(57)【要約】【課題】可動部を支持する可動梁に張力を生じさせ、沈み込みを防止することができる光偏向装置を提供する。【解決手段】光偏向装置は、基板と、可動部と、一対の支持部と、一対の可動梁を備えている。可動部は、少なくとも１つの開口部を形成する枠形状を備えている。各々の支持部は、基板に固定されて基板から上方に伸びている。一対の支持部は、間隔を挟んで相互に離間しているとともに開口部内に配置されている。各々の可動梁は、対応する支持部と可動部の開口部の内周面とを接続している。一対の可動梁は、基板の表面に平行な同一直線上を伸びて、可動部を直線の周りに揺動可能に支持している。枠形状の可動部のうち、少なくとも間隔に沿って伸びる範囲に、基板よりも熱膨張係数が低い材料で形成されている低熱膨張部分が存在する。【選択図】図１
2011123364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の反射方向を変化させる光偏向装置であって、
基板と、可動部と、一対の支持部と、一対の可動梁を備えており、
可動部は、少なくとも１つの開口部を形成する枠形状を備えており、
各々の支持部は、基板に固定されて基板から上方に伸びており、
一対の支持部は、間隔を挟んで相互に離間しているとともに前記開口部内に配置されており、
各々の可動梁は、対応する支持部と前記可動部の開口部の内周面とを接続しており、
一対の可動梁は、基板の表面に平行な同一直線上を伸びて、前記可動部を前記直線の周りに揺動可能に支持しており、
前記枠形状の可動部のうち、少なくとも前記間隔に沿って伸びる範囲に、前記基板よりも熱膨張係数が低い材料で形成されている低熱膨張部分が存在する
ことを特徴とする光偏向装置。
【請求項２】
可動部および一対の可動梁の全体が、前記低熱膨張部分とされている
ことを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
【請求項３】
基板と低熱膨張部分が、シリコンと酸化シリコンの積層材料で形成されており、
基板においてシリコンに対して酸化シリコンが占める比率よりも、低熱膨張部分においてシリコンに対して酸化シリコンが占める比率の方が高くされている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向装置。
【請求項４】
光の反射方向を変化させる光偏向装置であって、
基板と、可動部と、一対の支持部と、一対の可動梁を備えており、
可動部は、少なくとも１つの開口部を形成する枠形状を備えており、
各々の支持部は、基板に固定されて基板から上方に伸びており、
一対の支持部は、間隔を挟んで相互に離間しているとともに前記開口部内に配置されており、
各々の可動梁は、対応する支持部と前記可動部の開口部の内周面とを接続しており、
一対の可動梁は、基板の表面に平行な同一直線上を伸びて、前記可動部を前記直線の周りに揺動可能に支持しており、
前記一対の可動梁に引っ張り応力が作用している
ことを特徴とする光偏向装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、光ビームの反射方向を変える光偏向装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上のミラーの外側の位置に一対の支持点を作成し、支持点の各々からミラー外周の両端２点をトーションビームで支持する構造を備える光偏向装置が開示されている。トーションビームは回動軸として作用する。そして、ミラーに静電気力などの力を加えることにより、トーションビームをねじることで、ミラーの回転動作を行なわせる。トーションビームのねじり剛性を低くすると小さな駆動力でミラーを動かすことができるが、沈み込みが発生しやすくなり、所望の傾き角を得ることが困難となる。特許文献１には、トーションビームに張力を生じさせることで、ミラーの沈み込み方向の剛性を高める技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２１６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光偏向装置の材料として、基板の熱膨張係数よりも小さな熱膨張係数を有する材料が用いられる場合がある。高温プロセスが終了し、光偏向装置が収縮する場合には、ミラーおよびトーションビームの収縮割合よりも、支持点間距離の収縮割合の方が大きくなる場合がある。すると、トーションビームに張力が印加されず、逆に押しつぶす力がかかることで、ミラーの沈み込みを防止することが困難となる場合がある。
