(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】マイクロミラーデバイス１０において、可動電極２０Ａ、２０Ｂをマイクロミラー１２からＸ軸方向に延ばす一方、固定電極３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを支持フレーム１６からマイクロミラー１２に向けて延ばし、可動電極２０Ａ、２０Ｂと交互に並んで配置させる。そして、可動電極２０Ａ、２０Ｂ、固定電極３０Ａ〜３０Ｃに、同じ幅の複数の可動電極凸部２２Ａ１〜２２Ａ５、固定電極凸部３２Ａ１〜３２Ａ５をＸ軸に沿って形成し、固定電極凸部３２Ａ１〜３２Ａ５のピッチ間隔を一定にする一方、可動電極凸部２２Ａ１〜２２Ａ５のピッチ間隔を、マイクロミラー１２から離れるほど大きくする。【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の反射面と平行であって前記マイクロミラーの揺動軸と垂直な揺動垂直方向に沿って、前記マイクロミラーから延びる可動電極と、
揺動垂直方向に沿って前記支持枠から延出し、前記可動電極に近接配置される固定電極とを備え、
前記可動電極が、揺動垂直方向に沿って間隔を空けて並ぶ複数の可動電極凸部を有する一方、前記固定電極が、揺動垂直方向に沿って前記複数の固定電極凸部の位置に合わせて並ぶ複数の固定電極凸部を有し、
前記支持枠側に位置する可動電極凸部とそれに応じた固定電極凸部との揺動垂直方向に沿った支持枠側への相対的位置ずれが、前記マイクロミラー側に位置する可動電極凸部とそれに応じた固定電極凸部の相対的位置ずれより大きいことを特徴とするマイクロミラーデバイス。
【請求項２】
前記複数の可動電極のうち少なくとも前記支持枠側に位置する可動電極凸部が、対応する固定電極凸部に対し揺動垂直方向に沿って支持枠側に位置す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】
前記複数の固定電極凸部の揺動垂直方向に沿ったピッチ間隔が一定である一方、前記複数の可動電極凸部のピッチ間隔が、前記マイクロミラーから離れる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４】
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３のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
【請求項５】
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４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傾斜させ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って、マイクロミラーを傾斜させながら反射ビームを走査させる。
【０００３】
マイクロミラーデバイスでは、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、静電引力を発生し、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、傾斜角度が、最大（限界）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てもすぐに重なったエリアが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(デバイス層)は、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。例えば、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。
【０００７】
本発明のマイクロミラーデバイスは、マイクロミラーの反射面と平行でマイクロミラーの揺動軸と垂直な方向（以下、揺動垂直方向という）に沿ってマイクロミラーから延びる可動電極と、可動電極に近接配置されるように、揺動垂直方向に沿って支持枠から延びる固定電極を備える。例えば、複数の固定電極と複数の可動電極が交互に近接配置される。また、複数の可動電極は、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。
【０００８】
本発明では、可動電極が、揺動垂直方向に沿って並ぶ複数の可動電極凸部を有する一方、固定電極が、揺動垂直方向に沿って複数の固定電極凸部の位置に合わせて並ぶ複数の固定電極凸部を有する。そして、支持枠側に位置する可動電極凸部とそれに応じた固定電極凸部の揺動垂直方向に沿った支持枠側への相対的位置ずれが、マイクロミラー側に位置する可動電極凸部とそれに応じた固定電極凸部の相対的位置ずれより大きい。
