(57)【要約】【課題】周辺部材に振動が伝わることを極力防止可能な可動部を備える光スキャナを得る。【解決手段】正四角錐状の凹部２０３は、異方性エッチングにより形成される。ウェハ上に正方格子状のマスキングを施し、ＫＯＨ、あるいは水酸化テトラメチルアンモニウムを用いて異方性エッチングを行う。マスキングを施された部位が第１及び第２の突起２４０、２５０における等脚台形の断面において、頂辺を形成する。異方性エッチングは、マスキングされた部位から斜め方向にウェハを腐食させる。腐食により、正四角錐状の凹部２０３の斜面が形成される。等脚台形の長辺と正四角錐の斜面との角度は約５４．７度である。正方格子状のマスキングにおいて、格子どうしの距離は、光反射面２０１と裏面２０２との間の長さが約２から５μｍとなるように決定される。これにより、複数の正四角錐状の凹部２０３が格子状に裏面２０２上に並べられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面である光反射面及び裏面を有し、第１の回動軸回りに回動する可動部と、
前記裏面から一定の長さで突出し、長手方向が前記裏面に対して平行な直線上を延びる第１の突起と、
前記裏面から一定の長さで突出し、長手方向が前記第１の突起と直角かつ前記裏面に対して平行な直線上を延びる第２の突起とを備え、
前記第１の突起は、前記第１の突起の長手方向及び前記裏面に対して直角な平面における断面が等脚台形を成し、
前記第２の突起は、前記第２の突起の長手方向及び前記裏面に対して直角な平面における断面が等脚台形を成し、
複数の前記第１の突起が、等間隔かつ平行に前記裏面から突出し、
複数の前記第２の突起が、等間隔かつ平行に前記裏面から突出する光スキャナ。
【請求項２】
前記第１の突起どうしの間隔と前記第２の突起どうしの間隔とが同じ長さである請求項１に記載の光スキャナ。
【請求項３】
平面である光反射面及び裏面を有し、第１の回動軸回りに回動する可動部を備え、
前記可動部は、前記裏面上に正方格子状のマスキングを設けた後、異方性エッチングすることにより形成される正四角錐状の複数の凹部を有し、
前記複数の凹部は、格子状に前記裏面上に並べられる光スキャナ。
【請求項４】
前記可動部の周囲に設けられる可動支持部と、
前記可動支持部に対して前記第１の回動軸周りに回動自在となるように前記可動部を支持する第１の支持部と、
前記可動支持部の周囲に設けられる固定部と、
前記第１の回動軸と平行でない第２の回動軸周りに回動自在となるように前記固定部に対して前記可動支持部を支持する第２の支持部とをさらに備える請求項１又は３に記載の光スキャナ。
【請求項５】
前記可動部は、板状の八角形であって、前記第１の回動軸に対して直角な２つの側面と、前記第１の回動軸に対して平行な２つの側面とを有し、前記第１の回動軸に対して平行な２つの側面から直角に突出する複数の第１の櫛歯電極を有し、
前記第１の支持部は、前記第１の回動軸に対して直角な２つの側面の中央に接続され、
前記可動支持部は、前記複数の第１の櫛歯電極に対して交互かつ平行に前記可動部に向けて突出する第２の櫛歯電極を有する請求項４に記載の光スキャナ。
【請求項６】
前記可動支持部は、板状の八角形であって、前記可動部よりも大きい八角形の孔部を有し、
前記孔部は、前記第１の回動軸に対して直角な２つの内側面と、前記第１の回動軸に対して平行な２つの内側面とを有し、前記第２の櫛歯電極は、前記第１の回動軸に対して平行な２つの内側面から直角に突出し、
前記第１の支持部は、前記第１の回動軸に対して直角な２つの内側面の中央に接続され、
前記可動支持部の外側面は、前記第１の回動軸に対して直角な２つの外側面と、前記第１の回動軸に対して平行な２つの外側面とを有し、
前記第２の支持部は、前記第１の回動軸に対して平行な２つの外側面の中央から直角に突出し、前記第２の支持部から前記第２の回動軸に対して直角に突出する第３の櫛歯電極を有し、