【０００５】
本願では、光偏向装置の材料の熱膨張係数の値にかかわらず、トーションビームに張力を生じさせ、沈み込みを防止することができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書によって開示される技術は、光ビームの反射方向を変える光偏向装置に関する。この光偏向装置は、基板と、可動部と、一対の支持部と、一対の可動梁を備えている。可動部は、少なくとも１つの開口部を形成する枠形状を備えている。各々の支持部は、基板に固定されて基板から上方に伸びている。一対の支持部は、間隔を挟んで相互に離間しているとともに開口部内に配置されている。各々の可動梁は、対応する支持部と可動部の開口部の内周面とを接続している。一対の可動梁は、基板の表面に平行な同一直線上を伸びて、可動部を直線の周りに揺動可能に支持している。枠形状の可動部のうち、少なくとも間隔に沿って伸びる範囲に、基板よりも熱膨張係数が低い材料で形成されている低熱膨張部分が存在する。
【０００７】
枠形状を有する可動部の開口部内に支持部が配置されているため、支持部が可動部に囲まれている形状とされている。また、可動梁の各々は、基板の表面に平行な同一直線上を伸びて、開口部の内周面と支持部とを接続している。よって、光偏向装置は、可動部の内側から、開口部の内周面の２点を可動梁で支持する構造を有している。
【０００８】
また、支持部は基板に固定されているため、支持部の間隔部分の熱膨張係数は、基板の熱膨張係数と同一となる。一方、可動部において支持部の間隔に沿って伸びる範囲には、基板よりも熱膨張係数が低い材料で形成されている部分（低熱膨張部分）が存在している。すると、可動部の低熱膨張部分の熱膨張係数と、支持部の間隔部分での熱膨張係数との間には、差が生じる。
【０００９】
光偏向装置を形成するための各種プロセスには、成膜工程などの、数百℃の高温状態で行なわれるプロセスが存在する。そして高温状態のプロセスが終了し、高温状態から室温状態へ戻される際には、光偏向装置が収縮する。このとき、前述した熱膨張係数の差に起因して、支持部の間隔部分の収縮量に対して、可動部の低熱膨張部分の収縮量は小さくなる。すなわち、収縮量の差分だけ、支持部が可動部の中心側へ移動しようとする。そして、本願の光偏向装置は、可動部の内側から可動部を可動梁で支持する構造を有しているため、可動梁が支持部によって引っ張られることになる。これにより、可動梁に張力を印加することが可能となる。
【００１０】
上記の光偏向装置では、可動部および一対の可動梁の全体が、低熱膨張部分とされていてもよい。例えば、可動部および一対の可動梁の表面全体に、熱膨張係数が低い材料が膜状に形成されているとしてもよい。これにより、可動部において支持部の間隔に沿って伸びる範囲に、容易に低熱膨張部分を作成することができる。
【００１１】
上記の光偏向装置では、基板と低熱膨張部分が、シリコンと酸化シリコンの積層材料で形成されていてもよい。そして、基板においてシリコンに対して酸化シリコンが占める比率よりも、低熱膨張部分においてシリコンに対して酸化シリコンが占める比率の方が高くされていてもよい。これにより、酸化シリコンが低熱膨張部分の熱膨張係数に与える影響は、酸化シリコンが基板の熱膨張係数に与える影響よりも大きくされる。そして、酸化シリコンの熱膨張係数の方が、シリコンの熱膨張係数よりも小さい。よって、基板の熱膨張係数よりも低熱膨張部分の熱膨張係数の方を小さくすることができる。なお、シリコンは、単結晶シリコンおよび多結晶シリコンを含む広い概念である。また、酸化シリコンは、熱酸化やＣＶＤ法など、各種の方法によって形成されたものを含む。
【００１２】
また、本願の光偏向装置は、基板と、可動部と、一対の支持部と、一対の可動梁を備えている。可動部は、少なくとも１つの開口部を形成する枠形状を備えている。各々の支持部は、基板に固定されて基板から上方に伸びている。一対の支持部は、間隔を挟んで相互に離間しているとともに開口部内に配置されている。各々の可動梁は、対応する支持部と可動部の開口部の内周面とを接続している。一対の可動梁は、基板の表面に平行な同一直線上を伸びて、可動部を直線の周りに揺動可能に支持している。一対の可動梁に引っ張り応力が作用している。可動梁に張力を加えることにより、揺動方向（可動梁の周りの回転方向）の剛性に比して、上下方向の剛性を高めることができるため、可動部の沈み込みを防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本願によれば、光偏向装置の材料の熱膨張係数の値にかかわらず、可動梁に張力を生じさせ、可動部の沈み込みを防止することができる技術を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施例の光偏向装置の斜視図である。