【０００９】
ここで、揺動垂直方向に沿った相対的位置ずれとは、可動電極凸部、固定電極凸部の中心、あるいは表面を基準とした揺動垂直方向の相対的距離間隔を表す。例えば、可動電極凸部、固定電極凸部の揺動垂直方向に沿ったピッチ間隔、あるいは凸部の幅の違いによって相対的位置ずれが生じる。相対的位置ずれがなくても、相対的位置ずれが０であると定義する。また、支持枠側の相対的位置ずれは、可動電極凸部の位置が、対応する固定電極凸部の位置より支持枠に近いことを意味する。
【００１０】
上記相対的位置ずれの関係により、マイクロミラーが初期駆動によって傾斜するとき、揺動軸方向から見たときの可動電極凸部と固定電極凸部の重なり部分は、マイクロミラー側の凸部同士ほど大きい。したがって、駆動初期においては、マイクロミラー側の凸部同士では大きな静電引力が働き、支持枠側の凸部同士では大きな静電引力が働かない。
【００１１】
しかしながら、相対的位置ずれの大きかったマイクロミラーから離れた凸部間では、重なって見えない部分の面積、すなわち、可動電極を固定電極側へさらに引き寄せる静電引力の発生するエリアのサイズが十分存在するため、さらなる印加電圧を加えることによって、マイクロミラー側の可動電極凸部を対応する固定電極凸部に引き寄せる力が働く。その結果、印加電圧の増加に応じたマイクロミラーのより大きな角度による傾斜が得られる。
【００１２】
マイクロミラーを大きく傾斜させるためには、マイクロミラーに近い凸部同士ほど初期駆動で大きな静電引力を発生させ、傾斜に合わせてマイクロミラーから遠い凸部同士の静電引力が大きくなっていくのが望ましい。そのため、複数の可動電極のうち少なくとも支持枠側に位置する可動電極凸部が、対応する固定電極凸部に対し揺動垂直方向に沿って支持枠側に位置するように構成すればよい。例えば、複数の固定電極凸部の揺動垂直方向に沿ったピッチ間隔が一定である一方、複数の可動電極凸部のピッチ間隔が、マイクロミラーから離れるほど大きくするのがよい。このとき、凸部の幅を一定にするがよい。
【発明の効果】
【００１３】
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】
【００１４】
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。
【００１５】
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に沿った断面図である。ここでは、マイクロミラーデバイスが左右対称構造であるため、その右側半分のみ図示している。
【００１６】
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。
【００１７】
マイクロミラー１２は、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ビームが入射される。ビーム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ビーム走査が行われる。
【００１８】
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の両側面には可動電極が一体的に形成されており、その右側側面には、図１に示すように、マイクロミラー１２からＸ軸方向に沿って２つの可動電極２０Ａ、２０Ｂが延びている。一方、支持フレーム１６からＸ軸方向に沿って３つの固定電極３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃが延出し、可動電極２０Ａ、２０Ｂと固定電極３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃが交互に近接配置されている。
【００１９】
可動電極２０Ａ、可動電極２０Ｂの両側面には、Ｘ軸に沿って複数の凸部（以下、可動電極凸部という）が形成され、所定間隔で並んでいる。また、固定電極３０Ａ、３０Ｃの一側面、および固定電極３０Ｂの両側面にも、複数の凸部（固定電極凸部）が所定間隔で形成されており、可動電極凸部と相対するように近接配置されている。
【００２０】
図１では、便宜上、可動電極２０Ａの一側面に形成された凸部、固定電極３０Ａの一側面に形成された凸部を、それぞれ符号２２Ａ１〜２２Ａ５、３２Ａ１〜３２Ａ５で表している。他の部分に形成された凸部も同様の構成である。
【００２１】
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ウェハは、導電性のシリコン（Ｓｉ）層（ハンドル層）の上に絶縁体のＳｉＯ２層（Ｂｏｘ層）が形成され、その上にＳｉ層（デバイス層）が形成されている。
【００２２】