前記固定部は、前記複数の第３の櫛歯電極に対して交互かつ平行に前記第２の支持部に向けて突出する第４の櫛歯電極を有する請求項５に記載の光スキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極間に生じる静電力により回動されて光を所望の方向に反射する光スキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
可動部と固定部とを備え、可動部及び固定部から交互に突出する櫛歯状の電極を備える光スキャナが知られている。電極に電圧を印加すると、可動部の電極と固定部の電極との間に電位差が生じ、電位差が電極どうしの間に静電力を生じる。これにより、可動部は固定部に対して回動される。光スキャナの特性を調整するため、可動部を軽量化する種々の手段が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
可動部と固定部との間に可動支持部をさらに設け、可動支持部が可動部を支持し、固定部が可動支持部を支持する。これにより固定部に対して二軸回りに可動部を回動自在とする場合、単に可動部を軽量化しただけでは、可動部の回動が可動支持部などの周辺部材に伝わることがある。このとき、周辺部材は可動部の回動により波打つように振動し、光スキャナの駆動効率が低下する。
【０００５】
本発明は、この問題を鑑みてなされたものであり、周辺部材に振動が伝わることを極力防止可能な可動部を備える光スキャナを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願第１の発明による光スキャナは、平面である光反射面及び裏面を有し、第１の回動軸回りに回動する可動部と、裏面から一定の長さで突出し、長手方向が裏面に対して平行な直線上を延びる第１の突起と、裏面から一定の長さで突出し、長手方向が第１の突起と直角かつ裏面に対して平行な直線上を延びる第２の突起とを備え、第１の突起は、第１の突起の長手方向及び裏面に対して直角な平面における断面が等脚台形を成し、第２の突起は、第２の突起の長手方向及び裏面に対して直角な平面における断面が等脚台形を成し、複数の第１の突起が、等間隔かつ平行に裏面から突出し、複数の第２の突起が、等間隔かつ平行に裏面から突出することを特徴とする。
【０００７】
第１の突起どうしの間隔と第２の突起どうしの間隔とが同じ長さであることが好ましい。
【０００８】
本願第２の発明による光スキャナは、平面である光反射面及び裏面を有し、第１の回動軸回りに回動する可動部を備え、可動部は、裏面上に正方格子状のマスキングを設けた後、異方性エッチングすることにより形成される正四角錐状の複数の凹部を有し、複数の凹部は、格子状に裏面上に並べられることを特徴とする。
【０００９】
可動部の周囲に設けられる可動支持部と、可動支持部に対して第１の回動軸周りに回動自在となるように可動部を支持する第１の支持部と、可動支持部の周囲に設けられる固定部と、第１の回動軸と平行でない第２の回動軸周りに回動自在となるように固定部に対して可動支持部を支持する第２の支持部とをさらに備えることが好ましい。
【００１０】
可動部は、板状の八角形であって、第１の回動軸に対して直角な２つの側面と、第１の回動軸に対して平行な２つの側面とを有し、第１の回動軸に対して平行な２つの側面から直角に突出する複数の第１の櫛歯電極を有し、第１の支持部は、第１の回動軸に対して直角な２つの側面の中央に接続され、可動支持部は、複数の第１の櫛歯電極に対して交互かつ平行に可動部に向けて突出する第２の櫛歯電極を有することが好ましい。
【００１１】
