層１５は、ケイ素（シリコン）等によって形成されている。中間層１６は、二酸化ケイ素を主成分として含み、基板層１５の外面側に蒸着により形成されている。ミラー層１７は、アルミニウムを主成分として含み、中間層１６の外面側に蒸着により形成されている。
【００２４】
基板層１５、中間層１６及びミラー層１７は、異なる熱膨張係数の材料から成る（ケイ素、二酸化ケイ素及びアルミニウムの熱膨張係数が異なる）ので、蒸着後の冷却によって可動板の内外面において収縮率が異なり、可動板１０が凸面状又は凹面状に変形する。このとき、中間層１６及びミラー層１７の厚みを変更することにより、可動板１０の曲率を調整することができる。また、中間層１６とミラー層１７の蒸着温度を変更することによっても、可動板１０の曲率を調整することができる。
【００２５】
図４は、可動板１０に図２に示した凸面状のミラー面１２が形成される要領を示している。凸面状のミラー面１２は、例えば、基板層１５に中間層１６が厚く形成されることにより実現される。まず、図４（ａ）に示す基板層１５の外面（図中上面）に対して、図４（ｂ）に示すように中間層１６が厚く形成される。中間層１６は、蒸着時間を長く設定することにより厚く形成される。このときの蒸着温度は、中間層１６の材料に依存する。基板層１５の外面に中間層１６が形成された可動板１０は、一旦冷却される。このとき、基板層１５と中間層１６は異なる熱膨張係数の材料から成るため収縮率が異なることから、可動板１０は凸状又は凹状に変形する。本実施形態においては、中間層１６を形成する材料に対して基板層１５を形成する材料の方が熱膨張係数が大きく、冷却時の収縮率も大きくなる。従って、図４（ｃ）に示すように、可動板１０は凸状に変形する。
【００２６】
その後、図４（ｄ）に示すように、中間層１６の外面（図中上面）に対して、ミラー層１７が蒸着により形成される。そして、中間層１６の外面にミラー層１７が形成された可動板１０は、再度冷却される。このとき、ミラー層１７の収縮によって、可動板１０は凹状に変形しようとするが、図４（ｃ）における変形を戻す程度には至らず、その結果、図４（ｅ）に示すように、可動板１０が凸状に変形した状態のまま、その外面には凸面状のミラー面１２が形成される。
【００２７】
図２及び図４に示した凸面状のミラー面１２を有する可動板１０は、中間層１６及びミラー層１７を形成する際の蒸着温度を異ならせることによっても得ることができる。例えば、中間層１６及びミラー層１７を形成する材料を適宜選択し、中間層１６の蒸着温度をミラー層１７の蒸着温度よりも高く設定することにより、同様の可動板１０を得ることができる。
【００２８】
図５は、可動板１０に図３に示した凹面状のミラー面１２が形成される要領を示している。凹面状のミラー面１２は、例えば、基板層１５に中間層１６が薄く形成されることにより実現される。まず、図５（ａ）に示す基板層１５の外面（図中上面）に対して、図５（ｂ）に示すように中間層１６が薄く形成される。中間層１６は、蒸着時間を短く設定することにより薄く形成される。このときの蒸着温度は、中間層１６の材料に依存する。基板層１５の外面に中間層１６が形成された可動板１０は、図４に示した場合と同様に一旦冷却される。本実施形態においては、このとき図４（ｃ）に示した場合と同様に可動板１０は凸状に変形しようとするが、中間層１６の厚みが薄いため光学的に有効な程度にまで可動板１０が変形するに至らない。
【００２９】
その後、図５（ｄ）に示すように、中間層１６の外側面（図中上面）に対して、ミラー層１７が蒸着により形成される。そして、中間層１６の外側面にミラー層１７が形成された可動板１０は、再度冷却される。このとき、ミラー層１７の収縮によって、可動板１０は凹状に変形し、図５（ｅ）に示すように、可動板１０が凹状に変形し、その外面には凹面状のミラー面１２が形成される。
【００３０】
図３及び図５に示した凹面状のミラー面１２を有する可動板１０は、中間層１６及びミラー層１７を形成する際の蒸着温度を異ならせることによっても得ることができる。例えば、中間層１６及びミラー層１７を形成する材料を適宜選択し、中間層１６の蒸着温度をミラー層１７の蒸着温度よりも低く設定することにより、同様の可動板１０を得ることができる。
【００３１】
以上のように、本実施形態のマイクロミラー素子１によれば、可動板１０のミラー面１２が凸面状又は凹面状に形成されているので、レンズ等の光学部品をマイクロミラー素子１の後段に設けることなく、凸面状又は凹面状のミラー面１２によって光学的作用を生じさせることが可能となる。これによりマイクロミラー素子１が組み込まれる機器の光学系の構成が簡素化され、コストダウンを図ることができる。
【００３２】
また、基板層１５及びミラー層１７とは異なる熱膨張係数の材料から成る中間層１６を蒸着により形成することにより、中間層１６及びミラー層１７を蒸着した後冷却される可動板１０の内面側と外面側において、収縮率を異ならせることができる。従って、基板層１５、中間層１６及びミラー層１７を構成する材料の熱膨張係数に応じて、中間層１６の厚みを適宜設定することにより、冷却後の可動板１０の形状を凸面状又は凹面状に変形させることが可能となり、マイクロミラー素子１を容易に得ることができる。
【００３３】
また、ミラー層１７とは異なる蒸着温度で中間層１６を形成することにより、中間層１６及びミラー層１７を蒸着した後冷却される可動板１０の内面側と外面側において、収縮率を異ならせることができる。従って、中間層１６及びミラー層１７の蒸着温度を適宜設定することにより、冷却後の可動板１０の形状を凸面状又は凹面状に変形させることが可能となり、マイクロミラー素子１を容易に得ることができる。
【００３４】
本発明は上記実施形態の構成に限られることなく、少なくとも基板層１５とミラー層１７との間に、異なる熱膨張係数又は異なる蒸着温度の材料から成る中間層１６が形成されていればよい。また、本実施形態は、種々の変更が可能であり、例えば、中間層１６及びミラー層１７を形成する材料は、上述したものに限られることなく、例えば、中間層１６を形成する材料としてクロム又はチタンを主成分として含むもの、ミラー層１７を形成する材料として金を主成分として含むものであってもよい。この場合においては、反射するレーザビームの波長等に応じて、ミラー面１２の特性を変更することができる。このように、可動板１０を多層に形成することにより、設計の自由度を高めることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１    マイクロミラー素子
１０    可動板
１１    ヒンジ部
１２    ミラー面
１５    基板層
１６    中間層
１７    ミラー層
３０    フレーム
４０    駆動部
４０ａ、４０ｂ    櫛歯電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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