【図２】本実施例の光偏向装置の断面図である。
【図３】本実施例の光偏向装置の上面図である。
【図４】光偏向装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に説明する実施例の主要な特徴を整理しておく。
（特徴１）可動部および一対の可動梁は多結晶シリコンで形成されており、その表面に熱酸化膜が形成されている。
【実施例】
【００１６】
図面を参照して実施例を説明する。図１に、光偏向装置１００の斜視図を示す。光偏向装置１００は、基板１２上に立設している。光偏向装置１００は、可動部４２と、一対の支持部１９ａおよび１９ｂと、一対の可動梁４１ａおよび４１ｂを備えている。また、支持部１９ａの中心と支持部１９ｂの中心とを結ぶ線の方向を、ｘ方向と定義する。また、基板１２に平行な面内でｘ方向に直交している方向を、ｙ方向と定義する。また、ｘｙ平面に直交し基板１２の上方へ向かう方向を、ｚ方向と定義する。
【００１７】
可動部４２は、開口部４３が形成されることで、枠形状とされている。支持部１９ａおよび１９ｂの各々は、基板１２に固定されて、基板１２から上方に伸びている。一対の支持部１９ａおよび１９ｂは、間隔Ｄ１を挟んで相互に離間している。また、支持部１９ａおよび１９ｂは、ｚ方向の上方から観測したときに、開口部４３の内側に配置されている。
【００１８】
可動梁４１ａおよび４１ｂは、ｘ方向の同一線上に、基板１２の表面と平行に伸びた形状を有して形成されている。可動梁４１ａは、一端が支持部１９ａのｘ方向負側の端部に固定されており、他端は点Ｐ１ａで開口部４３の内周面と接続されている。可動梁４１ｂは、一端が支持部１９ｂのｘ方向正側の端部に固定されており、他端は点Ｐ１ｂで開口部４３の内周面と接続されている。また、可動梁４１ａおよび４１ｂの中心線を通る軸を、揺動軸Ｓ１と定義する。可動部４２は、可動梁４１ａおよび４１ｂによって、揺動軸Ｓ１の周りに揺動可能に支持されている。
【００１９】
以上より光偏向装置１００は、開口部４３の内周面の点Ｐ１ａおよびｐ１ｂを、可動部４２の内側に存在する可動梁４１ａおよび４１ｂによって支持する構造を有している。また、可動梁４１ａおよび４１ｂを支持する支持部１９ａおよび１９ｂが、間隔Ｄ１を挟んで相互に離間している構造を有している。
【００２０】
図２に、図１の光偏向装置１００のＩＩ−ＩＩ線における断面図を示す。基板１２は、単結晶シリコン層１１１の表面に酸化シリコン層１１２が形成されている構造を有する。基板１２の単結晶シリコン層１１１のｚ方向の厚さは５２５（μｍ）、酸化シリコン層１１２のｚ方向の厚さは０．２（μｍ）である。
【００２１】
支持部１９ａは、多結晶シリコン層１１３ａの表面に酸化シリコン層１１４ａが形成されている構造を有する。支持部１９ｂは、多結晶シリコン層１１３ｂの表面に酸化シリコン層１１４ｂが形成されている構造を有する。
【００２２】
可動梁４１ａは、多結晶シリコン層１１５ａの表面に酸化シリコン層１１６ａが形成されている構造を有する。可動梁４１ｂは、多結晶シリコン層１１５ｂの表面に酸化シリコン層１１６ｂが形成されている構造を有する。可動部４２は、多結晶シリコン層１１７の表面に酸化シリコン層１１８が形成されている構造を有する。多結晶シリコン層１１５ａ、１１５ｂ、１１７のｚ方向の厚さは０．３（μｍ）である。また、酸化シリコン層１１６ａ、１１６ｂ、１１８のｚ方向の厚さは０．１（μｍ）である。なお、光偏向装置１００の製造方法の詳細については、従来公知の方法を用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００２３】
また図示しないが、可動部４２上に、支柱部で支えられたミラーが形成される。ミラーを可動部４２と別体で作成することにより、可動部４２よりも広い面積を有するミラーを形成することができる。なお、ミラーの構造は可動部４２との別体構造に限られず、可動部４２の上面に反射膜が形成される構造としてもよい。また、ミラーの詳細な構造の説明は、ここでは省略する。
【００２４】