可動支持部は、板状の八角形であって、可動部よりも大きい八角形の孔部を有し、孔部は、第１の回動軸に対して直角な２つの内側面と、第１の回動軸に対して平行な２つの内側面とを有し、第２の櫛歯電極は、第１の回動軸に対して平行な２つの内側面から直角に突出し、第１の支持部は、第１の回動軸に対して直角な２つの内側面の中央に接続され、可動支持部の外側面は、第１の回動軸に対して直角な２つの外側面と、第１の回動軸に対して平行な２つの外側面とを有し、第２の支持部は、第１の回動軸に対して平行な２つの外側面の中央から直角に突出し、第２の支持部から第２の回動軸に対して直角に突出する第３の櫛歯電極を有し、固定部は、複数の第３の櫛歯電極に対して交互かつ平行に第２の支持部に向けて突出する第４の櫛歯電極を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、周辺部材に振動が伝わることを極力防止可能な可動部を備える光スキャナを得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】光スキャナの背面斜視図である。
【図２】可動部の一部正面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における可動部の一部断面図である。
【図４】可動部の背面の一部拡大断面図である。
【図５】可動部中心からの距離と可動支持部の変位との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明による光スキャナ１００について図を用いて説明する。
【００１５】
まず、静止状態における光スキャナ１００の構成について、図１から４を用いて説明する。なお、図２のＩＶ−ＩＶ線における可動部の一部断面形状は、図３に示す形状と同様である。
【００１６】
光スキャナ１００は、八角形の板である可動部２００と、可動部２００の周囲を取り囲むように設けられるジンバル部３００とを有する。
【００１７】
可動部２００は、厚みを有する正八角柱であって、厚みは、正八角形の一辺の長さよりも極めて小さい。正八角柱の頂面は鏡面である光反射面２０１を成し、底面は裏面２０２を成す。光反射面２０１と裏面２０２との間の長さは約２から５μｍである。正四角錐状の複数の凹部２０３が裏面２０２に形成される。
【００１８】
ジンバル部３００は、可動部２００と同じ厚みを有する角筒である。角筒は厚さ方向に貫通する開口部３１０を有する。角筒の外縁３０１及び開口部３１０は八角形を成す。開口部３１０の中には可動部２００が置かれる。
【００１９】
可動部２００は、第１のＸ方向支持軸２１１及び第２のＸ方向支持軸２１２により開口部３１０と接続される。第１のＸ方向支持軸２１１及び第２のＸ方向支持軸２１２は、第１の回動軸Ｌ上に設けられ、可動部２００の側面の中央と、開口部３１０の側面の中央とに接続される。第１のＸ方向支持軸２１１が接続される可動部及び開口部３１０の側面と、第２のＸ方向支持軸２１２が接続される可動部及び開口部３１０の側面とは、互いに平行である。第１及び第２のＸ方向支持軸２１１、２１２が接続される可動部及び開口部３１０の側面は、第１の回動軸Ｌに対して直角である。
【００２０】
第１の回動軸Ｌに対して平行である可動部２００の側面から、第１及び第２の可動部側櫛歯電極２２１、２２２が直角に突出する。第１及び第２の可動部側櫛歯電極２２１、２２２は、複数の直方体から成り、一定の間隔を置いて並べられる。
【００２１】
第１の回動軸Ｌに対して平行である開口部３１０の側面から、第１及び第２のジンバル側櫛歯電極３２１、３２２が直角に突出する。第１及び第２のジンバル側櫛歯電極３２１、３２２は、複数の直方体から成り、第１及び第２の可動部側櫛歯電極２２１、２２２と交互になるように、一定の間隔を置いて並べられる。
【００２２】