トーションバー１４Ａ、１４Ｂ、および可動電極２０Ａ、２０Ｂは、上層のＳｉ層に形成され、固定電極３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、下層のＳｉ層に形成されている。したがって、ミラー反射面１２Ｓに垂直な方向にＺ軸を規定すると、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３０Ａ〜３０Ｃよりも上方に位置する。マイクロミラー１２、支持フレーム１６は、２つのＳｉ層に跨って形成されている。
【００２３】
可動電極凸部２２Ａ１〜２２Ａ５のＸ軸に沿った幅はどれも同じであり、固定電極凸部３２Ａ１〜３２Ａ５も同じ幅を有する。また、可動電極凸部２２Ａ１〜２２Ａ５の幅ＷＡと、固定電極凸部３２Ａ１〜３２Ａ５の幅ＷＢは等しい。他の可動電極凸部、固定電極凸部についても同じである。
【００２４】
一方、固定電極凸部のＸ軸に沿ったピッチ間隔Ｐが一定であるのに対し、可動電極凸部のピッチ間隔はそれぞれ異なる。可動電極凸部２２Ａ１〜２２Ａ５と固定電極凸部３２Ａ１〜３２Ａ５を用いて具体的に説明すると、マイクロミラー１２に最も近い可動電極凸部２２Ａ１から支持フレーム１６に最も近い可動電極凸部２２Ａ４、２２Ａ５までのピッチ間隔をＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４と定めると、マイクロミラー１２から離れた位置の凸部ほど隣接する凸部とのピッチ間隔が大きい、すなわちＰ１＜Ｐ２＜Ｐ３＜Ｐ４が成り立つ。
【００２５】
そして、可動電極凸部のＸ軸方向に沿った位置は、対応する固定電極凸部の位置よりも支持フレーム１６側に近い。上記ピッチ間隔Ｐ１〜Ｐ４により、その相対的位置ずれが支持フレーム１６に近い可動電極凸部ほど大きい。
【００２６】
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３０Ａ〜３０Ｃ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の傾斜方向に力が作用し、マイクロミラー１２が回転する。印加電圧に応じてマイクロミラー１２の傾斜角度を調整し、マイクロミラー１２をリニア駆動することが可能である。
【００２７】
図３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２０Ａ、固定電極３０Ａとの間で生じる静電引力のみ説明する。また、図３では、可動電極２０Ａ、固定電極３０Ｂの可動電極凸部２２Ａ１〜２２Ａ５と、固定電極凸部３２Ａ１〜３２Ａ５のみ図示している。
【００２８】
電圧が印加されず（Ｖ＝０）マイクロミラー１２が傾斜していない場合、可動電極２０Ａは、Ｚ軸方向に関して固定電極３０Ａの上方に位置する。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２０Ａ、固定電極３０Ａに極の異なる電荷が生じる。その結果、静電引力によって可動電極２０Ａが固定電極３０Ａの側（傾斜方向）に引き寄せられる。
【００２９】
上述したように、可動電極２０Ａの凸部のピッチ間隔Ｐ１〜Ｐ４がそれぞれ異なり、マイクロミラー１２から離れるほどピッチ間隔が大きい。そのため、マイクロミラー１２が初期駆動により微小傾斜すると、Ｙ軸方向（デバイス側面）から見て可動電極凸部と隣接する固定電極凸部との重なって見える（対向する）部分は、マイクロミラー１２に近いほどそのサイズが大きくなる。図３では、電圧Ｖ＝Ｖ１における重なったエリアを網線で示している。
【００３０】
マイクロミラー側の可動電極凸部は、マイクロミラー１２の傾斜に合わせてほぼ真下の方向へ降下するのに対し、マイクロミラー１２から離れた可動電極凸部はマイクロミラー側へ向けて比較的大きく傾斜し、Ｘ軸に沿った変位量は大きい。しかしながら、ピッチ間隔Ｐ１〜Ｐ４の異なる距離間隔により、可動電極凸部と固定電極凸部のＸ軸に沿った相対的位置ずれは、マイクロミラー１２から離れるほど大きくなっている。
【００３１】
そのため、初期駆動によりマイクロミラー１２が微小傾斜しても、マイクロミラー１２から離れた可動電極凸部２２Ａ４、２２Ａ５と固定電極凸部３２Ａ４、３２Ａ５の間では、重なって見えるエリアのサイズが小さい。したがって、静電引力、すなわちマイクロミラー１２を傾斜させる力は、マイクロミラー１２に近い可動電極凸部、固定電極凸部間ほど大きい。また、静電引力の働く方向も、可動電極凸部の位置によって異なり、マイクロミラー側の可動電極凸部では下方に力が作用し、支持フレーム側の可動電極部ではマイクロミラー側（Ｘ軸方向）に力が作用する。
【００３２】
Ｖ＝Ｖ１におけるマイクロミラー１２の傾斜角度では、マイクロミラー１２から離れた可動電極凸部と固定電極の凸部の重なって見えない（対向していない）エリア（網線で図示されていない部分）の割合が大きい。そのため、マイクロミラー１２がさらに傾斜してもマイクロミラー１２から近い凸部の重なるエリアはさほど増加しないが、マイクロミラー１２から離れた凸部は傾斜に応じてそのエリアサイズが増加する。