次に、光偏向装置１００の駆動方法について説明する。可動部４２の下面には、可動部電極（不図示）が形成されている。可動部電極は、揺動軸Ｓ１を中心とした対称位置に形成されている。また基板１２の表面には、可動部電極の対向する位置に、一対の基板電極（不図示）が形成されている。
【００２５】
例えば、可動部電極を接地し、駆動信号生成器（不図示）を用いて、一対の基板電極の一方に駆動電圧を印加すると、接地されている可動部電極と駆動電圧が印加された基板電極との間に静電引力が発生し、可動部４２が基板１２側に吸引される。可動梁４１ａおよび４１ｂはねじり剛性が低いため、可動部４２を揺動軸Ｓ１の周りに揺動させることができる。
【００２６】
次に、可動梁４１ａおよび４１ｂに引張応力を発生させる作用について説明する。まず、熱膨張係数について説明する。ここで、熱膨張係数とは、単位温度当たりにおける、温度の上昇によって物体の長さが膨張する割合である。
【００２７】
酸化シリコンの熱膨張係数の一般的な値は７．０×１０−７（１／Ｋ）、単結晶シリコンの熱膨張係数の一般的な値は２．５×１０−６（１／Ｋ）、多結晶シリコンの熱膨張係数の一般的な値は２．８×１０−６（１／Ｋ）である。単結晶シリコンの熱膨張係数と多結晶シリコンの熱膨張係数とは同程度の値を有している。また酸化シリコンの熱膨張係数は、単結晶シリコンの熱膨張係数および多結晶シリコンの熱膨張係数よりも小さい。この大小関係は、酸化シリコンの形成条件に依存せずに成立する。なお、以下の説明では、単結晶シリコンおよび多結晶シリコンの熱膨張係数を、シリコン熱膨張係数αと定義して説明する。また、酸化シリコンの熱膨張係数を、酸化シリコン熱膨張係数γと定義して説明する。
【００２８】
図２で説明したように、基板１２において、単結晶シリコン層１１１の厚さに対する酸化シリコン層１１２の厚さの比率は十分に小さい。よって、酸化シリコン層１１２が基板１２の熱膨張係数に与える影響を無視することができる。よって、基板１２における間隔Ｄ１の部分の熱膨張係数は、シリコン熱膨張係数αとみなすことができる。
【００２９】
また、支持部１９ａにおいて、多結晶シリコン層１１３ａのｚ方向厚さに対する酸化シリコン層１１４ａのｚ方向厚さの比率は十分に小さい。同様に、支持部１９ｂにおいて、多結晶シリコン層１１３ｂのｚ方向厚さに対する酸化シリコン層１１４ｂのｚ方向厚さの比率は十分に小さい。よって、酸化シリコン層１１４ａおよび１１４ｂが、支持部１９ａおよび１９ｂのｘ方向の熱膨張係数に与える影響を無視することができる。よって、支持部１９ａおよび１９ｂの熱膨張係数も、シリコン熱膨張係数αとみなすことができる。
【００３０】
一方、図２で説明したように、可動梁４１ａにおいて、多結晶シリコン層１１５ａの厚さに対する酸化シリコン層１１６ａの厚さの比率は大きい。よって、酸化シリコン層１１６ａが可動梁４１ａのｘ方向の熱膨張係数に与える影響を無視することはできない。すると、可動梁４１ａのｘ方向の熱膨張係数は、シリコン熱膨張係数αよりも小さい値となる。また同様にして、可動梁４１ｂおよび可動部４２のｘ方向の熱膨張係数も、シリコン熱膨張係数αよりも小さい値となる。ここで、可動梁４１ａ、４１ｂおよび可動部４２のｘ方向の熱膨張係数を、熱膨張係数βと定義する。熱膨張係数βは、酸化シリコン熱膨張係数γよりも大きく、シリコン熱膨張係数αよりも小さい値となる。
【００３１】
次に、可動梁４１ａおよび４１ｂに引張応力を発生させる作用について、図３を用いて説明する。図３は、光偏向装置１００の上面図である。図３に示すように、間隔Ｄ１および支持部１９ａ、１９ｂを含む領域を、領域Ｒ１と定義する。領域Ｒ１のｘ方向の熱膨張係数は、シリコン熱膨張係数αとみなせる。また、枠形状の可動部４２のうち、領域Ｒ１に沿って伸びる範囲を領域Ｒ２（図３の斜線部分）と定義する。領域Ｒ２は、間隔Ｄ１に沿って伸びる範囲を少なくとも有している領域である。領域Ｒ２のｘ方向の熱膨張係数は、熱膨張係数βである。すると、領域Ｒ１と領域Ｒ２との間では、ｘ方向の熱膨張係数の値に差が生じている。なお、可動部４２の領域Ｒ２以外の部分と、可動梁４１ａおよび４１ｂとの間では、熱膨張係数の値に差がないため、熱応力が発生しない。よって以下では、領域Ｒ１およびＲ２に着目して、引張応力を発生させる作用について説明する。
【００３２】
光偏向装置１００を形成するための各種プロセスには、成膜工程などの、数百℃の高温状態で行なわれるプロセスが存在する。高温状態では、光偏向装置１００には応力が発生しておらず、ストレスフリーな状態とされている。そして光偏向装置１００が高温状態から室温状態へ戻されると、光偏向装置１００の全体が収縮するため、熱膨張係数が異なる部分には熱応力が発生する。