ジンバル部３００は、第１のＹ方向支持軸３１１及び第２のＹ方向支持軸３１２により図示しない固定部と接続される。第１のＹ方向支持軸３１１及び第２のＹ方向支持軸３１２は、第１の回動軸Ｌに対して直角である第２の回動軸Ｍ上に設けられる。第１のＹ方向支持軸３１１は、ジンバル部３００の１つの外側面の中央に接続され、第２のＹ方向支持軸３１２は、ジンバル部３００の他の外側面の中央に接続される。第１のＹ方向支持軸３１１が接続される外側面は、第２のＹ方向支持軸３１２が接続される外側面と平行であると共に、第１の回動軸Ｌに対して平行である。第１のＹ方向支持軸３１１及び第２のＹ方向支持軸３１２は、弾性力を有する第１及び第２のヒンジ部３３１、３３２を介して固定部と接続される。
【００２３】
以下、第１の回動軸Ｌが延びる方向をＸ軸、第２の回動軸Ｍが延びる方向をＹ軸、可動部２００の厚さ方向をＺ軸とする右手系座標を用いて説明する。
【００２４】
第１のＹ方向支持軸３１１及び第２のＹ方向支持軸３１２から第２の回動軸Ｍに対して直角に、第１から第８の支持軸側櫛歯電極３２１−３２８が直角に突出する。第１から第４の支持軸側櫛歯電極３２１−３２８は、複数の直方体から成り、一定の間隔を置いて並べられる。
【００２５】
第１のＹ方向支持軸３１１及び第２のＹ方向支持軸３１２に向けて固定部から図示しない第１から第８の固定部側櫛歯電極が直角に突出する。第１から第８の固定部側櫛歯電極は、複数の直方体から成り、第１から第８の支持軸側櫛歯電極３２１−３２８と交互になるように、一定の間隔を置いて並べられる。
【００２６】
次に、裏面２０２の形状について説明する。
【００２７】
裏面２０２には、第１及び第２の突起２４０、２５０が設けられる。第１及び第２の突起２４０、２５０は、裏面２０２から一定の長さで突出し、格子を形成する。
【００２８】
第１の突起２４０は、等脚台形形状を成す頂面２４１及び底面を有する角柱である。等脚台形の底辺を有する側面が裏面２０２に接続される。角柱の高さ方向、すなわち第１の突起２４０の長手方向は、裏面及び第１の回動軸Ｌに対して平行である。第１の突起２４０は複数であって、互いに等間隔かつ平行である。
【００２９】
第２の突起２５０は、第１の突起２４０と同形状の角柱である。等脚台形の底辺を成す側面が裏面２０２に接続される。角柱の高さ方向、すなわち第２の突起２５０の長手方向は、裏面及び第２の回動軸Ｍに対して平行である。つまり、第２の突起２５０の長手方向は、第１の突起２４０の長手方向と直角に交わる。第２の突起２５０は複数であって、互いに等間隔かつ平行である。また、第１の突起２４０どうしの間隔と第２の突起２５０どうしの間隔は、同じである。
【００３０】
第１及び第２の突起２４０、２５０は、格子状に配された凸部を裏面２０２に形成し、第１の突起２４０と第２の突起２５０との間に正四角錐状の凹部２０３が形成される。
【００３１】
正四角錐状の凹部２０３は、異方性エッチングにより形成される。ウェハ上に正方格子状のマスキングを施し、ＫＯＨ、あるいは水酸化テトラメチルアンモニウムを用いてウェットエッチングの１つである異方性エッチングを行う。マスキングを施された部位が第１及び第２の突起２４０、２５０における等脚台形の断面において、頂辺を形成する。異方性エッチングは、マスキングされた部位から斜め方向にウェハを腐食させる。腐食により、正四角錐状の凹部２０３の斜面が形成される。等脚台形の長辺と正四角錐の斜面との角度は約５４．７度である。正方格子状のマスキングにおいて、格子どうしの距離は、光反射面２０１と裏面２０２との間の長さが約２から５μｍとなるように決定される。これにより、複数の正四角錐状の凹部２０３が格子状に裏面２０２上に並べられる。
【００３２】
他方、Ｄｅｅｐ  ＲＩＥにより凹部２０３を形成する手法を採ることも考えられるが、Ｄｅｅｐ  ＲＩＥによれば凹部は直方体状に形成される。このとき、凹部の底部を平滑に形成させることが困難であるため、可動部２００全体において均一な重量分布及び強度分布を得ることができない。そのため、可動部２００の共振周波数に個体差が生じる可能性がある。しかし、本実施形態によれば、Ｄｅｅｐ  ＲＩＥによるエッチング手段よりも可動部２００全体が均一な重量分布及び強度分布を得ることができるため、可動部２００の共振周波数における個体差を抑えることができる。