【００３３】
そのため、さらに大きな電圧を印加すると（Ｖ＝Ｖ２）、  マイクロミラー１２に近い可動電極凸部、固定電極凸部間では静電引力が最大飽和状態になる一方で、マイクロミラー１２から離れた可動電極凸部、固定電極凸部間においてはまだ最大飽和状態になる収束位置まで可動電極凸部が移動しておらず、可動電極２０Ａをさらに傾斜させようとする力が働く。その結果、マイクロミラー１２がさらに傾斜する。
【００３４】
マイクロミラー１２が傾斜するほど支持フレーム１６に近い可動電極凸部と固定電極凸部との間に働く静電引力が徐々に大きくなるため、印加電圧の増加に応じてマイクロミラー１２をリニアに傾斜させることが可能であり、支持フレーム側の可動電極凸部が静電引力の最大飽和状態の位置、すなわち重なって見えるエリアの大きさが最大になるまでマイクロミラー１２が傾斜する。
【００３５】
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を揺動可能に支持するマイクロミラーデバイス１０において、可動電極２０Ａ、２０Ｂがマイクロミラー１２からＸ軸方向に延びる一方、固定電極３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃが支持フレーム１６からマイクロミラー１２に向けて延び、可動電極２０Ａ、２０Ｂと交互に並んで配置される。
【００３６】
そして、可動電極２０Ａ、２０Ｂ、固定電極３０Ａ〜３０Ｃには、同じ幅（ＷＡ＝ＷＢ）の複数の可動電極凸部２２Ａ１〜２２Ａ５、固定電極凸部３２Ａ１〜３２Ａ５がＸ軸に沿って所定間隔で形成され、固定電極３０Ａ〜３０Ｃの凸部のピッチ間隔が一定であるのに対し、可動電極２０Ａ、２０Ｂの凸部のピッチ間隔ｐ１〜ｐ４は、マイクロミラー１２から離れるほど大きくなるように定められている。
【００３７】
このような構成により、マイクロミラー１２が傾斜角度のない初期位置から傾斜していく過程で可動電極凸部と固定電極凸部との間で発生する静電引力の大きさおよび方向が、可動電極凸部、固定電極凸部の相対的位置ずれの程度によって異なる。マイクロミラー１２から離れた可動電極凸部、固定電極凸部間ほど傾斜に応じて静電引力が比例的に増加していくため、印加電圧を上げることでマイクロミラー１２を大きく傾斜させることができる。そして、トーションバー１４Ａ、１４Ｂおよび可動電極２０Ａ、２０Ｂの形成されるＳｉ層を厚くすることなく、マイクロミラー１２を精度よく、大きく傾斜させることができる。
【００３８】
可動電極凸部、固定電極凸部については、上記ピッチ間隔に限定せず、幅、およびピッチ間隔を、マイクロミラー１２の傾斜を最大にするように設定すればよく、例えば、固定電極凸部のピッチ間隔を相違させ、あるいは可動電極凸部と固定電極凸部の幅を相違させてもよい。また、マイクロミラーに近い可動電極凸部と固定電極凸部間では、ピッチ間隔を実質的に同じにしてもよい。
【００３９】
この場合、可動電極凸部と対応する固定電極凸部のＸ軸方向に沿った相対的位置ずれをマイクロミラー１２からの距離に従って変化させ、特に、マイクロミラーから遠い可動電極凸部、固定電極凸部間については、マイクロミラー側の凸部間よりも相対的位置ずれを大きくする。
【００４０】
固定電極は、マイクロミラー１２の反射面１２Ｓまでの厚さを持つように構成してもよい。また、マイクロミラー１２、可動電極、固定電極のサイズ、形状、および数は上述した構成以外でもよく、可動電極、固定電極の凸部のサイズ、形状、数も選択的に設定すればよい。
【００４１】
本実施形態では、回転軸（揺動軸）をＹ軸のみとしたが、回転軸をＸ軸としてもよいし、さらに支持フレームについても、同様の電極部構造を用いて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のいずれの方向にも揺動可能でとして二次元走査できる構造としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【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】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】
【００４３】
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
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ  固定電極
２２Ａ１〜２２Ａ５  可動電極凸部
３２Ａ１〜３２Ａ５  固定電極凸部
Ｐ１〜Ｐ４  ピッチ間隔
【図１】
2010113011.tif 000003
【図２】
2010113011.tif 000004
【図３】
2010113011.tif 000005