【００３３】
ここで、高温状態と室温状態との温度差をＤＴと定義する。また、領域Ｒ１の収縮量を収縮量Ｃ１と定義すると、収縮量Ｃ１は下式（１）により求められる。
収縮量Ｃ１＝シリコン熱膨張係数α×温度差ＤＴ×間隔Ｄ１・・・式（１）
また、領域Ｒ２の収縮量を収縮量Ｃ２と定義すると、収縮量Ｃ２は下式（２）により求められる。
収縮量Ｃ２＝熱膨張係数β×温度差ＤＴ×間隔Ｄ１・・・式（２）
そして、シリコン熱膨張係数α＞熱膨張係数βであるため、収縮量Ｃ１＞収縮量Ｃ２となる。すなわち、領域Ｒ１の方が領域Ｒ２よりもより多く収縮する。その収縮量差ＤＤは、下式（３）により求められる。
収縮量差ＤＤ＝収縮量Ｃ１−収縮量Ｃ２＝（シリコン熱膨張係数α−熱膨張係数β）×温度差ＤＴ×間隔Ｄ１・・・式（３）
【００３４】
よって、支持部１９ａの可動部４２に対する相対的な位置が、収縮量差ＤＤの半分の距離だけ、ｘ方向の正側（図３右側）へ移動する。そして、可動梁４１ａは支持部１９ａと可動部４２とを接続しているため、可動梁４１ａに張力を印加することが可能となる。同様に、支持部１９ｂの可動部４２に対する相対的な位置が、収縮量差ＤＤの半分の距離だけ、ｘ方向の負側（図３左側）へ移動する。そして、可動梁４１ｂは支持部１９ｂと可動部４２とを接続しているため、可動梁４１ｂに張力を印加することが可能となる。
【００３５】
なお、可動梁４１ａおよび４１ｂに印加される張力を大きくするためには、式（３）より、間隔Ｄ１を大きくすればよいことが分かる。
【００３６】
本実施例に係る光偏向装置１００の効果を説明する。本実施例の光偏向装置１００では、第１に、一対の支持部１９ａおよび１９ｂが間隔Ｄ１を挟んで相互に離間する構造とされている。これにより、領域Ｒ１と領域Ｒ２との間で、熱膨張係数の値に差を生じさせることができる。よって、支持部１９ａおよび１９ｂが可動部４２の中心側へ移動するように、熱応力を発生させることができる。また本実施例の光偏向装置１００では、第２に、可動梁４１ａおよび４１ｂが可動部４２の内側に存在する構造を有している。これにより、支持部１９ａおよび１９ｂによって可動梁４１ａおよび４１ｂが引っ張られる形態とすることができる。すなわち、熱応力の発生方向を、可動梁４１ａおよび４１ｂの張力方向に一致させることができる。以上より、光偏向装置１００を構成する材料の熱膨張係数の値にかかわらず、可動梁４１ａおよび４１ｂに張力を印加することができる。よって、揺動方向（可動梁の周りの回転方向）の剛性に比して、上下方向の剛性を高めることができるため、可動部の沈み込みを防止することが可能となる。
【００３７】
なお、開口部の数は１つに限られず、複数あってもよい。図４に示す光偏向装置１００ａのように、複数の開口部４３ａおよび４３ｂがあってもよい。この場合には、領域Ｒ１ａと領域Ｒ２ａとの間での、ｘ方向の熱膨張係数の値の差に起因して、可動梁４１ａおよび４１ｂに張力が印加される。
【００３８】
また本実施例の光偏向装置では、可動部４２および可動梁４１ａ、４１ｂの全体の熱膨張係数が、シリコン熱膨張係数αよりも低くされている場合を説明したが、この形態に限られない。図３において、領域Ｒ２のみの熱膨張係数が、シリコン熱膨張係数αよりも低くされている形態であってもよい。また、領域Ｒ２の熱膨張係数を低下させる方法としては、熱膨張係数の低い材料を領域Ｒ２に膜状に形成する方法が挙げられる。
【００３９】
また、可動部４２および可動梁４１ａ、４１ｂの構成については、特に限定されないことは言うまでもない。
【００４０】
以上、本願の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。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、出願時の請求項に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するものであり、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】
【００４１】
１２  基板
１９ａ、１９ｂ  支持部
４１ａ、４１ｂ  可動梁
４２  可動部
１００  光偏向装置
Ｄ１  間隔
Ｒ１、Ｒ２  領域
【図１】
2011123364.tif 000003
【図２】
2011123364.tif 000004
【図３】
2011123364.tif 000005
【図４】
2011123364.tif 000006