【００３３】
次に、光スキャナ１００の動作について説明する。
【００３４】
まず、可動部２００の回動について説明する。
【００３５】
図示しない電源装置により、第１及び第２の可動部側櫛歯電極２２１、２２２と第１及び第２のジンバル側櫛歯電極３２１、３２２との間に電位差が与えられると、第１及び第２の可動部側櫛歯電極２２１、２２２と第１及び第２のジンバル側櫛歯電極３２１、３２２との間には、静電力により互いに引き合う引力、すなわち静電引力が生じる。ここで、第１及び第２の可動部側櫛歯電極２２１、２２２と第１及び第２のジンバル側櫛歯電極３２１、３２２との間に静電引力が生じさせる駆動トルクＴは、第１及び第２の可動部側櫛歯電極２２１、２２２と第１及び第２のジンバル側櫛歯電極３２１、３２２との間の電位差、すなわち光スキャナ１００の駆動電圧に応じて増減する。可動部２００が共振現象により共振周波数ｆｒで回動するように、駆動電圧が調整される。
【００３６】
そして、静電引力により第１及び第２のＸ方向支持軸２１１、２１２が捻れて、第１及び第２の可動部側櫛歯電極２２１、２２２が第１及び第２のジンバル側櫛歯電極３２１、３２２と重なりあう方向に移動する。これにより可動部２００が第１及び第２のＸ方向支持軸２１１、２１２周り、つまり第１の回動軸回りに回動する。可動部２００が回動すると、ジンバル部３００に対する光反射面２０１の角度が変化し、光反射面２０１による反射光の射出方向が変化する。
【００３７】
第１及び第２のＸ方向支持軸２１１、２１２回りに回動する可動部２００の共振周波数ｆｒは、以下の式による。
ｆｒ＝（１／２π）√（ｋ／Ｉ）      （１）
ここで、ｋはねじりバネ定数、Ｉは慣性モーメントである。この式を参照すると、共振周波数ｆｒは、ねじりバネ定数ｋと慣性モーメントＩとにより決定されることがわかる。
【００３８】
一方、光スキャナ１００の駆動トルクＴは以下の式による。
Ｔ＝ｋθ      （２）
ここで、ｋはねじりバネ定数、θは可動部２００の振れ角度である。この式により、駆動トルクＴが一定の場合、ねじりバネ定数ｋを小さくすると、振れ角度θが大きくなることがわかる。なお、光スキャナ１００の駆動電圧を一定にしたとき、駆動トルクＴが一定となる。
【００３９】
式（１）から、共振周波数ｆｒを一定に保持しようとするとき、慣性モーメントＩを小さくすれば、ねじりバネ定数ｋを小さくすることができる。ねじりバネ定数ｋを小さくすることができれば、式（２）より、振れ角度θを大きくすることができる。
【００４０】
ここで、可動部２００の慣性モーメントＩは一般に次式により求められる。
Ｉ＝（ａ２＋ｂ２）・Ｍ／１２      （３）
ここで、Ｍは可動部２００の質量、ａは可動部２００の回動軸に対して直角方向に対する可動部２００の長辺方向長さ、ｂは回動軸に対して直角方向に対する可動部２００の短辺方向長さである。すなわち、慣性モーメントＩは、回動軸からの距離と質量の積で表される。そのため、回動する部位の質量を軽くできれば、慣性モーメントＩを小さくすることができる。
【００４１】
本実施形態では、可動部２００の裏面２０２に凹部２０３が形成されない場合と比較して、可動部２００の質量が小さくなる。そのため、可動部２００の慣性モーメントＩが小さくなり、駆動電圧が等しい条件では従来と比較して共振周波数ｆｒ及び振れ角度θを大きくすることができる。すなわち、可動部２００の共振周波数ｆｒは、裏面２０２に凹部２０３を形成しない場合、５．７４ｋＨｚであるが、本実施形態によれば６．５３ｋＨｚであり、約１ｋＨｚ共振周波数を高くすることができる。
【００４２】
次に、ジンバル部３００の回動について説明する。
【００４３】
図示しない電源装置により、第１から第８の支持軸側櫛歯電極３２１−３２８と第１から第８の固定部側櫛歯電極との間に電位差が与えられると、第１から第８の支持軸側櫛歯電極３２１−３２８と第１から第８の固定部側櫛歯電極との間には、静電力により互いに引き合う引力、すなわち静電引力が生じる。この静電引力により、ジンバル部３００は固定部に対して回動する。ここで、ジンバル部３００は、共振現象を利用せずに第１から第８の支持軸側櫛歯電極３２１−３２８と第１から第８の固定部側櫛歯電極との間に生じる電位差のみにより回動する、すなわちＤＣ駆動される。
【００４４】
可動部２００が高周波数で回動する場合、可動部２００の慣性質量によって生じた振動がジンバル部３００に伝わることがある。これにより、ジンバル部３００が波打つ、すなわちジンバル部３００がＺ軸方向に振動する。この振動は、可動部２００の慣性質量によるものであるため、可動部２００の慣性質量が減少すれば、低減することができる。
【００４５】
図５を用いて、裏面２０２に凹部２０３を形成した場合と形成しない場合におけるジンバル部３００の振動量、すなわちＺ軸正方向における変位について説明する。図５は、最大Ｚ軸方向変位を１μｍとして可動部２００を回動させたときのＺ軸正方向におけるジンバル部３００の変位を示す。
【００４６】
図５において、光反射面２０１の中央からＹ軸正方向に７５０μｍ離れた位置は、可動部２００と第２の可動部側櫛歯電極２２２との接合位置である。また、光反射面２０１の中央からＹ軸正方向に１６００μｍ離れた位置は、ジンバル部３００と第１のＹ方向支持軸３１１との接合位置である。そして、光反射面２０１の中央からＹ軸正方向に２３００μｍ離れた位置は、第１のＹ方向支持軸３１１の最先端、つまり第２のＹ方向支持軸３１２と第２のヒンジ部３３２との接合部である。
【００４７】
第２のＹ方向支持軸３１２のＺ軸正方向に対する変位は、ジンバル部３００との接合位置において、裏面２０２に凹部２０３を形成しない場合、０．０６５μｍ変位する。一方、本実施形態によれば０．０４７μｍ変位する。
【００４８】
第２のＹ方向支持軸３１２のＺ軸正方向に対する変位は、第２のヒンジ部３３２との接合位置において、裏面２０２に凹部２０３を形成しない場合、０．０５０μｍ変位する。一方、本実施形態によれば０．０２８μｍ変位する。
【００４９】
すなわち、裏面２０２に凹部２０３を形成した場合、形成しない場合と比較して、可動部２００の周辺部材における振動量、すなわちＺ軸正方向における変位が減少する。
【００５０】
本実施形態によれば、ジンバル部３００などの周辺部材に、可動部２００の振動が伝わることを極力防止でき、これにより正確に光を反射できる。また、第１及び第２の突起２４０、２５０が格子状に配されるため、可動部２００の強度を十分に確保することができる。これにより、回動による回動部の歪みを最小限に抑えて、所望の方向へ正確に光を反射することができる。
【００５１】
なお、回動軸が２軸の光スキャナ１００について説明したが、回動軸は２軸に限定されない。
【００５２】
また、異方性エッチングに用いられる薬剤は、ＫＯＨ、あるいは水酸化テトラメチルアンモニウムに限定されない。
【符号の説明】
【００５３】
１００  光スキャナ
２００  可動部
２０１  光反射面
２０２  裏面
２０３  凹部
２１１  第１のＸ方向支持軸
２１２  第２のＸ方向支持軸
２２１  第２の可動部側櫛歯電極
２４０  第１の突起
２５０  第２の突起
３００  ジンバル部
３１０  開口部
３１１  第１のＹ方向支持軸
３１２  第２のＹ方向支持軸
Ｌ  第１の回動軸
Ｍ  第２の回動軸
【図１】
2011064964.tif 000003
【図２】
2011064964.tif 000004
【図３】
2011064964.tif 000005
【図４】
2011064964.tif 000006
【図５】
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